操作系统引论

操作系统是管理硬件和软件的一种应用程序。操作系统是运行在计算机上最重要的一种软件，它管理计算机的资源和进程以及所有的硬件和软件。它为计算机硬件和软件提供了一种中间层，使应用软件和硬件进行分离，让我们无需关注硬件的实现，把关注点更多放在软件应用上。

操作系统引论

1 操作系统的目标和作用

1.1 目标

①方便性——便于理解计算机；通过接口方便地使用

②有效性——提高系统资源利用率；提高系统吞吐量

③开放性——OS应提供统一的开放环境，以实现应用的可移植性和互操作性不同的设备能通过网络加以集成，并能正确、有效地协同工作。

④可扩充性——OS应方便修改、增加新模块或功能，以适应计算机硬件、 体系结构以及应用发展的要求。

1.2 作用

①提供用户与计算机硬件系统之间的接口

（1）命令方式：指由OS提供了一组联机命令 (语言)， 用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。

（2）系统调用方式：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，来操纵计算机。

（3）图标–窗口方式：用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。

（4）其他方式

②计算机系统资源的管理者

在一个计算机系统中，硬件和软件资源归纳起来可分为四类：处理器、存储器、 I/O设备以及文件(数据和程序)。相应地，OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理。

②实现了对计算机资源的抽象

一台完全无软件的计算机系统(即裸机)，即使其功能再强，也必定是难于使用的。比如打印，只要点击打印即可，不用管打印的资源管理。

2 操作系统发展过程

2.1 单道批处理系统

批处理是指用户将一批作业提交给操作系统后就不再干预，由操作系统控制它们自动运行。单道批处理系统在内存中只保持一道作业的批处理系统。

特征:(1) 自动性 (2) 顺序性 (3) 单道性

缺点: 系统资源利用不充分。这是因为在内存中仅有一道程序，每逢该程序在运行中发出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。又因I/O设备的低俗性，更使CPU的利用率显著降低。

2.2 多道批处理系统

多道程序设计：多个作业存放在主存中，使它们同时处于运行状态，这些作业共享处理机时间和外围设备等资源。

好处: 提高CPU的利用率；可提高内存和I/O设备利用率；增加系统吞吐量。

缺点：周转时间变长；无交互能力(比如有一个在打印，另一个打印只能等待。

2.3 分时系统

在操作系统中加入了分时技术：即将处理机的运行时间分为时间片，将时间片轮流分配给各联机作业使用。

用户的需求表现：人机交互（批处理系统做不到）。共享主机。便于用户上机。

特征：1.多路性 2.独立性 3.及时性 4.交互性

2.4 实时系统

所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(RealTime System)是指系统能及时(或即时)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。

3 操作系统基本特性

3.1 并发

并行是指这一个时刻上面有着多个事件在执行，是一个瞬间的状态。

并发是指在某一段时间间隔以内有着多个事件同时进行。

3.2 共享

3.3 虚拟

是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的， 即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在OS中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、 虚拟外部设备和虚拟信道等。

3.4 异步

由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不是“一气呵成”， 而是以“停停走走”的方式运行。

内存中的每个进程在何时能获得处理机运行，何时又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成，等等，都是不可预知的。

由于各用户程序性能的不同，比如，有的侧重于计算而较少需要 I/O；而又有的程序其计算少而I/O多，这样，很可能是先进入内存的作业后完成；而后进入内存的作业先完成。或者说，进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。

四大特征之间的联系：

1. 并发在操作系统诞生之初就被设计了，用来解决单核CPU运行多个进程。

2. 共享与并发互为存在意义

3. 没有并发，虚拟就没有意义。

4. 没有并发，就无法产生异步

4 操作系统运行环境

特权指令：是指计算机中不允许用户直接使用的指令，如 I/O指令、置中断指令，存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器等的指令。

非特权指令：“管理程序”(即用户自编程序）出于安全考虑不能执行的指令。应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等。

CPU 有两种状态，“内核态”和“用户态”

• 处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令

• 处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指

内核态、用户态 的切换

内核态→用户态：执行一条特权指令——修改 PSW 的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权

用户态→内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权。

内核程序和应用程序。前者是后者的管理者，因此“管理程序”(即内核程序）要执行一些特权指令，而“被管理程序”(即用户自编程序）出于安全考虑不能执行这些指令。

5 操作系统的主要功能

1. 处理器管理（进程管理）：主要控制和管理CPU的工作。

处理器管理最基本的功能是处理中断事件。处理器只能发现中断事件并产生中断而不能进行处理。配置了操作系统后，就可对各种事件进行处理。处理器管理的另一功能是处理器调度。处理器可能是一个，也可能是多个，不同类型的操作系统将针对不同情况采取不同的调度策略。也叫进程管理。

2. 存储管理：主要进行内存的分配和管理

存储器管理主要是指针对内存储器的管理。主要任务是：分配内存空间，保证各作业占用的存储空间不发生矛盾，并使各作业在自己所属存储区中不互相干扰。

3. 设备管理：主要管理基本的输入输出设备

设备管理是指负责管理各类外围设备（简称：外设），包括分配、启动和故障处理等。主要任务是：当用户使用外部设备时，必须提出要求，待操作系统进行统一分配后方可使用。当用户的程序运行到要使用某外设时，由操作系统负责驱动外设。操作系统还具有处理外设中断请求的能力

4. 文件管理：负责对计算机文件的组织、存储、操作和保护等。

文件管理是指操作系统对信息资源的管理。在操作系统中，将负责存取的管理信息的部分称为文件系统。文件是在逻辑上具有完整意义的一组相关信息的有序集合，每个文件都有一个文件名。文件管理支持文件的存储、检索和修改等操作以及文件的保护功能。操作系统一般都提供功能较强的文件系统，有的还提供数据库系统来实现信息的管理工作。

5. 作业管理：是指对计算机所进行的操作进行管理

作业是指独立的、要求计算机完成的一个任务。操作系统的作业管理功能包括两点尸是在多道程序运行IC现货商时，使得备用户合理地共享计算机系统资源22是提供给操作人员一套控制命令用来控制程序的运行

6 操作系统的结构

典型的大内核/宏内核/单内核 操作系统： Linux、UNIX

典型的 微内核 操作系统： Windows NT

7 系统调用

参考资料：操作系统王道考研复习——第一章（计算机系统概述）-CSDN博客

讨论问题

1. 操作系统的目标方便性和高效性是否一致？

方便性：便于理解计算机；通过接口方便地使用

有效性：提高系统资源利用率；提高系统吞吐量

2. 多道程序设计技术和分时技术的联系和区别？

3. 并发和并行的区别是什么？

相同点：并发和并行的目标都是最大化CPU的使用率，将cpu的性能充分压榨出来。

不同点：

（1）并行在多处理器系统中存在，而并发可以在单处理器和多处理器系统中都存在

（2）并行要求程序能够同时执行多个操作，而并发只是要求程序“看着像是”同时执行多个操作，其实是交替执行。

4. 哪些指令是特权指令？

特权指令有以下几种：

1）允许和禁止中断，控制中断禁止屏蔽位

2）在进程间切换处理

3）存取用于主存保护的寄存器

4）执行I/O操作

5）停止一个中央处理器的工作

6）清理内存

7）设置时钟

8）建立存储键

9）加载PSW

5、请讨论操作系统各个功能中，最为重要的功能是什么？

处理器管理（进程管理）：主要控制和管理CPU的工作。

处理器管理最基本的功能是处理中断事件。处理器只能发现中断事件并产生中断而不能进行处理。配置了操作系统后，就可对各种事件进行处理。处理器管理的另一功能是处理器调度。处理器可能是一个，也可能是多个，不同类型的操作系统将针对不同情况采取不同的调度策略。也叫进程管理。

1. OS的作用主要表现在哪几个方面？

有效性 方便性 可扩展性 开放性

2. 什么是微内核OS？它具有哪些优点？

微内核操作系统，即实现了一个可在其上构建通用 OS 的基础内核，该内核程序运行在核心态，开机常驻内存。

当前微内核操作系统结构仍没有一致公认的定义，但可从以下4方面进行描述：

足够小的内核：微内核并非一个完整的OS。与硬件紧密相关，实现较基本功能，复杂客户和服务器通信

应用机制与策略分离原理：机制用于实现某一功能的具体执行机构，位于基层；策略借助某些参数和算法实现功能优化或达到不同功能目标，位于高层

采用面向对象技术

基于 C/S 模式

微内核包含的基本功能有：进程管理、低级存储管理、中断和陷入处理等，调度算法、虚拟内存的页面置换算法等都放入外部服务器中实现

优点

1) 灵活性高易扩展

2) 可靠性强

3) 可移植强

4) 提供了对分布式系统的支持

5） 便于维护