操作系统概论——学习笔记chapter1

chapter 1

1.1 Introduction

1.操作系统组成：

• 计算机硬件
• 操作系统
• 系统程序
• 应用程序&&用户

2.计算机系统组成：

• 硬件
• 软件
• 数据

3.操作系统提供正确使用计算机资源的方法。

• 用户视角：
  （单个用户：使用方便）
  （大型机小型机：资源使用）
  （工作站：使用性能和资源利用率折中）
• 系统视角：
  （资源分配器）
  （操作系统是控制程序，管理用户程序执行防止资源使用错误不当）
  （特别关注I/O设备的操作控制）

4.操作系统定义：

• 基本目的：执行用户程序，更容易解决用户问题
• 定义：一直运行在计算机上的程序（内核）
• （其他程序则为系统程序和应用程序）

1.2 Organization（组织）

1. 引导程序: 固件，位于ROM，定为操作系统内核，装入内存；负责装入操作系统并开始执行系统。
2. 硬件或软件中断：硬件通过系统总线向CPU发送信号触发中断；软件通过执行系统调用（监视器调用）等特别操作触发中断。
   （通用子程序检查终端信息——>调用中断处理子程序）
   （预定义指针表——>间接调用中断处理子程序）
3. 存储结构： 内存是处理器可以直接访问的唯一大容量储存区域。计算机程序只在内存（RAM:random access memory）中运行。
4. I/O结构：SCSI（small computer system interface ）
   设备控制器负责在它控制的多个设备与本地换种存储之间数据传递。操作系统为SCSI提供设备驱动程序，（大块数据就使用内存直接访问DMA）

1.3 Architecture（体系）

1.单处理器系统

2.多处理器系统（并行系统/紧耦合系统）

• 特点

  • 增加吞吐量（当多个CPU做同一件事情时，为了使各部分正确工作会产生额外开销，加上对共享资源的竞争会降低CPU的期望收益，所以加速比小于N）
  • 规模经济（共享外设、大容量存储、电源供给，节省资金）
  • 增加可靠性（单处理器失灵不会使整个系统停止，只会变慢）

  PS:
  适度退化（graceful degradation）：能提供与正常工作硬件成正比的服务的能力
  容错（fault tolerant）：有些系统超出适度退化能力，能忍受单个部件错误继续工作

• 类型

  • 非对称多处理（“主从关系”：一个主处理器控制系统，每个处理器有特定任务）
  • 对称多处理（SMP, Solaris）
    • 定义：每个处理器都要完成操作系统中的所有任务
    • 优点1：如果有N个CPU， 可以同时运行N个进程不影响性能；
    • 优点2：处理器共享一定数据结构，避免一个空闲一个过载的低效率，允许进程和资源在各处理器之间动态共享，降低处理器之间差异。

3.集群系统

• 定义：集群计算机共享存储并通过局域网络连接或更快的内部链接，由两个及以上系统耦合起来。
• 类型
  • 非对称集群：
    • 一台为热备份主机，为热备份模式，监视活动服务器，如果该服务器失效，热备份主机成为现行服务器。
    • 一台为活动服务器，运行应用程序。
  • 对称集群：两个/多个主机互相监视，充分应用硬件，效率更高。
  • 并行集群：允许多个主机访问共享内存上的相同数据（分布式锁管理器，distributed lock manager DLM）
  • WAN集群

1.4 Structure（结构）

1.多道程序设计

• 定义：通过组织作业（编码或数据）使CPU总有一个作业可执行，提高CPU效率。
• 方法：内存中存有作业池中部分作业，操作系统选择一个作业开始执行。当作业需要等待时，CPU切换到另一个作业并执行，最后，第一个作业完成重新等待CPU。CPU不空闲。
• 优点：提供了一个可以充分使用各种系统资源的环境，但是没有提供与计算机系统直接交互的能力。

2.分时系统（不理解）
分时操作系统允许许多用户同时共享计算机。有与切换频率很高，用户可以在程序运行期间与之交互。计算机系统需要有合理的响应时间，可以使用虚拟内存概念进行交换。

1.4 Operations（操作）

定义

1.陷阱和中断

• 陷阱：软件异常，源于出错或用户的一个特别请求。
• 中断：定时器确保操作系统能维持对CPU的控制，防止用户程序陷入死循环或不调用系统服务，并不讲控制权返回到操作系统。修改定时器指令是特权指令。

2.双重模式

• 用户模式（user mode）：
• 监督程序模式（monitor mode）：（管理模式、系统模式、特权模式）

功能

• 系统引导时处于内核模式，装入操作系统，开始在用户模式下执行用进程。一旦出现陷阱或中断，硬件会从用户模式切换到内核模式。

优点

• 保护操作系统和用户程序不受错误用户程序影响。（将能引起机器损害的指令作为特权指令，以陷阱形式通知系统）
• MS-DOS没有模式为，运行错误的程序可能通过写操作会清除整个操作系统，多个程序同时对设备进行写操作可能引起灾难性后果。

1.6 进程管理

1.7 内存管理

1.8 存储管理

1.9 保护和安全

1.10 分布式系统

1.11 专用系统

1.12 计算环境

1.13 小结