操作系统 第一章 - 引论

目录

1.0操作系统の定义

1.1 操作系统的目标和作用

一、操作系统的目标

二、OS的作用

1.2 操作系统的发展过程

一、无操作系统

二、单道批处理系统

三、多道批处理系统

四、分时操作系统(time-sharing system)

五、实时操作系统(real time system)

六、微机操作系统的发展

1.3 操作系统的基本特征

一、并发性（最重要的特征，其它特征都以并发为前提）

二、共享性

三、虚拟性

四、异步性

1.4 操作系统的主要功能

1.5 OS结构设计

一、传统的操作系统结构

1、无结构操作系统

2、模块化OS结构

3、分层式OS结构

4、微内核OS结构

☺操作系统层次化体系结构

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1.0操作系统の定义

   操作系统是位于硬件层(HAL)之上，所有其它系统软件层之下的一个系统软件，

   其主要作用是管理好这些设备，提高它们的利用率和系统的吞吐量，

   并为用户和应用程序提供一个统一的接口，便于用户使用

 

 

 

1.1 操作系统的目标和作用

一、操作系统的目标

1、方便性:操作系统使计算机更易于使用

2、有效性:操作系统允许以更有效的方式使用计算机系统资源

（1）提高系统资源利用率

（2）提高系统的吞吐量

3、可扩展性:在操作系统中,允许有效地开发，测试和引进新的系统功能

4、开放性:实现应用程序的可移植性和互操作性,要求具有统一的开放的环境

 

 

 

二、OS的作用

1、作为用户与计算机硬件系统之间的接口，用户通过OS来使 用计算机系统

 

 

2、计算机系统资源的管理者(软硬件资源)

   资源主要分为四类：处理机、存储器、I/O设备、文件（数据和程序）

  Δ1、处理机管理----用于分配和控制处理机

  Δ2、存储器管理----主要负责内存的分配与回收

  Δ3、I/O设备管理---负责I/O设备的分配与操纵

  Δ4、文件管理------负责文件的存取、共享和保护

 

 

3、OS实现了对计算机资源的抽象

（1）对于一个完全无软件的计算机系统(即裸机)，它 向用户提供的是实际硬件接口(物理接口)，用户 必须对物理接口的实现细节有充分的了解，并 利用机器指令进行编程，因此很难使用

（2）通过OS的I/O管理实现了对计算机资源的抽象， 帮助用户对硬件资源的使用和管理

 

 

 

1.2 操作系统的发展过程

一、无操作系统

1、人工操作方式

（1）一台计算机的所有资源由用户独占，降低了计算机资源利用率，人操作慢，出现了严重的人机矛盾

（2）缺点：用户独占全机 ； CPU等待人工操作

 

 

2、脱机输入输出方式

（1）在外围计算机的控制下，实现输入输出

（2）主要解决了CPU与设备之间不匹配的矛盾，提高了I/O速度

 

 

 

二、单道批处理系统

1、系统对作业的处理都是成批进行的，    且在内存中始终仅存一道作业运行，运行结束或出错，    才自动调另一道作业运行，故称为单道批处理系统 2、主要特征：自动性、顺序性、单道性 3、主要优点：减少人工操作，解决了作业的自动接续 4、主要缺点：平均周转时间长，没有交互能力

 

 

三、多道批处理系统

1、多道程序                                       

（1）概念：在内存中存放多道作业运行，运行结束或出错，自动调度内存中的另一道作业运行

（2）优点：提高CPU的利用率， 提高内存和I/O设备利用率， 增加系统吞吐率

 

2、多道批处理系统の主要特征： 多道性、无序性、调度性（进程调度和作业调度）

 

3、多道批处理の主要优点：提高了资源利用率和吞吐能力

               主要缺点：平均周转时间长，没有交互能力

 

4、多道批处理系统需要解决的6个问题

（1）处理机管理：分配和控制CPU

（2）存储器管理：内存分配与回收

（3）I/O设备管理：I/O设备的分配与操纵

（4）文件管理：文件的存取、共享和保护

（5）作业管理：如何组织作业运行

（6）用户与系统的接口问题

 

 

 

四、分时操作系统(time-sharing system)

 1、分时系统是指，在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终

    端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源

 

 2、分时系统能很好地将一台计算机提供给多个用户同时使用，提高计算机的利用率

    还可以满足用户对人机交互的需求

 

 3、它被经常应用于查询系统中，满足许多查询用户的需要

 

 4、特点：多路性：一个主机与多个终端相连

         独立性：彼此独立操作，互不干扰

         及时性：系统能在很短的时间得到回答

         交互性：能实现人机对话（区别于批处理系统）

 

5、典型系统：Multics (MIT)  ；   UNIX

 

6、影响响应时间的若干因素

 

7、改善响影时间的方法：采用重入码减少信息的对换量

                       采用虚拟存储技术,减少信息对换量

 

 

五、实时操作系统(real time system)

1、实时系统

   是计算机及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，并控制所有实时设备和实

   时任务协调一致的运行

  Δ1、实时控制系统：工业控制，军事控制，医疗控制

  Δ2、实时信息处理系统：航班定票，联机情报检索 ---> 响应及时，可靠性高

 

2、实时任务的类型

（1）按任务执行是否为周期性来化分

  Δ1、周期性实时任务

  Δ2、非周期性实时任务

（2）按截止时间来化分

  Δ1、硬实时任务

  Δ2、软实时任务

 

3、实时系统的特征

（1）多路性：能对多个对象进行控制

（2）独立性：独立运行，不混淆，不破坏

（3）交互性：仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序

（4）可靠性：高可靠性，应具有多级容错防护能力

（5）及时性：不同的系统要求不一样，控制对象必须在截止时间内完成

 

 

六、微机操作系统的发展

    配置在微型机上的操作系统称为微机操作系统，分为三类：

 1、单用户单任务操作系统  MS-DOS

 

2、单用户多任务操作系统

   只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，

   如Android，Rtems 等嵌入式操作系统

 

 3、多用户多任务操作系统

    允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，

    而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，

    从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量

    最有代表性的是UNIX OS, Windows

 

 

 

1.3 操作系统的基本特征

一、并发性（最重要的特征，其它特征都以并发为前提）

1、并行性和并发性

（1）并行性：是指两个或多个事件在同一时刻发生（多核）

（2）并发性：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，宏观上同时发生，微观上交替发生（单核）

 

2、任务共行

（1）从宏观上看，任务共行是指系统中有多个任务同时运行

（2）从微观上看，任务共行是指单处理机系统中的任务并发 （Task Concurrency：即多个任务在单个处

     理机上交替运行）或多处理机系统中的任务并行（Task Parallelism：即多个任务在多个处理机上同

     时运行）

 

3、进程vs程序

（1）程序：静态实体

（2）进程：系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，

           由一组机器指令、数据和堆栈等组成的独立运行的活动实体

 

4、进程vs线程

（1）进程作为资源分配的基本单位

（2）线程作为独立运行和调度的基本单位

 

 

 

二、共享性

    系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用

1、互斥共享方式：系统中的临界资源可以提供给多个进程使用，但一段 时间内仅允许一个进程使用

         把在一段时间内只允许一个进程访问的资源，称为临界资源。如打印机、栈、表格等

2、同时访问方式：从宏观上看，资源共享是指多个任务可以同时使用系统中的软硬件资源

                 从微观上看，多个进程交替互斥地使用系统中的某个资源；例如磁盘

 

♥并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件

 

 

三、虚拟性

1、虚拟：是指通过某种技术把一个物理实体变为（映射为）若干个逻辑上的对应物

 

2、虚拟技术：（1）时分复用技术----虚拟处理机：分时实现

                                 虚拟设备：SPOOLING技术

             （2）空分复用技术--虚拟磁盘技术：逻辑分区

                                虚拟存储器：虚拟存储管理实现

 

四、异步性

1、执行结果不确定，程序不可再现

2、异步性，多道程序环境下程序（进程）以异步的方式执行，即“走走停停”

   每道程序在何时执行、各自执行的顺序、完成时间都是不确定的，也是不可预知的

 

 

 

1.4 操作系统的主要功能

一、操作系统的主要任务

    为多道程序的运行提供良好的运行环境，以保证多道程序能有条不紊地、高效地运行，

    并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率和方便用户的使用

 

二、操作系统应具有五方面的功能

（1）处理机管理（CPU）

（2）存储器管理

（3）设备管理

（4）文件管理

（5）方便用户使用的用户接口

 

 

1.5 OS结构设计

    操作系统是一个大型系统软件，其结构已经历了四代的变革：

    第一代的OS是无结构的；   第二代OS采用了模块式结构；

    第三代是层次式结构  ；   现代OS结构是微内核结构

 

一、传统的操作系统结构

1、无结构操作系统

（1）在早期开发操作系统时，设计者只是把他的注意力放在功能的实现和获得高的效率上，

     缺乏首尾一致的设计思想

（2）OS是为数众多的一组过程的集合，各过程之间可以相互调用，在操作系统内部不存在任何结构，

     因此，有人把它称为整体系统结构

（3）缺陷：设计出的操作系统既庞大又杂乱，缺乏清晰的程序结构

           编制出的程序错误很多，给调试工作带来很多困难；增加了维护人员的负担

 

 

2、模块化OS结构

(1)模块化结构（模块-接口法）

  Δ1、使用分块结构的系统包含若干module（模块）；

       其中，每一块实现一组基本概念以及与其相关的基本属性

  Δ2、块与块之间的相互关系：所有各块的实现均可以任意引用其它各块所提供的概念及属性

 

（2）模块化OS的优点：提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性

                     增强了OS的可适应性

                     加速了OS的开发过程

 

（3）模块化OS的缺点：对模块的划分及对接口的规定要精确描述很困难

                     从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别

 

 

3、分层式OS结构

（1）使用分层系统结构包含若干layer（层）

     其中，每一层实现一组基本概念以及与其相关的基本属性

 

（2）层与层之间的相互关系

  Δ1、所有各层的实现不依赖其以上各层所提供的概念及其属性，

               只依赖其直接下层所提供的概念及属性

  Δ2、每一层均对其上各层隐藏其下各层的存在

 

 

4、微内核OS结构

（1）所谓微内核技术，是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核，它与一般的OS(程序)不同，

     它更小更精炼，它不仅运行在核心态，而且开机后常驻内存，它不会因内存紧张而被换出内存

 

（2）微内核所提供的功能:

     操作系统的另一部分是内核，用来处理客户和服务器之间的通信， 即由内核来接收客户的请求，

     再将该请求送至相应的服务器；同时它也接收服务器的应答， 并将此应答回送给请求客户

 

（3）优点：提高了系统的可扩展性，增强了系统的可靠性，可移植性好，提供了对分布式系统的支持

（4）缺点：运行效率有所降低 --- 消息传递开销+模式切换开销

 

 

 

☺操作系统层次化体系结构