操作系统引论

操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用计算机的程序的集合，是硬件功能的首次扩充。

操作系统的目标和作用

操作系统的目标

1. 方便性。操作系统使计算机系统更易于使用。
2. 有效性。操作系统使资源的利用率更高，系统的吞吐量更大。
3. 可扩充性。操作系统必须能方便地增加新的功能和模块，并能修改老的功能和模块，以适应计算机硬件、体系结构以及应用发展的要求。
4. 开放性。操作系统的开发应该遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连 OSI 国际标准，从而使其与其他系统之间能彼此兼容。

操作系统的作用

1. 操作系统是用户与计算机硬件系统之间的接口。
2. 操作系统是计算机资源的管理者。处理机的分配和控制，内存的分配和回收，I/O 设备的分配和操作，文件的存取、共享和保护工作都是由操作系统完成的。
3. 操作系统实现了对计算机资源的抽象。隐藏了对硬件操作的细节，从而实现了对计算机资源的抽象。
4. 工作流程的组织者。负责在众多作业中切换处理机，协调它们的推进速度。

OS 发展过程

1. 无操作系统

人工操作方式

纸带/卡片方式。

缺点

• 用户独占全机资源。
• CPU 等待人工。

脱机输入/输出方式

使用外围机来管理输入/输出。
脱机输入方式是预先将程序和数据从低速输入设备输入到磁带，当 CPU 需要这些程序和数据时，再从磁带高速地读入内存。
在主机的直接控制下进行的输入/输出方式被称为联机输入/输出方式。

优点

• 在脱机输入/输出方式下，由外围机而不是主机的 CPU 等待人工操作，减少主机 CPU 的空闲时间，缓和了人机矛盾。
• 提高了 I/O 速度，减少了 CPU 的空闲时间。

2. 单道批处理

在系统中配置一个监督程序，对一批作业自动进行处理。
特点：内存中只存放一道作业。
处理过程：将一批作业以脱机方式输入到磁带上，由配置系统中的监督程序将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行的控制权交给作业，当该作业处理完成或出现异常时，又把控制权交还给监督程序，再由监督程序调入磁带上的第二个作业…直至磁带上的所有作业全部完成。

优点

• 提高资源利用率。
• 增加了系统吞吐量。

缺点

• 内存浪费。
• CPU 利用率低，I/O 设备无法得到充分利用。

3.多道批处理系统

在内存中存放若干作业，使它们共享系统资源且同时运行，在单处理机环境下，这些作业在宏观上同时运行，微观上交替运行（当正在执行的作业在等待 I/O 或是其它原因执行暂停时，CPU 马上调度另一道作业）。

优点

• 资源利用率高。
• 系统吞吐量大。

吞吐量：单位时间内系统所处理的作业个数

作业周转时间：从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止。

缺点

• 无交互能力。
• 平均周转时间长。

4.分时系统

解决批处理时的人机交互问题。在一台主机上连续有多个配有显示器和键盘的终端，允许多个用户通过自己的终端以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。把处理机的时间划分成很短的时间片，轮流地分配给各个终端作业使用。

特点

• 多路性。提高系统资源利用率。
• 独立性。各个用户像独占主机一般。
• 及时性。
• 交互性。用户和系统进行广泛地人机对话，请求系统为他提供诸如文件编辑、数据处理、对数据库的访问以及数据打印等多方面的服务。

5.实时系统

实时系统是指及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。

• 硬实时任务。系统必须满足任务对截止时间的要求。
• 软实时任务。这类任务也有一个截止时间，但并不严格。

6.微机操作系统

配置在微型机上的操作系统。

• 单用户单任务：MS-Dos
• 单用户多任务：Windows
• 多用户多任务：UNIX。

操作系统的基本特征和功能

1.操作系统的基本特征

并发性
两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序的环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行。需要注意的是，程序是静态实体，它们不能并发执行，为使得多个程序能并发地执行，系统分别为每个程序建立进程，进程是系统中能独立运行并能独立分配资源的基本单位，它由一组机器指令、数据、堆栈和进程控制块组成，是一个活动实体。

共享性

• 互斥共享：系统中可供共享的某些资源（打印机、变量、队列等），一段时间内只能给一个进程使用，只有当这个进程使用完毕并释放这些资源后，其它进程才能使用。
• 同时访问：系统中的另一类资源（磁盘、可重入代码），它们在同一事件内可以被多个进程同时访问，宏观上同时，微观上进程交替访问该资源，但进程交替访问资源的顺序不会影响访问的结果。

虚拟性
在 OS 中利用虚拟技术实现虚拟处理机、虚拟存储器和虚拟设备，从而使得进程可以更方便地共享系统资源。

异步性
在多道程序的环境下，每个程序何时执行、何时暂停都是未知的，它们以不可预知的速度向前推进。同时，操作系统保证程序的执行结果是可再现的。

2. 操作系统的功能

处理机管理
处理机管理主要是对处理机的分配和运行进行管理。处理机的分配和运行都是以进程为基本单位，通常对处理机的管理归结为对进程的管理。

• 进程控制
• 进程同步
• 进程通信
• 进程调度

存储器管理

• 内存分配
• 内存保护
• 地址映射。将程序中的逻辑地址转换成内存中的物理地址。
• 内存扩充

设备管理

• 缓冲管理。利用缓冲来缓和 CPU 和 I/O 设备速度不匹配的矛盾，提高 CPU 和 I/O 设备的利用率和 I/O 的速度。
• 设备分配。设备分配完成 I/O 请求所需的设备和设备控制器，在配置有通道的系统中，还需为用户分配通道。
• 设备处理

文件管理

• 文件存储空间的管理
• 目录管理
• 文件的读/写管理和保护

友好的用户接口

• 用户接口。分为联机用户接口（允许用户通过一组联机命令直接控制自己的作业）、脱机用户接口（允许用户通过作业控制语言间接控制自己的作业）和图形用户接口（提供窗口、图标和菜单等元素）三种类型。
• 程序接口。操作系统提供了一组系统调用，供用户程序调用操作系统的功能。

现代操作系统的新功能

• 系统安全。现代操作系统采用认证技术、密码技术、访问控制技术以及反病毒技术等多种有效措施，确保计算机系统中存储和传输数据的保密性、完整性和系统可用性。
• 网络的功能和服务。现代操作系统提供网络通信、网络资源管理和应用互操作等功能，以支持用户联网取得各类网络所提供的服务。
• 支持多媒体。现代操作系统提供接纳控制和实时调度等功能，采取适当的多媒体文件存储方式，以保证系统能处理文字、图形信息那样，去处理音频和视频等多媒体信息。