操作系统-第一章-导论

一.操作系统什么

---

1.操作系统的目的

①管理计算机硬件的程序
②用户和计算机硬件的中介
③核心目标——运行用户程序
④面向用户——更方便使用计算机
⑤面向系统——更高效使用计算机：OS是资源分配器(管理所有资源)，OS是控制程序(管理用户程序运行)
Q1：OS具体是管理哪些资源？

2.操作系统的定义

PS:没有一个可广泛接收的定义

• 极大化定义：当你预定一个操作系统时零售商所装的所有东西
  • 随系统不同而变化很大
• 极小化定义：内核才是操作系统
  • 一直运行在计算机上的程序
  • 其他程序为系统程序和应用程序
  • 内核不运行则计算机无法运行
    
    

3.计算机硬件结构

• 一个或多个CPU和若干设备控制器
• 各硬件通过公用总线相连接，总线提供了共享内存的访问
• CPU与设备控制器可并行执行，并竞争内存
• 每个设备控制器负责一类特定的设备
• 每个设备控制器有一个本地缓冲
• CPU在内存和本地缓冲之间传输数据
• I/O控制器从设备到本地缓冲之间传输数据
  
• 协作：控制器通过调用中断通知CPU完成操作
• 操作系统是中断驱动
  • 中断：指当出现需要时，CPU暂时停止当前程序的执行，转而执行处理新情况的程序和执行过程
  • 中断号：外部设备进行I/O操作时产生的中断信号，发送给CPU
  • 中断向量：中断服务程序的入口地址
  • 中断服务程序：执行中断处理的代码
    
    

4.操作系统启动

引导程序：

• 打开电源或重启时被装载
• 通常大多数操作系统存储一个极小的自举程序在ROM或EPROM中，称为固件(Firmware)
  • 极小的自举程序从磁盘上调入完整的引导程序
  • 磁盘上的引导程序可以轻松改写，避免了将引导程序存储在ROM中而改写时改变ROM
• 初始化所有硬件
• 负责装入操作系统内核并开始运行
  
  

二.操作系统的结构

---

1.简单批处理系统

• 自动作业调度
  • 自动从一个运行完的作业转换到下一个作业
• 常驻监控程序
  • 控制作业传输
  • 调度作业运行
• 单道程序设计：在内存一次只能允许一个程序进行运行，在这次程序运行结束前，其它程序不允许使用内存
  
  

2.批处理系统

• 批处理：用户将一批作业提交操作系统后就不再干预，由操作系统控制它们自动运行
• 批处理操作系统：
  • 采用批量处理作业技术的操作系统
  • 单道批处理系统
  • 多道批处理系统
• 特点：
  • 不具有交互性
  • 提高CPU的利用率
    
    

3.多道程序设计

• 定义：在内存中同时存在多道作业，在管理程序控制下相互穿插运行
  • 通过作业调度选中一个作业并运行
  • 当该作业必须等待时(如等待I/O)，切换到另一个作业
• 目的：提高CPU的利用率，充分发挥计算机系统部件的并行性
• 现代操作系统广泛采用多道程序设计技术
  
  

4.分时系统

• 是多道程序设计的延伸
  • Unix是著名的分时操作系统
• 定义：
  • 一种联机的多用户交互式的操作系统
  • 一般采用时间片轮转的方式使一台计算机为多个用户服务
  • 在单位时间内，每个用户获得一个时间片并运行
  • 保证用户获得足够小的响应时间，并提供交互能力
• 原理：
  • 若某个作业在分配的时间片用完之前计算还未完成，该作业就暂时中断，等待下一轮；此时，处理机让给另一个作业使用
  • 每个用户好像独占一台计算机(时间片太小，用户分辨不出)
• 作业分类：
  • 批处理作业
  • 交互作业(响应时间<1s，多道程序设计技术)
• 时间片：
  • 把一段CPU时间按照固定单位进行分割，每个分割得到得时间段称为一个时间片
  • 每个任务依次轮流使用时间片
    
    

三.操作系统类型

---

1.大型机系统

• 简单批处理系统
• 多道程序系统
• 分时系统
• 目标：系统效率
  
  

2.桌面系统

• 个人计算机(PC)
  • 设计目标：用户方便性，响应速度
  • 图形化界面(GUI)
  • 多数技术沿用大型机
    
    

3.嵌入式系统

• 完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统
• 随着单片机的出现而出现
• 特点：
  • 内核较小、专用性强、系统精简、高实时性
• 应用场合：工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理、POS网络、环境工程
  
  

4.手持系统

• 手持设备，如手机、平板
• 资源有限
• 扩展功能：GPS导航、移动支付、位置服务
  
  

5.分布式系统

• 支持分布式处理的软件系统，又称松耦合系统
• 通过网络通信： TCP/IP
• 网络操作系统
• 没有真正意义上的分布式操作系统
• 例：客户机-服务器系统、P2P系统
  
  

6.多处理器系统

• 有多个紧密通信的处理器的系统
  • 并行系统(Parallel System)
  • 紧耦合系统(Tightly Coupled System)
• 多个处理器共享计算机总线、时间、内存和外设等
• 优点：
  • 增加吞吐量
  • 节省资金
  • 增加可靠性
• 分类：
  • 对称多处理(SMP)：①每个处理器运行操作系统的相同副本②许多进程可以立即运行不会降低性能③多数现代操作系统支持SMP
  • 非对称多处理(ASMP)：①各个处理器不对等②一个主处理器，若干从处理器③主处理器为从处理器安排任务④一般用于特定的场景，如游戏、通信等⑤不适合PC，但适合手机等要求功耗的设备
    
    

7.集群系统

• 通过专用网络连接一群计算机，把这些计算机虚拟化为一台有超强计算能力的计算机给用户使用
• 优点：
  • 高性能
  • 低成本
  • 高可扩展性
  • 高可靠性
    
    

四.操作系统的操作和功能

---

1.操作系统的操作

1.双模式

• 允许OS保护自身和其他系统部件
• 用户模式和内核模式
• 由硬件提供模式位
• 特权指令：可能引起系统崩溃的指令，只能运行在内核模式
  • I/O控制、定时器管理、中断管理、获取事件指令等为特权指令
  • 用户通过系统调用运行特权指令；若在用户模式下试图执行特权指令，那么硬件并不执行该指令，而是认为该指令非法，并将其以陷阱形式通知操作系统
    
    

2.I/O和内存保护

• I/O保护：
  • 防止用户程序执行非法I/O
  • 解决方法：所有I/O指令都是特权指令
  • 用户程序通过系统调用进行I/O操作
• 内存保护：
  • 防止内存非法访问
  • 解决方法：存储保护机制
  • 硬件支持
    
    

3.定时器

• 如操作系统不能获得CPU控制权，就无法管理系统
  • 用户程序死循环
  • 用户程序不调用系统调用
• 解决方法：定时器
  • 在一段时间后发生中断，CPU控制权返回操作系统
  • 固定时间和可变时间定时器
  • 利用时钟和计数器实现
    
    

2.操作系统的功能

1.进程管理

• 操作系统的核心目标：运行程序
• 进程：运行中的程序
• CPU/进程管理：对CPU进行管理
• 具体内容：
  • 创建和删除用户和系统进程
  • 暂停和恢复进程
  • 提供进程同步机制
  • 提供进程通信机制
  • 提供死锁处理机制
    
    

2.内存管理

• 程序运行必须的存储设备
  • CPU只能直接访问寄存器、高速缓存和内存
  • 处理前和处理后的所有数据都在内存
  • 执行的指令都在内存
• 内存管理：提供内存的分配、回收、地址转换、共享和保护等功能
  • 提高内存利用率
  • 提高内存访问速度从而提高计算机运行效率
    
    

3.文件管理

• 解决信息在计算机中存储问题
• 以文件为单位，以目录为组织方式构建文件系统
• 内容：
  • 文件逻辑结构
  • 文件物理结构
  • 目录
  • 文件检索方法
  • 文件操作
  • 空闲空间管理
  • 存储设备管理
    
    

4.I/O系统管理

• 管理种类繁多的各种I/O设备，解决计算机中信息的输入和输出问题
• 关键：设备无关性(独立性) :
  • 所有物理设备按照物理特性抽象为逻辑设备
  • 应用程序针对逻辑设备编程
  • 应用程序和物理设备无关
• 内容：
  • 设备管理
  • 设备驱动