操作系统-------第1章操作系统引论

1.1操作系统的目标和作用
操作系统(Operating System,OS)的目标与应用环境有关。例如在查询系统中所用的OS，希望能提供良好的人-机交互性；对于应用于工业控制、武器控制以及多媒体环境下的OS，要求其具有实时性；而对于微机上配置的OS，则更看重的是其使用的方便性。
操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。
 

计算机上配置操作系统的目标：方便性、有效性、可扩充性和开放性。
1. 方便性
使用户采用编译命令将高级语言书写的程序翻译成机器代码，或直接通过OS所提供的各种命令操纵操作系统。
2. 有效性
提高系统资源利用率：处理机、I/O设备经常处于空置状态
提高系统吞吐量：加速程序的运行，提高系统的吞吐量
3. 可扩充性
微内核结构能方便的增添新的功能和模块，以及对原有的功能和模块进行修改，具有良好的可扩充性。
4. 开放性
遵循OSI国际标准
 

1.2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
用户可通过命令方式、系统调用方式和图标---窗口三种方式来实现与操作系统的通信。
2. OS作为计算机系统资源的管理者
管理硬件和软件资源
处理机、存储器、I/O设备以及文件（数据和程序）；
对一台计算机系统同时供多个用户使用时进行授权，协调共享资源的使用。
3. OS实现了对计算机资源的抽象
 

1.1.3 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
计算机系统昂贵是最初推动力
20世纪60和70年代出现了SPOOLing系统提高I/O设备和CPU利用率；虚拟存储器技术改善了存储器系统利用率；网络共享。
2. 方便用户
用户在上机、调试程序时的不方便性成为推动
20世纪60年代出现分时系统，90年代初出现图形用户界面。
3. 器件的不断更新换代
微机OS随微机芯片由8位发展到64位；
OS除传统外设，还可以支持光盘、移动硬盘、闪存盘、扫描仪、数码相机等。
4. 计算机体系结构的不断发展
单处理机---多处理机OS     网络操作系统的出现,网络OS
5. 不断提出新的应用需求
工控需要实时OS;听音乐、看电影和玩游戏需要多媒体功能；信息需要安全性；智能设备需要嵌入式OS
 
 
1.2操作系统的发展过程
 1.2.1未配置操作系统的计算机系统
1. 人工操作方式
程序员将事先已穿孔的的纸带（或卡片），装入纸带输入机（或卡片输入机）;
直到后来引入了脱机输入/输出技术，才使I/O设备缓慢的速度与CPU的速度相匹配。
2. 脱机输入/输出（Off-Line I/O）
把纸带（卡片）上的数据（程序）输入到磁带上，再从磁带上高速地调入内存。
1.2.2单道批处理系统（Simple Batch Processing System）
首先由监督程序(Monitor)将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行控制权交给该作业；当该作业处理完成时，又把控制权交还给控制程序。
解决CPU与I/O设备速度不匹配矛盾；但造成内存浪费、CPU等待I/O。
1.2.3多道批处理系统（Multiprogrammed Batch Processing System）
用户所提交的作业先存放在外存上，并排成一个队列。
提高I/O设备利用率和系统吞吐量，提高CPU利用率；一旦把作业交给系统无交互能力（快速响应用户）。
1.2.4分时系统(Time Sharing System)
人---机交互需求推动分时系统发展
解决多道批系统中作业在外存驻留的等待。改为时间片的轮转运行方式。
1.2.5实时系统(Real Time System)
飞机的自动驾驶系统，火车的订票系统，多媒体系统，嵌入式系统
实时性和可靠性是实时操作系统最重要的两个目标，但资源利用率低。
1.2.6微机操作系统的发展
单用户单任务操作系统
单用户多任务操作系统：Windows,只允许一个用户，但允许把程序分为多任务
多用户多任务操作系统：UNIX


1.3操作系统的基本特性
操作系统的基本特性：并发（Concurrence），共享(Sharing)，虚拟(Virtual)，异步(Asynchronism)
并行与并发：例如，在1秒钟时间内，0~15ms程序A运行；15~30ms程序B运行；30~45ms程序C运行；45~60ms程序D运行。
并行：因此可以说,在1秒钟时间间隔内，宏观上有四道程序在同时运行。同一时刻发生。
并发:但微观上，程序A、B、C、D是分时地交替执行的。同一时间间隔内发生。
进程（Process）：
系统中，为同一个应用的计算程序和I/O程序分别建立一个进程，便可并发。
内存中，为多个程序分别建立一个进程，便可并发
进程和并发现代操作系统中最重要的基本概念。
 
共享:或称为资源复用
互斥共享方式：如打印机、磁带机等这种在一段时间内.只允许一个进程的资源，称为临界资源（或独占资源）。
同时访问方式：如磁盘设备，允许若干个用户同时访问该文件。
并发和共享是多用户（多任务）OS的两个最基本的特征。
 
虚拟
时分复用技术：利用为一用户服务的空闲时间转去为其他用户服务
虚拟处理机技术、虚拟设备技术(打印机)
空分复用技术：利用存储器空闲空间存放和运行其他程序
20世纪初，电信业中就已使用频分复用技术来提高信道的利用率。
 
异步
程序的侧重不同，有的需要少计算，有的多I/O，这样可能先进入内存的作业后完成，此即进程的异步性。
但只要在OS配置完善的进程同步机制，作业运行会获得相同的结果。
 
 
1.5 OS结构设计
OS结构设计：数百人分工合作共同来完成操作系统的设计，由此产生了软件工程学
1.5.1传统操作系统结构
1. 无结构操作系统
一个人能理解和掌握，调试困难，另一方面难以阅读理解维护不便。
2. 模块化操作系统
提高OS正确性、可理解性和可维护性。适应性和开发过程。
无序性，很难做到设计中的每一步决定
3. 分层式结构OS
从无序变为单向有序，增加通信开销。
1.5.2客户/服务器模式（Client/Server Model）
1.5.3面向对象的程序设计（Object-Orientated Programming）
对象：具有相同属性、服从相同规则的一系列事物的抽象。如果把文件作为一个对象，具体事务称为对象的实例。
变量：变量便是文件类型、文件大小、文件的创建者等。方法：包含对文件的操作，如创建文件、打开文件、读文件、写文件、关闭文件等。
变量（数据）对外是隐蔽的，必须通过方法（操作函数）访问。
 
对象类：一组大体相似的对象。类是对象的抽象，对象则是类的实例。
继承：根据已有类来定义一个新的类
多重继承：子类从多个父类获得继承
子类继承父类的变量和方法
1.5.4微内核OS结构
将内核中最基本的功能（如进程管理等）保留在内核，移出内核的操作系统代码被划分成若干服务程序，它们借助于微内核通信。
 2020-05-13