操作系统(01)--概论

操作系统(01)--概论

Operating System是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充

操作系统是指控制和管理整个计算机系统和软件资源，并合理的组织调度计算机的工作和资源分配，以提供给用户和其它软件方便的接口和环境的程序集合

主要作用：

• 管理计算机系统和软件资源
• 合理组织调度计算机的工作和资源分配，以提高它们的利用率和系统吞吐量
• 为用户和应用程序提供一些简单的接口和环境

目标和作用

OS目标

1. 方便性
2. 有效性
   • 提高系统资源利用率
   • 提高系统吞吐量
3. 可扩充性
4. 开放性

OS作用

• 作为用户与计算机硬件系统之间的接口

  

• 作为计算机系统资源的管理者

  • 处理机管理：分配和控制处理机
  • 存储器管理：内存的分配和回收
  • I/O设备管理：I/O设备的分配（回收）与操纵
  • 文件管理：文件的存取、共享和保护

• 实现了对计算机资源的抽象

  

  
  

OS发展的主要动力

1. 不断提高的计算机资源利用率

2. 方便用户

3. 器件的不断更新换代

4. 计算机体系结构的不断发展

   # 单处理机系统发展为多处理机系统，相应的，操作系统也就由单处理机 OS 发展为多处理 OS。
   
   # 当出现了计算机网络后，配置在计算机网络上的网络操作系统应运而生，它不仅能有效地管理好网络中的共享资源，而且还向用户提供了许多网络服务。

5. 不断提出新的应用需求

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用户使用操作系统的方式：

1. 系统调用

   # OS 提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来实现与操作系统的通信，并取得它的服务。

2. 终端命令

   # 这是指由OS 提供了一组联机命令接口，以允许用户通过键盘输入有关命令来取得操作系统的服务，并控制用户程序的运行。

3. 图形窗口

   # 这是当前使用最为方便、最为广泛的接口，它允许用户通过屏幕上的窗口和图标来实现与操作系统的通信，并取得它的服务。

计算机系统资源分类：——多种硬件和软件资源的集合

• 处理机
• 存储器
• I/O设备
• 文件(数据和程序)

发展过程

无操作系统的计算机系统

1. 人工操作方式

   # 缺点
   """
   1.用户独占全机
   2.CPU等待人工操作
   """

2. 脱机输入/输出方式(Off-Line I/O)

   

   # 优点
   """
   1）减少了 CPU 的空闲时间。装带卸带以及将数据从低速 I/O设备送到高速磁带上，都是在脱机情况下进行的，并不占用主机时间，从而有效地减少了 CPU 的空闲时间，缓和了人机矛盾。
   
   2）提高了 I/O 速度。当 CPU 在运行中需要数据时，是直接从高速的磁带上将数据调入内存的，不再是低速 I/O 设备上输入，极大地提高了 I/O 速度，从而缓和了 CPU 和 I/O 设备速度不匹配的矛盾，进一步减少了 CPU 的空闲时间。
   """

单道批处理系统

Simple Batch Processing System的处理过程：

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单道批处理系统的特征：

1. 自动性
   • 在顺利情况下，在磁带上的一批作业能自动地逐个地依次运行，而无需人工干预。
2. 顺序性
   • 在磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序，在正常情况下完全相同，亦即先调入内存的作业先完成。
3. 单道性
   • 内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。

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单道批处理系统的缺点：系统中的资源得不到充分的利用

# 因为在内存中仅有一道程序，每逢该程序发出I/O请求后，CPU便处于等待状态，必须在其I/O完成后才能继续运行。

# I/O设备的低速性，更使得CPU的利用率显著降低

多道批处理系统

Multiprogrammed Batch Processing System的基本概念：

# 作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享 CPU 和系统中的各种资源

1. 后备队列
2. 作业调度程序
3. 共享CPU和系统中的各种资源

# I/O操作——》CPU空挡期——》多道程序交替运行——》保持CPU处于忙碌状态

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多道批处理系统的优点：

1. 资源利用率高
   • CPU利用率：多道程序交替运行
   • 内存利用率：内存中装入多道程序
   • I/O设备利用率
2. 系统吞吐量大
   • CPU和其它资源保持”忙碌“状态
   • 仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小

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多道批处理系统的缺点：

1. 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。在批处理系统中，由于作业要排队，依次进行处理，因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。

2. 无交互能力

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多道批处理系统仍需解决的问题：为了使系统中的多道程序能协调地运行

1. 处理机争用问题
2. 内存分配和保护问题
3. I/O设备分配问题
4. 文件的组织和管理问题
5. 作业管理问题
6. 用户与系统的接口问题

分时系统

Time Sharing System的产生：

1. 便于人——机交互

2. 可以共享主机

   # 用户们在共享一台计算机时，每个人都希望能像独占时一样，不仅可以随时与计算机交互，而且还不会感觉到其它用户的存在

3. 便于用户上机

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分时系统实现中的关键问题：

1. 及时接收

   • 要及时接收用户键入的命令，只需在系统中配置一个多路卡。多路卡的作用是使主机能同时接收各用户从终端上输入的数据。

2. 及时处理：人机交互的关键，是使用户键入命令后能及时地控制自己作业的运行，或修改自己的作业。

   • 作业直接进入内存

   • 采用轮转运行方式——时间片

     # 系统规定每个作业每次只能运行一个时间片，然后就暂停该作业的运行，并立即调度下一个作业运行

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分时系统的特征：

1. 多路性

   # 允许在一台主机上同时连接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。多路性即同时性，它提高了资源利用率，降低了使用费用，从而促进了计算机更广泛的使用。

2. 独立性

   # 每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰

3. 及时性

   # 用户的请求能在很短时间内获得响应

4. 交互性

   <!--用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话, 其广泛性表现在：用户可以请求系统提供多方面的服务，如：文件编辑，数据处理和资源共享等。-->

实时系统

Real Time System是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的事件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。

微机操作系统

基本特性

主要功能

OS结构设计