操作系统——1.概述

第一章 概述

1.1 操作系统的概念

• 定义：操作系统是一组控制和管理计算机系统资源的程序集合，它合理地组织多道程序运行，是用户与计算机之间的接口。
• 目标：方便性、有效性、可扩展性、开放性
• 基本特征：并发、共享、虚拟、不确定性

1.2 发展史

• 串行处理 ：无操作系统、操控控制台运行程序、顺序访问
• 简单批处理：监控程序（一批作业自动处理、内存只能存放一道作业）
• 多道批处理：内存中存放多个作业、并发执行（多道程序设计）
• 分时系统 ：系统将处理机分成时间片，为每个终端用户服务。多路性、独立性、及时性、交互性
• 实时系统 ：在确定时间内完成事件/做出响应，特点是响应及时、可靠性高

1.3 操作系统的主要功能

• (1) 处理器管理
  ­ 进程：一个正在执行的程序、正在运行的程序的一个实例、由处理器执行的一个实体
  ­ 进程组成：一段可执行的程序、程序所需相关数据、执行上下文(进程状态、数据)
  ­ 进程控制：为作业创建进程、撤销已结束的进程、控制进程在运行过程中的状态转换。
  ­ 进程调度：把CPU分配给进程使之运行。
  ­ 进程同步：为多个进程的运行进行协调。
  ­ 进程通信：进程之间的信息交换。
• (2) 存储器管理
  ­ 内存分配：为每个作业分配内存空间
  ­ 内存保护：确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。
  ­ 内存映射：运行时，将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。
  ­ 内存扩充：借助于虚拟存储技术从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多。
  ­ 文件系统：长期存储
  ­ 虚拟存储：程序以逻辑方式访问存储器、分页机制
• (3) 设备管理
  ­ 设备缓冲：有效地缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率。
  ­ 设备分配：根据用户进程的I/O请求，按照某种策略，为之分配所需的设备。
  ­ 设备驱动：用于实现CPU和设备控制器之间的通信。
• (4) 文件管理
  ­ 文件存储：基于某种数据结构对存储空间进行分配和回收的功能。
  ­ 文件组织：为每个文件建立目录项，并对众多的目录项加以有效地组织和管理，以实现按名存取等功能。
  ­ 文件读写：根据用户的请求，从外存中读取数据或将数据写入外存。
  ­ 文件保护：防止未经核准的用户存取文件，防止以不正确的方式使用文件。

1.4 信息保护和安全

• 可用性：保护系统不被中断
• 机密性：保证用户不能读取未授权访问的数据
• 完整性：保护数据不被未授权修改
• 认证 ：涉及用户身份的正确认证和消息或数据的合法性

1.5 操作系统的基本特征

(1) 并发性

一些概念：

• 并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生(宏观上并行，微观上存在顺序性)
• 并行：两个或多个事件在同一时刻发生
• 程序：静态实体，无法并发
• 进程：动态实体，可并发执行
  单处理机系统：进程可并发执行，无法并行执行
  多处理机系统：进程既可并发执行，又可并行执行
  并发性： 在多道程序环境下，在一段时间内，有多个任务同时运行

(2) 共享性
概念：系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

共享资源类型

• 临界资源：在一段时间内，只允许一个进程访问
• 非临界资源：在一段时间内，允许多个进程访问

共享方式

• 互斥共享方式：对临界资源的访问，如打印机
• 同时访问方式：对非临界资源的访问，如磁盘

(3) 虚拟性
通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。

实现方式

• 时分复用技术（虚拟处理机、虚拟设备）
• 空分复用技术（虚拟磁盘、虚拟内存）

(4) 异步性（不确定性）

在多道程序环境下，程序执行过程的不确定性（何时执行、执行顺序、完成所需时间）。

通常而言，操作系统的不确定性是指异步性，而非程序执行结果的不确定性。

不确定性是并发与共享的必然结果。

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征它们又是互为存在的条件，虚拟技术为共享提供了更好的条件，而并发与共享是导致不确定性的根本原因。

1.6 操作系统的体系结构

• 无结构 ：整体式系统
• 模块化结构：划分若干模块
• 分层式结构：若干层、单向依赖关系
• 微内核 ：客户/服务器模式