《计算机操作系统》（第四版）----第一章操作系统引论

第一章：操作系统引论

 

操作系统（os）：配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。操作系统是一组能有效组织和管理计算机硬件和软件资源，合理对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。

操作系统的目标

目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点：

• 方便性
• 有效性
• 可扩充性
• 开放性

操作系统的作用

• 作为用户与计算机硬件系统之间的接口

使用方式 ：命令方式 ；系统调用方式； 图标-窗口方式

• 作为计算机系统资源的管理者

资源分类：处理机、存储器、I/O设备和文件（数据和程序）

(1)处理机管理：分配和控制处理机；

(2)存储器管理：内存分配和回收；

(3)输入输出设备管理：输入输出设备的分配和操纵；

(4)文件管理：文件的存取、共享和保护。

• 实现了对计算机资源的抽象

对于一台完全无软件的计算机系统（裸机），由于它向用户提供的仅是硬件接口（物理接口），因此，用户必须对物理接口的实现细节有充分的了解，这就使该物理机器难于广泛应用。为了方便用户使用I/O设备，人们在裸机上覆盖了一层I/O设备管理软件。通常把覆盖软件的机器称为扩充机器或虚拟机。

I/O设备管理软件实现了对计算机硬件操作的第一层抽象。

为方便用户，在第一层软件上再覆盖一层用于文件管理的软件，文件管理软件又实现了对硬件操作的第二层抽象。

 

推动操作系统发展的主要动力

1. 不断提高计算机资源利用率
2. 方便用户
3. 器件的不断更新换代 
4. 计算机体系结构的不断发展
5. 不断提出新的应用需求

操作系统的发展过程

• 无操作系统的计算机系统

1946~50年代，第一代计算机（电子管）

工作方式：采用人工方式直接使用计算机硬件

缺点：用户独占全机，资源利用率很低。CPU需等待用户，CPU利用率低。

解决方案：批处理，脱机I/O方式

脱机I/O方式（Off-Line I/O）：程序和数据的输入、输出都是在外围机的控制下完成的，而不是由主机控制的。

脱机I/O方式：(1)减少了CPU的空闲时间； (2) 提高了I/O速度

• 单道批处理系统

上世纪50年代，第二代计算机（晶体管）

特征：

    1.自动性:   成批作业能自动逐个运行。

    2.顺序性：磁带上的各道作业顺序进入内存。

    3.单道性：内存中仅有一道程序运行。

优点：减少了CPU的空闲时间

缺点：内存中只保持有一道作业 ; CPU和I/O设备使用忙闲不均 (对计算为主的作业，外设空闲；对I/O为主的作业，CPU空闲；)

• 多道批处理系统（将用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。宏观上表现为多个作业同时运行）

上世纪60年代中期，第三代计算机（集成电路）

特征:

    1.多道性：内存中同时可驻留多道程序，且允许并发执行

    2.无序性：作业完成顺序与其进入内存的顺序之间无严格对应关系

    3.调度性：作业调度、进程调度

优点：资源利用率高。系统吞吐量大。

缺点：平均周转时间长。短作业的周转时间显著增长 。无交互能力，只有整个作业完成或中间出错时，才能与用户交互，不利于调试和修改。

• 分时系统（指在一台主机上连接有多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，每个用户都可以使用自己的终端和主机交互。）

按时间片轮转

特征：

    1.多路性：各联机用户可同时使用同一台计算机。

    2.独立性：各终端用户感觉自己“独占” 计算机。

    3.及时性：用户的请求能在很短时间内得到响应。

    4.交互性：用户与计算机之间可进行“会话”。

• 实时系统（ 所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(Real-Time System)是指系统能及时(或即时)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。）

按任务执行时是否呈现周期性来划分 ：

(1) 周期性实时任务

(2) 非周期性实时任务(有一个截止时间。它又可分为：

    ① 开始截止时间—任务在某时间以前必须开始执行；

    ②  完成截止时间—任务在某时间以前必须完成。)          

根据对截止时间的要求来划分:

 (1) 硬实时任务(hard real-time task):系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能  出现难以预测的结果。      

 (2) 软实时任务(Soft real-time task):它也联系着一个截止时间， 但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间， 对系统产生的影响也不会太大。

• 三种操作系统比较（批处理系统，分时系统，实时系统）

	多路性	独立性	及时性	交互性	可靠性
批处理系统	无	无	差	差	一般
分时 系统	多终端服务	有	好	好	可靠
实时 系统	多路采集、多路控制	有	最好	一般	高度 可靠

 

操作系统的基本特性

• 并发(Concurrence)

并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生

并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；

单处理机系统（只能并发） 微观上分时交替   宏观上同时运行

多处理机系统（可以并行） 可并发执行的程序被分配到多个处理机 每个处理机处理一个可并发执行的程序

• 共享(Sharing)

OS下共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。由于资源属性的不同，进程对资源共享的方式也不同，目前主要有两种资源共享方式。

互斥共享：如打印机等，一段时间内只能给一个作业使用。

同步共享：如磁盘等，在同一时刻可被多个作业同时访问。

• 虚拟(Virtual)

操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的， 即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。

“从逻辑上扩充计算机硬件的功能”

通信中信道复用技术：时分复用、频分复用、波分复用、码分复用。

计算机中的虚拟技术包括：虚拟处理机、虚拟I/O、虚拟存储器。

• 异步(Asynchronism)

计算机中多道程序以不可预知的速度往前推进。

有可能后进入内存的作业先完成，受控于操作系统的调度。

OS中配置有进程同步机制，且运行环境相同情况下，即便经历多次运行，最终结果也相同。

操作系统的主要功能

操作系统目的：为多道程序的运行提供良好的运行环境，以保证躲到程序有条不紊，高效的运行，并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率，方便用户的使用。

• 处理器管理

处理器管理的主要任务是对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。

进程管理包括以下几个方面:

(1)进程控制：为作业创建、撤销进程，并控制状态转换。

(2)进程调度：在多个就绪进程（线程）中分配处理机并使分配到处理机的进程（线程）投入执行。

(3)进程同步：对进程的执行次序加以协调。

(4)进程通信：实现进程（线程）之间的信息交换，使其相互合作。

• 存储管理

存储管理是指对主存储器的管理，即：如何把有限的主存储器进行合理的分配，满足多个用户程序运行的需要。

主存储器分为两部分:一是系统区,一是用户区。

对主存储器的管理主要是对用户区域进行管理。

存储管理的功能有下列四个方面：

⑴分配和释放主存储器空间：若当时的情况不能满足申请要求，则让申请的进程处于等待状态，直到有足够主存空间时再分配给该进程。当某个作业返回时,系统负责收回，使之成为自由区域。

⑵主存储器空间的共享：共享主存资源，共享主存的某些区域

⑶扩充主存容量：通过虚拟存储技术或自动覆盖技术，把辅助存储器作为主存储器的扩充部分来使用。

⑷存储保护：为避免相互干扰，必须对主存中的程序和数据进行保护。

• 设备管理

有效地管理各种外设，使这些设备充分地发挥效率；并且要给用户提供简单而易于使用的接口，以便用户在不了解设备性能的情况下，也能很方便地使用它。

功能主要包括：  

⑴ 缓冲管理：提高CPU和I/O设备的利用率和I/O速度。  

⑵ 设备分配：为用户分配设备和设备控制器。  

⑶ 设备处理：实现CPU和设备控制器之间的通信。

• 文件管理

文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。

主要功能:      

(1)文件存储空间的管理    

(2)目录管理      

(3)文件读写管理和保护

• 提供友好的用户接口

为方便用户使用OS，OS向用户提供了“用户与操作系统的接口”，可分两大类：  

1）用户接口    

(1)联机用户接口;

(2)脱机用户接口;

(3)图形用户接口  

2）程序接口