Operating System： Tutorial

Posted 2020-11-23 li-f

本文主要参考《计算机操作系统（第四版）》（西安电子科技大学出版社）以及清华大学操作系统公开课（向勇、陈渝），整理操作系统的基本概念，供自己复习查阅。

操作系统

操作系统（Operating System，OS）是计算机硬件之上的第一层软件，是现代计算机系统中最基本和最重要的系统软件。

目标

1. 方便性：方便用户使用和学习计算机。
2. 有效性：提高系统资源的利用率，提高系统的吞吐量。
3. 可扩充性：操作系统由无结构、模块化、层次化发展到微内核结构，微内核方便添加新功能和模块，方便扩充。
4. 开放性：遵循世界标准规范。

作用

1. 操作系统是用户和计算机硬件系统之间的接口。
2. 操作系统是计算机系统资源的管理者。
3. 操作系统实现了对计算机资源的抽象：I/O设备管理软件是第一层抽象，文件管理软件是第二层抽象。

分类

单道批处理系统（Simple Batch Processing System）

把需要一批处理的作业以脱机方式输入到磁带上，配合监督程序，一个接一个处理。缺点：系统资源得不到充分利用。

多道（Multiprogrammed）批处理系统

为提高资源利用率和系统吞吐量而提出。用户提交的作业放在“后备队列”（外存）中等待，由作业调度算法从后备队列选择若干作业调入内存，它们共享CPU和系统资源。优点：资源利用率高，系统吞吐量大，平均周转时间长。缺点：无交互能力。

分时系统（Time Sharing System）

为满足人机交互而提出。在以往的操作系统中，作业首先驻留在外存，即便调入内存也要等待后才能执行，完全无法实现交互。

关键

1. 及时接收用户键入的命令或数据：为每个终端配备缓冲区暂存键入内容。
2. 及时处理用户键入的命令和数据：由于作业在磁盘上无法运行，故直接进入内存；引入时间片概念，规定作业运行的时间，基于时间片轮转算法，多作业轮转运行。

实时系统（Real Time System）

实时的含义是：及时且实时的计算，即计算结果必须及时给出，且结果的正确性取决于产生结果的时间。

微机操作系统

配置在微型机上的操作系统。

分类

1. 单用户单任务操作系统，例：CP/M
2. 单用户多任务操作系统，例：Windows
3. 多用户多任务操作系统，例：UNIX

基本特性

1. 程序并发执行；引入进程作为系统中能独立运行的资源分配的基本单位。
2. 资源共享，又称资源复用，即系统中的资源可供内存中的多个并发执行的进程共同使用。
3. 虚拟，即利用时分复用或空分复用将一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。
4. 异步，即进程是以不可预知的速度向前推进的。

并发：两个或多个事件在同一时间间隔发生

进程：由一组机器指令、数据和堆栈等组成，是一个能独立运行的活动实体。

主要功能

处理机管理功能

1. 进程控制：为作业创建进程、终止已结束进程、控制进程切换
2. 进程同步：信号量机制
3. 进程通信：：消息队列
4. 调度：作业调度（微机上没有）、进程调度

存储器管理功能

1. 内存分配：静态、动态
2. 内存保护：界限寄存器
3. 地址映射：需要硬件支持
4. 内存扩充：虚存、请求调入、置换

设备管理功能

1. 缓冲管理：单缓冲、双缓冲、缓冲池
2. 设备分配
3. 设备处理：设备驱动

文件管理功能

1. 文件存储空间管理
2. 目录管理
3. 文件读/写管理和保护