操作系统概述

操作系统的概念

• 操作系统是一个最基本也是最重要的系统软件，位于系统软件层次中的最底层。（层次关系具有穿透性：高层软件可以调用所有低层次的软件）
• 操作系统作用：管理系统中的各种资源（负责资源在各个程序之间的调度）；为用户提供友好的界面
• 操作系统的位于硬件层之上、所有其他系统软件之下的一个系统软件，使得管理系统中的各种软件和硬件资源得以充分利用，方便用户用计算机系统。

操作系统的历史

• 产生

1. 手动操作阶段（20世纪40年代）
2. 批处理阶段（20世纪50年代）：1）联机批处理，操作员将卡片依次放到读卡机上                                                                                             2）脱机批处理，把输入输出操作交给一个功能较为单纯的卫星机区
3. 执行系统阶段（20世纪60年代初）：一是通道的引入，二是通道中断主机功能的出现。（作业由读卡机到磁带机的传输以及结果由磁带机到打印机的传输均由通道完成，非联机，非脱机——假脱机；通道取代了卫星机，免去了手动装卸磁带的麻烦）

• 完善

1. 多道批处理系统（20世纪60年代初）：发现内存中同时存放多道作业的有利的。一道作业因为等待I/O传输完成而暂时不能运行时，系统可以将处理机资源分配给另一个可以运行的程序。
2. 分时系统（20世纪60年代初中期）：为达到联机操作的目标，出现了分时系统。分时系统由一台主机和若干台与其相连的终端所构成，用户可以在终端上输入和运行他的程序，系统采用对话的方式为各台终端上的用户服务，便于程序动态修改和调试，缩短了程序的处理周期。
3. 实时处理系统（20世纪60年代中）：工业自动化、医疗诊断、航班订票     （1、2、3为传统操作系统的三大类别）
4. 通用操作系统（20世纪60年代后）：将多道批处理、分时、实时等功能结合在一起，构造出多功能的通用操作系统。通用操作系统可同时处理实时任务、接受终端请求、运行成批作业。（庞大、复杂、造价高）

• 发展

1. 硬件体系结构由集中向分散发展，出现了计算机网络
2. 微处理器技术发展，家庭和商用微型计算机得到了普及
3. 科学军事领域的使用，出现了并行操作系统
4. 传统的操作系统以计算机为中心。处理机芯片和各种存储介质在控制领域的广泛应用，嵌入式和智能卡操作系统应运而生
5. 伴随后摩尔定律时代的到来，提高单处理器速度已近极限，多核技术应运而生

操作系统的特性

• 并发性：计算机系统中同时存在多个程序。宏观上看这些程序是同时向前推进的。并行，微观上；并发，宏观上。
• 共享性：操作系统与多个用户共用系统中的各种资源，这种共享是在操作系统控制下实现的。
• 异步性：中断的发生时刻是不确定的，因而操作系统的运行轨迹是异步的、不可预知的。
• 虚拟性：物理实体是实际存在的，而逻辑实体则是虚化的。

操作系统的分类

• 多道批处理操作系统：以脱机操作为标志的操作系统，特别适合于处理运行时间比较长的程序。
• 分时操作系统：以联机操作作为标志的操作系统，特别适合于程序的动态调试和修改。
• 实时操作系统：系统能够对外部 请求做出及时的响应。
• 通用操作系统：同时具有分时、实时和批处理功能的操作系统。
• 单用户操作系统：个人计算所配置的操作系统。
• 网络操作系统：用于实现网络通信和网络资源管理的操作系统。各个结点具有自治性。（相互通信；共享资源）
• 分布式操作系统：是网络操作系统的更高级形式，保持网络操作系统的全部功能，同时拥有特征，1)统一的操作系统 2）资源进一步共享 3）可靠性 4）透明性
• 多处理器操作系统：具有公共内存和公共时钟的多CPU系统。
• 嵌入式操作系统：可裁减性、可移植性、可扩展性
• 多媒体操作系统：除具有一般操作系统的功能外，还具有多媒体底层扩充模块，支持高层多媒体信息采集。
• 智能卡操作系统：通常属于个人私用系统。

操作系统的硬件环境

• 定时装置

1. 绝对时钟
2. 间隔时钟

• 系统栈
• 处理器状态及状态转换

1. 处理器状态
2. 状态转换

• 特权指令与非特权指令

1. 特权指令
2. 非特权指令

• 地址映射机构
• 存储保护设施
• 中断装置
• 通道与DMA控制器

操作系统的界面形式

• 交互终端命令
• 图形用户界面
• 作业控制语言
• 系统调用命令

操作系统的运行机理

研究操作系统的几种观点

• 进程观点
• 资源管理观点
• 虚拟机观点