第一章 控制系统引论

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思维导图

1.1.1 操作系统的目标和作用

操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理的对各类作业进行调度，以及方便用户使用计算机程序的集合。是对硬件功能的首次扩充，是其他软件和应用软件应用的基础。

1. 操作系统的目标（4点）

2. 操作系统的作用（4点）

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1.1.2 操作系统的发展过程

1. 无操作系统的计算机系统

1. 人工操作方式
2. 脱机输入/输出方式

2. 单道批处理系统

早期采用批处理技术的系统，由于在内存中只能存放一道作业，故称为单道处理系统，而其中的监督程序就是操作系统的雏形。

3.多道批处理系统

1）多道程序设计技术

指在内存中同时存放若干个作业，并使它们共享系统资源且同时运行的技术。

2）多道批处理系统特征（3点）

1. 多道批处理系统将用户和计算机操作员分开，而且用户作业要排队、依次进行处理，故又具有用户无法直接与自己的作业进行交互
2. 作业的平均周转时间（指作业从进入系统开始，直至作业完成并退出系统为止所经理的时间）较长的缺点。

4. 分时系统特征（4点）

目的

系统能及时响应用户的终端命令。作业提交时应直接进入内存，并且系统中必须按时间片轮转运行的分时技术，即把处理机的时间划分成很短的时间片，轮流地分配给给各个终端作业使用。若在分配给终端的时间片内，作业仍未执行完，系统也必须将CPU交给下一个作业使用，并等下一轮得到CPU时再继续执行。

5. 实时系统

1）实时系统及其类型

实时系统最主要的特征是将时间作为关键参数，它必须对所接收到的某些信号，做出“及时”或“实时”的反应。因此，实时系统是指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的运行。
当前常见的实时系统类型有工业（武器）控制系统、信息查询系统、多媒体系统和嵌入式系统等。

2）实时任务的类型（2点）

实时系统中的任务通常联系着一个截止时间，根据对截止时间的要求，可以将实时任务分成两类。

3）实时系统与分时系统特征比较（5点）

6.微机操作系统

配置在微型机上的操作系统叫微机操作系统

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1.1.3 操作系统的基本特征和功能

1. 操作系统的基本特征

采用多道程序设计技术的现代操作系统都具有如下的基本特征。

1）并发性

并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序的环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行。

进程是系统中能独立运行并能独立分配资源的基本单位，它由一组机器指令、数据、堆栈和进程控制块组成，是一个活动实体。

2）共享性

共享性是指系统中的资源可提供内存中多个并发执行的进程同时使用。
根据资源性质的不同可将资源共享方式分为以下两种。

1. 互斥共享
2. 同时访问

3）虚拟性

4）异步性

2. 操作系统的功能

主要功能包括处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理和提供友好的用户接口五个方面。

• 处理机管理
• 存储器管理
• 设备管理
• 文件管理
• 友好的用户接口
• 现代操作系统的新功能

1.1.4 操作系统的结构设计

操作系统（OS）是一个大型的系统软件，其内部组织结构已经经历了四代变革。

1. 无结构OS
2. 模块化结构OS
3. 分层式结构OS
4. 微内核结构OS

1.2 重点难点学习提示

1. OS 的引入和发展

随着计算机技术和应用需求的不断发展，OS 由简单变为复杂，由低级变为高级，故在学习“OS 的引入和发展”时，应对下述几个问题有较清晰的认知。

1. 早期无 OS 的计算机系统中，存在着所谓的“人机矛盾”和“CPU—I/O 设备速度不匹配的矛盾”，它们对计算机资源的利用率有何严重的影响？
2. 单道处理系统中引用那些技术？它们是如何解决上述两项矛盾的？
3. 单道批处理系统还存在哪些不足？而多道批处理系统又是通过哪些技术措施来解决这些不足的？
4. 多道批处理系统还有哪些地方不能满足用户需求，或者说，是在什么样的需求推动下，由分时系统又发展为实时系统的？在学习时，还硬==还应注意分析和比较分时系统和实时系统的特征。

2. OS 的基本特征和功能

在多道程序的环境下，OS 具有四大特征和五大功能。在学习该问题时，应对下述四个方面内容有较深入理解。

1. OS 的特征。OS 具有并发性、资源共享性、虚拟性和异步性四大特征，在学习时应对每种特征的具体含义和形成原因有清晰认识。
2. OS 四大特征之间的关系。着四大特征中，最重要的是并发性特征，其他三个特征都是以并发性为前提的。在学习时，必须清楚并发性和资源共享性之间的关系，并理解它们是如何导致虚拟性和异步性特征的产生的。
3. OS 的功能。传统的 OS 具有处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理和提供友好的用户接口这五大功能，现代 OS 中还增加了面向安全、面向网络和面向多媒体等功能。在学习时应了解各个功能的主要任务，并深入了解处理机管理功能与 OS 的并发性和共享性特征之间的关系。
4. OS 五大功能的必要性。为了保证多道程序能有条不紊的、高效的运行，并能方便用户对计算机的使用，OS 必须具备的上述五大功能。在学习时，请思考：如果缺少了其中的某个功能，将会对系统产生什么样的影响。

3. 分层式结构和微内核结构

在 OS 结构中，分层式结构时最为成熟的一种 OS 结构，被广泛应用了二十多年。而20世纪90年代兴起的微内核结构时最具有发展前途的一种 OS 结构。在学习过程中，应对下述内容有较深刻了解。

1. 什么是分层式结构。该结构是指将 OS 按某些原则分为若干个层次，并规定了层次间的单向调用关系。在学习时应对分层结构是为了解决什么样的问题，它又是如何解决这些问题的，有较深入的了解。
2. 分层的原则。在学习时应该知道一个 OS 应该设置哪些层次以及设置这些层次的主要依据，并清楚通常应把哪些功能放在最底层，哪些功能放在最高层。
3. 什么是客户/服务器技术。该技术是把 OS 分为两个部分，一部分是用于提供各种服务的服务器，另一部分是用于实现 OS 的最基本功能（含通信功能）的内核。学习时必须清楚，为什么要将 OS 一分为二，由此会带来什么好处。
4. 什么是面向对象技术。该技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制 OS 的复杂度。它利用封装的数据结构和一组对它进行 操作的过程来表示系统中的某个对象，以达到隐蔽系统内部数据结构和操作的实现细节的目的。在学习时应了解什么是对象、面向对象技术会给 OS 带来什么好处。
5. 什么是微内核结构。微内核结构是指将客户/服务器技术、面向对象技术用于给予微内核技术的 OS 中所形成的 OS 结构。学习时应该对该结构用于解决什么样的问题、又是如何解决这些问题的，以及该结构有何优点有较深刻了解。