操作系统 第1章 概序 (学习笔记)

第1章 概序

1.1计算机与操作系统

1.1.1计算机系统

什么是操作系统? 

操作系统：是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件（或程序集合），是用户与计算机之间的接口。 

1)OS是什么：是系统软件（一整套程序组成，如UNIX由上千个模块组成）

2)管什么：控制和管理系统资源（记录和调度）

 

操作系统基本特征：并发，共享和异步性。 

1)并发：并发性是指两个或多个活动在同一给定的时间间隔中进行。

2)共享：共享是指计算机系统中的资源被多个任务所共用。 

3)异步性：每个程序什么时候执行，向前推进速度快慢，是由执行的现场所决定。但同一程序在相同的初始数据下，无论何时运行都应获得同样的结果。

 

操作系统的地位:

操作系统是裸机之上的第一层软件，是建立其他所有软件的基础。它是整个系统的控制管理中心，既管硬件，又管软件，它为其它软件提供运行环境。

 

1.1.2实用的操作系统

 实用的操作系统:

1)IBMSystem/360操作系统(1964-)

2)MULTICS(MULTiplexed Information and Computing Service)操作系统(1965-2000)

3)Unix操作系统(1969-)

优点:

可移植，良好的、通用的、多用户、多任务、分时的操作系统。

其运行时的安全性、可靠性以及强大的计算能力

4)MS DOS操作系统(-1994)

特点: 优良的文件系统，是一个单用户单任务操作系统

优点:开销小,运行效率高,使用于微型机

缺点: 无法发挥硬件能力，缺乏对数据库、网络通信的支持，没有通用的应用程序接口，用户界面不友善

5)MACOS  操作系统

特点:全图形化界面，操作方式

优点: 全新的窗口系统、强有力的多媒体开发工具和操作简便的网络结构

6)Windows操作系统(1985-)

特点:多任务操作系统，即插即用和电源管理，新的图形界面，更加高级的多媒体支持，不断更新的版本和功能

7)Linux操作系统(1911-)

特点:继承了Unix的优点，又有了许多更好的改进，由于其开放的源代码，有利于发展各种操作系统，它符合Unix的POSIX标准，各种应用可方便地移植

 

例:指令操作

(1)用户之间可以相互发信息:指令write username+发送内容

(2)采用广播的方式(将信息发给所有人/所有登录主机的用户):指令wall+发送内容

 

8)其他操作系统

(1)有线电视机顶盒领域PowerTV

(2)掌上计算机领域Palm OS

(3)数字影像领域Digita

(4)手机Symbian，SmartPhone，Palm OS

(5)嵌入式Linux：uClinux，MontaVista Linux，LynxOS

 

 1.2操作系统的功能

 1.2.1操作系统的定义

 

操作系统的特点:

1)操作系统是程序的集合

2)操作系统管理和控制系统资源

3)操作系统提供了方便用户使用计算机的用户界面

4)操作系统优化系统功能

5)操作系统协调计算机的各种动作

 

操作系统定义：

对计算机系统资源进行直接控制和管理，协调计算机的各种动作，为用户提供便于操作的人—机界面，存在于计算机软件系统最底层核心位置的程序的集合。

 

1.2.2操作系统的功能

主要功能：

1)处理机管理: 进程控制，进程同步，进程通信，进程调度

2)存储器管理: 内存分配，地址映射，内存保护和内存扩充

3)作业管理/用户接口:任务、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等(命令界面/图形界面和系统调用接口)

4)信息管理/文件管理:文件存储空间的管理，文件操作的一般管理，目录管理，文件的读写管理和存取控制

5)设备管理: 缓冲区管理，设备分配，设备管理,设备驱动和设备无关性

 

标准的技术处理：

1)标准输入/输出:键盘为标准输入设备及显示器为标准输出设备

2)中断处理:针对可预见的异常配备好了中断处理程序及调用路径，当中断发生时暂停正在运行的程序而转去处理中断处理程序

3)错误处理:将可能出现的错误进行分类，并配备对应的错误处理程序

 一旦错误发生，它就自动实现自己的纠错功能。(向用户提示发现错误的信息,自动保障系统的安全)

 

1.2.3操作系统的设计原则

操作系统设计原则:

1)系统效率高

2)系统吞吐能力大

3)系统响应时间快

 

1.2.4操作系统的发展

1.2.4.1计算机系统发展初期

ENIAC(1946-):世界上第一台计算机

ohn vonNeumann计算机概念:运算器、存储器、控制器、输入/输出设备和与之相关的操作员

计算机上运行的程序进行组织:

1:凡是运行步骤大致相同的程序组织成为一批，

2:由操作员通过输入机输入到磁带机上，

3:再将磁带机连接到计算机主机上准备运行，

4:余下的控制工作交由称为监督程序的程序来控制完成。(操作员的一部分工作被监督程序替代)

5:完成后操作员将存有输出结果的磁带机取下，

6:再连接到输出设备上逐一地输出不同程序的输出结果，最后交给用户。

这时的计算机系统称为脱机批处理系统，输入/输出设备与主机之间不再有直接的联系，主机只与磁带机打交道。

 

1.2.4.2多道批处理系统

多道批处理系统:

当主存储器中存放着不止一批的作业，处理机在调用一批作业运行时，如发现输入/输出所产生的等待，监督程序就引导处理机去执行另外的程序，这样就使处理机总是处于工作状态。

 

存储器上存放的程序批次越多，处理机的利用率就越高。

为了提高计算机的利用率，多道批处理系统不允许用户的干预。

 

1.2.4.3联机多道程序系统

联机多道程序系统: 程序来控制计算机设备和用户终端,多用户,多任务,分配处理机时间,分配内存空间,共享输入/输出设备,协调程序运行时各种冲突

 

1.3操作系统的分类

操作系统的主要类型:多道批处理系统、分时系统、实时系统、个人机系统、网络系统和分布式系统

 

1.3.1多道批处理系统(脱机处理系统)

多道批处理系统:按用户作业的类型不同分成若干批次，将不同批次的作业都存放于存储器中，每一批次作业顺序处理。如果需要输入/输出，就调用另一批次的作业运行，从而实现资源的充分利用。

 

(1)批处理系统的特点：多道、成批 

(2)批处理系统的优点：资源利用率高、系统吞吐量大

(3)批处理系统的缺点：等待时间长、没有交互能力

 

具体概念:

(1)单道程序: 在主存储器中只存放着一批程序（或者一个程序）

(2)多道程序: 在主存储器中存放着不止一批的程序（或者多个程序）

(3)作业: 是用户交给计算机执行的具有独立功能的任务

1)作业步:作业的执行步骤往往代表着一个具体的子功能

2)作业步的执行顺序：前一个作业步的输出是后一个作业步的输入，后一个作业步必须在前一个是作业步执行完毕后执行

4)作业的描述方法:通过专用的作业控制语言、高级语言、键盘命令

(4)批处理: 将作业组织成批，并一次将该批作业的所有描述信息和作业内容输入计算机，计算机将按照作业和作业步进入的先后顺序依次自动执行，在一个批次范围内用户不得对程序的运行进行任何干预

 

1.3.2分时系统(多用户操作系统)

 

(1)分时:指若干并发程序对CPU时间的共享。它是通过系统软件实现的。共享的时间单位称为时间片

(2)时间片: 程序一次运行的最小时间单元

(3)响应时间: 分为用户响应时间和系统响应时间

1)系统响应时间:计算机对用户的输入作出的反应时间。

2)用户响应时间:单个用户所感受到的系统对他的响应。

时间片越短，响应时间越快。

(4)多用户:用户通过终端连接主机,主机分时对终端程序反应,用户行为互不影响

(5)分时系统安全性: 保证系统及各个用户程序的安全，系统必须采取一定的安全措施(最常见的安全方法是用户登录方式)

(6)分时系统的特征:多路性/同时性, 独立性,及时性,交互性

1)多路性/同时性：系统同时支持多路终端的连接

2)独立性：多用户各自独立地使用计算机

3)及时性：终端都及时地得到系统的反应

4)交互性：通过终端直接与计算机进行对话(人--机对话)

(7)分时系统设计目标及用途:要充分考虑到满足用户的需求，用户最大的要求是联机交互和及时响应

 

1.3.3实时系统

(1)实时系统：立即响应(毫秒/微秒级),高可靠性

(2)目的: 为了满足特殊用户的需要，在响应时间上有着特殊要求、利用中断驱动、执行专门的处理程序、具有高可靠性的系统(针对某一种特殊需要而设计的)

(3)专门系统: 定制系统,在各个领域之间不能通用,设计费用无法均摊

(4)立即响应: 事件发生到计算机做出反应之间的时间通常在微秒数量级范围.

不同的系统其反应时间不同，必须保证被控制设备能够做出正确的动作,任何时间延迟都会导致系统的错误。

(5)事件驱动: 为预发生的情况编制好了对应的处理程序----事件处理程序或者中断处理程序,在系统启动时就被存放在主存储器上.当事件发生,程序运行,否则一般处于等待状态

(6)高可靠性: 多存储器系统或者存储器镜像系统,多处理机系统,多主机系统

1) 多存储器系统或者存储器镜像系统:同样的数据保存在不同的存储位置,防止意外时数据可恢复

2)多处理机系统:采用主处理机和后备处理机处理同样事件,主处理机发生意外,启动后备处理机处理结果

3)多主机系统:多套处理机及存储器组合，避免任何意外所导致的不安全性

(7)典型应用形式：过程控制系统、信息查询系统、事务处理系统(军事、工业控制、金融证券、交通及运输等领域)

(8) 实时系统与分时系统的主要区别：

 

 

1.3.4个人机系统

 (1)单用户操作系统 单用户操作系统特征： 

个人使用：整个系统由一个人操纵，使用方便。

界面友好：人机交互的方式，图形界面。 

管理方便：根据用户自己的使用要求，方便的对系统进行管理。

适于普及：满足一般的工作需求，价格低廉。 

(2)多用户操作系统多

代表是UNIX，具有更强大的功能和更多优点。

 

1.3.5分布式系统

 (1)定义：运行在不具有共享内存的多台计算机上，但用户眼里却像是一台计算机。（分布式系统无本地操作系统运行在各个机器上） 

(2)分布式系统特征：分布式处理、模块化结构、利用信息通信、实施整体控制

(3)分布式操作系统特点：透明性、灵活性、可靠性、高性能、可扩充性

 

 1.3.6网络系统

 (1)计算机网络=计算机技术+通信技术 

(2)计算机网络的特征：分布性、自治性、互连性、可见性

(3)网络操作系统功能 

本机+网络操作系统：本地OS之上覆盖了网络OS，可以是同构的也可以是异构的。 

功能：实现网络通信、资源共享和保护、提供网络服务和网络接口等

 

1.3.7几种操作系统的比较(多/分/实)

 

1.4操作系统的观点

 (1)资源管理观点:操作系统对资源进行分配、释放、相互配合、信息记录和信息修改,实现用户所要求的各种功能(资源是静态的,而操作系统是动态的)

(2)用户管理观点:操作系统对任务的产生、执行、停止进行安排

(3)进程管理观点:操作系统对进程进行管理，管理进程的建立、运行、撤消等