第一章操作系统引论

操作系统的目标：方便性、有效性、可扩充性、开放性。

方便性

通过OS命令操纵计算机，方便用户

有效性

提高系统资源的利用率，提高系统吞吐量

可扩充性

OS必须具有很好的可扩充性 ，与OS的结构有紧密的联系

开放性

遵循世界标准规范。特别是开放系统互连OSI

操作系统的作用

OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机硬件系统

OS作为计算机系统资源的管理者：处理机管理（ 分配和控制处理机） 、存储器管理（内存的分配和回收） 、I/O设备管理（ I/O设备的分配与操纵）、文件管理（文件的存取、共享和保护）

OS实现了对计算机资源的抽象

推动操作系统发展的主要动力

不断提高计算机系统资源的利用率

方便用户

器件不断更新换代

计算机体系结构不断发展

不断提出新的应用需求

人工操作方式：1用户独占全机、2CPU等待人工操作

单道批处理系统

编程语言：汇编语言、FORTRAN语言

输入输出：磁带

第一次在程序员、操作员和维护员之间有了明确的分工

缺点：系统资源得不到充分的利用。

多道程序设计的概念

多道程序设计指把一个以上的作业存放在主存中，并且同时处于运行状态，使这些作业共享处理机时间和外部设备等其它系统资源。

就微观而言，在任一特定时刻，在处理机上运行的作业只有一个。

分时系统：在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，每个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机

多路性允许将多台终端同时连接到一台主机，并分时使用。

独立性感觉用户独占主机。

及时性用户的请求能在很短时间内获得响应（1~3秒）。

交互性用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话

实时系统：系统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地运行。

多路性、独立性、 及时性、交互性、可靠性

嵌入式系统

为了完成某个特定功能而设计的系统，或是有附加机制的系统，或是其他部分的计算机硬件与软件的结合体

系统内核小、系统精简、具有可配置性、高实时性

网络OS的概念：在计算机网络环境下对网络资源进行管理和控制，实现数据通信及对网络资源的共享，为用户提供与网络资源接口的一组软件和规程的集合

网络OS的特征：硬件独立性、接口一致性、资源透明性、系统可靠性、执行并行性

网络OS的功能：数据通信、应用互操作、网络管理

分布式系统

定义：基于软件实现的一种多处理机系统，是多个处理机通过通信线路互连而构成的松耦合系统。

特征：分布性、透明性、同一性、全局性。

分布式OS

定义：配置在分布式系统上的公用OS。

例子：万维网、鸿蒙OS。

分布式OS的功能

单处理机OS的主要功能；网络OS所拥有的全部功能；

还包括：通信管理功能、资源管理功能、进程管理功能

操作系统的基本特征

并发

并行性：两个或多个事件在同一时刻发生

并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生

共享：系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用

虚拟：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

时分复用技术：虚拟处理机、虚拟I/O设备

空分复用技术：虚拟存储

异步：进程是以人们不可预知的速度向前推进

单核CPU同一时刻只能运行一个程序，各个程序只能并发的执行(交替的使用CPU)！

多核CPU同一时刻可以执行多个程序，多个程序可以并行的执行(同时发生运行)

进程，是指在系统中能独立运行并能作为资源分配对象的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。多个进程之间可以并发执行和交

操作系统内核

支撑功能：中断处理、时钟管理、原语操作

由若干条指令组成，用于完成一定功能。

原子操作：要么不做，要么全做，不可分割。

资源管理功能：进程管理、存储器管理、设备管理

特权指令：在内核态下运行的指令

不仅能访问用户空间，还能访问系统空间。

如启动外部设备、设置系统时钟、中断、切换执行状态、I/O指令。

非特权指令：在用户态下运行的指令

应用程序所使用的都是非特权指令。

防止应用程序的运行异常对系统造成破坏。

仅能访问用户空间

中断（interrupt）：由硬件引起。

异常/陷阱（trap）：由软件引起。

出错（如除数为零或无效存储访问）。

用户程序的特定请求（故意的、执行OS的某个服务）。

操作系统的主要功能

处理机管理功能、文件管理功能、内存管理功能、操作系统与用户之

间的接口、设备管理功能、现代OS的新功能

简单结构

OS是无结构的，是为数众多的一组过程的集合，内部复杂、混乱也称整体系统结构

模块化结构

将OS按功能划分成若干个模块，并规定好各模块间的接口，称为“模块-接口法”

优点：提高OS设计的正确性、可理解性和易维护性、增强OS的可适应性、加速OS的开发过程

分层式结构

操作系统划分为若干层，在低层上构建高层。

高层仅依赖于紧邻它的底层。底层（0层）为硬件；最高层（N层）为用户层。

优点：易保证系统的准确性。可保证系统的易维护性和可扩充性。

缺点：系统效率低。

微内核OS结构

基本概念：内核只保留必不可少的部分、将“机制与策略分离'、采用面向对象技术、基于客户/服务器模式

基本功能：进程管理、低级存储器管理、中断和陷入处理

微内核系统优点：

◼ 提高了系统的可扩展性

◼ 增强了系统的可靠性

◼ 可移植性强

◼ 提供了对分布式系统的支持

◼ 融入了面向对象技术

微内核系统存在的问题：

◼ 运行效率有所降低

◼ 主要原因：在完成一次客户对操作系统提出的服务请求时，需要利用消息实现多次交互和进行用户/内核模型与上下文的多次切换

外核结构

基本思想：内核不提供传统OS中的进程、虚拟存储器等抽象，而是专注于物理资源的隔离（保护）与复用。

◼ 内核非常小，负责保护系统资源；

◼ 应用程序管理硬件资源。

系统调用的基本概念

系统调用目的：使应用程序可以通过它间接调用OS内核中的相关过程，取得相应的服务。

系统调用概念：应用程序请求OS内核完成某功能时的一种过程调用；用户与内核的接口。

与一般过程调用的区别：运行在不同的系统状态、状态的转换、返回问题、嵌套调用