操作系统概述)

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操作系统概述

2.1 操作系统目标和功能

三个目标

  • 方便:易于使用
    • 作为用户/计算机接口,提供方便的服务
      • 程序开发/运行
      • I/O设备访问
      • 文件控制访问
      • 系统访问
      • 错误检测和响应
      • 记账(监控)
  • 有效:可以有效利用计算机系统资源
  • 拓展能力:可以有效开发、测试和引入新的系统功能
    • 硬件升级和新硬件
    • 新的服务
    • 纠正错误(打补丁)

2.2 操作系统演化

  • 串行处理
  • 简单批处理系统
    • 使用一个称为监控程序的软件,监控程序自动加载,提供计算机利用率
  • 多道批处理系统
    • 解决I/O设备相对于处理器速度太慢,单道程序使得处理器经常处于空间状态
    • 对多道程序设计最有帮助的硬件是:支持I/O中断和直接内存访问(DMA)的硬件
  • 分时系统
    • 允许多个用户通过终端同时分享处理器时间
    • 多道程序设计的目的是同时处理多个批作业;而分时系统的目标是减少用户的响应时间

2.3 主要研究成果

4个重要理论进展

进程、内存管理、信息保护和安全、调度和资源管理

  • 进程
    • 定义
      • 一个正在执行的程序
      • 计算机中正在执行的程序的一个实例
      • 可分配给处理器并由处理器执行的一个实体
      • 由一个单一顺序线程、一个当前状态和一组相关系统资源所表征的活动单元
    • 计算机发展的三条主线
      • 多道程序批处理系统
      • 分时系统
      • 实时事务处理系统
    • 组成:
      • 一段可执行的程序
      • 程序所需要的相关数据(变量、工作空间、缓冲区等)
      • 程序的执行上下文(进程状态)
  • 内存管理
    • 操作系统担负着5项存储器管理职责:
      • 进程隔离
      • 自动分配和管理
      • 支持模块化程序设计
      • 保护和访问控制
      • 长期存储
    • 采用虚存机制,如图:
  • 信息保护和安全
    • 可用性
    • 保密性
    • 数据完整性
    • 认证
  • 调度和资源管理
    • 三因素
      • 公平性:给竞争某一资源的所有进程提供几乎相等和公平的访问机会
      • 有差别的响应性:区分不同服务和作业的类型,动态的进行分配和调度
      • 有效性:希望系统获得最大吞吐量和最小响应时间

2.4 现代操作系统

主要设计领域

  • 微内核体系结构(单体内核 vs 微内核)
  • 多线程(线程和进程)
  • 对称多处理SMP(优势:性能、可用性、增量成长、可拓展性)
  • 分布式操作系统(集群)
  • 面向对象设计(给小内核增加模块化拓展)

2.5 容错性

定义:指系统或者部件发生软/硬件错误时,能够继续正常运行的能力

相关指标:

  • 可靠性
  • 平均失效时间
  • 可用性

错误包括:
- 永久性错误:硬盘损坏、软件错误、通信部件损坏
- 临时性错误
- 瞬时性错误:冲激噪声造成的位传输错误、电源故障
- 间歇性错误:连接松动导致的错误
解决方式:增加冗余度
- 空间(物理)冗余度
- 时间冗余
- 信息冗余

2.6 多处理完器和多核操作系统设计

多处理器操作系统

多处理器系统提供多道系统所有功能,还需要考虑的关键因素:

  • 并发进程或线程
  • 调度
  • 同步
  • 内存管理
  • 可靠性和容错性

多核操作系统设计考虑因素

包含多处理器的所有涉及问题,还需考虑:应用层并行、虚拟机方式

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