计算机操作系统（慕课版）：第一章

1、操作系统的目标和作用

• OS的定义：OS是一组有效地组织和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序集合。

OS的目标与应用环境有关。

1.1操作系统的目标

• 方便性
  • 通过OS命令操纵计算机，方便用户。
• 有效性
  • 提高系统资源的利用率。
  • 提高系统吞吐量：单位时间内处理的的任务数量
• 可扩从性
  • OS必须具有很好的可扩充性。
    • 该结构能方便给地增添新的模块和功能，以及对原有的功能和模块进行修改。
• 开放性
  • 遵循世界标准规范。特别是开放系统互连OSI。

1.2计算机系统的作用

• 用户与计算机系统之间的接口
  • 含义：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机硬件系统；
  • 用户使用计算机的方式：命令方式、系统调用API、图形/窗口方 式。

• 计算机系统资源的管理

计算机系统中的软件和硬件资源：处理机、存储器、I/O设备及信息（数据和程序法）。
OS主要功能对这4类进行资源的有效管理。

• 处理机：管理负责处理机的分配与控制。
• 存储器： 管理负责内存的分配与回收。
  I/O：管理负责I/O设备的分配（回收）与操作。
  文件管理：管理负责存取、共享与保护等。

• OS实现了对计算机资源的抽象
  • 它将复杂的硬件细节隐藏，提供简洁的接口给程序和用户，使资源管理和使用更简单、高效。

1.3 操作系统发展的主要动力

• 不断提高计算机资源利用率
• 方便用户
• 器件的不断跟新换代
• 计算机体系结构的不断发展
• 不断提出的新的应用需求

2、操作系统的发展过程

• 手工操作阶段
  • 人机操作方式
  • 脱机I/O方式
• 批处理操作阶段
  • 单道批处理系统
  • 多道批处理系统
• 分时操作系统
• 实时操纵系统
• 微机操作系统的发展
• 嵌入式操纵系统
• 分布式操纵系统

2.1无OS的计算机系统

• 人机操作方式

工作方式：

• 用户：即是程序员又是操作员
• 输入输出：开片或纸带
  缺点：用户独占全机，CPU等待人工操作

• 脱机I/O方式

1. 外围把打孔的数据，提前装到磁带中。当CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上将它高速调入内存中。
2. CPU需要输出时，从内存将它高速调入磁带中，在同过另一台外围机的控制下，通过相应的输出设备输出。

• 优点： 减少了CPU的空闲时间，提高了I/O速度，一次只能执行一个程序

2.2单道批处理系统

• 单道批处理操作系统的处理过程

处理过程：
1.监督程序将作业装入内存中，并把运行控制权交给该作业。
2. 处理完成，把运行控制权还给监督程序。
以此类推，直到完成多有作业。

• 该系统对作业的处理是成批进行的，但内存中始终只保持一道作业。

特性：自动性、顺序性、单道性。
内存只有一道程序，CPU需要等待I/O完成，CPU和I/O操作不能同时进行。

2.3多道批处理系统

执行过程：
1.提交的作业先存放在外存上，并排成一个队列，称为“后备队列”。
2. 按一的算法从后备队列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。

• 提高了CPU的利用率
• 可提高内存和I/O设配的利用与
• 增加系统吞吐量。
• 平均周转时间长无人机交互。

特称：

• 多道性
  • 多道程序驻留内存：提高了资源的利用率。
• 无序性
  • 作业进入内存先后顺序和完成的先后顺序无对应性
• 调度性
  • 作业提交给系统需经过两次调度
    • 作业调度
    • 进程调度

多道处理系统需要解决的问题

• 处理机争用问题
• 内存管理问题（分配、保护和共享）
• I/O设配管理问题
• 文件的组织和管理问题
• 作业管理问题
• 用户与系统的接口问题

主要优点：

• 多程序并发执行，共享计算机资源，资源利用率大幅提升，CPU和其他资源跟能保持“忙碌”，系统吞吐量大。

缺点：

• 用户相应时间常，没有人机交互功能。

2.4分时系统

- 分时系统：
	- 在一台主机上连接多个配有显示器和键盘的终端形成的系统。
	- 允许对各用户同时用终端以交互的方式使用计算机。
	- 共享主机中的资源。

为什么需要分时系统：

• 人机交互（批处理系统做不到）
• 共享主机（感觉独占）

目标：

• 对用户的请求及时响应
• 计量提高系统资源的利用与

实现过程：

1. 系统提供多个终端同时给多个用户使用。
2. 当用户自己的终端上键入命令，系统即使接受并处理，将处理结果返回给用户。

关键问题：

• 及时接收：只需要在配置一个多路由卡。
• 及时处理
  • 采用作业直接进入内存。
  • 采用轮转运行的方式。引入了时间片的概念，
    系统按规定每个作业每次只能运行一个时间片，然后暂停，调入下一个。
    • 时间片：一段很段的时间。

分时系统的特征：

• 多路性：时间片轮转机制。
  独立性：用户彼此独立。
  及时性：用户能短时间内获得相应。
  交互性：用户可以请求多种服务。

分时系统的去点：

• 作业/用户优先级相同，不能优先处理紧急任务。

2.5实时系统

- 系统能及时响应外部时间的请求。
- **在规定时间内**完成对该事件的处理。
- 并控制所有实时任务协调一致的运行。 

实时系统的类型：

• 工业（武器）控制系统
• 信息查询系统
• 多媒体系统
• 嵌入式系统
  
  

按任务执行时是否呈现周期性划分：

• 周期性实时任务。
  • 外部设备周期性地发出激励信号给计算机，要求它按指定周期循环执行，以便周期性地控制某外部设备。
• 非周期性实时任务
  • 无明显的周期性，但必须有一个截止时间。
    • 开始截止时间：在某时刻必须开始执行。
    • 完成截止时间：在某时刻必须执行完成。
      
      

根据对截止时间的要求来划分

• 硬实时任务：系统必须满足任务对截至时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。
• 软实时任务：偶尔错误任务截止时间按，对系统产生的影响不会太大。

实时系统与分时系统特征的比较

• 多路性：信息查询系统和分时系统都按分时原则为多个终端服务：实时控制系统的多路性指系统周期性地对多路现场信息采集，及进行控制。
• 独立性：用户批次独立
  及时性：以用户能接受的时间为准
  交互性：用户可以请求多种服务
  可靠性：分时系统要求系统可靠，实时系统要求系统高度可靠，多级容错，保障系统和数据的安全。

2.6微机操作系统系统

微机操作系统的发展

• 单用户单任务
  • 只允许一个用户，且只允许用户进程作为一个任务运行。
• 单用户多任务
  • 只允许一个用户，但允许用户程序分为若干个任务并发执行，从而有效地改善了系统性能。
• 多用户多任务
  • 允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统资源，每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，进一步提高资源利用率和系统吞吐量。

2.7嵌入式操纵系统

• 嵌入式：把某种事务放入到某个载体中，已完成独特的某种专门的功能。
• 嵌入式系统：
  • 为了完成某个特定功能的任务而设计的系统。
  • 或是有附加机制的系统，
  • 或是其他部分的计算机硬件和软件的结合体。
• 嵌入式OS：用于嵌入系统的OS
  • 是运行在嵌入式智能芯片环境中。
  • 对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等等资源进行同一协调、调度、指挥和控制的系统软件。

特点：

• 系统内核小
• 系统精简
  • 嵌入式OS一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求功能设计与实现过于复杂。
• 实时性高
• 具有可配置性

2.8网络操作系统

• 网络：通过通信设施将物理上分散的具有自治功能和多个计算机系统互连起来的实现信息交换、资源共享、可户操作和协作的系统。
• 网络OS：用于在计算机网络环境下对网络资源进行管理和控制，实现数据通信及对网络资源共享，为用户提供网络资源接口的一组软件和规程的合集。

2.9分布式操纵系统

• 是网络操纵系统的更高级的形式
• 保持网络操纵系统的全部功能，利用软件系统方式构建在计算机网络上的一种多处理机系统。
• 分布式系统：基于软件实现的一种多处理机系统，是多个处理机通过通信线路互联二构成的松散耦合系统，系统的处理和控制功能在各个处理机上。

特征：

• 分布性
• 透明性：资源共享与分布对用户是透明的。
  同一性：若干台计算机可以通过互相协作来完成同意任务
  全局性：系统具备一个全局性的进程通信机制，系统中的任意两台计算机可以通过该机制实现信息交换。

• 网络与分布式的区别
  • 分布式具有各个计算机间相互通信，无主从关系；网络有主从关系。
  • 分布式系统为所有用户共享；而网络有限制地共享。
  • 分布式系统中若干个计算机可相互协作王城一项任务。

3、操作系统的基本特征

操作系统的四个基本特征：

并发、共享、虚拟、异步

3.1并发

操纵系统的并发性

• 并行：两个或多个事件在同一刻发生
• 并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生
  • 宏观上，处理机同时执行多个程序
  • 微观上，处理机在多个程序间高速切换（分时交替执行）
  • 关注 单个处理机同一时间内处理任务数量的能力

3.2共享

操纵系统的共享性

• 共享：系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
  • 同时访问方式：同一时段多个程序同时访问共享资源，磁盘。
  • 互斥共享方式：允许多个进程在同一个共享资源上独立而互不干扰的工作，打印机。

3.4 虚拟

操作系统的虚拟性

虚拟技术最早出现在通信系统中。该技术通过"空分复用"
或“时分复用”技术，将一条物理信道分为若干条逻辑信道，使原本只能供一对的通信信道，变成多对用户是通话的逻辑信道。

在OS中，通过某种技术将一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物的功能，称“虚拟”。

• 时分复用技术 时间片

  • 虚拟处理技术
    • 利用多道程序设计技术，为每道程序建立至少一个进程，使多道程序并发执行。
  • 虚拟设备技术
    • 利用时分复用技术，将一台物理上的I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备。

• 空分复用技术

  • 虚拟磁盘技术：将一块硬盘虚拟出若干个卷
  • 虚拟存储器技术。

3.4异步

操作系统的异步

多道程序环境下，允许多个程序并发执行；

单机处理环境下，多个程序分时交替执行；

• 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
• 程序执行的不可预知性
  • 不同程序的性能，不如计算多少，I/o多少
• 宏观上“一气呵成” ，微观上“走走停停”

4.操作系统的运行环境

• 内核程序，应用程序
• CPU的运行状态：核心态（模式位 =0），用户态（模式位=1）
• 特权指令，非特权指令
  

5.操作系统的主要功能

处理机管理功能、存储器管理功能、设备管理功能、文件管理功能、接口管理功能、现代操作系统的新功能

5.1处理机管理功能

• 处理机的分配和运行，都是以进程为基本单位，因而对处理机的管理，可归结为对进程的管理

• 进程控制：创建进程，撤销（终止）进程、状态转换
• 进程同步：
  • 进程互斥方式：信号量机制
  • 进程同步方式
• 进程通信：直接通信、间接通信
• 调度：作业调度、进程调度

5.2存储器管理功能

• 内存分配和回收:
  • 内存分配：静态和动态
  • 内存和回收
• 内存保护:
  • 确保每个用户程序在自己的内存空间运行：设置两个界寄存器。
  • 绝不允许用户程序访问OS的程序和数据
• 地址映射；逻辑地址转换位物理地址（C程序）
• 内存扩充（虚拟存储技术）：
  • 有空间不运行的进程，请求调入功能
  • 新的进程进不到内存，把不执行的进程，置换功能’

5.3 设备管理功能

• 设备管理用于管理计算机中所有的外围功能
• 主要任务：
  • 完成I/O请求
  • 提高CPU和I/O设备的利用率

• 缓冲区机制（cpu速度快，I/O速度慢）
• 设备分配：根据用户I/O请求，和系统现有资源的情况以及设备的分配策略。设备控制表记录挡墙设备状态
• 设备处理：设备驱动程序

5.4文件管理系统

• 文明（程序和数据）存储空间（外存）的管理
• 目录管理、按名存取
  -文件的读/写管理和保护

5.5接口管理功能

• 用户接口
  • 联机用户接口
    • 也叫命令方式CLI。适用于f分时或实时体统，由一组 - 键盘操作命令组成
  • 脱机用户接口
    • 适用于批处理系统，作业说明书
  • 图形用户接口GUL
• 程序接口
  • 系统调用：能完成特定功能的子程序。

5.6 现代操作系统的新功能

• 系统安全
  • 认证技术、密码技术、访问控制技术、反病毒技术。
• 网络功能和服务
  • 网络通信、资源管理、应用互操作
• 支持多媒体
  • 接纳控制技术、实时调度、多媒体文件的存储