操作系统第一章(仅期末复习)

Posted 2022-01-05 shnlqs-1273196803

第一章 操作系统引论

Summary:Operating System is the first layer of software configured on the computer hardware,which is the first expansion of the hardware system.Its primary role is to manage these devices,improve their utilization and system throughput,and provide a simple interface for users and applications to use.

*操作系统的目标和作用

目标：方便性(用指令或命令来解放机器语言)，有效性(组织工作流程，达到并发并行)，可扩充性(从结构到模块化，再到微内核结构)和开放性(遵循OSI(Open System Interface)，软硬件兼容)

(均是围绕利用率和系统吞吐量)

作用：1.用户与计算机硬件系统之间的接口(通过应用程序，完成系统调用，命令操作系统，图标-窗口) 2.计算机系统资源的管理者(四种资源，处理机，存储器，I/O设备以及文件，对应于分配，控制/回收/操纵，文件的存取共享和保护) 3.对计算机资源的抽象(扩展机和虚拟机对I/O的覆盖)

*操作系统的发展过程

Ⅰ.无操作系统的计算机系统：人工操作，资源封闭一人(用户)独占，低利用率，等待装卸写入数据的穿孔纸带；脱机输入/输出，汇编器的出现即由外围机完成，不占主机时间，从高速磁带读入数据至内存

Ⅱ.单道批处理系统：处理过程，监督程序将磁带上的作业一次一个装入内存，进而赋予内存上的作业控制权，即顺序执行；缺点：内存仅有一个作业，内存资源浪费

Ⅲ.多道批处理系统：基本概念，所有提交的作业放在外存上，排列成一个顺序队列，一个作业进入等待状态，CPU当前的空挡时间给了另一道程序(作业)，即程序交替进行；优缺点，资源利用率高，系统吞吐量大，平均周转时间长，无交互能力；需解决的问题，处理机争用，内存分配和保护，I/O设备分配，文件组织和管理，作业管理，用户与系统的接口(宏观并行，微观穿行)

Ⅳ.分时系统：产生引入，系统资源运行时间的分割(时间片)，人机交互，对机器的控制权，共享主机资源，介质是终端；多路卡实现分时多路复用，作业直接转入内存，采用轮转运行方式；多路性，独立性，及时性，交互性

Ⅴ.实时系统：在分时系统的基础上，增加了可靠性，即采取了多级容错保障系统的安全性及数据的安全性

*操作系统的基本特性

并发 宏观并行(时刻)，微观并发(时间)；引入进程，系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，多个进程之间可以并发执行和交换信息

共享 多个进程共享计算机资源；互斥共享，资源分配后属于临界资源，释放前不被其他进程所用；同时访问，允许多个进程同时磁盘设备资源；需要对资源有效管理

虚拟 时分复用，一台实际物理处理机虚拟为多台逻辑处理机，使得用户的程序能被逻辑处理机处理；空分复用，将频率范围较宽的信道划分为多个窄的，对存储空间的管理，利用存储器空闲时间分区域存放和运行其他多道程序

异步 不确定性，执行时间和顺序，计算与I/O的需求由用户程序性能而定(进程的异步性，程序的不可再现性，程序执行时间的不可预知性)

*操作系统的主要功能

处理机管理 进程控制，为作业创建进程，撤销进程，控制进程在运行过程中状态转换；进程同步，协调方式，对临界资源的访问进程互斥，同步机构对进程执行次序加以协调，配置锁W在进程同步基础上；进程通信，输入进程，计算进程，打印进程依次传递，同一计算机相互合作的进程采用直接通信的方式，即将消息挂到目标进程的消息队列上；调度，作业调度，后备队列分配资源，调入内存后建立进程，成为就绪进程，安插在就绪队列中；进程调度，分配处理机给就绪进程

存储器管理 内存分配，静态分配，作业调入内存分配的内存空间是确定的，不再改变，动态分配，可继续申请新的附加空间，适应程序和数据的动态增长，内存回收，用户完成释放请求；内存保护，确保没到用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰，绝不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，也不允许用户程序转移到非共享的其他用户进程中去执行；地址映射，硬件支持下完成，将逻辑地址转换为内存空间对应的物理地址；内存扩充，虚拟存储技术，请求调入，检查运行所需程序和数据未装入内存，则将所需部分调入内存；置换，将内存中一部分暂时不用的程序和数据调至磁盘，腾出空间，将所需调入的资源数据装如内存

设备管理 对I/O设备的优化利用，缓冲管理，单缓冲，双缓冲，缓冲池，增加缓冲区容量来改善系统的性能；设备分配，由用户进程的I/O请求，系统现有资源，分配策略；设备处理，实现CPU和设备控制器之间的通信

文件管理 文件存储空间的管理，为每个文件分配外存空间，对存储空间进行分配和回收的功能；目录管理，对文件建立目录项，提供查询手段，对文件检索速度快；文件的读/写管理和保护，管理，读写的不同时性，读/写公用一个指针；保护，未经授权用户存取文件，冒名存取，不正确方式(只读)使用文件

用户接口 用户接口，联机用户接口，终端或控制台的键入命令；脱机用户接口，用户控制语言(JCL)事先对作业的控制命令写在作业说明书；图形用户接口，图标(icon)，菜单或对话框取代命令的输入

*操作系统的结构设计

【模块化】 将OS划分为具有一定独立性和大小的模块，根据二次划分，又有子模块的产生，这种为模块-接口法；模块独立性，交互越少，层次结构越清晰，高内聚低耦合

【分层】 自底向上的分层，可靠性，各层单向依赖，高层仅依赖临近它的底层，易扩充和易维护性，系统效率低，增加系统通信开销

【客户/服务器】 数据的分布管理和存储，便于集中管理，灵活性和可扩充性，易于改编应用软件

【面向对象】 通过“重用”提高产品质量和生产率，使系统具有更好的易修改性和易扩充性，更易于保证系统的“正确性”和“可靠性”

【微内核OS结构】 足够小的内核，基于客户/服务器模式，并非完整的OS；进程管理(机制与策略分离)，低级存储器管理，中断和陷入处理

本章习题小结:

1.5 何谓脱机I/O和联机I/O？

脱机I/O是指事先将装有用户程序的纸带或卡片装入纸带输入机或卡片机，在外围机的控制下，吧纸带或卡片上的数据输入到磁带上。该方式下的输入输出由外围机控制完成，是在脱离主机的情况下进行的。而联机I/O是指程序和数据的输入输出都是在主机的直接控制下进行的。

1.8 为什么要引入实时OS？

实时操作系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。引入实时OS是为了满足应用的需求，更好地满足实时控制领域和实时信息处理领域的需要。

1.9 什么是硬实时任务和软实时任务？试举例说明。

硬实时任务是指系统必须满足任务对截至时间的需求，否则可能出现难以预测的结果。举例来说，运载火箭的控制等。软实时任务是指它的戒指时间并不严格，偶尔错过了任务的截至时间，对系统产生的影响不大。举例：网页内容的更新、火车售票系统。

1.23 何谓微内核技术？在微内核中通常提供了哪些功能？

把操作系统中更多的成分和功能放到更高的层次(即用户模式)中去运行，而留下一个尽量小的内核，用它来完成操作系统最基本的核心功能，称这种技术为微内核技术。在微内核中通常提供给了进程(线程)管理、低级存储器管理、中断和陷入处理等功能。

补充一个中断陷入图——参考(https://blog.csdn.net/zat111/article/details/36420903)