操作系统笔记第一章【操作系统引论】

操作系统引述

操作系统的目标和作用

操作系统的目标

• 方便性

• 有效性

• 可扩充性

• 开放性

方便性：未配置OS的操作系统使用困难，需要懂机器语言才能使用。

有效性：1.提高资源利用率；2.提高系统吞吐量。 OS可对两种情况都有所提高。

可扩充性：从早期的无结构发展成模板化的结构，进而发展为层次化结构。近年来OS广泛采用微内核结构，能方便添加新的功能和模块。

开放性：指系统能遵世界标准规范，特别是遵循开放系统互连OSI国际标准。凡是遵守国际标准的软硬件可彼此兼容。

操作系统的作用

操作系统的作用可从用户、资源管理及资源抽象等多个不同的角度分析讨论

1. OS可作为用户与计算机系统之间的接口

2. OS作为系统资源的管理者

管理的资源分为四类

• 处理器：用于分配和控制处理器
• 存储器：内存的分配回收
• I/O设备：辅助I/O设配的分配（回收）
• 文件（数据和程序）：实现对文件的存取、共享、保护

3. OS实现了对计算机资源的抽象

无软件的裸机仅提供硬件接口，覆盖物理、I/O接口的机器成为扩充机器或虚机器。

OS是铺设在计算机硬件上的多层软件的集合，实现了多层次抽象化模型。

推动操作系统发展的主要动力

• 不断提升计算机资源利用率
• 方便用户
• 期间的不断更新换代
• 计算机体系结构的不断发展
• 不断提出新的应用需求

操作系统的发展过程

未配置操作系统的计算机系统

1. 人工操作方式：穿孔纸带输入输出。

   特点：（1）用户独占全机。（2）CPU等到人工操作。 人机矛盾，机器越来越快，人与机器速度不匹配，导致效率过低。

2. 脱机输入/输出方式：纸带实现放入磁带，输出到磁带。

   优点：减少CPU的空闲时间，提高了I/O速度。

单道批处理系统

过程：先把一批作业以脱机方式输入到磁带上 缺点：系统资源不被充分利用，CPU要等待IO处理完之后才能进行处理。

多道批处理系统

• 优缺点

  1. 资源利用率高
  2. 系统吞吐量大
  3. 平均周转时间长
  4. 无交互能力

• 需要解决的问题

  1. 处理器争用问题
  2. 内存分配和保护问题
  3. I/O分配问题
  4. 文件组织管理问题
  5. 作业管理问题
  6. 用户与系统的接口问题

操作系统是一组能有效地管理和组织计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合

分时系统

1. 分时系统的引入：人机交互、共享主机

2. 分时系统实现中的关键问题：及时接收、及时处理

   及时接收：每个终端配置一个多路卡，实现分时多路复用。
   主机以很快的速度扫描各个终端发来的数据。

   及时处理：

   1. 作业直接进入内存
   2. 采用轮转运行的方式：每个作业每次只能运行一个时间片。

3. 分时系统的特征

   • 多路性
   • 独立性
   • 及时性
   • 交互性

实时操作系统

1. 实时系统的类型

   • 工业（武器）控制系统
   • 信息查询系统
   • 多媒体系统
   • 嵌入式系统

2. 实时任务的类型

   1. 周期性任务和非周期性任务

      非周期性任务分为：开始截止时间、完成截止时间

   2. 硬实时任务和软实时任务

微机操作系统的发展

1. 单用户单任务操作系统

   只允许一个用户上机，且只能运行一个程序，代表性的：CP/M、MS-DOS

2. 单用户多任务操作系统

   一个用户上机，可以把程序分为若干个任务执行，可改善性能
   目前32位操作系统基本上都是多任务系统，最有代表性的是windows

3. 多用户多任务操作系统

   允许多个用户通过各自的终端，使用同一台机器共享主机资源
   有代表性的是UNIX OS
   UNIX OS变形：Linux OS、Solaris OS

操作系统的基本特性

并发

1. 并发与并行

   并行是指两个或多个事件在同一时刻发生。
   并发是指两个或多个事件在同一间隔内发生。

2. 引入进程

   所谓进程，是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据、堆栈构成的，是一个独立运动的活动实体。
   进程和并发是现代操作系统中最重要的基本概念。

共享

一般的共享与操作系统的共享含义不完全相同
OS环境下的资源共享或资源复用，是指系统中的资源可供内存中多少个并发执行的进程共同使用。

1. 互斥共享方式

   虽然可以提供给多个进程（线程）使用，但是应规定一段时间内，只允许一个进程访问该资源。如：打印机、磁带机等。

2. 同时访问方式

   宏观上同时访问，微观上交替进行。
   并发共享是多用户（都任务）OS的两个最基本的特征。

虚拟

1. 时分复用技术
   • 虚拟处理机技术
   • 虚拟设备技术
2. 空份复用技术

异步

操作系统的主要功能

处理器管理功能

在传统的多道程序系统中，处理器的分配和运行都是以进程为基本单位的。

1. 进程控制
2. 进程同步
   • 进程互斥方式
   • 进程同步方式
3. 进程通信
4. 调度
   1. 作业调度
   2. 进程调度

存储器管理功能

1. 内存分配
2. 内存保护
3. 地址映射
4. 内存扩充

设备管理功能

1、完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配所需的I/O设备~
2、提高CPU和I/O设备利用率

1. 缓冲管理

   I/O与CPU之间引入缓存，解决两者速度不匹配的问题

2. 设备分配

   根据用户的I/O请求为其分配。

3. 设备处理

   解决CPU与设备之间的通信。

文件管理功能

文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理以方便用户使用，并保证文件的安全性。

1. 文件存储空间的管理
2. 目录管理
3. 文件的读/写管理和保护

操作系统与用户之间的接口

1. 用户接口

   • 联机用户接口
   • 脱机用户接口
   • 图形用户接口

2. 程序接口

现代操作系统的新功能

1. 系统安全
2. 网络的功能和服务
3. 支持多媒体

OS结构设计

传统操作系统结构

1. 无结构操作系统

   众多过程的集合。

2. 模块化结构OS

   按照功能将其细分为多个模块。

3. 分层OS

   使模块化从无序变为有序

客户/服务器模式

面向对象的程序设计

微内核OS结构

能有效地支持多处理机运行，适于分布式系统环境。

课后习题

1. 设计现代OS的主要目标是什么？

有效性，开放性，可扩充性，方便性

2. OS的作用可体现在那几个方面？

OS实现了对计算机资源的抽象，OS作用户与计算机系统系统资源的接口，OS作为计算机的管理者。

3. 为什么说操作系统实现了对计算机资源的抽象？

OS首先在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件，实现了对计算机硬件操作的第一层抽象；在第一层软件上再覆盖文件管理软件，实现了对硬件资源操作的第二层抽象。OS通过在计算机硬件上安装多层系统软件，增强了系统功能，隐藏了对硬件操作的细节，由它们共同实现了对计算机资源的抽象。

4. 是说明推动多道批处理系统形成发展的主要动力是什么。

主要动力来源于四个方面的社会需求与技术发展

1. 不断提高计算机资源利用率
2. 方便用户
3. 器件的更新换代
4. 计算机体系的不断发展

5. 何为脱机I/O，何为联机I/O.

脱机I/O是指实现将装有用户程序和数据的自带或卡片机，在外围机的控制下，把纸带或卡片上的数据或程序输入到磁带上。该方式下的输入输出由外围机控制完成，是在脱离主机的情况下进行的。
而联机I/O的方式是只程序和数据的输入输出都是在主机的直接控制下进行的。

6. 试说明推动多道批处理系统的形成和发展的主要动力是什么。

推动分时系统形成和发展的主要动力是更好地满足用户的需求。主要表现在：CPU的分时使用缩短了作业的周期时间；人机交互能力使用户能直接控制自己的作业；主机的共享使多用户能同时使用同一台计算机，独立地处理自己的作业。

7. 实现分时系统的关键问题是什么？应如何解决？

关键问题是当用户在自己的终端键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，在用户能接收的时延内将结果返回给用户。
解决方法：针对及时接收问题，可以再系统中设多路卡，使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据；为每个终端配置缓冲区，暂存用户键入的命令或数据，针对及时处理问题，应使用所有用户作业都直接进入内存，并且为每个作业分配一个时间片，允许作业只在自己的时间片内运行，这样在不长的时间内，能使每个作业都运行一次。

8. 为什么要引入实时操作系统

实时操作系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定时间内对改事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。引入实时OS是为了满足应用需求，更好地满足实时操作领域和实时信息处理领域的需要。

9. 什么是硬实时任务，什么事软实时任务？试举例说明。

硬实时任务是指系统必须满足任务对截止时间的需求，否则可能出现难以预测结果。
举例来说：火箭的控制等。
软实时任务是指它的截止时间并不严格，偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响不大。
举例：网页内容的更新，火车售票系统。

10. 试从交互性、及时性以及可靠性方面将分时系统与实时系统进行比较。

a.交互性：分时系统的一种通用系统，主要用于运行终端用户系统程序，因此它具有较强的交互能力；而实时系统虽然也有交互能力，但这里人与系统的交互仅限于某些特定的专用服务程序，其交互能力不及前者。
b. 及时性：实时信息系统对及时性的要求与分时系统类似，都是以人所能接收的等待时间来确定；而实时操作系统的及时性则是以控制对象所要求的开始截止时间和完成截止时间来确定的，一般为秒级或毫秒级
c.可靠性：分时系统虽然也要求系统可靠，但相比之下，实时系统的可靠性要求比分时系统对系统的要求性要高。