-操作系统概论

Posted 2022-12-01 吹灭读书灯 一身都是月

第一章 操作系统引论

操作系统（Operating System， OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调 度计算机的工作和资源的分配；以提供给用户和其他软件方便的接口和环境；它是计算机系统中最基本 的系统软件。

1.1 操作系统的目标和作用

补充：进程是一个程序的执行过程，执行前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理

功能：

目标：

①方便性 ②有效性 ③可拓展性 ④开放性

1.2 操作系统的发展与分类

1.2.1 无操作系统的计算机系统

1. 人工操作方式；（人机矛盾）

   缺点：①用户独占主机；

   ​ ②CPU等待人工操作；

2. 脱机I/O方式

   先将程序和数据通过外围机输入到磁盘中，当CPU需要时从磁盘中读取，结果输出到另外一台外围机上，减少了CPU的空闲时间，调高了I/O速度。

1.2.2 单道批处理

外存中有一批作业在排队等待（批处理），一次取一个作业放入内存中运行（单道），Monitor（监督程序，最早的操作系统），常驻在内存中，用于作业的调度，具有自动性、顺序性、单道性的特点。

优点：比串行输入高效，旨在提高资源利用率和系统吞吐量。

缺点：有I/O操作时CPU内存闲置，浪费资源——出现多道系统。

1.2.3 多道批处理系统

每次往内存中输入多道程序；

允许多道程序在内存中同时准备运行（多道），正在运行的程序暂时不能运行时（如I/O时），系统自动启动另外一道程序运行，之后在某一时间继续运行原来的程序（感觉像空间换时间），具有多道性、无序性、调度性。

优缺点：

• 资源利用率高
• 系统吞吐量大（CPU和其他资源保持忙碌；仅作业完成不下去才进行切换）
• 平均周转时间长（作业要排队），无交互能力【用户要等待操作完】

1.2.4 分时系统

主要动力：满足对人—机交互的需求

计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可以通过终端与计算机交互。

1. 概述

属于多道批处理系统，每个任务每次运行的时间确定，一到时间就运行下一个任务，适合交互式系统（人机交互、共享主机）。缺点是频繁中断进程会导致额外的系统开销，浪费时间，且某些程序不允许中断（如打印机打印文件）。

2. 关键问题

1. 及时接收：配置多路卡，实现分时多路复用，每个终端配置缓冲区
2. 及时处理：作业直接进入内存，采用轮转运行的方式，引入时间片。

3. 特征

• 多路性：宏观上多个用户在同时运行
• 独占性：每个用户一个终端，独立操作，互不干扰
• 及时性：在很短的时间内得到响应，小于2~3秒
• 交互性
• 缺点：不能优先处理紧急任务

响应时间与就绪进程数目和时间片长度有关；

1.2.5 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事件的处理，控制所有实时任务协调一致地完成，具有及时性、高可靠性和有限的交互性。

实时任务的类型

1. 周期性实时任务和非周期性实时任务，非周期性实时任务必须联系一个截止时间，分为开始截止时间（某时刻前必须开始）和完成截止时间（某时刻前必须完成）。
2. 硬实时和软实时任务，硬实时指必须满足任务对截止时间的要求（工业和武器控制系统），软实时容许错过一点时间（多媒体和信息查询系统）。

三种系统的比较

1.2.6 微机操作系统的发展

1. 单用户单任务：CP/M 和 MS-DOS
2. 单用户多任务：Windows
3. 多用户多任务：UNIX和Linux

1.3 操作系统的基本特性

1.3.1 并发（Concurrence）

• 并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生，宏观地看是同时发生。
• 并行：两个或多个事件在同一时刻发生，只有多核才能并行。

1.3.2 共享

共享即资源共享，指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

1、互斥共享方式

• 在一段时间内只允许一个进程访问资源
• 临界资源（独占资源）：在一段时间内只允许一个进程访问的资源

2、同时访问方式

• 宏观上在一段时间内允许多个进程“同时”访问某些资源
• 微观上“轮流”（交替访问）
• 处理机、内存、磁盘、可重入代码。

1.3.3 虚拟

定义：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。

1.3.4 异步

异步是指，在多道程序的环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进。

1.4 操作系统的主要功能

1.4.1 处理机管理功能

• 进程控制：为作业创建/撤销进程，控制状态转换
• 进程同步：为多个进程的运行协调
• 进程通信：一组互相合作的进程去完成一个共同的任务时，需要信息交换
• 调度：①作业调度 ②进程调度（不需要硬件支持）

1.4.2 存储器管理

• 内存分配：内存空间在装入时确定（静态(运行时作业不允许申请新内存空间) / 动态）
• 内存保护：确保每道用户程序只在自己的内存空间内运行
• 地址映射：将地址空间中的逻辑地址转化为内存空间中的物理地址
• 内存扩充：借助虚拟存储技术，从逻辑上扩容

1.4.3 设备管理

• 缓存管理：为了缓和CPU的高速特性和I/O的低速性
• 设备分配：①根据I/O请求，现有资源分配设备 ②设备控制表，等数据结构用于记录状态
• 设备管理：实现CPU和设备控制器之间的通信

1.4.4 文件管理

• 文件存储空间的管理：为每个文件分配必要的外存空间
• 目录管理：为每个文件建立其目录项并有效组织
• 文件的读/写管理和保护

1.4.5 操作系统与用户之间的接口

• 用户接口
  • 联机用户接口：由一组键盘操作和命令解释程序组成
  • 脱机用户接口（说一句做一堆）
  • 图形化接口
• 程序接口：由一组系统调用组成

1.4.5 操作系统与用户之间的接口

• 用户接口
  • 联机用户接口：由一组键盘操作和命令解释程序组成
  • 脱机用户接口（说一句做一堆）
  • 图形化接口
• 程序接口：由一组系统调用组成