操作系统之计算机操作系统原理

（一）引论

操作系统定义

操作系统是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、以及方便用户使用的程序集合。

百度百科的定义

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操作系统的目标

• 方便性

• 有效性

  • 资源忙，而得到有效的利用。
  • 数据有序而节省存储空间。
  • 合理地组织计算机工作流程。

• 可扩充性

  • 适应硬件与网络发展要求，应采用层次化结构。

• 开放性

  • 遵循开放系统互连OSI国际标准。是90年代计算机技术的核心问题。

操作系统的作用

• 用户与硬件系统的接口

  • 软件接口，给用户提供的三种方式：
    • 命令方式
    • 系统调用方式
    • 图形、窗口方式

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裸机： 不加载任何软件的计算机系统。

扩充机器： 覆盖了软件的机器又称虚拟机。

• 计算机四类资源的管理者

  • 处理机(CPU)管理
  • 存储器管理
  • 设备管理
  • 文件管理

• 用作扩容机器

操作系统的发展过程

• 无操作系统的计算机系统
• 单道批处理系统(50年代)
  • 过程：一批作业以脱机方式输入到磁带上，在监督程序的控制下连续处理。
  • 特征：
    • 自动性： 无人工干预。
    • 顺序性： 按进入内存的先后执行。
    • 单道行： 内存中只保持一道作业。
• 多道批处理系统(60年代)
  • 多道： 内存中同时存放多个相互独立的程序。
  • 多道技术是共享的技术。
  • 特征：
    • 多道性： 内存中有多道程序，可并发执行
    • 无序性： 完成时间与进入内存先后无关
    • 调度性： 作业从提交到完成经两次调度。
      1. 作业调度 外存 -> 内存(选多个)
      2. 进程调度 分配处理机(选一个)
  • 优缺点：
    • 资源利用率高
    • 系统吞吐量大
      • 吞吐量： 单位时间内完成的总工作量
      • 原因：
        1. 资源忙
        2. 完成或运行不下去时才切换
    • 平均周转时间长
      • 作业周转时间：
        从作业进入系统开始完成并退出系统经历的时间，通常是几小时，甚至几天。
    • 无交互能力
      修改和调试极不方便。
• 分时系统(60年代)
  • 定义：
    一台主机上连接了多个终端，同时允许多个用户通过自己的终端，已交互方式使用计算机，共享主机中的资源。
  • 产生动力：
    • 1.人-机交互。 （边运行边调试）
    • 2.共享主机。（设备昂贵）
    • 3.便于用于上机。 （在终端上输入、控制）
  • 特征
    • 多路性： 即同时性，宏观上同时微观上轮流。
    • 独立性： 每个用户感觉独占主机。
    • 及时性： 较短时间响应(2-3秒）
    • 交互性
• 实时系统(60年代)
  • 实时： 及时响应外部事件请求
  • 应用需求：
    • 1.实时控制: 工业生产、武器控制飞机的自动驾驶
    • 2.实时信息处理：订票系统

操作系统基本特征

• 并发性(最重要)
  • 并发行和并行性的区别：
    并行性： 多个事件在同一个时刻发生。（多个事件同时进行）
    并发性： 多个事件在同一个时间间隔内发生。（多个事件都已经开始，都没有结束的状态）
  • 单处理机系统： 宏观并发微观串行。
  • 多处理机系统： 可能产生并行。
  • 两种资源共享方式：
    • 1.互斥共享方式： 对临界资源的访问
      • 临界资源：打印机等硬件、栈、变量、表格等软件。
    • 2.同时访问方式：多个进程同时访问的资源，如：磁盘、重入码写的文件。
• 共享性
• 虚拟性： 通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。如：虚拟处理器、虚拟内存等。
• 异步性： 进程以不可预知的速度向前推进。

** 操作系统两个最基本的特征：并发和共享**

操作系统的五大功能

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• 资源管理

  • 1.处理机管理（硬件）
  • 2.存储器管理（硬件）
  • 3.设备管理（硬件）
  • 4.文件管理（硬件）

• 5.用户接口

  • 命令接口
    • 联机用户接口：和计算机主机相连的。
      • 适用：几乎所有计算机的操作系统中。
      • 组成：命令+终端处理程序+命令解释程序。
        • 联机命令举例：
          • UNIX:login;logout;
          • DOS: copy;format;
        • 命令解释程序：操作系统的最高层
          • MS-DOS:COMMAND.COM
          • UNIX: Shell
      • 过程：
        • 1.用户在键盘上输入命令。
        • 2.终端处理程序接受命令并显示在屏幕上。
        • 3.命令解释程序解释成二进制并执行该命令。
    • 脱机用户接口：和计算机主机不相连的
      • 适用：批处理系统。又称批处理用户接口
      • 组成： JCL+作业说明书+命令解释程序
      • JCL: 作业控制语言
      • 过程：用户把对作业的控制用 JCL 写在作业说明书上，命令解释程序按照作业说明书解释并执行。
  • 程序接口
    • 目的：为用户程序访问系统资源而设置
    • 组成：一组系统调用
    • 系统调用：一个系统调用是一个能完成特定功能的子程序
  • 图形接口

系统调用过程

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操作系统的结构设计

操作系统的发展阶段

• 第一代：无结构OS（传统OS结构）
• 第二代：模块化OS结构（传统OS结构）
• 第一代：分层式OS结构（传统OS结构）
• 第一代：微内核OS结构（20世纪90年代）

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