02323操作系统概论 第一章 操作系统简介

第一节 什么是操作系统?

• 操作系统是一种复杂的系统软件, 是不同程序代码, 数据结构,数据初始化文件的集合, 可执行.
• 操作系统提供计算机用户与计算机硬件之间的接口, 并管理计算机软件和硬件资源.

一.用户与硬件之间的接口

• 接口是两个不同组成部分的交接面.
• 操作系统必须完成的两个主要目标如下:

1. 与硬件部分相互作用,为包含在硬件平台上的所有底层可编程部件提供服务.
2. 为运行在计算机系统上的应用程序(即所谓用户程序)提供执行环境

二.资源的管理者

• 现代计算机系统的一个重要特点都就是支持多任务, 即允许同一个系统内同时驻留多个应用程序.
• 一方面保证用户程序的顺利执行
• 另一方面使计算机系统资源得到尽可能高效的利用, 保证计算机系统的高性能.
• 管理的资源包含: 处理机, 内存,设备和文件, 在网络操作系统中还包括网卡,带宽等.

1. 处理机管理

由操作系统的处理机调度程序来管理处理机的分配, 以使多个程序共享处理机, 从宏观上看多个程序同时顺序执行.

2. 内存管理

在多任务系统中, 内存不再是独占资源, 而是可能被多个应用程序共同占用.如何分配而互不干扰,如何回收, 逻辑地址到物理地址的转换

3. 设备管理

接受用户的IO请求, 分配IO设备, 管理IO缓存,驱动IO设备

4.文件管理

计算机系统把大量需要长时间保留的数据信息以文件的形式存放在外存设备中, 操作系统通过自己的文件管理程序完成外存空间的分配,回收,文件的按名存取, 文件的组织, 共享与保护等功能.

第二节 操作系统的发展

• 操作系统的发展从时间顺序上经历了从无操作系统到单道批处理系统, 多道程序系统(多道批处理系统, 分时系统)的发展过程.
• 随着应用领域的扩大, 体系结构多样化, 又出现了微机操作系统, 网络操作系统, 实时操作系统,嵌入式操作系统和物联网操作系统

一. 无操作系统

• 第一代操作系统使用电子管作为主要的电子器件, 用插件板上的硬连线或穿孔卡片表示程序, 没有用来存储程序的内存,无操作系统.
• 整个计算机系统处于运行-----因等待人工操作而暂停-----运行, 这样一种不能连续自动工作的状态.

二. 单道处理系统

• 第二代计算机使用的主要电子器件是晶体管, 开始使用磁性设备, 内外存容量增加, 计算机运算速度提高, 出现了早期的单道批处理系统.
• 将用户程序及程序处理的数据统称为作业
• 对计算机的人工控制模式存在的问题是: 机器速度很快的时候, CPU长时间等待人工操作, 造成了CPU资源的严重浪费. 该问题的解决方案是: 利用磁性存储设备提高IO速度, 同时, 系统程序常驻内存并自动装入作业, 撤销作业, 输出运算结果.
• 单道批处理系统, 内存中只能驻留一道用户作业, CPU和内存资源被用户作业独占.
• 程序是指令的集合, 程序的执行是CPU依次, 逐条执行指令的过程.当执行到输入/输出指令时,启动设备控制器工作.
• 吞吐量是指单位时间内计算机系统处理的作业量
• 当IO进行性, 此段时间内CPU空闲,无事可做.

三. 多道程序系统

• 计算机采用集成电路芯片作为主要的电子器件,OS/360是IBM开发的第一个多道程序系统.
• 多道程序系统不具有交互功能, 被称为多道批处理系统.于是出现了分时操作系统,
• 分时操作系统,

四. 微机操作系统

• 随着个人计算机的出现, 微机操作系统应运而生.
• CP/M在微机操作系统风行了几年, 成为了最著名的8位操作系统.

五. 实时操作系统

• 适用于各种工业现场自动控制, 智能机器人, 海底探测和航空航天等领域, 出现了各种实时系统.
• 实时系统是支持实时计算的系统.
• VxWorks操作系统是一种嵌入式实时操作系统,
• linux系统也支持实时性.

六. 批处理系统, 分时系统, 实时系统的特点

1. 单道批处理系统的特点

• 内存中只有一道作业, 可以自动成批处理作业, 自动性, 顺序性,单道性
• 与无操作系统的计算机系统相比而言, 减少了等待人工操作的时间.但是单道批处理系统中, 由于作业独占CPU和内存, 当作业进行IO时,CPU只能等待IO完成而无事可做, 使得CPU资源不能得到充分利用.

2. 多道批处理系统的特点

• 在多道批处理系统中, 用户所提交的作业都先存放在外存中并排成一个队列, 该队列被称为"后备作业队列"
• 与单道批处理系统相比, 多道批处理系统支持多道程序驻留内存, CPU可以不再空闲等待IO,
• 特点是: 多道性, 无序性, 调度性(作业调度和进程调度), 复杂性,
• 优点是: 能够提高CPU, 内存和IO设备的利用率和系统的吞吐量
• 缺点是: 系统平均周转时间长, 缺乏交互能力.
• 周转时间是指从作业被提交给系统开始到作业完成为止的时间.
• 平均周转时间是指所有作业的周转时间之和作业数量的比值.

3. 分时系统的特点

• 分时操作系统允许多个用户通过终端同时使用计算机.分时操作系统是多道程序系统的自然延伸, 支持多个用户任务同时驻留内存, 每个用户通过终端与主机交互时都能得到快速响应.
• 特点是: 多路性, 独立性, 及时性和交互性.
• 优点是: 向用户提供了人机交互的方便性, 使多个用户可以通过不同的终端共享主机.
• 分时系统的实现需要解决两个关键问题: 及时接收和及时处理

4. 实时系统的特点

• 实时系统主要用于实时控制和实时信息处理领域.
• 特点是: 多路性, 独立性, 及时性, 交互性, 可靠性,

七 操作系统产品的现状

1. 主机操作系统

• 是运行在大型主机上的操作系统, 主要提供三类服务: 批处理, 事务处理和分时处理.
• 批处理系统处理不需要交互式用户干预的周期性作业, 保险公司的索赔处理或者连锁商店的销售报告通常以批处理的方式完成.
• 事务处理系统负责大量的小请求. 如银行的支票处理或航班预定. 每个业务量都很小, 但是系统必须每秒处理成百上千个业务, 需要很高的处理速度.
• 分时系统允许多个远程用户同时在计算机上工作, 执行命令或处理作业 .
• 一个大型主机操作系统通常同时具有批处理, 事务处理和分时处理的功能. 如Linux 和UNIX

2. 服务器 操作系统

• 是运行在网络服务器上的操作系统, 可以通过网络同时为众多用户服务, 允许用户共享硬件和软件资源,
• linux广泛应用于服务器, PC和移动设备.

3. 微机操作系统

• 也称个人机操作系统,支持多任务

4. 嵌入式操作系统

• 是宿主于非计算机设备中的计算机系统.
• 嵌入式操作系统在技术上的特征是设计上采用更易于移植的方式, 以适应越来越多的新处理器; 开放源码, 提高性能, 保证高可靠性.
• 特征是小巧, 实时性, 可装卸, 代码固化, 弱交互性, 强稳定性, 接口统一, 低能耗.

第三节 操作系统的特征

1. 并发

• 并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生. 并发强调"同一时间间隔", 与并行不同, 并行是多个事件同时发生

2. 共享

• 共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用, 资源共享有两种方式: 互斥共享和同时共享
• 互斥共享是指任意时刻一种资源只能被一个进程访问, 当一个进程访问资源时, 其他进程必须等待, 直到资源被进程访问完毕, 释放访问权.
• 并发与共享的关系是相互依赖的, 如果系统不支持并发, 资源的使用都是独占用, 不需要共享资源. 另一方面如果不能实现有效的资源共享, 并发就不可能得到很好的支持.

3. 虚拟

• 是指通过某种技术把一个物理实体变化若干逻辑上的对应物, 物理实体是实际存在的, 而虚拟仅是用户感觉到的. 虚拟打印机, 虚拟内存和虚拟CPU等都操作系统通过某种技术把少量的物理资源变成较物理资源多的逻辑资源, 使共享资源的每个用户都感觉到自己独占用了系统资源.

4. 异步性

• 进程以不预知的速度向前推进.

第四节 操作系统的功能