第一章.操作系统概述

1.1操作系统的目标、作用和模型

• 目标：方便性、有效性、可扩充性、开放性
• 作用： 1）作为用户与计算机硬件系统之间的接口
              2）OS作为计算机系统资源的管理者
                    - 处理器——>处理器管理
                    - 存储器——>存储器管理
                    - I/O设备——>I/O设备管理
                    - 信息(数据和程序)——>文件管理
              3）OS用作扩充机器

1.2操作系统的发展过程

• 人工操作
• 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式
  - 优点：1）减少了CPU的空闲时间
               2）提高I/O速度
  - 缺点：系统开销大
• 单道批处理系统
  • 特征：单道性、顺序性、自动性
  • 优点：一定程度解决人机矛盾，CPU与I/O速度矛盾
    提高了资源利用率和系统吞吐量；
    算做OS的前身，但还不是现在所理解的OS；
• 多道批处理系统
  • 特征：多道性、无序性、调度性
  • 优点：资源利用率高：CPU和内存利用率较高；
    系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；
  • 缺点：平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；
    无交互能力：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；
• 分时系统
  • 特征：多路、及时、独立、交互
• 实时系统

  -	多路性	独立性	及时性	交互性	可靠性
  批处理系统	无	无	差(天)	差	一般
  分时体统	多终端服务	有	好(分，秒)	好	可靠
  实时系统	多路采集、多路控制	有	最好(毫秒、微秒)	一般	高度可靠

     分布式OS与网络OS的最主要的区别是透明性

     操作系统：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（多道），方便用户使用的程序的集合。

1.3操作系统的基本特征

• 各种操作系统共同特征： 并发、共享、虚拟、异步
• 多道并发 是最根本的特征，并发引出五大管理功能，同时也使OS有了更多的特征
• 并发：
  - 并发性：两个或多个事件在同一时段发生
  - 并行性：两个或多个事件在同一时刻发生
  - 单处理机系统中 处理机与设备、处理机与同道、设备与设备 可并行，进程与进程不能并行
• 共享：互斥共享、同时访问
• 并发与共享互为存在的条件：
  1. 多个程序并发才导致了资源需要共享
  2. 资源共享如果未有协调好，必然影响程序的并发执行
• 虚拟：时分复用、空分复用
• 异步：指进程的执行顺序和执行时间的不确定性
  1. 进程的执行顺序和执行时间的不确定性
  2. 允许异步，但结果应正确

1.4操作系统的主要功能

1. 处理机管理功能（作业管理）
   • 进程控制、进程同步、进程通信、调度
2. 存储器管理功能
   • 内存分配：为每道程序分配内存空间（包产到户）具体分配涉及许多细节
     • 分配方式：动态、静态
     • 分配机制需要的数据结构、分配算法、回收内存功能
   • 内存保护：确保每道用户程序都只在自己的内存空间中运行
     • 需要一个硬件——界限寄存器，存放正在执行进程的内存上下界，每条指令的访问地址都要进行越界检查，一般用硬件实现检查
   • 地址映射：进程的逻辑地址到内存物理地址的映射
     • 程序编译形成的目标程序地址都是从0开始，是逻辑地址
     • 真正调入内存某个空间存放的地址是物理地址
   • 内存扩充：用虚拟存储技术解决内存容量不足的问题
     • 请求调入功能
     • 页面置换功能
3. 设备管理功能
   • 缓冲管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率和并行操作程度
   • 设备分配：按某种设备分配策略，为之分配所需的设备;
     应设置设备控制表等数据结构记录设备及其控制器的标识符和状态;不同的设备，分配方式不同
   • 设备处理：设备处理程序即驱动程序，及时X响应设备控制器请求，实现CPU和设备控制器之间的通信。
4. 文件管理功能
   • 存储空间的管理：分配外存空间，提高外存的利用率，提高文件系统的运行速度
   • 目录管理：为文件建立目录项，并有效组织，实现方便的按名存取;提供快速的目录查询手段，提高文件检索速度；还需实现文件共享
   • 文件的读写管理和保护：读写操作与有效的存取控制功能
5. 用户接口
   • 命令接口：用户可通过键盘终端发出命令以控制作业的运行
     • 联机用户接口：由一组磁盘操作命令和命令解释程序组成
     • 脱机用户接口：由一组作业控制语言组成，如批处理文件
   • 程序接口
   • 图形接口

1.5操作系统的结构

• 无结构OS
• 模块化OS结构
  • 优点：提高设计的正确性、可理解性和可维护性；
    增强了OS的可适应性，可选用相应功能模块，也可进行增减和修补以满足新需求；加速了开发过程
• 分层式OS结构
  • 优点：易保证系统正确性、易扩充和维护
  • 缺点：分层单向依赖，执行一个功能，总要自下而上地穿越多层，增加系统通信开销，降低了效率
• 微内核OS结构
  • 客户/服务器技术
    • 优点：数据分布处理和存储；灵活可扩充，易于修改维护，仍方便集中管理
  • 面向对象技术
    • 进程、线程、消息、存储器都可抽象成对象。可修改、扩充，具有继承性，容易保证正确和可靠性
  • 微内核
    • 优点：灵活、可扩充：可选配功能服务器模块
      增强可靠性：内核是稳定的核心，只有它能直接访问硬件。服务器在用户态出错绝不会导致系统瘫痪。
      可移植性：操作系统绝大部分（各种服务器程序）与硬件平台无关，在不同硬件平台间移植时修改比较小。
      该机制尤其适用于分布式系统
      采用面向对象技术，减少开发开销
    • 缺点：运行效率低