操作系统 绪论

计算机系统结构

指计算机系统的组成以及组织方式。
因计算机各组件的功能有限，需要协作完成任务。
工作的控制方式有：
（1）中断向量与中断驱动
（2）中断与陷入
通过系统调用可以实现CPU与I/O的并行工作
存储设备可以速度，成本，易失性形成分层结构

硬件保护：
（1）双模式：用户态，核心态（用户态指执行用户程序时的机器状态，核心态指执行系统程序时的机器状态）
（2）I/O保护：特权指令，非特权指令
（3）CPU保护：定时器，CPU interval， I/O interval
（4）内存保护： 基址寄存器，限长寄存器，越界检测

操作系统的目标，作用以及模型

虚拟机：裸机在每增加一层软件后就形成了一个功能更强大的机器，通常将这个新的机器称为“虚拟机”

操作系统的定义：控制和管理计算机软硬件资源，合理组织计算机的工作流程，以方便用户使用计算机的程序集合

操作系统的设置目标：
（1）管理系统资源，达到系统资源的有效利用和共享
（2）合理组织计算机工作流程，改善系统性能（响应时间和吞吐量）
响应时间：从提出要求到系统做出响应所需要的时间
吞吐量：单位时间内处理作业的数量
（3）提供用户接口，简化用户使用操作
即具有方便性，有效性，可扩充性以及开放性

其层次模型如下

操作系统的五个基本功能

（1）存储管理：内存分配，内存保护，地址映射，内存扩充
（2）处理机管理：进程控制，进程同步，进程通信，进程调度
（3）设备管理：缓存管理，设备分配，设备处理，设备独立性和虚拟设备
（4）文件管理：外存管理，目录管理，文件操作
（5）用户接口：命令接口，程序接口，图形接口

操作系统的形成

发展动力

（1）不断提高资源利用率的需要
（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：单处理机OS,多处理机OS，网络OS

1.无操作系统时代

（1）人工操作方式，其特点为：用户独占系统资源，人机串行，CPU需要等待人工操作
（2）脱机输入输出方式，其优点为：提高CPU利用率，提高输入输出速度

2.批处理系统

（1）单道批处理系统（OS前身）

通过系统配置监督程序（Monitor），用户将需要处理的一批作业按脱机方式输入到磁带中，由主机的监督程序依次读入内存处理，即作业=程序+数据+处理步骤

（2）多道批处理系统

前提：中断技术，通道的出现
通道：专门负责输入输出的硬件装置（输入输出处理机）
用户提交的作业先在外存排成队列，由作业调度程序按照一定的算法从中选择若干作业调入内存，共享系统中的各种资源。
多道程序设计的好处：
（1）提高CPU利用率
（2）提高内存和I/O设备的利用率
（3）提高系统吞吐量
其缺点：
（1）平均周转时间长
周转时间：作业从进入系统到结束并退出系统所经历的时间
（2）无交互能力

多道批处理系统的特征：多道性，无序性，调度性

多道批处理系统需要解决的问题：
（1）处理机分配，回收
（2）存储保护机制
（3）合理的I/O设备分配机制
（4）作业管理：根据情况选择合理的作业调度算法
（5）完善文件管理功能：有效快速的信息检索和存储机制
（6）系统安全保护机制：设置管态/目态 特权指令/非特权指令

3.分时系统

通过一台主机周围连接多个终端，多个用户通过不同终端共享使用主机资源
实现方法：
1.简单分时系统：单道，时间片
2.具有前后台的分时系统：内存分为前台和后台，前台存放分时作业，后台存放批处理作业，仅当前台无作业处理才运行后台作业。
3.多道分时系统

分时系统特征：多路性，交互性，独立性，及时性

分时系统中影响响应时间的因素：
1.时间片
2.用户数
3.系统开销：单道的对换，多道的进程调度与对换
4.对换信息量

4.实时系统

实时指计算机对随机发送的外部事件作出及时的相应并对其进行处理，外部事件指来自与计算机系统所连接设备所提出的服务要求
分类：
1.实时过程控制
2.实时信息处理

实时任务类型：
1.按任务执行是否呈现周期性：
（1）周期性实时任务
（2）非周期性实时任务
即每一个任务是否都有一个截止事件
2.根据对截止时间的要求：
（1）硬实时任务
（2）软实时任务

5.进一步发展

根据计算机体系结构发展，进一步形成了微机操作系统，多处理机操作系统，网络操作系统和分布式操作系统

6.通用操作系统

同时兼顾多道批处理，分时，实时处理的功能。eg. UNIX

7.多处理机操作系统

提高计算机系统性能的途径：
（1）提高元器件的运行速度
（2）改进计算机系统的体系结构

引入多处理机系统MPS的原因：
（1）增加系统吞吐量
（2）有相同处理能力的情况下节省投资
（3）提高系统可靠性；有系统重构能力

网络操作系统

在原有OS之上附加具有实现网络访问的功能模块，除了五大管理功能外还有两大功能：
1.提供高效，可靠的网络通信服务
2.提供多种网络服务功能：远程作业录入，文件传输，电子邮件，远程打印

内装网络OS的三个特点

1.联网能力成为了OS功能的一部分，支持文件复制，电子邮件，远程打印
2.支持多种网络协议，POSIX,TCP/IP
3.内装网络是开放式结构：I/O重定向程序，传输驱动程序等可被动态地装入和卸除

网络操作系统的模型

（1）客户/服务器模型
（2）对等模型（Peer-to-Peer）
各个工作站对等，既可以作为用户来访问其他站点，又可以作为服务器向其他站点提供服务

透明性

某一实际存在的事物具有看来好像不存在的书写（如cache与内存的关系）

分布式操作系统

系统特征

1.透明性：资源共享，分布。
2.自治性：处于分布式系统的多个主机处于平等地位，无主从关系
3.处理能力增强：速度更快，可靠性增强

分布式系统上配置的操作系统，称为分布式操作系统，它与网络操作系统既相似又各有特点，主要在以下五个方面：
1.分布性：分布式操作系统：处理，控制分布
网络操作系统：集中式控制
2.并行性：分布式操作系统：可以将任务分布，并行执行
网络操作系统：无任务分配功能
3.透明性：分布式操作系统：物理位置具有透明性
网络操作系统：操作具有透明性
4.共享性：分布式操作系统：系统中所有软硬件资源所有用户都可以共享
网络操作系统：只能共享服务器中的资源
5.简装修：分布式系统：由于处理，控制分布，以及系统的可重构性，使其具有健壮性
网络操作系统：集中式控制，有潜在的不可靠性

嵌入式系统

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件资源可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

操作系统的特征和性能

五个基本特征：
1.并发性
2.共享性
3.虚拟性
4.异步性：进程异步执行 执行-停止-执行
5.随机性：随时响应不可预测事件

四个基本性能
1.系统效率
2.系统的可靠性和安全性
3.系统的可维护性
4.方便性

UNIX操作系统的特征

1.开放性
2.多用户，多任务
3.功能强大，实现高效
4.丰富的网络功能
5.支持多处理器功能
6.移植性好