操做系統-第一章-導論

一.操做系統什麼

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1.操做系統的目的

①管理計算機硬件的程序
②用戶和計算機硬件的中介
③核心目標——運行用戶程序
④面向用戶——更方便使用計算機
⑤面向系統——更高效使用計算機：OS是資源分配器(管理全部資源)，OS是控制程序(管理用戶程序運行)
Q1：OS具體是管理哪些資源？

2.操做系統的定義

PS:沒有一個可普遍接收的定義

• 極大化定義：當你預約一個操做系統時零售商所裝的全部東西
  • 隨系統不一樣而變化很大
• 極小化定義：內核纔是操做系統
  • 一直運行在計算機上的程序
  • 其餘程序爲系統程序和應用程序
  • 內核不運行則計算機沒法運行
    
    

3.計算機硬件結構

• 一個或多個CPU和若干設備控制器
• 各硬件經過公用總線相鏈接，總線提供了共享內存的訪問
• CPU與設備控制器可並行執行，並競爭內存
• 每一個設備控制器負責一類特定的設備
• 每一個設備控制器有一個本地緩衝
• CPU在內存和本地緩衝之間傳輸數據
• I/O控制器從設備到本地緩衝之間傳輸數據
  
• 協做：控制器經過調用中斷通知CPU完成操做
  操做系統是中斷驅動
  • 中斷：指當出現須要時，CPU暫時中止當前程序的執行，轉而執行處理新狀況的程序和執行過程
  • 中斷號：外部設備進行I/O操做時產生的中斷信號，發送給CPU
  • 中斷向量：中斷服務程序的入口地址
  • 中斷服務程序：執行中斷處理的代碼
    
    

4.操做系統啓動

引導程序：

• 打開電源或重啓時被裝載
• 一般位於ROM或EPROM中，稱爲固件(Firmware)
• 初始化全部硬件
• 負責裝入操做系統內核並開始運行
  
  

二.操做系統的結構

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1.簡單批處理系統

• 自動做業調度
  • 自動從一個運行完的做業轉換到下一個做業
• 常駐監控程序
  • 控制做業傳輸
  • 調度做業運行
• 單道程序設計：在內存一次只能容許一個du程序進行運行，在此次程序運行結束前，其它程序不容許使用內存
  
  

2.批處理系統

• 批處理：用戶將一批做業提交操做系統後就再也不干預，由操做系統控制它們自動運行
• 批處理操做系統：
  • 採用批量處理做業技術的操做系統
  • 單道批處理系統
  • 多道批處理系統
• 特色：
  • 不具備交互性
  • 提升CPU的利用率
    
    

3.多道程序設計

• 定義：在內存中同時存在多道做業，在管理程序控制下相互穿插運行
  • 經過做業調度選中一個做業並運行
  • 當該做業必須等待時(如等待I/O)，切換到另外一個做業
• 目的：提升CPU的利用率，充分發揮計算機系統部件的並行性
• 現代操做系統普遍採用多道程序設計技術
  
  

4.分時系統

• 是多道程序設計的延伸
• 定義：
  • 一種聯機的多用戶交互式的操做系統
  • 通常採用時間片輪轉的方式使一臺計算機爲多個用戶服務
  • 在單位時間內，每一個用戶得到一個時間片並運行
  • 保證用戶得到足夠小的響應時間，並提供交互能力
• 原理：
  • 若某個做業在分配的時間片用完以前計算還未完成，該做業就暫時中斷，等待下一輪；此時，處理機讓給另外一個做業使用
  • 每一個用戶好像獨佔一臺計算機(時間片過小，用戶分辨不出)
• 做業分類：
  • 批處理做業
  • 交互做業(響應時間<1s，多道程序設計技術)
• 時間片：
  • 把一段CPU時間按照固定單位進行分割，每一個分割獲得得時間段稱爲一個時間片
  • 每一個任務依次輪流使用時間片
    
    

三.操做系統類型

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1.大型機系統

• 簡單批處理系統
• 多道程序系統
• 分時系統
• 目標：系統效率
  
  

2.桌面系統

• 我的計算機(PC)
  • 設計目標：用戶方便性，響應速度
  • 圖形化界面(GUI)
  • 多數技術沿用大型機
    
    

3.嵌入式系統

• 徹底嵌入受控器件內部，爲特定應用而設計的專用計算機系統
• 隨着單片機的出現而出現
• 特色：
  • 內核較小、專用性強、系統精簡、高實時性
• 應用場合：工業控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理、POS網絡、環 境工程
  
  

4.手持系統

• 手持設備，如手機、平板
• 資源有限
• 擴展功能：GPS導航、移動支付、位置服務
  
  

5.分佈式系統

• 支持分佈式處理的軟件系統，又稱鬆耦合系統
• 經過網絡通訊： TCP/IP
• 網絡操做系統
• 沒有真正意義上的分佈式操做系統
• 例：客戶機-服務器系統、P2P系統
  
  

6.多處理器系統

• 有多個緊密通訊的處理器的系統
  • 並行系統(Parallel System)
  • 緊耦合系統(Tightly Coupled System)
• 多個處理器共享計算機總線、時間、內存和外設等
• 優勢：
  • 增長吞吐量
  • 節省資金
  • 增長可靠性
• 分類：
  • 對稱多處理(SMP)：①每一個處理器運行操做系統的相同副本②許多進程能夠當即運行不會下降性能③多數現代操做系統支持SMP
  • 非對稱多處理(ASMP)：①各個處理器不對等②一個主處理器，若干從處理器③主處理器爲從處理器安排任務④通常用於特定的場景，如遊戲、通訊等⑤不適合PC，但適合手機等要求功耗的設備
    
    

7.集羣系統

• 經過專用網絡鏈接一羣計算機，把這些計算機虛擬化爲一臺有超強計算能力的計算機給用戶使用
• 優勢：
  • 高性能
  • 低成本
  • 高可擴展性
  • 高可靠性
    
    

四.操做系統的操做和功能

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1.操做系統的操做

1.雙模式

• 容許OS保護自身和其餘系統部件
• 用戶模式和內核模式
• 由硬件提供模式位
• 特權指令：可能引發系統崩潰的指令，只能運行在內核模式
  • 用戶經過系統調用運行特權指令
    
    

2.I/O和內存保護

• I/O保護：
  • 防止用戶程序執行非法I/O
  • 解決方法：全部I/O指令都是特權指令
  • 用戶程序經過系統調用進行I/O操做
• 內存保護：
  • 防止內存非法訪問
  • 解決方法：存儲保護機制
  • 硬件支持
    
    

3.定時器

• 如操做系統不能得到CPU控制權，就沒法管理系統
  • 用戶程序死循環
  • 用戶程序不調用系統調用
• 解決方法：定時器
  • 在一段時間後發生中斷，CPU控制權返回操做系統
  • 固定時間和可變時間定時器
  • 利用時鐘和計數器實現
    
    

2.操做系統的功能

1.進程管理

• 操做系統的核心目標：運行程序
• 進程：運行中的程序
• CPU/進程管理：對CPU進行管理
• 具體內容：
  • 建立和刪除用戶和系統進程
  • 暫停和恢復進程
  • 提供進程同步機制
  • 提供進程通訊機制
  • 提供死鎖處理機制
    
    

2.內存管理

• 程序運行必須的存儲設備
  • CPU只能直接訪問寄存器、高速緩存和內存
  • 處理前和處理後的全部數據都在內存
  • 執行的指令都在內存
• 內存管理：提供內存的分配、回收、地址轉換、共享和保護等功能
  • 提升內存利用率
  • 提升內存訪問速度從而提升計算機運行效率
    
    

3.文件管理

• 解決信息在計算機中存儲問題
• 以文件爲單位，以目錄爲組織方式構建文件系統
• 內容：
  • 文件邏輯結構
  • 文件物理結構
  • 目錄
  • 文件檢索方法
  • 文件操做
  • 空閒空間管理
  • 存儲設備管理
    
    

4.I/O系統管理

• 管理種類繁多的各類I/O設備，解決計算機中信息的輸入和輸出問題
• 關鍵：設備無關性(獨立性) :
  • 全部物理設備按照物理特性抽象爲邏輯設備
  • 應用程序針對邏輯設備編程
  • 應用程序和物理設備無關
• 內容：
  • 設備管理
  • 設備驅動