【操作系统】1.操作系统概述

操作系统概述

计算机系统的层次结构

操作系统的定义

定义：操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它帮助组织和管理计算机的软硬件资源，组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能。

操作系统的功能

功能：

1. 处理机管理
2. 存储管理
3. 设备管理
4. 文件管理
5. 用户接口

操作系统的作用

作用：操作系统承担与硬件相关、与应用无关的基本工作，并解决这些基本工作中的效率和安全问题
现代操作系统C/S架构下，OS分为：①运行在用户态并以C/S方式活动的服务进程；②运行在核心态的内核 。内核是对硬件的首次扩充

操作系统的类型

1.批处理操作系统

批处理

联机批处理
联机：IO设备与主机直接连接
批处理：数据成批的进入，结果成批的出来

脱机批处理
脱机：增加一台不与主机直接相连而专门与IO设备交换信息的卫星机
卫星机作用：

1. 输入设备通过卫星机将作业输入到输入带
2. 输出带通过卫星机将结果输出到输出设备

单道程序系统与多道程序系统

单道程序系统：每次只调一个用户作业程序进入内存并运行

多道程序系统：每次可调多个用户作业程序进入内存并运行

特点：

1. 宏观上并行，多个程序均在进行
2. 微观上串行，多个程序轮流使用CPU

优点：

1. 资源利用率高： CPU 和内存利用率较高
2. 作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大

缺点：

1. 用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利调试和修改
2. 作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长

总结：批处理和多道程序系统结合，才能真正提高效率

2.分时操作系统

分时操作系统：将多个用户或多个程序分时，执行时，把计算机的系统资源（尤其是 CPU 时间）进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片（time slice），每个用户（程序）依次轮流使用时间片

时间片：把一段CPU时间按照固定单位进行分割，每个分割得到的时间段称为一个时间片

特点：

1. 多路性：允许在一台主机上同时连接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务
2. 独立性：每个用户各占一个终端，彼此独立工作
3. 及时性：用户的请求在很短的时间内能够获得响应
4. 交互性：用户可以通过终端与系统进行广泛的对话

综上：分时操作系统是一个联机（on-line）、多用户（multi-user）、交互式（interactive）的操作系统

3.网络操作系统

网络操作系统：网络操作系统能够控制计算机在网络中方便地传送信息和共享资源，并能为网络用户提供各种所需的服务。

功能：

1. 网络通信： 在源计算机和目标计算机之间实现无差错的数据传送
2. 资源管理： 对网络中的硬、软件资源实施管理
3. 网络管理： 安全控制、性能监测、维护功能
4. 网络服务： 如 e-mail、文件传输、共享设备服务、远程作业录入等

例如：Unix、NetWare、Windows NT Server等

4.分布式操作系统

分布式计算机系统：由多台分散的计算机经互联网络连接而成的系统 。

管理分布式计算机系统的操作系统称为分布式操作系统

集中式操作系统与分布式操作系统的区别：

1. 进程通信：集中式简单，分布式涉及机构、规程和路径算法；

2. 资源管理：集中式，一类资源由一个管理程序管理；分布式， 一类资源由多个管理程序管理， 这些程序必须协调一致工作；

3. 系统结构：分布式，有若干相对独立的部分，分布在各台计算机上。

分布式操作系统与网络操作系统的区别：

1. 耦合程度：分布式系统是紧密耦合系统：分布式 OS 是在各机上统一建立的“OS同质”，直接管理 CPU、存储器和外设；统一进行全系统的管理；网络通常容许异种 OS 互连，各机上各种服务程序需按相同网络协议“协议同质”。

2. 并行性：分布式 OS 可以将一个进程分散在各机上并行执行“进程迁移” ;网络则各机上的进程独立

3. 透明性： 用户是否知道或指定资源在哪个机器上（如 CPU、 内存或外设）,分布式系统的网络资源调度对用户透明，用户不了解所占有资源的位置；网络操作系统中对网络资源的使用要由用户明确指定。

4. 健壮性： 分布式系统要求更强的容错能力

其他操作系统

通用操作系统、微机操作系统、实时操作系统、嵌入式操作系统

操作系统的特征

特征：

1. 并发：并发是指在计算机系统内同时存在有多个程序，宏观上，这些程序是同时向前推进的 ，但在微观上，一个处理机在任意时刻均只能处理一个任务。程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称作任务）， 并发指的是进程并发。

2. 共享：共享是指多个进程共同使用有限的计算机系统资源，资源在一个时间段内交替被多个进程所用。

3. 虚拟：虚拟是指一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体——分时或分空间，操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率 。

   1. CPU：每个用户（进程）的“虚处理机”；
   2. 存储器：每个进程都占有的地址空间，即“虚拟存储器”；
   3. 显示设备：多窗口或虚拟终端（virtual terminal）；
   4. 独享设备：通过假脱机技术（Spooling）可以实现“共享”，共享的是虚设备

4. 异步：异步是指进程的执行顺序和执行时间的不确定性
   其他特征：微内核结构、多线程、对称多处理、分布式操作系统、面向对象设计等

并行与并发的区别:

1. 并行：两个或者多个作业在同一时刻运行
2. 并发：两个或者多个作业在同一时间间隔内依此运行

针对不同的资源，共享方式有：互斥共享、同时访问

什么是中断？

中断：指当出现需要时，CPU暂时停止当前程序的执行，转而执行处理新情况的程序和执行过程

中断号：外部设备进行IO操作时产生的中断信号，发送给CPU

中断向量：中断服务程序的入口地址

中断服务程序：执行中断处理的代码

操作系统是中断驱动

双重模式

操作系统的模式分为：

1. 用户模式（User Mode）
2. 内核模式（Kernel Mode）

两个模式在必要时相互转换
=存在的意义：程序运行中可能会产生错误或者特定请求异常或者陷阱，双重模式允许OS保护自身和其他系统部件的入口地址
中断服务程序：执行中断处理的代码
操作系统是中断驱动

双重模式

操作系统的模式分为：

1. 用户模式（User Mode）
2. 内核模式（Kernel Mode）

两个模式在必要时相互转换

存在的意义：程序运行中可能会产生错误或者特定请求异常或者陷阱，双重模式允许OS保护自身和其他系统部件