第一章 操作系统引论

一、引论

          1、为什么发明计算机： 方便、有效、可扩充、开发

          2、计算机系统作用：做接口、管理资源、资源的抽象

          3、发展计算机系统的动力：提高利用率、更加方便、（应用、体系、硬件）都要跟上

二、计算机发展史

          1、无操作系统：

                                    ①人工操作：单用户、CPU及内存长期空闲

                                    ②脱机输入/输出：装好卡片再上机。节约CPU空间时间、提高 I/O速度

         2、单道批操作系统：

                                           ①描述：有个监督程序将磁带上的作业调入计算机

                                           ②缺点：I/O太慢，CPU太快

         3、多道批操作系统：

                                           ①描述：A在I/O ，B分去CPU

                                           ②优点：提高资源利用率，系统吞吐量大

                                           ③缺点：每个程序平均时间周期长、无交互能力

                                           ④未解决问题：内存、外村、I/O、CPU、作业管理、接口

         4、分时系统：

                               ①描述：解决人机交互问题

                               ②优点：终于出现人机交互、多用户共享主机

                               ③实际问题：由于多用户，所以要有“多路卡”、作业直接入内存、有个“时间片”调度作业

                               ④特征：多路、独立、及时、交互

         5、实时系统：

                              ①描述：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类型1：周期性实时；非周期性实时：有开始截止时间和完成截止时间

                              ③类型2：硬实时：工业、武器系统；软实时：信息查询系统、多媒体系统

                              ④与分时系统比较：多路、独立、及时、交互、可靠

         6、微机时代：

                               ①单用户单任务：8位机的CP/M，16位的MS-DOS

                               ②单用户多任务：目前的32位系统，如windows

                                ③多用户多任务：UNIX、Solaris、Linux

三、操作系统的共性

          1、并发：

                          ①并发和并行宏观上一样：

                              并发：单处理机系统，微观上交替运行

                              并行：多处理机系统，微观上同时运行

                          ②引入线程

                              进程：在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，由机器指令、数据和堆栈等组成，能独立运行的活动的实体

                              特点：用进程就可以并发执行了

            2、共享：

                           ①互斥共享方式

                                例子：临界资源、打印机、磁带机

                                 描述：先申请再获得资源

                           ②同时访问方式

                               描述：微观上还是并发

                               例子：多用户磁盘设备

                                条件：系统允许进程并发、系统能够有效管理资源

            3、虚拟：

                          ①时分复用技术：

                                     虚拟处理技术：分身之术

                                     虚拟设备：又是分身之术，误以为有专人服务

                                     时分复用：速度：≤1/N

          4、异步：描述：因为要并发，所以需要一个机制调度进程

四、操作系统的主要功能

           1、处理机管理功能：

                                        ①控制进程：描述：要并发，就要进程，要进程，就要管理

                                        ②进程同步：

                                                   进程互斥的方式：临界资源要互斥

                                                   进程同步的方式：合作完成共同任务，同步机构要协调先后次序

                                         ③进程通信：

                                                   描述：对合作进程而言，需要交换信息，当他们处于同一计算机系统时，通常采用直接通信的方式 

                                                   例子：输入进程、计算进程、打印进程、需要交换信息

                                          ④调度：

                                                      作业调度：选择作业、建立进程、分配资源、插入就绪队列

                                                      进程调度：从就绪队列中选出进程，分配CPU

                  2、存储器管理功能

                                   ①内存分配：

                                                     任务：分配空间、减少碎片、追加内存空间

                                                     方式：静态分配，装入内存时确定，不允许追加，不允许移动；动态分配内存：允许追加、允许移动

                                   ②内存保护：

                                                      任务1：每道程序只在自己的内存空间运行，互不干扰

                                                      任务2：不允许用户程序访问操作系统程序h和数据，也不允许用户程序转移到非共享的其它用户程序中执行

                                  ③地址映射：

                                                      任务：存储器要负责地址映射，在硬件的支持下完成

                                  ④内存扩充：

                                                      描述：用存储器的技术，从逻辑上扩充内存容量

                                                      任务1：请求-调入功能

                                                      任务2：置换功能

                  3、设备管理功能

                                任务1：完成用户的I/O请求：分配I/O设备，完成I/O操作

                                任务2：提高CPU和I/O的利用率：提高I/O速度，方便用户使用I/O设备

                                ①缓冲管理：

                                                   描述：在内存中设置缓冲区

                                                   例子：单缓冲机制、双向同时传送数据的双缓冲机制、多个设备共同使用的公用“缓冲池”机制

                                 ②设备分配：描述：在系统中设置“设备控制表”、“控制器控制表”等数据结构，用于记录设备和控制器等标识符和状态。

                                 ③设备处理：

                                           描述：CPU向设备控制器发出I/O命令，要求完成I/O操作、反之，CPU接收控制器发出的中断请求，并响应处理

                      4、文件管理功能

                                    描述：管理用户、系统文件，方便使用；保证安全性

                                     ①文件存储空间管理

                                          背景：多用户环境下，用户自己管理文件存储，会困难和低效

                                         任务1：为每个文件分配外存空间、提高外存利用率、进而提高存取速度
                                         任务2：系统中设置数据结构，记录文件存储空间使用情况，以供分配时参考
                                         任务3：分配和回收

                                      ②目录管理
                                           任务1：为每个文件建立目录项，包括文件名、属性、物理位置等，以实现按名存取
                                           任务2：实现文件共享。
                                           任务3：提供目录查询手段
                                       ③文件读/写管理和保护
                                               文件读/写管理：根据用户请求，从外存中读取数据，或将数据写入外存
                                               文件保护：防止未经核准的用户存取文件、防止冒名顶替存取文件、防止以不正确方式使用文件

                      5、操作系统与用户之间的接口
                              ①用户接口
                                                描述：方便用户直接.间接控制自己的作业
                                                联机用户接口：等待用户键入命令
                                                脱机用户接口：一开始就提供作业说明书，直到作业结束语句
                                                图形用户接口：移动鼠标选择菜单项
                             ②程序接口
                                                描述：旧系统用汇编语言写，所以只有汇编语言的才能直接使用系统调用；如果是高级语言，就用一一对应的库函数

                      6、现代操作系统的新功能
                                  ①系统安全
                                                 描述：确保存储和传送数据的保密性、完整性和系统可用性，要用几种技术
                                                 技术：认证技术、密码技术、访问控制技术、反病毒技术
                                  ②网络的功能和服务
                                                 功能：网络通信、资源管理、应用互操作
                                  ③支持多媒体
                                                 功能：接纳控制功能、实时调度、多媒体文件的存储

五、OS结构设计

          1、传统操作系统结构
                 ①无结构操作系统 ：又名：整体系统结构
                 ②模块化结构OS
                             基本概念：
                             又名：模块-接口法
                             描述：有模块、子模块、接口
                             模块独立性：
                                        标准：内聚性越高，模块独立性越高、耦合度越低，模块独立性越高
                                        优点：提高设计正确性.可理解性和可维护性、增强可适应性、加快加速过程
                                        缺点：接口难以满足需求、无序
                  ③分层式结构OS
                             基本概念：有序分层，自底向上法铺设中间层
                             优点：易保证系统正确性、易扩充和易维护
                             缺点：系统效率降低

           2、客户/服务器模式(Client/Server Model)简介
                        ①客户/服务器模式的由来、组成和类型
                                        组成：客户机、服务器、网络系统
                        ②客户/服务器之间的交互
                                        描述：客户发送请求消息、服务器接收消息、服务器回送消息、客户机接收消息
                        ③客户/服务器模式的优点
                                        描述：数据分布处理和存储、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
                         ①OOP的基本概念
                                   描述：抽象，具体事物为对象
                                   对象：封装好
                                   对象类：创建多个相似对象
                                   继承：继承父类，增加部分
                         ②OOP的优点
                                    描述：“重用”提高产品质量和生产率、使系统具有更好的易修改性和易扩展性、易于保证系统“正确性”和“可靠性”

            4、微内核OS结构
                            描述：支持多处理机
                            例子：卡内基·梅隆的Mach OS、Windows 2000/XP
                           ①基本概念
                                   描述：足够小的内核、基于C/S模式、应用“机制与策略分离”原理、采用OOP技术
                           ②基本功能
                                   描述：进程管理、低级存储器管理、中断和陷入处理
                           ③优点
                                   描述：提高可扩展性、增强可靠性、可移植性强、提供对分布式系统的支持、融入OOP
                           ④缺点
                                   描述：效率降低