1-操作系统简介

本是古典何须时尚 2021-08-13 23:04 691阅读 0赞

### 操作系统简介 ###

*  0. 简介
 *  1. 操作系统的目标和作用
 *  2. 操作系统的发展
 *   *  2.1 手工操作阶段
     *  2.2 单道批处理系统
     *  2.3 多道批处理系统
     *  2.4 分时系统
     *  2.5 实时系统
     *  2.6 分布式和网络系统
 *  3. 操作系统特性
 *   *  3.1 并发性
     *  3.2 共享性
     *  3.3 虚拟性
     *   *  3.3.1 时分复用技术
         *  3.3.2 空分复用技术
     *  3.4 异步性
 *  4. 操作系统的运行环境
 *   *  4.1 指令
     *  4.2 程序
     *  4.3 操作系统的体系结构
     *   *  4.3.1 内核
         *  4.3.2 大内核
         *  4.3.3 微内核
 *  5. 操作系统的功能

# 0. 简介 #

操作系统 `OS` 是指用于控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源分配，以提供给用户和其他软件方便地接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件。

# 1. 操作系统的目标和作用 #

**目标**

方便用户和提高效率。

**作用**

1.  `OS` 是用户与裸机间接口

操作系统为方便用户使用计算机，提供了二级访问接口，如下：命令接口、调用接口、图形接口

1.  `OS` 是资源管理器

**跟踪资源**：时刻掌握计算机系统中资源的使用情况。  
       **分配资源**：处理对资源的使用请求，协调冲突，确定资源分配算法。  
       **回收资源**：回收用户释放的资源，方便重新分配。  
       **保护资源**：负责对系统资源的保护，避免受破坏。

操作系统负责管理以下四类资源：

*  处理机资源
 *  存储资源
 *  设备资源
 *  文件资源

1.  `OS` 是虚拟机

提供硬件的高层界面（虚拟机），取消硬件限制。  
       1）操作系统提供无限的内存、CPU。  
       2）扩充机器，功能更强大，使用更方便。

# 2. 操作系统的发展 #

## 2.1 手工操作阶段 ##

有专业人员负责信息的录入以及录出，交由计算机处理。

主要缺点：用户独占主机、人机速度矛盾导致资源利用率极低。

## 2.2 单道批处理系统 ##

利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列。每个批作业由一个专门的监督程序（Monitor）自动批次处理。

主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。  
       主要缺点：内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU 有大量的时间是在空闲等待 I/O 完成。资源利用率依然很低。

## 2.3 多道批处理系统 ##

每次往内存中输入多道程序。

主要优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU 和其他资源保持 “忙碌” 状态，系统吞吐量增大。

主要缺点：用户响应时间大，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行）

## 2.4 分时系统 ##

计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。

主要优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，冰球用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。

主要缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完成公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

## 2.5 实时系统 ##

在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。

**分时系统与实时系统的比较**：  
       系统设计目标：分时系统是一种提供随时可供多个用户使用的操作系统，实时系统大多数具有特殊用途的系统。  
       交互性强弱：分时具有较强的对话和交互能力，而实时系统交互性弱。  
       响应时间的长短：分时只要能满足一般用户能接受的等待时间即可，而实时系统的响应时间要求严格。  
       其他：均具备多路性、独立性、及时性、可靠性。实时系统对及时性和可靠性要求更高。

## 2.6 分布式和网络系统 ##

**网络和分布式的区别**：

分布式系统的各个计算机之间处于平等地位，无主从关系；网络有一些主从关系。  
       分布式系统资源为所有用户共享；而网络有限制地共享。  
       根部式系统中一项任务可分给若干处理单元相互协作共同完成，而网络往往是各司其责。

# 3. 操作系统特性 #

## 3.1 并发性 ##

并行性：两个或多个事件在同一时刻发生。

并发性：两个或多个事件在同一事件间隔内发生地。宏观上是同时发生的，微观上是交替发生的。

## 3.2 共享性 ##

资源共享，指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

资源共享的方式：

1.  **互斥共享方式**  
           系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源。
2.  **同时共享方式**  
           系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进程访问。

**并发和共享的关系**：

并发和共享互为存在条件。

## 3.3 虚拟性 ##

一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体（分时或分空间）。

### 3.3.1 时分复用技术 ###

利用某设备为一用户服务的空闲时间，又转去为其他用户服务，使设备得到最充分利用。

（1）虚拟处理机技术：利用多道程序设计技术，为每道程序建立至少一个进程，让多道程序并发执行。  
       （2）虚拟设备技术：将一台物理 I/O 设备虚拟为多台逻辑上的 I/O 设备。

### 3.3.2 空分复用技术 ###

利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其他的多道程序，以此来提高内存的利用率。

## 3.4 异步性 ##

在多道程序环境下，由于系统资源有限，程序不可能一贯到底，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。

1.  异步性也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间及结果的不确定性
2.  程序执行结果不确定，不可再现。相同输入与环境下多次运行结果不同
3.  多道程序设计环境下，程序按异步方式运行。多个进程并发执行，“时走时停”，不可预知每个进程的运行推进快慢，引发执行顺序与时间的不确定。

# 4. 操作系统的运行环境 #

## 4.1 指令 ##

“指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。

**特权指令**  
       只能在操作系统内核执行的指令，用户态并不能执行。

**用户指令**  
       既能在用户态执行，由能在内核态执行的指令。

## 4.2 程序 ##

**内核程序**

操作系统的内核程序是系统的管理者，即可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态。

**应用程序**  
       为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

## 4.3 操作系统的体系结构 ##

### 4.3.1 内核 ###

内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。

实现操作系统内核功能的哪些程序就是内核程序。

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### 4.3.2 大内核 ###

将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态。

优点：高性能。

缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护。

### 4.3.3 微内核 ###

只把最基本的功能保留在内核。

优点：内核功能少，结构清晰，方便维护。

缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低。

# 5. 操作系统的功能 #

**操作系统五大管理功能**

1.  操作系统接口

图形接口、命令接口、程序接口

1.  文件管理

目录管理、读写管理、权限管理、软件管理、存储空间管理

1.  进程管理

进程控制：为作业创建进程，撤销（或终止）已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换  
       进程调度：从进程的就绪队列中按照一定算法选出一个进程，将处理机分配给它  
       进程同步：用户为多个进程（含线程）的运行进行协调，有进程互斥和进程同步两种方式  
       进程通信：实现相互合作进程之间的信息交换

1.  内存管理

存储分配、存储扩充、存储保护、地址重定位

1.  外设管理

设备分配、缓冲管理、设备独立性、设备驱动程序

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