（西安电子科技大学，汤小丹等）计算机操作系统——第一章、操作系统引论

操作系统的目标和作用

• 操作系统的目标
    在不同的应用环境不一样，查询系统中的OS希望有良好的人机交互；工业控制、武器控制等OS要求时效性，普通电脑OS要求操作便捷。
    一般目标要求为：方便性、有效性、可扩充性、开放性。
• 操作系统的作用
     1. OS是用户与硬件之间的接口：用户通过OS来使用控制自己的硬件替自己工作，是用户和硬件系统的桥梁。
     2. OS是计算机系统资源的管理者：计算机系统的资源大致可分为四类：处理机、存储器、IO设备及文件。相应的OS的功能就是管理这四类资源，控制硬件工作，管理文件数据。
     3. OS实现了对计算机资源的抽象：例如IO软件负责对某个具体IO设备的操作，并向上抽取出一组数据结构和一组操作指令， 用户可以直接利用驱动程序抽象出来的数据结构和操作指令控制IO设备而无需关系具体实现。

操作系统的发展过程

1. 未配置操作系统的计算机系统
     一开始计算机硬件并没有操作系统，用人工将事先写好程序的穿孔纸带装入输入口，启动计算机运行。后来有了脱机输入/输出方式，就是事先把某个程序的所有纸带装入纸带机，由纸带机把纸带上的数据输入到磁带上，当CPU需要时，再从磁带调入内存。
2. 单道批处理系统
     为实现对作业的连续处理，把一批作业脱机输入到磁带，配以监督程序，一个接一个的处理作业。
     缺点是：系统资源得不到充分利用，某个作业请求IO时，因为IO操作慢，CPU处于等待状态，浪费了时间。
3. 多道批处理系统
     多道作业交替运行，利用了CPU等待IO操作的时间。
     优缺点：资源利用率高；系统吞吐量大；平均周转时间长，因为作业要排队处理，一个作业要等几个小时或几天；无交互能力；
4. 分时系统
     分时系统的特征：多路性、独立性、及时性、交互性。
5. 实时系统
     工业（武器）控制系统；信息查询系统；多媒体系统；嵌入式系统；
6. 微机操作系统（家用计算机）发展历程
     单用户单任务操作系统：CP/M、MS-DOS
     单用户多任务操作系统：一个用户可以把程序分为多个任务并发执行。
     多用户多任务操作系统：多个用户可以通过各自的终端使用同一台计算机系统，共享资源，每个用户都可以使用多任务并发执行的机制。

操作系统的基本特性

• 并发
    区别于并行（同一时刻发生）并发是在同一个时间间隔内发生，计算机引入进程的概念，每个应用程序可以拥有多个进程，多个进程可以并发执行，提高效率。
• 共享
    计算机中的共享包含互斥共享方式（某些资源一段时间内只允许同一个进程访问，如打印机）和同时访问方式（某些资源允许多个进程并发的访问，如磁盘文件等）。
• 虚拟
• 异步
    指一个进程的执行并不是“一气呵成”的，在以断断续续的方式运行。

操作系统的主要功能

  为多道程序的运行提供良好的运行环境，最大程度的利用计算机硬件资源。此外，传统OS应当具有处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理的基本功能，还需要向用户提供方便的用户接口。

1. 处理机管理功能
     包含：进程控制、进程同步、进程通信、调度（作业调度和进程调度）。
2. 存储器管理功能
     内存分配：为不同程序分配内存空间；提高利用率，尽量减少碎片空间；允许动态申请内存空间（静态分配动态分配并存）。
     内存保护：确保每个程序仅在自己的内存中运行，彼此互不干扰；禁止用户程序访问操作系统内存；不允许用户程序转移到非共享的其他程序内存中。
     地址映射：不同程序编译链接之后的地址都从0开始，OS应当提供地址映射功能，将程序的逻辑地址转换为实际地址。此功能应当在硬件的支持下完成。
     内存扩充：从逻辑上扩充内存容量，实现请求调入功能和置换功能。
3. 设备管理功能
     完成用户进程提出的IO请求，为其分配IO设备，并完成指定的IO操作；提高CPU和IO设备利用率，提高IO速度，方便用户使用IO设备。
     为实现上述两个任务，设备管理应具有缓冲分配、设备分配和设备处理以及虚拟设备功能。
4. 文件管理功能
     文件存储空间管理、目录管理、文件的读写管理和保护。
5. 操作系统和用户之间的接口
     用户接口：联机用户接口、脱机用户接口、图形用户接口。
     程序接口：用户程序在执行中如果需要访问系统资源，需要通过OS提供的程序接口才能访问。
6. 现代操作系统的新功能
     系统安全：认证技术、密码技术、访问控制技术、反病毒技术。
     网络功能和服务：网络通信、资源管理、应用互操作。
     支持多媒体：接纳控制功能、实时调度、多媒体文件的存储。

OS结构设计

1. 传统操作系统结构

• 无结构操作系统：没有结构，是许多过程的集合，可以任意相互调用其他过程。
• 模块化结构OS：按照功能划分为有一定独立性的模块。但是由于各模块共同开发，各个模块之间的联系没有可靠的基础，而且设计很难覆盖所有的实际情况。
• 分层式结构OS：在模块化的基础上，把裸机和完成的OS分为几个层次，从最底层硬件开始铺设中间层解决模块化的缺点。新带来的缺点是系统效率降低了，需要在每层之间建立通信机制，OS每个功能需要穿越多个层次，增加了系统的通信开销。

2. 客户/服务器模式
     由客户机、服务器和网络系统组成。优点是：数据的分布处理和存储、便于集中管理、灵活性和可扩充性、易于改编应用软件。
3. 面向对象的程序设计（略）
4. 微内核OS结构
     微内核操作系统基本概念：足够小的内核、基于客户/服务器模式（OS把绝大部分功能都放在内核以外以一组服务器也就是进程的形式提供功能，例如提供进程管理的服务器、提供IO服务的服务器，客户与服务器之间通过微内核提供的消息传递机制来实现信息交互）。
     应用“机制与策略分离”原理，采用面向对象技术。
     基本功能包含：进程（线程）管理、低级存储器管理、中断和陷入处理。
     优点：提高系统的可扩展性；增强了系统的可靠性；可移植性强；提供了对分布式系统的支持；融入了面向对象技术。
     缺点：运行效率有所降低，引起了更多的上下文切换。