第一章 操作系统引论

第一章操作系统引论

1.1操作系统的目标和作用

1.1.1操作系统的目标

• 1、有效性 2、方便性 3、可扩充性 4、开放性

1.1.2操作系统的作用

1、OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

• 1、命令方式 2、系统调用方式 3、图形、窗口方式

2、OS作为计算机系统资源的管理者

OS 的主要功能也正是 针对这四类资源进行有效的管理，即：处理机管理，用于分配和控制处理机；存储器管理， 主要负责内存的分配与回收； I/O 设备管理，负责 I/O 设备的分配与操纵；文件管理，负责 文件的存取、共享和保护。可见，OS 的确是计算机系统资源的管理者。事实上，当今世界 上广为流行的一个关于 OS 作用的观点，正是把 OS 作为计算机系统的资源管理者。

3、OS实现了计算机资源的抽象

对于一个完全无软件的计算机系统(即裸机)，它向用户提供的是实际硬件接口(物理接 口)，用户必须对物理接口的实现细节有充分的了解，并利用机器指令进行编程，因此该物 理机器必定是难以使用的。为了方便用户使用 I/O 设备，人们在裸机上覆盖上一层 I/O 设备 管理软件，由它来实现对 I/O 设备操作的细节，并向上提供一组 I/O 操作命 令，如 Read 和 Write 命令，用户可利用它来进行数据输入或输出，而无需关心 I/O 是如何 实现的。此时用户所看到的机器将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。这就是说， 在裸机上铺设的I/O 软件隐藏了对I/O 设备操作的具体细节，向上提供了一组抽象的 I/O 设备。
OS 是铺设在计算机硬件上的多层系统软件，它们不仅增强了系统的功能， 而且还隐藏了对硬件操作的细节，由它们实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象。值 得说明的是，对一个硬件在底层进行抽象后，在高层还可再次对该资源进行抽象，成为更 高层的抽象模型。随着抽象层次的提高，抽象接口所提供的功能就越来越强，用户使用起 来也更加方便

1.1.3推动操作系统发展的主要动力

1、不断提高计算机资源的利用率
2、方便用户
3、器件的不断更新换代
4、计算机体系结构的不断发展

1.2操作系统的发展过程

1.2.1无操作系统的发展过程

1、人工操作方式

从第一台计算机诞生(1945 年)到 20 世纪 50 年代中期的计算机，属于第一代计算机。
缺点1、用户独占全机。 此时，计算机及全部资源只能由上机用户独占。
缺点2、 CPU 等待人工操作。 当用户进行装带(卡)、卸带(卡)等人工操作时，CPU 及内存等 资源是空闲的。

2、脱机输入/输出方式

该技术是事先将装有用户程序和数据的纸带(或卡片) 装入纸带输入机(或卡片机)，在一台外围机的控制下，把纸带(卡片)上的数据(程序)输入到 磁带上。当 CPU 需要这些程序和数据时，再从磁带上将其高速地调入内存。
优点1：减少了cpu的空闲时间 。装带(卡)、 卸带(卡)以及将数据从低速 I/O 设备送到高 速磁带(或盘)上，都是在脱机情况下进行 的，并不占用主机时间，从而有效地减少了 CPU 的空闲时间，缓和了人机矛盾。
优点2：提高了I/O速度。当 CPU 在运行中需要数据时，是直接从高速的磁带或磁盘上将 数据调入内存的，不再是从低速 I/O 设备上输入，极大地提高了 I/O 速度，从而缓和了 CPU 和 I/O 设备速度不匹配的矛盾，进一步减少了 CPU 的空闲时间。

1.2.2单道批处理系统

1、单道批处理系统的处理过程

自动处理过程是：首先，由监督程序将磁带上的第一个作业装入内 存，并把运行控制权交给该作业。当该作业处理完成时，又把控制权交还给监督程序，再 由监督程序把磁带(盘)上的第二个作业调入内存。计算机系统就这样自动地一个作业一个作 业地进行处理，直至磁带(盘)上的所有作业全部完成，这样便形成了早期的批处理系统。由 于系统对作业的处理都是成批地进行的，且在内存中始终只保持一道作业，故称此系统为 单道批处理系统(Simple Batch Processing System)

2、单道批处理系统的特征

1、自动性
在顺利情况下，在磁带上的一批作业能自动地逐个地依次运行，而无需人 工干预。
2、顺序性
磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内 存的顺序，在正常情况下应完全相同，亦即先调入内存的作业先完成。
3、单道性
内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入 内存运行，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。

1.2.3多道批处理系统

1、引入多道程序设计技术带来的好处

1、提高CPU的利用率
2、可提高内存和I/O设备利用率
3、增加系统吞吐量

2、多道批处理系统的优缺点

1、资源利用率高
2、系统吞吐量大
ps:系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。能提高系统吞吐量的主要原因可归结为：第一，CPU 和其它资源保持“忙碌”状态； 第二，仅当作业 完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。
3、平均周转时间长
作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系 统为止所经历的时间。在批处理系统中，由于作业要排队，依次进行处理，因而作业的周 转时间较长，通常需几个小时，甚至几天
4、无交互能力

3、多道批处理系统需要解决的问题

多道批处理系统是一种有效、但十分复杂的系统。为使系统中的多道程序间能协调地 运行，必须解决下述一系列问题。
**(1) 处理机管理问题。**在多道程序之间，应如何分配被它们共享的处理机，使 CPU 既 能满足各程序运行的需要，又能提高处理机的利用率，以及一旦把处理机分配给某程序后， 又应在何时收回等一系列问题，属于处理机管理问题。
**(2) 内存管理问题。**应如何为每道程序分配必要的内存空间，使它们“各得其所”且不 致因相互重叠而丢失信息，以及应如何防止因某道程序出现异常情况而破坏其它程序等问 题，就是内存管理问题。
**(3) I/O 设备管理问题。**系统中可能具有多种类型的 I/O 设备供多道程序所共享，应如 何分配这些 I/O 设备，如何做到既方便用户对设备的使用，又能提高设备的利用率，这就是 I/O 设备管理问题。
**(4) 文件管理问题。**在现代计算机系统中，通常都存放着大量的程序和数据(以文件形 式存在)，应如何组织这些程序和数据，才能使它们既便于用户使用，又能保证数据的安全 性和一致性，这些属于文件管理问题。
**(5) 作业管理问题。**对于系统中的各种应用程序，其中有的属于计算型，即以计算为主 的程序；有的属于 I/O 型，即以 I/O 为主的程序ÿ