1.1 操作系统的目标和作用

一、 OS的目标

（一）、方便性：用户无需了解底层硬件，无需用0、1机器语言操作。

（二）、有效性：CPU、I/O、存储等的管理专门、合理地被组织管理起来，提高资源的利用率。

（三）、可扩充性：扩充应用软件；适应硬件和体系结构发展，扩充底层管理功能模块等。

（四）、开放性：网络环境，遵循开放互联标准。

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二、 OS的作用

（一）、作为用户与计算机硬件系统之间的接口；

（二）、OS作为计算机系统资源的管理者；

（三）、OS用作扩充机器

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1.2 操作系统的发展过程

一、“多道”程序的优缺点：

（一）、优点

1.资源利用率高：CPU和内存利用率较高；

2.系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；

（二）、缺点

1.平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；

2.无交互能力：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；

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二、多道批处理系统的特征：

（一）、多道性

（二）、无序性：作业入内存由算法决定，不按提交顺序。入内存后顺序执行。

（三）、调度性：包括作业调度、进程调度

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三、多道批处理系统解决的五大问题：

（一）、处理机管理问题

（二）、内存管理问题

（三）、I/O设备管理问题

（四）、文件管理问题

（五）、作业管理问题

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*操作系统定义：

一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度（多道），方便用户使用的程序的集合。

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五、分时系统的特征：

（一）、多路性：多个用户同时使用一台计算机,共享CPU和其他资源，充分利用系统资源。

①、宏观上：是多个人同时使用一个CPU

②、微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU

（二）、独立性：用户感觉不到计算机为其他人服务，各用户独立操作，互不干扰。

（三）、及时性：通过时间片技术和轮转调度算法保证及时响应。

（四）、交互性：系统及时响应用户的请求，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间。

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1.3 操作系统的基本特性

一、基本特征：

并发、共享、虚拟、异步

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二、并发concurrence：（并发和进程是现代OS最重要的基本概念）

并行性：两个或多个事件在同一时刻发生（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。）

并发性：两个或多个事件在同一时段发生（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。）

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三、共享sharing

系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。主要有两种共享方式：

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。

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

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*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。

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四、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。

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五、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。

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1.4操作系统的主要功能

一、主要功能：

（一）、处理机管理功能（作业管理）

（二）、存储器管理功能

（三）、设备管理功能

（四）、文件管理功能

（五）、用户接口

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二、处理机管理功能

（一）、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）

（二）、进程同步：

为多个进程运行进行协调；（包括互斥和同步）

（三）、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）

（四）、调度：

作业调度（入内存）和进程调度。（分配CPU）

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三、 存储器管理功能

（一）、内存分配：为每道程序分配内存空间（包产到户）

1、具体分配涉及许多细节：

①、分配方式：动态、静态

②、分配机制需要的数据结构、分配算法、回收内存功能

（二）、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

（三）、地址映射(变换)：进程的逻辑地址到内存物理地址的映射。

1、程序编译形成的目标程序地址都是从0开始，是逻辑地址

2、真正调入内存某个空间存放的地址是物理地址

（四）、内存扩充：用虚拟存储技术解决内存容量不足的问题；

1、请求调入功能

2、页面置换功能

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四、设备管理功能

（一）、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；

（二）、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）

（三）、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。

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五、文件管理功能

（一）、存储空间的管理：

1、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;

2、需要相应的数据结构，记录文件存储空间的使用情况；

3、要有对存储空间分配和回收的功能

（二）、目录管理：

1、为文件建立目录项，并有效组织，实现方便的按名存取;

2、提供快速的目录查询手段，提高文件检索速度；

3、还需实现文件共享。

（三）、文件的读写管理和保护：

1、读写操作与有效的存取控制功能。

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六、用户接口

（一）、命令接口

1、用户可通过键盘终端发出命令以控制作业的运行。

①、联机用户接口：由一组磁盘操作命令和命令解释程序组成。

②、脱机用户接口：由一组作业控制语言组成，如批处理文件。

（二）、程序接口

1、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。

2、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。

（三）、图形接口

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1.5操作系统的结构

无结构OS、模块化OS结构、分层式OS结构、微内核OS结构