计算机操作系统第一章复习

一、操作系统的概念

1.定义

操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调多个任务的活动，实现信息的存取和保护。它提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。

操作系统的计算机系统的核心软件，按照功能特性的不同，可把操作系统分为多道批处理系统，个人机系统，网络操作系统，分布式操作系统
（系统调用的目的是请求系统服务）

• 多道批处理系统：提高系统的吞吐量和效率（缺点：失去了交互性）
• 实时操作系统：实时的对系统资源进行调度（追求的目标是快速响应）
• 网络操作系统：
• 分布式操作系统：
• 分时操作系统：特性（及时性，独占性，交互性）

Unix为分时操作系统：
在分时操作系统中，时间片一定，用户数越多，响应时间就越长。
DOS没有多道批处理的特点
2、目标

• 方便性：配置OS后计算机系统更容易使用

• 有效性：改善资源利用率；提高系统 吞吐量

• 可扩充性：OSde结构（如层次化的结构：无结构发展->模快化结构->层次化结构->微内核结构）

• 开放性：OS遵循世界标准范围。

3、作用

• OS作为用户与计算机硬件系统之间的 接口（API／CUI／GUI）

• OS是计算机系统资源的管理者（处理机、存储器、I/O设备、文件）
• OS实现了对计算机资源的抽象（OS是扩充机/虚拟机）

4、操作系统的特征：
程序的并发执行，资源共享、 独立性、异步性
5、发展
随着VLSL的发展，计算机硬件得到了迅速的发展，对操作系统提出了更高的要求，操作系统负责管理计算机系统的资源包括处理机，存储器，设备和文件

• 处理机管理是用于分配和控制处理机

• 存储器管理是负责内存的分配与回收

• I/O设备管理是负责I/O设备的分配（回收）与操纵

• 文件管理是用于实现文件的存取、共享和保护

6、现代操作系统的基本特征 ： 程序的并发执行 资源共享，和操作的异步性

7、操作系统的生活实例
计算机订票系统应该安装 网络操作系统
计算机语言系统学习应该安装 分时操作系统

8、操作系统的实现必须具备的硬件支持是 ：地址转换机构 ， 中断转置 存储保护机构
9、分时系统需要使用 多道程序设计技术 中断处理 终端命令解释程序 系统调用
10、支持CPU与外设并行工作的硬件支持有通道， 中断， 缓冲
11、特权指令 关中断 改运行为管态 重启动
12、操作系统的核心 文件系统 设备管理 内存管理 CPU管理
13、设计操作系统时的目标：
可扩充性，开放性，方便性，有效性
14、用户可以通过 命令方式 系统调用方式 图形窗口方式
接口 ： 用户接口 ，程序接口 脱机用户接口 图形用户接口（GUI）
15、操作系统是一组控制和管理计算机 硬件和软件资源 合理地对各类作业进行调度 以及方便用户使用的程序的程序的集合
16、资源共享的两种方式 互斥共享方式 同时访问方式
17、在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为 临界资源
18、在操作系统中利用了两种方式 实现虚拟技术，时分复用 ， 空分复用

二、操作系统的发展过程

1、无操作系统的计算机系统（40年代 手工操作阶段）

• 人工操作方式：用户独占全机，资源空闲浪费。
  手工装卸、人工判断、手工修改与调试内存指令等造成CPU空闲；提前完成造成剩余预约时间内的CPU完全空闲；
  I/O设备的慢速与CPU的速度不匹配造成的CPU空闲等待时间
• 脱机输入输出（Off-Line I/O）方式。减少了CPU的空闲时间
  提高了I/O速度

2、单道批处理系统（50年代）

• 解决问题：

单道批处理系统是在解决人机矛盾和CPU与I/O设备速度不匹配矛盾的过程中形成的。批处理系统旨在提高系统资源的利用率和系统的吞吐量。（但单道批处理系统仍不能充分利用资源，故现在已很少用）
单道批处理分为：联机批处理、脱机批处理
联机批处理：CPU直接控制作业输入输出
脱机批处理：由外围机控制作业输入输出

• 缺点：

系统资源利用率低（因为内存中只存在一道程序，I/O请求成功前CPU都处于空闲状态）

• 特征

• 自动性。正常情况下，一批作业能自动依次运行，无需人工预
• 顺序性。各道作业是顺序进入内存，
• FCFS 单道性。内存中任何时候只能有一道作业。

3、多道批处理系统（60年代初）

目的：为了进一步提高资源利用率和系统吞吐量

该系统中，用户提交的作业都先存在外存中，在作业A在执行I/O请求时，CPU空闲，此时调用作业B，防止CPU空闲。同理按一定的算法调用作业，防止CPU空闲 : 注

优点：

资源 利用率高

系统吞吐量 大

缺点：
平均周转时间长（作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。）无交互能力

总结：

• 多道：内存同时存在多个作业
• 宏观上并行：同时有多道程序在内存运行，某一时间段上，各道程序不同程度地向前推进。
• 微观上串行：任一时刻最多只有一道作业占用CPU，多道程序交替使用CPU

4、还需解决的问题：

处理机管理问题	内存管理问题（内存分配和保护）
I/O设备管理问题	文件管理问题（文件的组织和管理）
作业管理问题	用户与系统的接口（OS还应提供用户与OS的接口，方便用户操作）

5、分时系统（60年代中）

分时系统 是指在一台主机上连接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键盘，以交互的方式使用计算机，共享主机中的资源。

关键问题：

及时接收（多路卡和缓冲区）	作业直接进入内存、不允许一个作业长期占用处理机
即时处理（划分时间片）	多个用户分时使用主机，每一用户分得一个时间片，用完这个时间片后操作系统将处理机分给另一用户，如此循环，每一用户可以周期性地获得CPU使用权，这样每一用户都有一种独占CPU的感觉。

特征：

多路性	允许同一主机联接多台终端
独立性	每一用户独占一个终端；每个用户感觉不到其他用户的存在。
及时性	用户请求能及时响应
交互性	可进行广泛的人机对话

6、实时操作系统（60年代中）

• 概念：系统能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，并控制所有实时任务协调一致地运行。

• 特征：

• 多路性

  • 对实时处理系统，系统按分时原则为多个终端服务；
  • 对实时控制系统，系统经常对多路现场信息进行采集；以及对多个对象或多个执行机构进行控制。

• 独立性

  • 实时处理系统，每个终端用户向实时系统提出服务请求时，彼此独立；
  • 实时控制系统，对信息的采集和对对象的控制彼此不干扰。

• 及时性（开始截止时间/完成截止时间）

• 交互性（仅限于访问专用服务程序）

• 可靠性（多级容错措施保障系统和数据安全）

7、微机操作系统

单用户单任务操作系统：CP/M（75年）、MS-DOS（81年）。
单用户多任务操作系统：OS/2（87年）、MS WINDOWS（90年windows 3.0)。
多用户多任务操作系统：UNIX（70年）
8、多处理机操作系统

9、网络操作系统

三、操作系统的基本特性

1、并发

• 是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
• 在一个时间段上，每一道作业都能不同程度地向前推进。但在任何一个时间点上只能有一道占用CPU。

• 串行：在内存中每次只能放一道作业，只有它完 全执行完后别的作业才能进入内存执行。
• 并行： 存在于有多个CPU的环境中， 在内存中放多道作业，在任一时间点上都可能有多道作业在不同的CPU上同时执行。

2、共享

系统中的资源（硬件资源和信息资源）可以被多个并发执行的程序共同使用，而不是被其中一个独占。资源共享有两种方式：互斥共享 （临界/独占资源）访问和同时访问。

3、虚拟

虚拟性是一种管理技术，把物理上的一个实体变成逻辑上的多个对应物，或把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术。采用虚拟技术的目的是为用户提供易于使用、方便高效的操作环境。

CPU	多道程序设计技术/每个用户（进程）的“虚拟处理机"
存储器	每个进程都占有的地址空间（指令＋数据＋堆栈）
I/O设备	打印机、多窗口或虚拟终端

4、异步
在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底。而是走走停停，以 不可预知 的速度向前推进，这就是进程的异步性。

四、操作系统的主要功能

1、处理机管理功能：进程控制、进程同步、进程通信、调度（作业调度、进程调度）

2、存储器管理功能：内存分配、内存保护、存储扩充、地址映射

3、设备管理功能：缓冲管理、设备分配、设备处理

4、文件管理功能：文件存储空间的管理、目录管理、文件的读 /写管理和保护

5、操作系统与用户之间的接口：命令接口、程序接口、图形接口

6、现代OS的新功能：

系统安全：为保障数据的保密性、完整性和可用性，常使用的技术：认证技术、密码技术、访问控制技术、反病毒技术
网络功能和服务：网络通信、资源管理、应用互操作
支持多媒体

五、操作系统的结构设计

传统的操作系统结构

无结构OS
模块化OS结构
分层式OS结构
现代OS结构——微内核结构