OS复习——概论

OS复习——概论

1. 操作系统的发展变化

1.1 批处理系统和分时系统

需要掌握什么是批处理系统，批处理系统有哪些；什么是分时系统，分时系统有哪些，分时系统的特点，为什么产生了分时系统

• 批处理系统
  • 定义：加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的作业（这作业包括程序、数据和命令）。
  • 两个阶段：联机批处理系统（作业的输入/输出由CPU来处理）和脱机批处理系统（输入/输出脱离主机控制）
  • 种类：FMS(the Fortran Monitor System)
  • 优点：系统吞吐量大、资源利用率高
  • 缺点：平均周转时间长、不能提供交互作用能力（因为批处理系统的特点是作业一旦进入系统，用户就不能直接干预其作业的运行，因此也导致了分时系统的产生）
• 分时系统
  • 定义：将CPU处理时间分割为多个时间片，将时间片分给不同程序，达到多个程序“同时”运行的效果
  • 种类：CTSS、MULTICS、UNIX、IBM VM 360/370、System/360
  • 特点：
    • 多路性：若干个用户同时使用一台计算机。微观上看是各用户轮流使用计算机；宏观上看是各用户并行工作。
    • 交互性：用户可根据系统对请求的响应结果，进一步向系统提出新的请求。这种能使用户与系统进行人机对话的工作方式，明显地有别于批处理系统，因而，分时系统又被称为交互式系统。
    • 独立性：用户之间可以相互独立，互不干扰。系统保证各用户程序运行的完整性，不会发生相互混淆或破坏现象。
    • 及时性：系统可对用户的输入及时作出响应。分时系统性能的主要指标之一是响应时间，它是指：从终端发出命令到系统予以应答所需的时间。
  • 为什么产生了分时系统：批处理系统一次执行一个程序，I/O过程CPU空转；为进一步提高CPU利用率，支持多用户、多进程

1.2 单道程序系统和多道程序系统

​ 多道程序设计技术就是指允许多个程序同时进入内存并运行。即同时把多个程序放入内存中（前提是内存放的下），并允许它们交替在CPU中运行，它们共享系统中的各种硬、软件资源。当一道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一道程序。

​ 多道程序设计技术不仅使CPU得到充分利用，同时也改善I/O设备和内存的利用率，从而提高了整个系统的资源利用率和系统吞吐量（即单位时间内处理作业（程序）的个数），最终提高了整个系统的效率。

1.3 实时系统、网络操作系统和分布式操作系统

简单了解即可

• 实时系统：实时系统是一种时间起着主导作用的系统。当外部的一种或多种物理设备给了计算机一个刺激，而计算机必须在一个确定的时间范围内恰当地做出反应。嵌入式OS比桌上PC的OS相对简单，但由于各种嵌入式系统产品中包含各不相同的特殊需求，导致这类系统中使用的OS不下几百种，而且至今仍有一半的开发者使用自行开发的OS。具有及时响应、高可靠性和安全性、系统的整体性强、交互会话活动较弱、专用系统等特点，种类有实时信息处理、实时控制等。
• 网络操作系统：在传统单机OS上加单独软件层，主要提供联网功能和资源的远程访问，实现多机互联。
• 分布式操作系统：多台机器统一管理形成单一系统，相比网络操作系统，对用户和应用高度透明。该系统有网络作为底层支持。

2. 冯诺依曼体系结构：存储程序式

硬件是基础，必须了解硬件，但从OS的角度，不必像硬件工程师那样了解内部的设计细节，我们需要了解的是功能、接口和状态。

2.1 集中顺序过程控制

​ 存储程序式计算机的计算模型时顺序过程计算模型，其主要特点是集中顺序过程控制，即控制部件根据程序对整个计算机的活动实行集中过程控制，并根据程序规定的顺序依次执行每一个操作。这类计算是过程性的，故这种计算机是模拟人们的手工计算的产物。即便在遇到多个可能同时执行的分支时，也是先执行完一个分支，然后再执行第二个分支，直至计算完毕。

3. 操作系统的主要功能

3.1 进程管理（处理机管理）

​ 进程（线程）控制、进程（线程）同步、进程通信和进程（线程）调度。

3.2 存储管理

• 任务：为多道程序的并发提供良好的环境，便于用户使用存储器，提高存储器利用率，为尽量多的用户提供足够大的存储空间
• 功能：内存分配（静态和动态分配），地址保护，地址映射，内存扩充。

3.3 设备管理

• 任务：为用户程序分配I/O设备，完成用户程序请求的I/O操作，提高CPU和I/O设备的利用率（中断和通道），改善人机界面
• 功能：缓冲管理、设备分配、设备处理、虚拟设备功能

3.4 文件系统

​ 文件存储空间的管理，目录管理，文件读、写管理，文件保护，向用户提供接口。

4. 现代操作系统的基本特征

4.1 并发执行

​ 并发性是指能同时处理多个同时性活动的能力。

​ 如果a、b两个活动都启动了，但是都还没有结束，则称a和b是并发的。并行执行的程序是指同一时刻都在CPU上执行的两个程序。并发不一定并行。

4.2 资源共享

​ 共享是指多个计算任务对资源的共同享用。并发和共享是相互依存的。

4.3 虚拟化管理

​ 在操作系统中，无论是内存、CPU，还是外部设备都采用了虚拟技术，在逻辑上扩充了物理设备的数量，使得配备了操作系统之后的系统在资源的使用上更加自由和灵活，不受物理设备数量的限制。

4.4 异步性

​ 操作系统应能处理随时可能发生在计算机系统中的不确定事件（即不确定性）。由于资源等因素的限制，程序的执行通常都不可能“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。

5. 操作系统的工作模式

• 内核态/管态 & 用户态/目态：操作系统的核心部分在管态下执行，而其他软件（如一般的系统软件）以及所有应用程序则在用户态下执行。
• 特权指令/保护指令：在管态情况下，处理机能够执行指令集合中的全部指令，而在用户态，处理机只能执行指令集合的一个子集，这个子集中不包含特权指令。仅能在管态下执行的指令成为特权指令或保护指令（如I/O指令），一次区别于用户态。
• 异常（中断、陷入（包括系统调用））：中断是异步异常，可能随时发生，与处理器正在执行的内容无关。中断主要有I/O设备、处理器时钟或定时器产生，可以被启用或禁用。同步异常，它是某一特定指令执行的结果。在相同条件下，异常可以重现。例如内存访问错误、调试指令以及被零除，系统调用也视作同步异常。
  

6. 分析操作系统的几种观点

具体可见《操作系统使用教程（第三版）》（清华大学出版社）P43

• 用户观点：操作系统为用户提供了哪些功能可以使用
• 资源管理：回答了整个操作系统是由哪几部分组成的
• 进程观点：指明了这些资源管理程序在生什么时候开始起作用，以及它们在执行过程中是如何相互联系的
• 模块分层设计：从操作系统构建的角度，考虑操作系统的结构
• 抽象与权衡：系统调用接口、设备驱动程序、文件都体现了抽象的思想；把大量的链表和数据结构放在内存里，希望能快速地找到要的数据，就体现了权衡的思想。

模块分层设计：从操作系统构建的角度，考虑操作系统的结构

• 抽象与权衡：系统调用接口、设备驱动程序、文件都体现了抽象的思想；把大量的链表和数据结构放在内存里，希望能快速地找到要的数据，就体现了权衡的思想。

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