操作系统概论

目录

操作系统概论（1）

一、计算机系统

二、操作系统的定义

三、操作系统的特征

四、研究操作系统的观点

操作系统概论（2）

五、操作系统的功能

操作系统概论（3）

一、Windows操作系统的体系结构

二、UNIX操作系统的体系结构

三、Linux操作系统的体系结构

四、Android操作系统的体系结构

五、操作系统发展阶段

六、操作系统的分类

操作系统概论（1）

一、计算机系统

1.定义（什么是计算机系统）：计算机系统是一种可以按用户的要求接收和存储信息、自动进行数据处理并输出结果信息的系统。
2.分类：广义-->机械式系统和电子式系统，电子式系统为模拟式和数字式计算机系统
3.组成：硬件（子）系统和软件（子）系统
4.计算机系统的资源：（1）硬件资源，（2）软件资源，在计算机系统中，集中了资源管理功能和控制程序执行功能的一种软件，称为操作系统。

二、操作系统的定义

操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它是一些程序模块的集合，它们能有效地组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效地运行。
定义解析：1.什么是组织和管理计算机系统中的硬件资源和软件资源？答：在操作系统中，设计了各种表格和数据结构，将所有的软硬件资源都加以登记。比如：PCB、系统设备（如Win10系统的设备管理器）表等。
2.有效，指操作系统在管理计算机资源时要考虑到系统运行的效率和资源的利用率，要尽可能提高中央处理器的利用率，让它尽可能少的空转，应该在保证访问效能的前提下尽可能有效地利用其它资源，比如减少内存、硬盘空间的浪费。
3.合理，指操作系统要”公平“对待不同的用户程序，保证系统不发生“死锁”和“饥饿”现象。
4.方便，指操作系统的人机界面要考虑到用户使用界面和程序接口两个方面的易用性、易学性和易维护性。
（1）用户使用接口：命令、图形界面，如Window图形界面。
（2）程序接口：程序员能够使用操作系统提供的服务供程编程，如Windows提供的API接口，Linux的系统调用。

三、操作系统的特征

1.并发性：是指在计算机系统中同时存在着若干个运行着的程序，从宏观上看，这些程序在同时向前推进。
2.共享性：操作系统需与多个用户程序共用系统中的各种资源，比如CPU、内存、外部设备等。
3.随机性（或称为异步性、不可预知性）：操作系统不能对所运行程序的行为以及硬件设备的情况做出任何事先的假定，即操作系统不能预知程序在什么时候运行，什么时候因为什么原因暂停，什么时候能得到资源继续运行，什么时候运行结束，这些都是不可预知的。

四、研究操作系统的观点

1.软件的观点：操作系统是一种大型系统软件，它是多种功能程序的集合，有外在特性和内在特性。
外在特性：接口（如提供接口给应用软件、命令调用）；
内在特性：与硬件交互；
2.资源管理的观点：操作系统负责登记谁在使用什么样的资源，系统中还有哪些资源空闲，当前响应了谁对资源的请求，以及回收那些不再使用的资源等。
3.进程的观点：把操作系统看做由多个可以同时独立运行的程序和一个对这些程序进行协调的核心。
侧重于分析系统各部分的并行工作，研究处理各项管理任务的分割以及这些管理任务相互之间的关系，比如竞争资源、进程通信等。
4.虚机器（即虚拟机）的观点：在操作系统的支持下，用户不需要直接使用硬件机器（裸机），而是通过操作系统提供的各种手段来控制和使用计算机；例如，把所有设备和对文件的操作抽象为统一的打开、关闭、读、写等，用户感觉不到底层的操作差异；把操作系统的全部功能，包括系统调用、命令、作业控制语言，称为操作系统虚机器（即虚拟机）。
5.服务提供者观点：从用户的角度，站在操作系统之外观察操作系统，认为该服务提供者为用户提供了比裸机功能更强、服务质量更高、更方便更灵活的虚拟机。

操作系统概论（2）

五、操作系统的功能

1.进程管理
（1）进程管理的实质：对中央处理器进行管理，或者称为处理机管理。
（2）多道程序技术：多个程序同时放入内存，如果一个程序因为等待某个条件而不能运行，就把处理器专用权转交给另一可运行程序。
（3）进程的引入：为了描述多道程序的并发而引入
（4）进程的简单定义：一个程序的运行过程
（5）进程管理的内容：进程控制（进程的创建、撤销、阻塞等）、进程同步（关联进程按照顺序执行）、进程间通信、调度。
2.存储管理
（1）任务：管理计算机内存的资源
（2）功能：
①内存的分配与回收：当多个程序共享有限的内存资源时，要考虑如何为多个程序分配有限的内存空间，以及程序运行完毕还需要内存回收。
②存储保护：存储在内存中的多个程序和数据应该彼此隔离、互不侵扰。
③内存扩充：将辅助存储器（如硬盘）作为内存的扩充空间。
3.文件管理
（1）任务：有效地支持文件的存储、检索和修改等操作、解决文件的共享、保密和保护问题，以便用户方便、安全地访问文件。
（2）功能：
①文件存储空间的管理（如分配和删除存储空间等）
②目录管理
③文件系统的安全性

4.设备管理
（1）设备管理的含义：指计算机系统中除了处理器和内存以外的所有输入、输出设备的管理。
（2）功能：负责外部设备的分配、启动和故障处理。
（3）采用的技术：中断技术、通道技术、虚拟设备技术、缓冲技术、尽可能发挥设备和主机的并行能力。
5.用户接口
从用户观点看，操作系统是用户与计算机之间的接口。
任务：为用户提供一个使用系统的良好环境，使用户能有效地组织自己的工作流程，并使整个系统高效地运行。

操作系统概论（3）

一、Windows操作系统的体系结构

1.内核，功能：线程调度、陷入处理和异常调度、中断处理和调度、多处理器同步、供执行体使用的基本内核对象。
2.硬件抽象层HAL，是系统可移植性的关键部分，为运行在Windows操作系统上的硬件平台低级接口，隐藏了各种与硬件有关的细节，如I/O接口等专用的和依赖于计算机平台的函数。
3.执行体，属于内核，以系统函数的形式提供了系统的服务，可通过Win32 API进行访问
4.系统进程和系统线程，执行系统代码

二、UNIX操作系统的体系结构

1.内核层，是操作系统管理和控制中心，常驻内存。有两种接口：内核与硬件的接口和内核与shell的接口。内核本身分为两部分，进程控制子系统和文件子系统。
2.系统层，内核层与应用层之间，供程序员开发调用，包括进程管理、文件管理、中断状态。
3.应用层，面向用户操作的界面 

三、Linux操作系统的体系结构

四个部分：内核、shell、文件系统和应用程序

四、Android操作系统的体系结构

四个部分：从低到高，应用程序层、应用框架层、系统运行库层和Linux内核层。

五、操作系统发展阶段

1.手工阶段，2.监控程序，3.多道批处理，4.分时与实时操作系统，5.UNIX通用操作系统，6.个人计算机操作系统，7.Android操作系统

六、操作系统的分类

三种基本类型：批处理系统、分时系统、实时系统
新类型：个人操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统
1.批处理操作系统
（1）基本作业方式，用户将作业交给系统操作员，系统操作员在收到作业后，并不立即将作业输入计算机，而是收到一定数量的用户作业之后，组成一批作业，再把这批作业输入到计算机中。这批作业可在系统中形成一个连续的、自动转换的作业流。系统操作员然后启动操作系统，系统自动、依次执行每个作业。最后由操作员将执行完毕的作业交给用户。

（2）特点与分类
特点：成批处理，用户不能干预自己作业的运行。
目标：系统资源利用率高，作业吞吐率（单位时间内作业量）高。
分类：简单批处理和多道批处理
（3）设计思想：在监控程序启动之前，操作员有选择地把若干个作业合并成一批作业，将这批作业安装在输入设备上，然后启动监控程序，监控程序将自动自动控制这批作业的执行，作业的运行与衔接都由控制程序自动控制，从而有效地提高了作业运行的效率。
（4）作业控制说明书，作业控制说明书是由作业控制语言编写的一段程序，它通常存储在被处理作业的前面，作业的运行由作业控制说明书来传递给监控程序，运行过程中，监控程序读入并解释作业说明书，以控制各个作业步的执行。
（5）一般指令和特权指令
操作系统的运行模式：用户模式和特权模式
处理器的状态：目态（用户态）和管态（内核态）
机器指令：一般指令和特权指令
系统调用：用户程序不能直接使用特权指令，它们必须向操作系统请求这些功能，这些功能通过系统调用完成。
（6）系统的调用过程，首先，当系统调用发生时，由中断或异常处理程序，把控制流程转移到监控程序内的一些特定，处理器模式变为特权模式。其次，由监控程序执行被请求的功能。最后，恢复现场，运行模式转变为用户模式，控制权交给用户程序。
（7）SPOOLing技术，是多道程序设计的关键技术之一，也称为假脱机技术。
2.分时操作系统
（1）基本工作方式，在分时系统中，一台主机连接了若干终端，每个终端可由一个用户使用。用户通过终端交互式地向系统提出命令请求，系统接收用户命令之后采用时间片轮转方式处理服务请求，并通过交互方式在终端上向用户显示结果。
（2）分时操作系统特点：①多路性（每个终端都可以向操作系统提出请求），②交互性（操作系统及时响应终端请求的结果），③独占性（终端互不干扰地使用操作系统），④及时性（操作系统接收到命令后及时输出结果到终端上）

  

3.实时操作系统
实时操作系统是指，使计算机能在规定的时间内，及时响应外部事件的请求，同时完成对该事件的处理，并能够控制所有实时设备和实时任务协调一致工作的操作系统。
目标：在严格时间范围内，对外部请求做出反应，系统具有高可靠性。
分类：硬实时操作系统和软实时操作系统
能力：除了多道程序系统的基本能力外，还有以下功能：（1）实时时钟管理（如农业大棚温度），（2）过载防护，（3）高可靠性
4.嵌入式操作系统
（1）定义：在各种电子、电器和智能机械上，嵌入安装着各种微处理器或微控制芯片。嵌入式操作系统就是运行在嵌入式芯片环境中，对整个芯片以及它所操作、控制的的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。
4.其他操作系统
（1）个人计算机操作系统
（2）网络操作系统
（3）分布式操作系统
5.操作系统的设计过程
（1）功能设计，确定所设计的操作系统应具备哪些功能以及操作系统的类型。跟目标有关。
（2）算法设计，选择和设计满足系统功能的算法和策略，并分析和估算其效能。
（3）结构设计
6.操作系统的设计目标：①可靠性，②高效性，③易维护性，④可移植性，⑤安全性，⑥简明性
7.操作系统的结构设计
操作系统结构研究的目标
（1）系统模块化，（2）模块标准化，（3）通信规范化
8.操作系统的结构
常见的操作系统结构：（1）整体式结构，（2）层次式结构，（3）微内核（客户/服务器）结构