操作系统01-概述

操作系统

第一章: 操作系统引论

操作系统目标和作用

• 作用

  • 是计算机资源的管理者

  • 提供了计算机硬件系统与用户的接口

    • 命令接口
    • 程序接口
    • GUI

  • 扩充机器

• 目标

  • 有效性

    • 提高资源利用率
    • 提高系统吞吐量

  • 方便性

    • 使得计算机系统更容易适用

  • 可拓展性

    • 适用计算机硬件、体系结构及应用发展的要求

  • 开放性

    • 国际标准开发的软件和硬件，可以彼此兼容，方便实 现互联

• 主要发展动力

  • 与作用和目标对应

    • 不断提高计算机资源的利用率 有效性
    • 方便用户 方便性
    • 器件的不断更新换代 可拓展性
    • 计算机体系结构的不断发展 开放性和可拓展性

操作系统的基本特征

• 并发性

• 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

• 共享性

  • 是系统中的资源可以同时被多个并发执行的进程共同使用
  • 有互斥共享和同时访问 : 就仿佛是读写操作

并发和共享是相互依存的
并发是共享可以产生的基本条件，没有并发，只有一个进程享用资源，不存在共享
共享是并发可以运行的条件，不能实现共享，处理机共存的作业在执行的时候将无法运行

• 虚拟技术

  • 空分复用技术

    • 利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其他多道程序

  • 时分复用技术

    • 利用处理机的空闲时间允许其他程序

  • 将物理和逻辑上的一个或多个实体之间相互对应，一般是多对一的关系

• 异步性

  • 问题

    • 不确定性和资源的共享可能会导致和时间有关的错误

  • 表现为多个作业的执行顺序和每个作业的执行时间是不确定的关系

操作系统的主要功能

• 资源管理

  • 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

• 操作系统与用户之间的接口

  • 命令接口

    • 联机命令接口 : 交互式命令接口

    • 脱机命令接口 : 批处理命令接口

  • 程序接口

    • 系统调用

      • 广义指令

操作系统的发展过程

• 人工操作方式

  • 采用人工操作的方式，CPU等待人工操作
  • CPU运算的高速与手工操作的慢速之间的矛盾
  • 联机输入／输出
  • 用户独占计算机资源，资源利用率低

• 脱机输入／输出

  • 增加了一个外围机

    • 将原来低俗输入的I/O输入到外围机中，再由其高速输入到主机中，主机处理之后输入到外围机，再低速给输出设备
    • 这里是因为输入输出设备只能以较低的速度传输数据
    • 外围机和主机之间的缓冲区是输入带和输出带

• 单道批处理系统

  • 形式

    • 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
    • 在内存中只保持一道作业的批处理系统

  • 特征

    • 自动性
    • 顺序性
    • 单道性

• 多道批处理系统

  • 形式

    • 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

  • 特征

    • 多道性
    • 无序性
    • 调度性：作业从提交到完成经历了高级调度和低级调度

  • 优点

    • 提高CPU利用率
    • 提高内存和设备利用率
    • 增加系统的吞吐量

• 分时系统

  • 在操作系统中加入了分时技术

    • 分时技术：

      • 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

  • 特征

    • 多路性
    • 交互性
    • 独立性
    • 及时性

• 实时系统

  • 和分时在于分时会让这一个时间片用完以后再给具有高优先级的作业分配时间片，但实时会直接中断这一个时间片的使用，唯一目标在于让当前最高优先级的作业完成工作

  • 特征

    • 多路性
    • 独立性
    • 及时性
    • 交互性
    • 可靠性

  • 系统可以实时的完成响应外部事件的请求，在规定的时间范围内完成对该事件的处理，并控制实时任务协调一直地运行

• 现代操作系统

  • 网络操作系统

    • 路由

      • 华为
      • 思科

    • VxWorks

  • 分布式操作系统

    • 资源共享

  • 嵌入式操作系统

    • Linux Android IOS

操作系统的运行环境

• 用户态和核心态

  • 特权指令

    • 只能由操作系统才能使用

    • 例如

      • 有关I/O的指令
      • 访问状态寄存器的指令
      • 访问寄存器的指令

  • CPU处理机的状态

    • 目态/用户态

      • 不能使用特权指令

        • 时钟设置
        • 中断机制
        • IO指令
        • 系统管理

      • 普通态

        • “访管指令”是可以在目态下执行的指令。
        • 用户态

    • 管态/核心态

      • 能使用特权指令

      • 特权态

        • 系统态

          • 内核态

            • 核心态

  • 程序状态字PSW

    • 用于判断CPU的工作状态0/1用户态 内核态
    • CF
    • OF
    • ZF
    • SF
    • PF

• 中断和异常

  • 内中断(异常)

    • 自愿中断

      • 指令中断
      • 系统调用
      • 断点指令
      • 缺页中断

    • 强迫中断

      • 硬件中断
      • 软件中断
      • 输入输出中断
      • 外部中断

  • 外中断(中断)

    • 外设请求

      • 可屏蔽中断

    • 人的干预

      • 不可屏蔽中断

• 系统调用 ( 类似于API不同于API , 用防管指令陷入到核心态)

• 设备管理

  • 文件管理
  • 进程管理
  • 进程通信
  • 内存管理

• OS结构设计

  • 传统的操作系统结构

    • 无结构操作系统

      • 目标放在功能的实现和获得高的效率上，OS只是众多的一组过程的的集合，可以相互调用，此时是无结构的

    • 模块化的操作系统

      • 优点

        • 提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性
        • 增强OS的适应性
        • 加速OS的开发过程

      • 问题

        • 模块是无序的
        • 接口设计难以满足要求

    • 分层次结构OS

      • 优点

        • 易保证系统的正确性
        • 易拓充
        • 易维护

      • 缺点

        • 系统效率降低

  • 微内核OS结构

    • 微内核

      • 放入操作系统中最基本的部分

        • 进程管理
        • 储存器管理
        • 进程通信管理
        • IO设备管理

    • 优点

      • 提高了系统的可扩展性
      • 增强了系统的可靠性
      • 提高了系统的可移植性
      • 提供了对分布式系统的支持

    • 缺点

      • 系统运行效率有所降低

  • 客户／服务器模式

    • 客户机
    • 服务器
    • 网络系统