第一章操作系统引论

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于 2023-05-07 15:37:14 首次发布

操作系统是计算机硬件和用户之间的接口，负责资源管理与抽象。从早期无操作系统到批处理、分时、实时系统，再到微机操作系统，其发展反映了技术进步。操作系统具有并发、共享、虚拟化和异步等基本特征，主要功能包括处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理，以及用户接口。现代操作系统还强调系统安全、网络功能和服务及多媒体支持。

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操作系统

操作系统OS是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。

1.1 目标和作用

目标：

方便性
有效性
可扩充性
开放性

作用：

OS 作为用户与计算机硬件系统之间的接口
OS 作为计算机系统资源的管理者
OS 实现了对计算机资源的抽象

1.2 发展过程

1. 未配置操作系统的计算机系统：

在早期的计算机系统中，没有专门的操作系统，程序员需要手动编写程序，并通过控制台进行输入输出操作。这种方式的缺点是效率低下，易出错，且需要大量的人力和物力支持。

2. 单道批处理系统：

在单批处理系统阶段，计算机系统一次只能处理一批作业。用户需要将所有的作业按顺序提交给计算机系统，系统按照提交的顺序依次运行这些作业，直到所有作业都完成。在这种阶段，用户无法与系统进行交互，必须等待当前作业完成后才能提交下一个作业。

3. 多道批处理系统：

多批处理系统引入了并发处理的概念，允许在同一时间内运行多个作业。用户可以将多个作业提交给计算机系统，系统会根据一定的调度策略将这些作业交替地运行在处理器上，以提高计算机系统的利用率。多批处理系统通常采用时间片轮转的方式，每个作业被分配一个小的时间片，在时间片用尽后，系统会切换到下一个作业。

4. 分时系统：

20世纪60年代，随着计算机的快速发展和应用需求的增加，分时操作系统出现了。分时操作系统可以同时支持多个用户和程序，每个用户和程序都能够通过终端或者远程终端登录到系统中，并且独立地使用系统资源。分时操作系统提高了计算机的效率，增加了系统的可用性和灵活性。

5. 实时系统：

20世纪70年代后期，随着工业自动化和航空航天技术的发展，实时操作系统逐渐成为主流。实时操作系统能够及时响应外部事件和请求，处理高速数据流和实时控制系统。实时操作系统的关键特性是响应时间和可靠性。

6. 微机操作系统：

微机操作系统是指用于个人计算机（微型计算机）的操作系统。微机操作系统最早出现在上世纪70年代末和80年代初，随着个人计算机的普及和发展，它逐渐成为主流。

1.3 基本特征

并发（Concurrency）：

并行是指两个或多个事件在同一时刻发生。
并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

进程：

进程是计算机中正在运行的程序的实例。它是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。

共享（Sharing）：

操作系统通过提供资源共享机制，使多个进程能够共同访问和利用计算机系统的资源，如内存、磁盘、打印机等。共享可以提高系统的资源利用率，减少资源浪费。

互斥共享方式（Mutual Exclusion）：互斥共享是一种通过互斥操作来保证同一时间只有一个任务能够访问共享资源的机制。
同时访问方式（Concurrent Access）：有些共享资源可以支持多个任务同时访问，而无需进行互斥操作。

虚拟（Virtualization）：

        在操作系统中，虚拟（Virtual）是指通过软件机制模拟或创建一个抽象的环境或资源，使其对用户或应用程序透明且具备类似于实际环境或资源的功能和特性。虚拟化技术在操作系统中有广泛的应用，包括虚拟内存、虚拟设备、虚拟机等。

        时分复用技术：

        时分复用是一种将时间划分为多个时隙，并将不同的实体分配给不同的时隙的技术。在时分复用中，共享资源的使用被划分为不重叠的时间片段，每个实体在分配给它的时间片段内独占资源。这样，每个实体在不同的时间段内可以独立地使用资源，实现资源的共享和利用。

        空分复用技术：

        空分复用是一种将共享资源在空间上划分为多个独立的区域，并将不同的实体分配给不同的区域的技术。在空分复用中，资源被划分为多个空间分区，每个实体独占一个或多个分区。这样，每个实体在自己的空间分区内可以独立地使用资源，实现资源的共享和利用。

异步（Asynchrony）：

操作系统能够处理和响应异步事件。异步事件包括中断请求、外部设备的输入输出等。操作系统通过中断机制和事件驱动机制来处理异步事件，能够及时响应和处理外部事件，提供高效的输入输出和响应机制。

1.4 主要功能

处理机管理功能

进程控制：进程控制是操作系统对进程的创建、执行和终止进行管理和控制的过程。

进程同步：进程同步是指操作系统提供的机制，用于协调并发执行的进程之间的操作顺序和访问共享资源的方式。

进程通信：进程通信是指操作系统提供的机制，使不同进程之间能够进行数据交换和信息共享。

调度：调度是操作系统根据一定的策略和算法，决定哪个进程获得处理器资源的使用权。

存储器管理功能：

内存分配：内存分配是指操作系统将可用的物理内存空间分配给进程使用的过程。

内存保护：内存保护是指操作系统通过访问权限和地址空间隔离，确保每个进程只能访问自己被授权的内存区域，防止进程之间的互相干扰和非法访问。

地址映射：地址映射是指操作系统将逻辑地址（由进程使用）转换为物理地址（实际的内存地址）的过程。

内存扩充：内存扩充是指操作系统使用外部存储设备（如硬盘）作为虚拟内存，以扩大系统可用的地址空间。