操作系统概念 第一章笔记

Posted 2021-06-05 mayunfei233

目录

• 1.1计算机系统结构
• • 1.1.1中断的常用功能
  • 1.1.2 I / O结构同步
  • 1.1.3直接存储器存取结构
  • 1.1.4存储结构
  • 1.1.5分级存储器体系
  • 1.1.6缓存
• 1.2什么是操作系统@
• • 1.2.1操作系统的目的@
  • 1.2.2操作系统的定义@
• 1.3操作系统的发展
• • 1.3.1批处理系统---晶体管计算机代替真空管计算机（二代）
  • 1.3.2多道程序系统---小规模集成电路代替晶体管计算机（三代）
  • 1.3.3分时系统
  • 1.3.4桌面操作系统
  • 1.3.5并行系统（多处理器系统）
  • 1.3.6分布式系统
  • 1.3.7集群系统
  • 1.3.8实时系统
  • 1.3.9手持系统
• 1.4操作系统结构
• • 1.4.1通用操作系统组件
  • 1.4.2进程管理

1.1计算机系统结构

计算机系统可被分为四个部分：

• 硬件
  提供基础计算资源：CPU、内存、I/O设备
  
  一个或多个cpu、设备控制器通过公共总线连接，提供对共享内存的访问，cpu和设备争夺内存周期的并发执行

• CPU区间（burst）和IO区间，添加和写入-----------cpu速度要远远快于I/O设备速度

• I/O设备和CPU可以并发执行，磁盘键盘

• 每部分（每一类）都有设备控制器：
  负责特定的设备类型、具有本地缓冲区和寄存器、通知CPU它已经完成了它的操作引起中断

• 操作系统
  在各种应用程序和用户之间控制和协调硬件的使用

• 应用程序
  定义如何使用系统资源来解决用户的计算问题
  例如： 文字处理器，编译器，网页浏览器，数据库系统，视频游戏

• 用户
  人，机器，其他计算机
  

1.1.1中断的常用功能

中断（Interrupt）：

• 通常通过中断向量（interrupt vector）将控制传递给中断服务程序
• 体系结构必须保存中断指令的地址
• 当另一个中断正在被处理时，传入中断被禁用，以防止丢失中断

操作系统是中断驱动的
cpu正在计算微分方程，鼠标动一下，usb控制器打断cpu进行更紧急的事情

通过上下文找到中断前的状态，寄存器（rgister）保存当前进程运行到哪一个指令，程序计数器（program counter）被打断进程执行的下一条指令在内存中的位置

中断处理：

• 操作系统通过存储寄存器（registers）和程序计数器（program counter）来保存CPU的状态
• 单独的代码段决定了对于每种类型的中断应该采取什么行动
• 确定发生了哪种类型的中断:轮询（polling）、矢量中断系统（vectored interrupt system）

分类：

• 程序中断
• 时钟中断
• 硬件故障中断
• IO中断

1.1.2 I / O结构同步

同步I / O结构：
当I/O启动后，控制只在I/O完成时返回给用户程序

• 等待指令使进程空闲，直到下一次中断
• 等待循环
• 对于一个进程，一次最多有一个未完成的I/O请求，没有同步的I/O处理

异步I / O结构：

在I/O启动后，控制返回到用户程序，而没有等待I/O完成

• 系统调用请求给操作系统，让用户等待I/O完成
• 设备状态表包含每个I/O设备的条目，指示其类型、地址和状态
• 当中断时，操作系统在I/O设备表中建立索引以确定设备状态，并修改表项以包括中断
  
  设备状态表
  

1.1.3直接存储器存取结构

Direct Memory Access Structure

• 用于高速I/O设备，能够以接近内存的速度传输信息
• 设备控制器将数据块从缓冲存储器直接传输到主存，而不需要CPU干预
• 一个块只产生一个中断，而不是每个字节产生一个中断

1.1.4存储结构

• 主存（Main memory）-只有CPU可以直接访问的大型存储媒体
• 辅助存储器（Secondary storage）-主存的扩展，提供大的非易失性存储容量
• 磁盘（Magnetic disks ）覆盖有录音材料的硬质金属或玻璃盘
  

1.1.5分级存储器体系

• 主存储器是现代计算机系统运行的中心
• 分级存储系统：速度，花费，波动性
• 缓存-复制信息到更快的存储系统;主存可以看作是辅助存储器的最后缓存
  

1.1.6缓存

• 正在使用的信息暂时从较慢的存储器复制到较快的存储器
• 首先检查更快的存储(缓存)，以确定是否存在信息：如果是，则直接从缓存中使用信息(快速)；如果不是，数据复制到缓存并在那里使用
• 缓存小于正在缓存的存储：缓存管理重要的设计问题：
  缓存大小和替换策略
  

1.2什么是操作系统@

操作系统是一种管理程序，同时为应用程序提供服务，它充当计算机用户和计算机硬件之间的中介

1.2.1操作系统的目的@

• 执行用户程序，使解决用户问题更容易
• 使计算机系统使用方便
• 有效地使用计算机硬件

1.2.2操作系统的定义@

考试可以这么答：
操作系统是计算机的管理程序，向下管理着计算机的硬件资源，向上为应用程序提供运行环境，并且为用户提供一些简洁方便的用户界面。此外，操作系统还应该是底层的系统资源分配器以及程序运行的管理程序

OS是一个资源分配器

• 管理所有资源
• 在资源的有效使用和公平使用之间作出决定

OS是一个控制程序

• 控制程序的执行，以防止错误和不当使用计算机

“在计算机上一直运行的程序”就是内核（kernel）-----------内核模式
其他的要么是系统程序(system program)，要么是应用程序(application program)

1.3操作系统的发展

• Mainframe Computer System-------大型计算机系统
  Batch Processing System -------批处理系统
  Multiprogrammed System--------多道程序系统
  Time-Sharing System--------------分时系统
• Desktop Operating System----------桌面操作系统
  、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、
  多处理器系统：
• Parallel Operating System-----------并行操作系统，紧耦合
• Distributed Operating System-------分布式操作系统，松耦合
• Clustered Operating System---------集群操作系统
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• Real-Time Operating System--------实时操作系统
• Handheld Operating System---------手持操作系统

1.3.1批处理系统—晶体管计算机代替真空管计算机（二代）

特点：@
1.同一时间内只能执行一个作业
2.自动的从一个作业转移到下一个作业

• 它的主要任务是自动地将控制从一个工作转移到另一个工作
• 由程序、数据和一些控制信息组成
• 作业流程：
  1.程序员准备工作
  2.程序员把作业（代码+数据+控制信息）交给计算机操作员
  3.操作员将程序分类成批并运行
  4.返回输出
  

批处理系统的问题@

• CPU区间，IO区间
• 因为机械I/O设备的速度本质上比电子设备（cpu）慢，所以CPU经常是空闲的
• IO区间大于cpu区间：IO密集型程序/进程
• 某些科学计算类的应用，cpu区间可能长于IO区间：cpu密集型程序/进程

如何去解决？

将多个作业一起加载到计算机当中，一个作业进入IO区间后，另一个进入cpu区间，使cpu尽量保持工作状态------多道程序系统

1.3.2多道程序系统—小规模集成电路代替晶体管计算机（三代）

• 技术革新： 通过磁盘技术直接访问多个作业，操作系统可以执行作业调度，以有效地使用资源和执行任务
• 作业池-使用磁盘技术：
  1.将所有的工作保持在作业池（job pool）中
  2.操作系统将多个作业(作业池的子集)同时保存在内存中
  3.操作系统选择并开始执行内存中的一个作业
  
• 它需要JOB调度（作业调度）来在几个准备放入内存的作业中选择几个作业（作业池子集）放入内存，它们这时会竞争cpu资源-------长期调度 先到先服务
• 它需要CPU调度（scheduling）从几个准备运行的作业中选择一个作业----------短期调度
• 最后，同时运行的多个作业要求它们在操作系统的各个阶段不能相互影响
• 授权机制保证进程运行不会影响到其他进程

1.3.3分时系统

特点：

• 分时(或多任务处理)是多程序系统的逻辑扩展 但底层相同
• CPU通过频繁地在多个任务之间切换来执行多个任务，用户可以在每个程序运行时与它们进行交互
• 分时操作系统允许许多用户同时共享计算机------最重要特点
  
• 加载到内存并正在执行的程序通常被称为进程（process）
• 为了获得合理的响应时间，它需要虚拟内存，这是一种允许不完全在内存中执行作业的技术
• 它还必须提供文件系统和磁盘管理

1.3.4桌面操作系统

• 个人计算机-------专用于单个用户的计算机系统
• I/O设备-键盘，鼠标，显示屏，小型打印机
• 用户的便利性（convenience） 和 响应性（responsiveness）
• 可以运行几种不同类型的操作系统(Windows, MacOS, UNIX, Linux)

1.3.5并行系统（多处理器系统）

• 多处理器系统（Multiprocessor systems）在与其他部分的密切交互中使用多个CPU
• 紧耦合系统（Tightly coupled system） 处理器共享内存和时钟;通过共享内存进行通信
• 并行系统的优点：
  1.增加吞吐量
  2.规模经济
  3.增加可靠性

对称多处理（Symmetric multiprocessing – SMP
）：

• 许多进程可以同时运行，而不会降低性能
• 大多数现代操作系统都支持SMP
• 每个处理器都参与完成操作系统的所有任务

非对称处理（Asymmetric multiprocessing
）：

• 每个处理器被分配一个特定的任务;主处理器（boss pocessor）将工作调度并分配给从处理器
• 在非常大的系统中更常见
• 主从关系

1.3.6分布式系统

• 在几个物理处理器之间分配计算

• 松散耦合系统：
  -每个处理器都有自己的本地内存
  -通过各种通信线路进行通信

• 分布式系统的优点
  -信息资源共享
  -计算加速
  -可靠性
  -通信

• 需要网络基础设施

• 可能是客户机-服务器或点对点系统
  

1.3.7集群系统

• 集群允许两个或多个系统共享存储，不共享内存
• 用于科学计算
• 介于紧耦合和松耦合之间
• 提供高可靠性
• 非对称集群（Asymmetric clustering）: 一个服务器运行应用程序，而另一个服务器是备用的—热备份模式（hot-standby mode）
• 对称集群（Symmetric clustering）： 所有N个主机都在运行该应用程序

1.3.8实时系统

• 通常用作专用应用程序的控制设备，如：

  -控制科学实验
  -医学影像系统
  -工业控制系统
  -一些显示系统

• 定义良好的定时约束

• 实时系统可以是硬实时，也可以是软实时

硬实时（Hard real-time）

• 次要存储器有限或不存在，储存在短期存储器(ROM)中的数据
• 与分时系统冲突，通用操作系统不支持
• 承诺一定时间内一定做出响应

软实时（Soft real-time）

• 限制功能在机器人的工业控制
• 适用于需要高级操作系统特性的应用程序(多媒体、虚拟现实)
• 针对于某一个具有软实时性能的进程给她一个相当高的优先级，尽力让他早点完成

1.3.9手持系统

• 个人数码助理(pda)
• 移动电话
• 问题：记忆容量有限、慢的处理器、小显示屏
• 要求反应速度
• 续航要求高
• 内置许多传感器（IO设备）

1.4操作系统结构

1.4.1通用操作系统组件

OS包括以下8个方面：
总线结构，设备控制器

• 进程管理--------------------Process Management
• 主存储器管理--------------Main Memory Management
• 文件管理--------------------File Management
• I / O系统管理--------------I/O System Management
• 辅助存储器管理-----------Secondary-Storage Management
• 联网--------------------------Networking
• 保护系统--------------------Protection System
• 命令解释程序--------------Command-Interpreter System

1.4.2进程管理

• 进程是一个正在执行的程序
• 一个进程需要一定的资源来完成它的任务
• 操作系统负责与过程管理有关的以下活动:
  进程创建（creation）和删除（deletion）、进程暂停（suspension）和恢复（resumption.）