操作系统概述

一、操作系统概述

1操作系统的作用

1.1、从计算机系统组成观点——操作系统是系统软件

​ 计算机系统的组成：软件和硬件

​ 软件：应用软件、系统软件（操作系统、语言处理系统和常用的例行服务系统）

​ 硬件：输入/输出（IO）设备、存储器（内存）、中央处理器（CPU）

1.2、从资源管理程序观点——操作系统是系统资源的管理者

• 操作系统是系统资源管理程序，用于控制和管理计算机系统的硬件和软件资源

  计算机系统资源	操作系统模块
  软件	文件系统
  I/O设备（硬件）	设备管理
  存储器（硬件）	存储器管理
  处理器（硬件）	处理器（进程）管理

1.3、从软件分层、扩充机器的观点——操作系统是扩充裸机的第一层系统软件

操作系统是扩展的机器，是虚拟机

固件：为了改善系统的性能，将操作系统中与硬件密切相关的部分软件通过微程序设计技术转化为硬件，这就是所谓的固化，这些具有软件功能的硬件称为固件。

1.4、从服务用户的观点——操作系统是用户与裸机之间的接口

系统提供的接口有两类

• 一是作业级接口，它提供键盘命令，供组织和控制自己的作业运行。
• 二是程序级接口，它提供一组系统调用，即OS中某个模块功能，供用户程序和其他程序调用。

1.5、从进程的观点——操作系统是由若干个可以并发执行的进程和一个对进程控制和协调的核心组成

2.操作系统定义

操作系统是一组有效控制和管理计算机系统的硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程以及方便用户的程序集合

3.计算机硬件结构概述

3.1计算机硬件系统结构

• 大、中、小型计算机的硬件组织

​ 这类计算机以存储器为中心，CPU和各种通道都与存储器相连

• 微型计算机的典型组织

​ 微型计算机是以总线为纽带来构成计算机系统，中央处理机（CPU）、存储器、I/O设备（外存磁盘、磁带）都挂在总线。

3.2操作系统的硬件基础

3.2.1支持并行操作的硬件——通道和中断

现代计算机为提高效率，大多采用多道程序设计技术

通道

定义：专门用来控制输入输出设备数据传送的处理机，可与CPU并行操作。

中断

定义：是指CPU对系统中发生的异步事件的响应

异步事件：是指无一定时序关系的、随机发生的事件。

当异步事件发生后，打断CPU对当前程序的执行转去处理异步事件，处理完再接着执行当前程序。

• 发生中断时，正在执行的程序暂停点是中断断点
• 处理器暂停当前程序，转去处理中断的过程是中断响应
• 中断处理结束后，回复程序的执行是中断返回

4.操作系统类型

4.1无操作系统计算机系统

特点：计算机资源利用率低

4.2批处理系统

4.2.1初级单道批处理系统

为提高效率，引入了脱机输入输出技术

实现原理：利用磁带容量较大的特点，先将一批作业按序以脱机方式输入到磁带上，主机在监督程序控制下逐个从磁带上读入作业到内存，并且逐个作业进行处理。

4.2.2现代多道批处理系统

在采用了通道和中断等支持并行操作的硬件技术情况下，引入了多道程序设计技术

两道批处理系统运行图：

图片标识说明：

1.在计算机内存同时存放几道程序(程序A、 B和监督程序)

2.系统各部件（如CPU、IOA、IOB）支持并行工作，在某个时刻各部件可运行不同的程序。

3.多道程序(程序A、 B和监督程序)在某个部件上（如CPU、IOA、IOB）是串行工作。

4.在多道程序中，监督程序(操作系统)是控制中心，程序要使用某个部件（CPU、IOA、IOB），必须由监督程序调度和分配。

注：对IO设备调度采用非抢占方式，谁先活得IO设备使用权就要等其用完下一个程序再用，如果是抢占方式，则优先级高的可以”插队“使用IO设备。（对CPU的调度也有整两种方式）

4.3分时系统

定义：分时系统是指一台主机连接多个带有显示器和键盘的终端，它同时允许许多用户通过终端以交互的方式使用计算机共享主机中的资源。

分时：把计算机的系统资源（尤其是CPU时间）进行时间上分割，即将整个工作时间分成一个个的时间片，每个时间片分给一个用户使用，每个用户依次地轮流使用一个时间片。

4.3.1分时系统的实现

1.采用调进／调出的单道分时系统

在多个作业轮流运行过程中，每个作业频繁调进调出，开销大性能差。

2.基于多道程序设计的多道分时系统

现代分时系统引入多道程序设计技术，采用内存与磁盘对换技术扩充内存，在内存中存放多道作业排成一个队列，依次轮流地获得一个时间片来运行。由于切换作业在内存，所以不用花费大量时间在调进调出。

总结：批处理系统和分时系统都是多道程序系统，是属于处理用户作业的系统。

4.3.2分时系统的特征

1. 多路性：系统按分时原则为每个用户服务，宏观上是多个用户同时工作，微观上是每个用户的作业轮流使用时间片，多路性也为同时性
2. 独立性：每个用户各一个终端，彼此独立操作，感觉是一人一台主机。
3. 交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话，用户还可以请求系统提供多方面服务。
4. 及时性：用户的请求能在很短时间内获得响应。

分时系统的重要指标

响应时间：是分时系统的重要指标，它是用户发出终端命令到系统开始作出响应的时间间隔。

假设分时系统中用户数为n，每个用户的运行时间片为q，则系统的响应时间为:t＝n×q。每个用户分到的时间片q由二部分组成，用于对换时间S和用于真正处理时间T（处理），q=S+T。

4.4实时系统

目的：为了提高系统的响应时间，对随机发生的外部事件作出及时响应并对其进行处理

4.4.1实时系统分类

• 实时控制系统：主要用于生产过程的自动控制，实验数据自动采集，武器的控制。如自动驾驶系统等
• 实时信息系统：主要用于实时信息处理。如飞机订票系统等

4.4.2实时系统特征

• 快速的响应时间：实时系统的响应时间则是由控制对象所能接受的时延确定的，外部事件往往以中断方式通知系统，系统有较强的中断处理能力

• 有限的交互能力：实时系统一般是专用系统，用户只能访问系统中某些特定的专用服务程序，不能象分时系统一般向终端用户提供多方面服务。

• 高可靠性：实时系统要求系统高度可靠，实时系统中往往都采用双机系统，多级容错等措施来保证系统和数据的安全。

4.5微机操作系统

配置在微机上的OS称为微机操作系统

1. 单用户单任务操作系统MS-DOS
2. 多任务操作系统MS Windows
3. 多用户多任务操作系统SCO UNIX
4. Linux

4.6网络操作系统

定义：网络操作系统是使网络上各计算机能方便地进行网络通信、有效地共享网络资源，为网络用户提供所需各种服务的软件和有关规程的集合。

功能：

1. 高效、可靠的网络通信
2. 对网络中共享资源有效的管理
3. 提供电子邮件、文件传输、共享硬盘、打印机等服务
4. 网络安全管理
5. 提供互操作能力

网络OS的客户／服务器模式：

该模式是流行的网络工作模式，该模式网络可分为以下两类：

1. 服务器：是网络的控制中心，其任务是向客户提供一种或多种服务。
2. 客户：客户中包含了本地处理软件和访问服务器上服务程序的软件接口，用于本地处理和访问服务器的站点。

现代操作系统特点——内装网络：现代操作系统已把网络功能包含到操作系统的内核中，作为操作系统核心功能的一个组成部分。

4.7分布式操作系统

定义：分布式计算机系统是为分散处理、协同完成任务而将多个分散的计算机经互连网络连接而成的计算机系统，分布式操作系统是在它上配置的操作系统。

分布式操作系统是能直接对系统中各类资源进行动态分配和管理。

它基于两种环境:多处理器(CPU)系统或多计算机系统（网络），它是网络操作系统的更高级的形式，它保持了网络操作系统的全部功能，所以说分布式操作系统一定是网络操作系统，而分布式操作系统具有的特性：

1. 分布性
2. 透明性
3. 统一性
4. 健壮性

4.8嵌入式操作系统

定义：嵌入式系统是在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统。

5.操作系统特征和功能

5.1特征

1. 并发性（基本）：指宏观上在一段时间内有多道程序在同时执行
2. 共享性（基本）：指系统中的所有资源不再为一个程序所独占，而是供同时存在于系统中的多道程序所共同使用
3. 虚拟性
4. 异步性和不确定性：过程不确定性（可接受）和结果不确定性（不可接受）

操作系统最基本的两个特性并发和共享的联系：

1.资源共享是以程序（进程）的并发性执行为条件的

2.系统不能对资源共享实施有效管理，则也必将影响到程序并发执行

现代操作系统特征：

1. 微内核结构
2. 多线程
3. 对称多处理机
4. 分布式操作系统
5. 面向对象设计

5.2操作系统功能

1. 处理机（进程）管理
2. 存储器管理
3. I/O设备管理
4. 信息管理（文件系统管理）
5. 用户接口：包括作业级接口（用户）和程序级接口（程序员）

6.用户与操作系统接口

6.1用户接口

1. 作业级接口：是用于作业控制的，它是籍助于在用户和操作系统之间提供高级通信来控制一组程序的处理，又称命令接口。它还分为两类：

   ​ 1.1联机用户接口：联机用户接口也叫交互式用户接口，它用于联机作业控制。

   ​ 1.2脱机用户接口：也称批处理用户接口，它用于脱机作业控制。

2. 程序接口：是操作系统为正要运行的程序提供服务并与之通信的一个设施。

​ 2.1系统调用是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能模块，它是一种特殊的过程调用。