从六大角度理解计算机操作系统

【计算机操作系统】

操作系统的概念

• 操作系统（Operating System），简称OS
• OS是计算机系统最基础的系统软件，管理软硬件资源、控制程序执行，改善人机界面，合理组织计算机工作流程，为用户使用计算机提供良好运行环境

操作系统

• 简而言之，操作系统是方便用户、管理和控制计算机软硬件资源的系统程序集合
  #从用户角度看，OS管理计算机系统的各种资源，扩充硬件的功能，控制程序的执行
  #从人机交互看，OS是用户与机器的接口，提供良好的人机界面，方便用户使用计算机
  #从系统结构看，OS是一个大型软件系统，其功能复杂，体系庞大，采用层次式、模块化的程序结构

操作系统的组成

• 进程调度子系统
• 进程通信子系统
• 内存管理子系统
• 设备管理子系统
• 文件管理子系统
• 网络通信子系统
• 作业控制子系统

操作系统的类型

• 从操作控制方式看
  #多道批处理操作系统，采用脱机控制方式
  #分时操作系统，采用交互控制方式
  #实时操作系统
• 从应用领域看
  #服务器操作系统、并行操作系统
  #网络操作系统、分布式操作系统
  #个人及操作系统、手机操作系统
  #嵌入式操作系统、传感器操作系统

【一、资源管理的角度】

操作系统的资源

• 硬件资源
  #处理器、内存、外设
• 信息资源
  #数据、程序

管理计算机系统的软硬件资源

• 处理器资源：哪个程序占有处理器运行？
• 内存资源： 程序/数据在内存中如何分布?
• 设备管理：如何分配、去配和使用设备？
• 信息资源管理：如何访问文件信息？
• 信号量资源：然后和管理进程之间的通信？

屏蔽资源使用的底层细节

• 驱动程序：最底层的、直接控制和监视各类硬件（或文件）资源的部分
• 职责是隐藏底层硬件的具体细节，并向其他部分提供一个抽象的、通用的接口
• 比如说：打印一段文字或一个文件，既不需知道文件信息存储在硬盘上的细节，也不比知道具体打印机类型和控制细节

资源的共享与分配方式

• 资源共享方式
  #独占使用方式
  #并发使用方式
• 资源分配策略
  #静态分配方式（好处：不会死锁；坏处：效率低）
  #动态分配方式（好处：效率高；坏处：可能会死锁）
  #资源抢占方式（好处：效率高，不会死锁；坏处：一旦抢占，原来对资源的使用如何回轨）

【二、程序控制角度】

多道程序同时计算

• CPU速度与I/O速度不匹配的矛盾，非常突出
• 只有让多道程序同时进入内存争抢CPU运行，才可以够使得CPU和外围设备充分并行，从而提高计算机系统的使用效率

多道程序同时计算例

多道程序同时计算的宏观分析

• 甲、乙两道程序
• 独占计算机单道运行时均需1小时，占用CPU时间18分钟，CPU利用率为39%
• 按多道程序设计方法同时运行，CPU利用率50%，由于需提供36分钟的CPU时间，大约运行72分钟。考虑到OS调度开销，实际花费时间还要长些，如80分钟
• 就处理两道作业而言，提高效率33%
  就单道作业而言，延长执行时间20分钟，即延长了33%的时间

多道程序设计及优点

• 多道程序设计：指让多个程序同时进入计算机的主存储器进行计算
• 多道程序设计的特点
  #CPU与外部设备充分并行
  #外部设备之间充分并行
  #发挥CPU的使用效率
  #提高单位时间的算题量

多道程序系统的实现

• 为进入内存执行的程序简历管理实体：
  进程
• OS应能管理与控制进程程序的执行
• OS协调管理各类资源在进程间的使用
  #处理器的管理和调度
  #主存储器的管理和调度
  #其他资源的管理和调度

多道程序系统的实现要点

• 如何使用资源：调用操作系统提供的服务例程（如何陷入操作系统）
• 如何复用CPU：调度程序（在CPU空闲时让其他程序运行）
• 如何使CPU与I/O设备充分并行：设备控制器与通道（专用的I/O处理器）
• 如何让正在运行的程序让出CPU：中断（中断正在执行的程序，引入OS处理）

【三、操作系统控制计算机的角度】

计算机系统操作方式

• OS规定了合理操作计算机的工作流程
• OS的操作接口——系统程序
  OS提供给用户的功能级接口，为用户提供的解决操作计算机和计算共性问题的所有服务的集合
• OS的两类作业级接口
  #脱机作业控制方式：作业控制语言
  #联机作业控制方式：操作控制命令

脱机作业控制方式

• OS：提供作业说明语言
• 用户：编写作业说明书，确定作业加工控制步骤，并与程序数据一并提交
• 操作员：通过控制台输入作业
• OS：通过作业控制程序自动控制作业的执行
• 例：批处理OS的作业控制方式，UNIX的shell程序，DOS的VAT文件

联机作业控制方式

• 计算机：提供终端（键盘/显示器）
• 用户：登录系统
• OS：提供命令解释程序
• 用户：联机输入命令，直接控制作业步的执行
• 例：分时OS的交互控制方式

命令解释程序

• 命令解释程序：接受和执行一条用户提出的对作业的加工处理命令
• 当一个新的批作业被启动，或新的交互型用户登录进系统时，系统就自动的执行命令解释程序，负责读入控制卡或命令行，作出相应解释，并予以执行
• 会话语言：可编程的命令解释程序（UNIX的shell就是典型的会话语言）
• 图形化的命令控制方式
• 多通道交互的命令控制方式

命令解释程序的处理过程

• OS启动命令解释程序，输出命令提示符，等待键盘中断/鼠标点击/多通道识别
• 每当用户输入一条命令（在存在命令缓冲区）并按回车换行时，申请中断
• CPU响应后，将控制权交给命令解释程序，接着读入命令缓冲区内容，分析命令、接受参数，执行处理代码
• 前台命令执行结束后，再次输出命令提示符，等待下一条指令
• 后台命令处理启动后，即可接收下调命令

【四、人机交互的角度】

操作系统的人机交互部分

• OS改善人机界面，为用户使用计算机提供良好的环境
• 人机交互设备包括传统的终端设备和新型的模式识别设备
• OS的人机交互部分用于控制有关设备运行和理解执行设备传来的命令
• 人机交互功能是决定计算机系统友善性的重要因素，是当今OS研发热点

人机交互的初期发展

• 交互式控制方式
  #行命令控制方式：1960年代开始使用
  #全屏幕控制方式：1970年代开始使用
• 死他们付研究所提出的发展计划
  #始于1960年代，1980年代广泛应用
  #强调人而不是技术是人机交互的中心
  #代表性成果：鼠标、菜单与窗口控制

人机交互发展—WIMP界面

• 缘起：70年代后期Xerox的原型机Star
• 特征：窗口（Windows）、图标（Icons）、菜单（Menu）和指示装置（Pointing Devices）为基础的图形用户界面WIMP
• 得益：Apple最初采用并大力推动
• 时间1990年代开始广泛使用
• 不足：不允许同时使用多个交互通道，从而产生人—机交互不平衡

人机交互发展—多媒体计算机

• 缘起：1985年的MPC
• 把音频视屏、图形图像和人机交互控制结合起来，进行综合处理的计算机系统
• 构成：多媒体硬件平台、多媒体OS、图形用户接口、多媒体数据开发工具
• 提供与事件有关的时变媒体界面，既控制信息呈现，也控制何时呈现/如何呈现
• 人机交互界面需要使用多媒体，同时支持多通道交互整合，改善用户体验

人机交互发展—虚拟现实系统

• 缘起：1980年代的虚拟现实新型用户界面
• VR通过计算机模拟三维虚拟世界，根据观察点、观察改变的导航和对周围对象的操作，来模拟临境（身临其境）的感觉
• 支持多通道交互整合，提供良好用户体验
• 支持用户主动参与的高度自然的三维HCI（人机交互），以及语音识别、头部跟踪、视觉跟踪、姿势识别等新型HCI
• 容许用户产生含糊和不精确输入

【五、程序接口的角度】

操作系统的程序接口

• 操作系统的程序接口——系统调用
• 操作系统实现的完成某种特定功能的过程；为所有运行程序提供访问操作系统的接口

系统调用的实现机制

• 陷入处理机制：计算机系统中控制和实现系统调用的机制
• 陷入指令：也称访管指令，或异常中断指令，计算机系统为实现系统调度而引起处理器中断的指令
• 每个系统调用都事先规定了编号，并在约定寄存器中规定了传递给内部处理程序的参数

系统调用的实现要点

• 编写系统调用处理程序
• 设计一张系统调用入口地址表，每个入口地址指向一个系统调用的处理程序，并包含系统调用自带参数的个数
• 陷入处理机制需开辟现场保护区，以保存发生系统调用时的处理期现场

系统调用的实现流程

【六、系统结构的角度】

操作系统软件的规模

• 在计算机软件发展史上，OS是第一个大规模的软件系统
• 1960年代，由OS开发所衍生的体系结构、模块化开发、测试与验证、演化与维护等研究，直接催生了软件工程这一新兴研究领域（另一个催生来源是DB应用引发的需求与规格）
• OS作为大型软件，结构设计是关键

操作系统软件的结构设计

• OS构件
  内核、进程、线程、管程等
• 设计概念
  模块化、层次式、虚拟化
• 内核设计是OS设计中最为复杂的部分

操作系统内核

• 单内核：内核中各部件杂然混居的形态，始于1960年代，广泛使用；如Unix/Linux，及Windows（自称采用混合内核的CS结构）
• 微内核：1980年代始，强调结构性部件与功能性部件的分离，大部分OS研究都集中在此
• 混合内核：微内核和单内核的折中，较多组件在核心太态中运行
• 外内核：尽可能减少内核的软件抽象化和传统微内核的消息传递机制，使得开发者专注于硬件的抽象化；部分嵌入式系统使用

操作系统实现的一种层次结构

操作系统实现的第二种层次结构