操作系统引论

操作系统引论

操作系统概念

操作系统（Operating System，OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，合理地组织、调度计算机工作与资源分配，进而为用户和其他软件提供方便接口的环境的程序集合。

操作系统的目标

1. 方便性：现代OS的主要目标
2. 有效性：
   • 提高系统资源利用率 ： $\frac{设备工作时间}{工作总时间}$
   • 提高系统的吞吐量：单位时间内作业完成数量
3. 可扩充性
4. 开放性

操作系统的作用

1. OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

   • 命令接口
   • 程序接口（由一组系统调用（广义指令）组成）
   • 图标—窗口方式

2. OS作为计算机系统资源的管理者(OS功能)

   计算机资源管理功能：

   • 处理机管理
   • 存储器管理
   • 设备管理
   • 文件管理

3. OS实现了对计算机资源的抽象：间接对硬件进行操作

操作系统的发展

1. 手工操作阶段

   • 缺点（人机矛盾）：用户独占主机、CPU等待手工操作

2. 单道批处理系统：系统对作业的处理是成批进行的，但在内存中始终只保持一道作业

   缺点是：在等待输入和输出的时候cpu空闲

3. 多道批处理系统（仅从资源利用率的角度看最高）：

   优点：

   • 资源利用率高
   • 系统吞吐量大

   缺点：

   • 平均周转时间长
   • 无交互能力

4. 分时系统

   主要满足的需求：

   • 人—机交互
   • 共享主机

   需要解决的问题：及时接收、及时处理

   分时系统特点：

   • 多路性
   • 独立性
   • 及时性
   • 交互性

5. 实时系统：（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的运行）

   相对于分时系统多了一个可靠性

   • 硬实时：必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预料的结果，运载火箭控制（工业武器控制系统、嵌入式系统）
   • 软实时：截止时间并不严格，偶尔错过任务截止时间对系统影响不大，火车售票系统（信息查询系统、多媒体系统）

操作系统的基本特征

1. 并发：
   1. 并行与并发
      • 并行：两个或多个事件在同一时刻发生
      • 并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生
   2. 进程：系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，是由一组机器指令、数据和堆栈等组成，是一个能独立运行的活动实体。
2. 共享（并发促成）：
   1. 互斥共享方式：在规定的一段时间内，只允许一个进程访问该资源（打印机、磁带机），互斥共享的资源称为临界资源
   2. 同时访问方式：如屏幕
3. 虚拟：虚拟处理器、虚拟存储器和虚拟外设
4. 异步（Asynchronism）：多道、单处理机中进程都是走走停停，以不可预知速度向前推进

并发和共享是OS的两个基本特征，两者互为条件。

操作系统运行环境

处理器运行模式

两种指令：

1. 特权指令：不允许用户直接使用的指令
2. 非特权指令：允许用户直接使用的指令

两态：

1. 用户态（目态）：应用程序运行在用户态，只能执行非特权指令
2. 核心态（管态、内核态）：OS内核程序运行在核心态，两种指令均可执行

用户态->核心态：访管指令中断（陷入）

核心态->用户态：特权指令

内核功能

1. 时钟管理

2. 中断机制

3. 原语（通过关中断实现）

4. 系统控制的数据结构及处理

   通过包不包含此功能划分为宏内核和微内核

   • 进程管理
   • 存储器管理
   • 设备管理

中断机构和中断处理程序

引入

1. 进程切换通过中断完成
2. CPU与I/O设备并行执行的基础

简介

1. 中断：CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应
2. 陷入：CPU内部事件所引起中断的响应

按照对中断源处理方式分类

1. 屏蔽中断
2. 嵌套中断（实时系统）

中断处理程序

1. 测定是否有未响应的中断请求
2. 保存被中断进程的CPU环境
3. 转入相应设备处理程序
4. 中断处理
5. 恢复CPU现场并退出中断

系统调用

与一般过程差别

1. 运行在不同的系统状态
2. 通过软中断进入
3. 返回问题
4. 嵌套调用浅

类型

1. 进程控制类
2. 进程通信类
3. 文件操作类
4. 设备管理类
5. 内存管理类

系统调用的处理过程

1. 提供系统调用号和必要的参数
2. 执行系统调用指令
3. 调用相应的系统调用处理子程序
4. 返回执行结果

操作系统结构

分层法

好处

1. 便于调试和验证，简化了操作系统的设计和实现
2. 易扩充和易维护

问题

1. 合理定义各层比较困难
2. 效率差

模块化

标准

1. 内聚性，内聚性越高，独立性越高
2. 耦合度，耦合度越低，独立性越高

优点：

1. 提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性
2. 增强了操作可适应性
3. 加快开发过程

缺点：

1. 接口需求难以满足
2. 无法找到可靠顺序

宏内核

将系统主要功能模块都作为一个紧密联系的整体放在核心态

优点：

高性能

缺点：

代码量大、结构混乱和难以维护

目前主流OS都是宏内核

微内核

将内核中最基本的功能保留在内核，其他功能移到用户态

采用技术

1. 机制与策略分离
2. 基于客户/服务器模式
3. 采用面向对象技术

基本功能

1. 进程（线程）管理
2. 低级存储器管理
3. 中断和陷入处理

优点

1. 可扩展性和灵活性
2. 可靠性和安全性
3. 可移植性强
4. 分布式计算
5. 融入了面向对象技术

缺点

系统开销大