操作系统学习笔记-操作系统引论

操作系统引论

操作系统的目标

在计算机系统上配置操作系统，其主要目标是：方便性、有效性、可扩充性和开放性。

1.方便性

使计算机变得易学易用

2.有效性

1.提高系统资源的利用率。 2.提高系统的吞吐量（加速程序的运行，缩短程序的运行周期）

3.可扩充性

微内核结构能方便地增添新的功能和模块，以及对原有功能和模进行修改，具有良好的可扩充性。

4.开放性

所谓开放性，是指系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开发系统互连OSI国际标准。开放性也是衡量一个新推出的系统或者软件能否被广泛的至关重要的因素

操作系统的作用

操作系统在计算机系统中所起的作用，可以从用户、资源管理及资源抽象等多个不同的角度来进行分析和讨论。

1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

含义：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。

​ 由上图可看出，用户可以通过三种方式使用计算机，即通过命令方式、系统调用方式和图标-窗口方式来实现与操作系统的通信，并取得它的服务。

2.OS作为计算机系统资源的管理者

​ 在一个计算机系统中，通常都含有多种硬件和软件资源。归纳起来可讲这些资源分为四类：处理机、储存器、I/O设备以及文件（数据和程序）OS的主要功能也正是对这四类资源进行有效的管理。（此外还有（作业）进程管理）

​ 处理机管理是用于分配和控制处理机；储存器管理主要负责内存的分配和回收；I/O设备管理是负责I/O设备的分配（回收）与操纵；文件管理是用于实现对文件的存取、共享和保护。

3.OS实现了对计算机资源的抽象

​ 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，通常把覆盖了上诉软件的机器成为扩充机器或虚拟机。他向用户提供了一个对硬件操作的抽象模型。用户可利用该模型提供的接口使用计算机，无需了解物理接口实现的细节，从而使樱花更容易地使用计算机硬件资源。

​ 同理，为了方便用户使用文件系统，又可在第一层软件上再覆盖一层用于文件管理地软件。依次类推，如果在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件，则用户便可再窗口环境下方便地使用计算机，从而形成一台功能更强的虚拟机。

推动操作系统发展的主要动力

1.不断提高计算机资源利用率

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

5.不断提出新的应用需求

计算机系统的发展过程

1.人工操作方式

缺点：用户独占全机；cpu等待人工操作

问题：人机矛盾

2.脱机输入/输出方式

优点：间数量cpu的空闲时间；提高了I/O速度

3.单批道处理系统

配上监督程序

单批道处理系统是在解决人机矛盾和cpu与I/O设备速度不匹配矛盾过程中形成的（旨在提高系统资源的利用率和系统吞吐量）仍不能充分地利用资源

缺点：系统地资源得不到充分的利用

4.多批道处理系统

优点：资源利用率高；系统吞吐量大

缺点：平均周转时间长；无交互能力

需要解决的问题：处理机争用问题；内存分配和保护问题；I/O设备分配问题；文件的组织和管理问题；作业管理问题；用户与系统的接口问题。

5.分时系统

用户需求：人机交互；共享主机

关键问题：及时接受；及时处理（引入了时间片的概念）

特征：多路性；独立性；及时性；交互性

6.实时系统

实时系统类型

工业（武器）控制系统；信息查询系统；多媒体系统；嵌入式系统

实时任务的类型

周期性实时任务与非周期性实时任务；硬实时任务（系统必须满嘴任务对截止时间的要求）和软实时任务（联系着截至时间，但并不严格）。

特征

多路性；独立性；及时性；交互性；可靠性。

7.微机操作系统的发展

1.单用户任务的操作系统

CP/M;

MS-DOS

2.单用户多任务操作系统

最具代表性的是windows

3.多用户多任务操作系统

最具代表性的是UNIX，它的变形是Solaris和Linux

操作系统的基本特征

1.并发

并发与并行

并发性是指两个和多个事件在同一时刻发生。而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

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，他是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。多个进程之间可以并发执行和交换信息。

2.共享

互斥共享方式：仅当A程序访问完并释放系统资源后，才允许另一进程对该资源进行访问。这种资源共享方式称为互斥式共享。

同时访问方式：系统中有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对他们进行访问。这里所谓的"同时"，在微观上，这些进程对该资源的访问是交替进行的。

并发和共享是多用户（多任务）OS的两个最基本特征

3.虚拟

在OS中，把通过某种技术讲一个物理实体变为若干个逻辑上的对呀物的功能称为”虚拟“

时分复用技术

该技术能提高资源利用率的根本原因在于，它利用某设备为一用户服务的空闲时间，又转去未其他用户服务，使设备得到最充分的利用。

（1）虚拟处理机技术。利用多道程序设计技术，为每道程序建立至少一个进程，让多道程序并发执行。此时虽然系统上只有一台处理机，但通过时分复用的方法，能实现同时（宏观上）为多个用户服务，使每个终端用户都认为是有一个处理机在专门为他服务。

（2）虚拟设备技术。我们还可以利用虚拟设备技术，也通过时分复用的方法，将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每个用户用一台逻辑上的I/O设备。这样便可以使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备（及临界资源），变成允许多个用户”同时“访问的共享设备，既宏观上能”同时“为多个用户服务

空分复用技术

利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其他多道程序，以此来提高内存的利用率。但是，单纯的空分复用存储器只能提高内存的利用率，并不能实现在逻辑上扩大存储器容量的功能，还必须引入虚拟存储技术才能达到此目的。虚拟存储技术在本质上是实现内存的分时复用，即它可以通过分时复用内存的方法，使一道程序仅在小于它的内存空间中运行。

应当着重指出：虚拟的实现，如果采用分时复用的方法，即对某一物理设备进行分时使用，设N是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则每台虚拟设备的平均速度必然等于或低于物理设备速度的1/N。类似的，如果利用空分复用方法来实现虚拟，此时一台虚拟设备评价占用的空间必然也等于或低于物理设备所拥有空间的1/N

4.异步

进程是以人们不可预知的速度向前推进的，此即进程的异步性