一、操作系统概述

内容来自老师的课件，仅供复习和学习

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• 操作系统的目标和发展
• 操作系统的发展历史
• 操作系统的主要理论成就
• 主流操作系统的介绍

1.1 操作系统的目标与功能

• 操作系统是机器与应用程序之间的接口程序
• 功能：动态分配系统的共享资源给正在执行的程序
  • 进程调度
  • 内存管理
  • 设备控制
    
• 操作系统是硬件基础上的第一层软件：
  • 控制应用程序的执行
  • 应用程序和硬件间的接口
• 操作系统的设计目标：
  • 方便：使计算机易于使用
  • 有效：高效管理计算机系统的资源
  • 易扩展：可引入新的系统功能

1.1.1 作为用户/计算机接口

• 为应用程序员屏蔽硬件细节，提供计算机系统的接口
  
• 操作系统提供的服务
  • 程序开发
  • 程序运行
  • 访问输入/输出设备
  • 文件访问控制
  • 系统访问
  • 错误检测与响应
  • 统计记账
  • ......
• 计算机系统的三个关键界面/接口
  • ISA（Instruction set architecture）指令集体系结构
    • 定义计算机可遵循的机器语言指令系统
    • 是软硬件的分界接口
    • 应用程序和实时工具都可以直接访问ISA的子集————用户ISA
    • 操作系统则有权访问另外的管理系统资源的机器语言指令————系统ISA
  • ABI（Application binary interface）应用程序二进制接口
    • 定义二进制可移植交叉程序的标准
    • 定义对操作系统与硬件资源的系统调用接口，和通过用户ISA可用的系统服务
  • API（Application programming interface）应用编程接口
    • 程序可通过增补的HLL（高级语言）库调用来访问硬件资源和经由用户ISA提供的可用系统服务
    • 任何系统调用通常都是通过库来完成的
    • 利用API，应用程序可以容易地（通过重新编译）移植到支持同样API的其他系统

1.1.2作为资源管理器

• 计算机就是一组资源，用于数据的传送、存储和处理，以及对这些功能的控制
• 操作系统负责管理计算机的软硬件资源
• 操作系统通过管理计算机资源控制计算机
  • （作为控制器的）操作系统与（被控制的）普通软件的作用相同，都是由处理器执行的一组程序
  • 操作系统经常放弃控制，须依赖处理器重新获取控制
• 操作系统管理的主要资源
  

1.1.3操作系统的易扩展性

操作系统应该能不断发展

• 硬件升级与新型硬件：新型处理器（如支持分页机制、APU）、新型输入/输出设备（如触摸屏）
• 新服务：适应用户和系统管理员的需要（如图形界面、多点触控）
• 修正错误：修正操作系统不可避免存在的各种错误（如发布各种补丁程序）

设计要求

• 模块化接口
• 接口定义
• 说明文档
• ......

操作系统的定义

• 操作系统是一组程序的集合，其功能为
  • 控制和管理计算机硬件和资源软件
  • 合理地对各种作业（job，单一程序）进行调度（scheduling）
  • 方便用户使用计算机系统

1.2操作系统的发展历史

• 串行处理
• 简单批处理
• 多道程序批处理
• 分时系统
• 实时系统
• ......

1.2.1串行处理

• 早期计算机没有操作系统
• 存在两个主要问题
  • 人工调度
  • 准备时间长
• 串行处理：用户必须顺序访问计算机的操作模式
  
• 提高串行处理效率的方法
  • 开发公用软件的各种系统软件工具
    • 函数库
    • 链接器
    • 加载器
    • 调试器
    • 输入/输出驱动程序
    • ......

1.2.2简单批处理系统

• 动机：提高利用率————自动执行作业
• 作业控制语言（JCL）
• 监控程序（Monitor）————批处理操作系统
  • 所需的硬件支持
    • 内存保护（保护监控程序）
    • 计时器（防止一个作业独占系统）
    • 特权指令（只能由监控程序执行）
    • 中断（使操作系统放弃/获得控制权更加灵活）
      
• 第一个监控程序（第一个操作系统）————1950s中期，GE（美国通用电气公司）为IBM 701开发
  
• 操作模式（由内存保护和特权指令引入）
  • 用户态：不能访问受保护区域，不能执行特权命令
  • 内核态：可访问受保护区域，能执行特权命令
• 单道程序批处理
  • 使处理器必须等到输入/输出操作结束后才能继续
    

1.2.3多道程序批处理系统

• 动机：输入/输出速度太慢，需进一步提高CPU利用率
• 多道程序设计/多任务处理————1950's末为IBM 360/7094开发
• 多个作业任务同时进入
• 主存切换运行
• 
• 需要的硬件功能：
  • 输入/输出中断
  • 直接内存访问
• 需要的软件功能
  • 内存管理
  • 作业调度
    

1.2.4分时系统

• 动机：满足用户与计算机交互的需要，减小响应时间
• 多个交互作业，多个用户分享处理器时间
• 分时技术
• 把处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理器分配给各联机作业使用
• 第一个分时系统：CTSS（兼容分时系统），1961年MIT为IBM 709研发
• 联机多用户的计算环境
  • 
• 多道批处理与分时系统的比较
  • 

1.2.5实时系统

• 用于专用系统，进行实时控制与实时信息处理，如工业、军事、金融、航天......
• 强调即时响应和高可靠性，在规定时间内完成对事件的处理为特征
  • 当代的操作系统，通常同时具有分时、实时和多道批处理功能，被称为通用操作系统

1.3操作系统的主要理论模块

操作系统发展中的重要理论进展

• 进程
• 内存管理
• 信息保护和安全
• 进程调度和资源管理

1.3.1进程

• 动机：管理协调系统中“多道处理”的活动相当困难
• 进程：一个正在执行的程序
• 进程的三个组成部分：
  • 一段可执行的程序
  • 程序所需要的相关数据（变量、工作空间、缓存区等）
  • 程序执行的上下文环境/程序状态
• 进程调度软件出错的原因：
  • 不正确的同步（如不正确的信号机制）
  • 失败的互斥（竞争共享资源）
  • 不确定的程序操作（如共享内存的重写，程序的调度顺序可能影响程序的输出结果）
  • 死锁（如两个进程都等待对方释放自己需要的资源）
• 进程被作为一种数据结构来实现
  

1.3.2存储管理

• 动机
  • 更好支持多道程序和模块化程序设计
  • 直接使用物理内存有较大局限性
• 操作系统内存管理的基本职责
  • 进程隔离（防止相互干涉各自的存储空间）
  • 自动分配和管理（需要时动态分配，对程序员透明）
  • 支持模块化程序设计（如面向对象）
  • 保护和访问控制（访问共享存储空间可能引发问题）
  • 长期存储（非易失，磁盘文件系统）
• 存储管理实现方法技术
  • 文件系统：长期存储，访问/控制单位
  • 虚拟存储器
    • 允许程序从逻辑的角度访问存储器
    • 把内存和外存结合起来管理，使用起来与使用内存一样方便
    • 引入分页系统和从虚地址到实地址的动态映射硬件
• 

1.3.3信息保护与安全

• 动机：分时系统、计算机网络
• 四类相关问题
  • 可用性：保护系统原子操作的整体性
  • 保密性：保证用户的信息私密性
  • 数据完整性：保护数据不被未授权操作修改
  • 认证：用户身份的正确认证和消息/数据的合法性

1.3.4调度和资源管理

• 动机：管理并调度各种活动进程、使用各种可用资源，同时要提供公平性、有差别的响应性和有效性
• 三个因素
  • 公平性（平等对待各类进程）
  • 有差别的响应性（区分不同服务要求的不同作业类型）
  • 有效性（在最大吞吐量、最小响应时间和尽可能多用户之间找到平衡）
    • 多道程序设计的主要组件，操作系统研究的基本问题
• 

1.3.5系统结构

• 操作系统的结构及复杂性不断增长
• 四个问题：实现落后于需求、存在错误、性能不足和安全问题
• 操作系统的软件结构
  • 模块化：合理划分模块、在模块间定义良好的接口
  • 分层和信息抽象：系统定义为一系列的层，每一层实现操作系统所需功能的相关子集，它只依赖于下一层的功能。某层的修改不需要改变其他层
• 操作系统设计层次
  • 
  • 1~4：处理器硬件（不属于操作系统）
  • 5~7：单处理器资源
  • 8~13：外部对象

1.4现代操作系统的发展

影响现代操作系统发展的因素：

• 新硬件：多【核】处理器结构、高速增长的计算机速度、高速网络连接、容量不断增加的各种存储设备
• 新应用：人工智能、多媒体应用、互联网/Web访问、客户/服务器计算模式
• 新安全威胁：网络使安全问题更加突出（病毒、蠕虫、黑客技术）

操作系统的组织方法和设计要素（现代操作系统的特征）

• 微内核结构
  • 内核
    • 操作系统中实现基本功能的代码，它常驻内存并运行于特权方式
    • 单体内核/宏内核
      • 内核实现操作系统的所有基本功能（包括调度、文件系统、连网、设备驱动程序、内存管理等等）
      • 一般用一个进程实现，内核代码共享同一个地址空间，每一模块可以调用任何其他模块和使用内核的所有核心数据
      • 效率高，但难以修改和扩充
      • 例子：Unix、Linux、Android（基于Linux）、D操作系统、Windows9x、Mac操作系统8.6以下
    • 微内核：
      • 内核只实现最基本的功能（包括地址空间、进程间通信、和基本调度）
      • 更多的功能代码组织为多个进程，各自独立使用自己的地址空间，允许与非特权方式
      • 客户/服务器模式，设计简单灵活，适用于嵌入式与分布式环境，但效率较低
      • 例子：Mach、QNX
    • 混合内核
      • 微内核和宏内核的结合（可算作单体内核中的一类）
      • 具有微内核结构，按宏内核实现
      • 例子：WindowsNT（2000/XP/Vista/7/8）、BDS、XNU
  • 不同内核类型操作系统的结构比较
  • 
• 多线程
  • 进程
    • 分派系统资源（CPU除外）的最小单位
    • 由一个或多个线程实现其功能
  • 线程
    • 分派CPU的最小工作单位
  • 多线程技术
    • 把执行一个应用程序的进程划分为可以同时运行的多个线程
    • 适用于执行许多本质上独立、不需要串行任务的应用程序
    • 常用于基于C/S模式的服务器、如Web服务器、网络数据库服务器等
• 对称多处理（SMP）
  • 一个计算机
  • 多个CPU
  • 共享同一个主存和I/O设备
  • 所有CPU都可以执行相同的功能
  • 对称多处理的操作系统
    • 可以调度进程和线程到任一个CPU
  • 对称多处理的优势
    • 性能
    • 可靠性
    • 增量扩展
    • 可扩展性
• 分布式
  • 分布式操作系统
    • 分布式硬件环境（多个计算机，如机群）
    • 提供统一的资源管理（单一主/辅存空间、一致访问方法）
    • 例：分布式文件系统
• 面向对象设计
  • 现代操作系统设计的一个主要方法
  • 为小内核系统提供模块扩展性
  • 方便分布式工具和分布式操作系统的开发

1.5多处理器和多核的操作系统设计考虑

• SMP的操作系统考虑
  • SMP系统中的内核可在任意一个处理器上运行
  • 一般每个处理器都从可用进程或线程池中进行自我调度
  • SMP使操作系统复杂化，必须处理同时在执行的操作系统多个部分的资源共享与配套操作
  • 关键设计问题：同时并发的进程和线程、调度、同步、内存管理、可靠性与容错度
• 多核的操作系统考虑
  • 包括SMP的所有问题
  • 多核出现的新问题：潜在的并行规模——单一芯片上的核数、共享与专用高速缓存的容量都在不断增加，我们现在已进入众核（many-core）时代
  • 众核的多核系统的设计挑战——高效利用多核处理能力、聪明地有效管理丰富的片上（on-chip）资源
  • 应用程序内的并行——将应用程序细分成多个可并行执行的任务，用多进程或多线程来执行
  • 虚拟机途径——用多个虚拟机在各别的核上运行多个应用程序