操作系统概述

Posted 2021-01-08 lls101

操作系统的基本特征、功能及结构

基本特征：

           注：多道并发是最根本的特征， 并发引出五大管理功能，同时也使OS有了更多的特征

1.并发concurrence

并行性：两个或多个事件在同一时刻发生

并发性：两个或多个事件在同一时段发生

  理解CPU并发：

              单处理器系统中，多道程序在宏观上看似并行，实际在微观上是多道程序占用cpu交替执行的，并不是真正的“并行”。多处理器系统才有CPU并行。

  单处理器系统中的并行：

              在硬件技术支持的条件下，CPU 和 I/O操作能实现并行，这也是多道程序设计能够提高效率的原因之一。

注： 并发和进程是现代OS最重要的基本概念

 

2.共享sharing

     互斥共享方式：

       对临界资源（如打印机）采用该方式，资源分配给某进程后未释放前，不能被其他进程所用。

  临界资源(独占资源)：一段时间内只允许一个进程访问的资源。

       同时访问方式：

       对允许“同时”访问的资源（如磁盘）采用该方式，但“同时”仍然是“宏观并行微观串行”的，不是真正的同时

注：

并发和共享互为存在的条件

多个程序并发才导致了资源需要共享

资源共享若没有协调好，必然影响程序的并发执行

３. 虚拟virtual

              通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑对应物（用户感觉上的东西），两种实现方式：

  时分复用

              一个物品被多人分时使用，在一段时间内就表现为每个人都有一个该物品可用，1虚拟为n。

空分复用

              一个物品划分为多个部分，多个人每人都有一部分可用，主观上看也是1虚拟成n。

４.异步性asynchronism

指进程的执行顺序和执行时间的不确定性

      进程的运行速度不可预知

              由于资源等因素限制，进程通常不能一气呵成地执行完，多个进程并发执行是“时走时停”的，不可预知每个进程的运行推进快慢；

      允许异步，但结果应正确

              只要环境相同，无论快慢，结果应该相同（可再现性），这需要进程互斥和同步手段来保证。

 

操作系统的主要功能

  处理机管理功能（作业管理）

  存储器管理功能

  设备管理功能

  文件管理功能

  用户接口

1.

处理机管理功能

1）进程控制：

  为作业创建进程、撤销已结束的进程，控制进程在运行过程中的状态转换。以及线程的创建撤销等。

（可理解为对单个进程基本信息进行管理）

2）进程同步：

  为多个进程运行进行协调（包括互斥和同步）

3）进程通信：

用来实现在相互合作进程间的信息交换；（直接通信和网络通信）

4）调度：

  作业调度（入内存）和进程调度（分配CPU）

 

2.  存储器管理功能

1）内存分配：为每道程序分配内存空间（包产到户）具体分配涉及许多细节：

分配方式：动态、静态

分配机制需要的数据结构、分配算法、回收内存功能

2）内存保护：确保每道用户程序都只在自己的内存空间中运行

  需要一个硬件——界限寄存器，存放正在执行进程的内存上下界，每条指令的访问地址都要进行越界检查，一般用硬件实现检查

3）地址映射(变换)：进程的逻辑地址到内存物理地址的映射。

  程序编译形成的目标程序地址都是从0开始，是逻辑地址

 真正调入内存某个空间存放的地址是物理地址

4）内存扩充：用虚拟存储技术解决内存容量不足的问题；

  请求调入功能

  页面置换功能

3.  设备管理功能

  1）缓冲管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率和并行操作程度；

  2）设备分配：按某种设备分配策略，为之分配所需的设备;

    应设置设备控制表等数据结构记录设备及其控制器的标识符和状态;不同的设备，分配方式不同

3）设备处理：设备处理程序即驱动程序，及时X响应设备控制器请求，实现CPU和设备控制器之间的通信。

  4.  文件管理功能

  1）存储空间的管理：分配外存空间，提高外存的利用率，提高文件系统的运行速度;

    需要相应的数据结构，记录文件存储空间的使用情况；要有对存储空间分配和回收的功能

 2）目录管理：为文件建立目录项，并有效组织，实现方便的按名存取;提供快速的目录查询手段，提高文件检索速度；还需实现文件共享。

 3）文件的读写管理和保护：读写操作与有效的存取控制功能。

 

5.  用户接口

1）命令接口

       用户可通过键盘终端发出命令以控制作业的运行。

  联机用户接口：由一组磁盘操作命令和命令解释程序组成。

 脱机用户接口：由一组作业控制语言组成，如批处理文件。

2）程序接口

 用户程序在执行中访问系统资源而设置，由一组系统调用组成。  早期汇编语言才能使用，后高级语言及C语言中都给出了系统调用对应的库函数。

3）图形接口

操作系统的结构

操作系统的结构

开发OS的过程中，先后引入了分解、模块化、抽象、屏蔽等方法，OS结构不断更新换代。

  无结构OS

  模块化OS结构

  分层式OS结构

  微内核OS结构

1.传统的OS结构

1）无结构OS

  早期开发OS，只追求实现和效率，缺乏贯穿的设计思想。是一组过程的集合。

问题：

 过程互相调用，没有清晰的结构

  程序错误很多，调试复杂，阅读维护困难

2）模块化OS结构

              20世纪60年代出现的一种程序设计技术。基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件的复杂度。

  制定功能模块

  规定各模块接口

  划分子模块

       称为模块——接口的设计方法，关键是模块的划分和规定接口。

3）分层式OS结构

  改进设计方式，变无序为有序——分层的思想

              在物理机器上逐渐添加具有一定功能的软件层，每一层仅使用底层提供的功能和服务。（功能流水线）

优点：

  易保证系统正确性

  易扩充和维护

缺点：

分层单向依赖，执行一个功能，总要自下而上地穿越多层，增加系统通信开销，降低了效率

 

2.微内核OS结构

  Micro Kernel操作系统结构于20世纪80年代后期发展起来。尤其在多处理机环境下，更适用微内核技术。

  与客户/服务器技术，面向对象技术同时发展起来的。微内核OS结构以OS为核心，以C/S为基础，采用了面向对象程序设计方法。

       1）客户/服务器技术

       2）面向对象技术

       3）微内核

 

1）Client/Server模式

  三部分组成：客户端、服务器、网络系统

  交互方式：客户请求，服务器接收消息，回送消息，客户接收消息，四步。

优点：数据分布处理和存储；灵活可扩充，易于修改维护，仍方便集中管理

微内核

1）足够小的内核

       微内核并非一个完整的OS。与硬件紧密相关，实现较基本功能，复杂客户和服务器通信。

2）基于C/S模式

3）应用”机制与策略分离“原理

       机制——实现某一功能的具体执行机构，位于基层；策略——借助某些参数和算法实现功能优化或达到不同功能目标，位于系统高层。

4）采用面向对象技术

 

微内核的优点

  灵活、可扩充：可选配功能服务器模块

 增强可靠性：内核是稳定的核心，只有它能直接访问硬件。服务器在用户态出错绝不会导致系统瘫痪。

 可移植性：操作系统绝大部分（各种服务器程序）与硬件平台无关，在不同硬件平台间移植时修改比较小。

 该机制尤其适用于分布式系统

采用面向对象技术，减少开发开销