计算机操作系统第一章

操作系统引论

1.1操作系统的目标和作用

定义：操作系统是控制管理计算机系统的硬软件，分配调度资源的系统软件。

目标：方便性，有效性（提高系统资源的利用率、提高系统的吞吐量），可扩充性，开放性。

1.2操作系统的作用

1. 统一管理计算机资源：处理器资源，IO设备资源，存储器资源，文件资源;

2. 实现了对计算机资源的抽象：IO设备管理软件提供读写接口，文件管理软件提供操作文件接;

3. 提供了用户与计算机之间的接口：GUI（图形用户界面），命令形式，系统调用形式。

1.3发展动力

推动OS发展的动力 提高计算机系统资源利用率 | 方便用户 | 器件不断更新换代 | 计算机体系结构不断发展 | 不断提出新的应用需求

2.1操作系统的发展过程

OS的发展历程

【1945年 人工操作方式】

【20世纪50年代 脱机 I/O 】

运作： 解决人机矛盾以及CPU与I/O之间速度不匹配的矛盾，程序和数据的输入输出都是在脱离主机的情况下完成的。

联机 I/O ： 在主机直接控制下进行的 I/O。

脱机I/O的优点：减少了CPU空闲时间，提高了IO速度

【20世纪50年代中期 单道批处理系统】

运作：把一批作业以脱机IO方式输入到磁带、在系统配上监督程序，在程序控制下，作业被一个一个完成，在内存中始终只保存一道作业。

优点：提高系统资源利用率和系统吞吐量。

缺点：仍未能充分利用系统资源，造成计算机内存的浪费

【20世纪60年代中期 多道批处理系统】

运作：作业先放到外存，排成一个队列（后备队列），由作业调度程序按照一定算法从队列选择若干个作业调入队列，使它们共享CPU和系统中的各种资源

优点：资源利用率高、系统吞吐量大、平均周转时间长、无交互能力

待解决的问题：征用处理机问题、内存分配与保护、IO设备分配、文件组织与管理问题、作业管理、用户与系统的接口

【分时系统】

发展原因：满足用户对于人机交互的要求

运作：为了实现人机交互，必须放弃原批处理系统的运行方式，而采用：①作业直接进入内存，因为作业在磁盘上无法运行；②采用轮转运行，以保证每个作业都有机会运行，因此引入了时间片的概念

特征：多路性（多终端连到同一主机上）、独立性（各自终端互不干扰）、及时性（响应所需时间为1-3s）、交互性

【实时系统】

定义：OS能及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成对事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行

实时OS的类型：工业控制OS、信息查询OS、多媒体OS、嵌入式OS

实时任务的类型：周期性 / 非周期性实时任务、硬实时任务（Hard real time，HRT）、软实时任务 SRT （上述四个任务类型，都伴随截止时间）

特征：多路性（周期性对多路现场信息采集，对多个执行机构进行控制）、独立性（各自终端互不干扰）、及时性（响应所需时间为毫秒级）、交互性、可靠性

实时系统具有的两个基本特征是：及时性、可靠性

3.1操作系统的基本特性

3.1.1并发

• 并发（并行是同一时刻发生，并发是同一时间间隔发生）：

• 概念：宏观上多个程序同时运行，但微观上每一时刻只有一个程序运行。我们所说的并发，指的一般是进程的并发

3.1.2共享

共享：

概念：OS的共享，指的是资源的复用：供内存中多个并发执行的进程共同使用（即限定了时间，又限制了地点）

类型：互斥共享（A访问完后B才能访问）、“同时”共享（宏观上一起用，微观上交替用）

并发和共享是多任务OS最基本的两个特征，它们互为对方存在的条件。资源的共享是以进程的并发执行为条件的；同时，若不能对资源共享进行协调，则会影响并发的速度

3.1.3虚拟

虚拟性：表现为把一个物理实体转变为若干个逻辑实体。

时分复用技术：资源在时间上进行复用，不同程序并发使用，多道程序分时使用计算机的硬件资源，提高资源的利用率。

空分复用技术：用来实现虚拟磁盘（物理磁盘虚拟为逻辑磁盘，电脑上的C盘、D盘等）、虚拟内存（在逻辑上扩大程序的存储容量）等，提高资源的利用率，提高编程效率。

3.1.4异步

在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但由于资源等因素的限制，使进程的执行以“停停走走”的方式运行，而且每个进程执行的情况（运行、暂停、速度、完成）也是未知的。

4.1操作系统的运行环境

操作系统的中断处理

操作系统的中断处理

中断机制的作用：为了在多道批处理系统中让用户进行交互；

中断产生：

发生中断时，CPU立马切换到管态，开展管理工作；（管态又叫特权态，系统态或核心态，是操作系统管理的程序执行时，机器所处的状态。）

发生中断后，当前运行的进程回暂停运行，由操作系统内核对中断进行处理；

对于不同的中断信号，会进行不同的处理。

中断的分类：

内中断（也叫“异常”、“例外”、“陷入”）------- 信号来源：CPU内部，与当前执行指令有关；

外中断（中断）----------信号来源：CPU外部，与当前执行指令无关。

外中断的处理过程：

每执行完一个指令后，CPU都需要检查当前是否有外部中断 信号；

如果检查到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW，程序计数器PC、各种通用寄存器）把他们存储在PCB（进程控制块中）；

根据中断信号类型转入相应的中断处理程序；

恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续执行。

5.1操作系统的主要功能

处理机管理功能

本质：传统多道程序系统中，处理机的分配和运行以进程为基本单位，因而对处理机的管理可归结于对进程的管理。

功能：进程控制、同步、通信、调度

存储器管理功能

功能：内存分配与回收（静态、动态分配）、内存保护（①各用户程序只在自己内存运行，②不允许用户访问OS程序和数据）、地址映射、内存扩充（虚拟存储技术：请求调入功能、置换功能）

设备管理功能

功能：缓冲管理、设备分配、设备处理

文件管理功能

功能：文件存储空间管理、目录管理、文件读写管理和保护

接口管理功能

功能：OS向用户提供了“用户与OS之间的接口”，分为用户接口（联机用户接口、脱机用户接口、图形用户接口）、程序接口

6.1操作系统的结构

简单结构

模块化结构：

优点：提高OS设计的正确性、可理解性、易维护性、可适应性，加速OS开发过程

缺点：接口规定很难满足划分后，模块对于接口的实际需求；B决定必须建立在A决定的基础上，没有可靠决定顺序，容易造成决定的无序性

分层式结构：

优点：能保证正确性、易维护性、可扩展性

缺点：系统效率低

微内核结构：

概念：足够小的内核、基于客户/服务器的模式、采用策略和机制分离的原则、采用面向对象技术；

功能：进程（线程）管理、低级存储器管理、中断和陷入处理（在微内核OS中，只有很小一部分的属于机制的放入了为内核中，另外绝大部分的都放在了微内核外的各种服务器中）

优点：提高系统扩展性、可靠性、可移植性，提供了对分布式系统的支持，融入了面向对象技术。操作系统可仅通过调整策略来适应不同应用的需求

存在的问题：因为客户和服务器间又消息传递，因此相比于早期的OS，微内核OS的运行效率有所降低（内核大则效率高但占用空间也大，反之效率低但是占空间小）

外核结构：

概念：内核不提供传统OS的进程、虚拟存储器等抽象事物，而是专注于物理资源的隔离（保护）和复用，即非常小的内核负责保护系统资源，而硬件资源的管理职责则委托给应用程序。将原本属于OS内核的功能以库的形式提供给用户

7.1系统调用

系统调用

概念：使应用程序可以通过系统调用来简介调用OS中的相关过程，进而取得相应的服务

系统调用是通过中断机制实现的

区别于一般的过程调用：

①运行在不同的系统状态：系统调用的调用程序运行在用户态，而被调用程序运行在内核态

②因为调用和运行的系统状态不同（一个是用户态，一个是内核态），因此不允许由调用过程直接转向被调用过程，需要通过软中断机制先由用户态转为内核态，经内核分析后才能转向相应的系统调用处理子程序

③返回问题：每一次调用需要判断优先级

④嵌套调用：系统调用对于嵌套调用的深度有一定限制，但是一般的过程调用则没有

系统调用的类型：

①进程控制类系统调用

②文件操纵类系统调用

③进程通信类系统调用