操作系统(1.2)--引论

目录

一、操作系统的基本特性

1.并发性 

1.1 并行与并发 

1.2 引入进程

2.共享性  

2.1 互斥共享方式

2.3 同时访问方式

3.虚拟

3.1 时分复用技术

4. 异 步

二、操作系统的主要功能 

1.处理机管理功能

1.1 进程控制 

1.2 进程同步 

1.3 进程通信

1.4 调度

2. 内存管理功能

2.1 内存分配

2.2 内存保护

2.3 地址映射

2.4 内存扩充

3.设备管理功能

4. 文件管理功能

5. 操作系统与用户之间的接口

6.现代操作系统的新功能

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一、操作系统的基本特性

四个基本特征:并发、共享、虚拟和异步。 

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。

1.并发性 

1.1 并行与并发 

并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时
刻发生。而并发性是指两个或多个事件在同-一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发
性是指在一.段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅
能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。

1.2 引入进程

所谓进程，是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由--组机器指
令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。

2.共享性  

共享:是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。

2.1 互斥共享方式

系统中的某些资源，如打印机、磁带机等，虽然可以提供给多个进程(线程)使用，但应规定在一段时间内，只允许一个进程访问该资源。为此，在系统中应建立一种机制，以
保证多个进程对这类资源的互斥访问。

2.3 同时访问方式

系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这
里所谓的“同时”，在单处理机环境下是宏观意义上的，而在微观上，这些进程对该资源的
访问是交替进行的。磁盘

3.虚拟

“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。 

3.1 时分复用技术

在计算机领域中，广泛利用时分复用技术来实现虚拟处理机、虚拟设备等，使资源的
利用率得以提高。

时分复用技术能提高资源利用率的根本原因在于：

它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，使设备得到最充分的利用。
(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。我们还可以利用虚拟设备技术，也通过分时复用的方法，将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的IO设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备。

4. 异 步

在多道程序环境下，系统允许多个进程并发执行。在单处理机环境下，由于系统中只
有一台处理机，因而每次只允许一个进程执行，其余进程只能等待。由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不可能“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。
进程是以人们不可预知的速度向前推进的，此即进程的异步性。尽管如此，但只要在OS中配置有完善的进程同步机制，且运行环境相同，则作业即便经过多次运行，也都会获得完全相同的结果。因此异步运行方式是允许的，而且是操作系统的一个重要特征。 

二、操作系统的主要功能 

1.处理机管理功能

1.1 进程控制 

在多道程序环境下为使作业能并发执行，必须为每道作业创建一个或几个进程，并为之分配必要的资源。当进程运行结束时，应立即撤消该进程，以便能及时回收该进程所占用的各类资源，供其它进程使用。

1.2 进程同步 

为使多个进程能有条不紊地运行，系统中必须设置相应的进程同步机制。该机制的主要任务是为多个进程(含线程)的运行进行协调。

常用的协调方式有两种:

①进程互斥方式，
这是指诸进程在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式;

②进程同步方式，

指在相互合作去完成共同任务的诸进程间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。

1.3 进程通信

当有一组相互合作的进程去完成一个共同的任务时，在它们之间往往需要交换信息。
当相互合作的进程处于同一计算机系统时，通常在它们之间采用直接通信方式，即由源进程利用发送命令直接将消息(message)挂到目标进程的消息队列上，以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。

1.4 调度

(1)作业调度。作业调度的基本任务是从后备队列中按照- -定的算法选择出若干个作业，为它们分配运行所需的资源，在将这些作业调入内存后，分别为它们建立进程，使它们都成为可能获得处理机的就绪进程，并将它们插入就绪队列中。
(2)进程调度。进程调度的任务是从进程的就绪队列中按照一定 的算法选出一个进程,将处理机分配给它，并为它设置运行现场，使其投入执行。

2. 内存管理功能

2.1 内存分配

两种内存分配方式:静态和动态。
静态:

• ①作业空间装入时确定
• ②不允许申请新的内存空间
• ③不允许在内存中“移动”

动态:

• ①作业基本内存空间装入时确定
• ②允许申请新的内存空间
• ③允许在内存中“移动”

内存分配应具有的结构和功能:

• (1)内存分配数据结构;
• (2)内存分配功能;
• (3) 内存回收功能

2.2 内存保护

内存保护的主要任务，是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。
内存保护机制:设置两个界限寄存器，分别用于存放正在执行程序的上界和下界。 

2.3 地址映射

在多道程序环境下，每道程序不可能都从“0”地址开始装入(内存)，这就致使地址空间内的逻辑地址和内存空间中的物理地址不相一致。使程序能正确运行，存储器管理必须提供地址映射功能，以将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的支持下完成。

2.4 内存扩充

存储器管理中的内存扩充任务，并非是去扩大物理内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多;或者是让更多的用户程序能并发运行。这样，既满足了用户的需要，改善了系统的性能，又基本上不增加硬件投资。为了 能在逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制，用于实现下述各功能:
(1)请求调入功能
(2)置换功能 

3.设备管理功能

设备管理用于管理计算机系统中所有的外围设备，而设备管理的主要任务是，完成用户进程提出的I/0请求;为用户进程分配其所需的I/0设备;提高CPU和I/0设备的利用率;提高I/0速度;方便用户使用I/0设备。为实现.上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理，以及虚拟设备等功能。

1.缓冲管理
用于解决CPU运行的高速性和I/0低速性间的矛盾。
2.设备分配

设备分配的基本任务是根据用户进程的I/O请求、系统现有资源情况以及按照某种设
备分配策略，为之分配其所需的设备。
3.设备处理

设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务是用于实现CPU和设备控制器之间的通信，即由CPU向设备控制器发出I/O命令，要求它完成指定的I/O操作;反之，由CPU接收从控制器发来的中断请求，并给予迅速的响应和相应的处理。

4. 文件管理功能

1.文件存储空间的管理
2.目录管理
3.文件的读/写管理和保护
(1)文件的读/写管理。
(2)文件保护。
实现下述目标:
①防止未经核准的用户存取文件;
②防止冒名顶替存取文件;
③防止以不正确的方式使用文件。

5. 操作系统与用户之间的接口

1.用户接口
它是提供给用户使用的接口，用户可通过该接口取得操作系统的服务;
(1)联机用户接口。
(2)脱机用户接口(批处理用户接口)
(3)图形用户接口。
2.程序接口
它是提供给程序员在编程时使用的接口，是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。

6.现代操作系统的新功能

1.系统安全
(1)认证技术; (2) 密码技术; (3)访问控制技术; (4) 反病毒技术
2.网络的功能和服务
(1)网络通信; (2)网络资源管理; (3)应用互操作
3.支持多媒体
(1)接纳控制功能; (2) 实时调度; (3) 多媒体文件的存储