操作系统引论

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1.为什么要学习操作系统？

需要总体上掌握系统设计

操作系统包括了所有软件设计/实现问题，资源共享/管理、安全和身份验证、灵活性，健壮性、友好界面设计

存在人们意识不到的大量“操作系统”

• 嵌入式系统（PDA、手机-WP7，Android、机顶盒等）

• 应用系统中的小操作系统（MINI-OS）

• 日常生活中并不总是使用Windows系列的操作系统（Unix、Linux、Apple Macintosh、IBM OS/2等）

涉及到计算机科学的很多领域:

• 计算机体系结构/硬件

• 软件设计

• 程序设计语言

• 数据结构

• 算法

• 抽象

2.操作系统的目的/目标

执行用户程序并使用户问题更易解决。

以一种有效的方式使用资源（有效性--系统管理人员的观点）。

使计算机系统更易于使用（方便性--用户的观点）。

采用新的OS结构,易于功能的增、删、改（可扩充性）。

要求统一开放的环境，各种类型的计算机硬件系统，出自不同的厂家，能通过网络集成并能够正确、有效地协同工作，实现应用程序的移植（开放性）。

3.计算机系统的组成

1.计算机系统的组成

      硬件系统（裸机）：CPU、存储器（主存、辅存）、I/O、I/O控制系统

      软件系统：系统软件、应用软件

     系统软件：管理计算机本身的操作。如操作系统、编译系统

     应用软件：提供给用户进行解题。如，科学计算、事务管理

2.计算机系统的层次结构

 

4.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

• 命令方式

• 系统调用方式

• 图形、窗口方式

OS作为计算机系统资源的管理者

管理对象包括：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）；

管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）……

OS实现了对计算机资源的抽象

在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对CPU）；

即OS用作扩充机器 (extended machine)/虚拟机(virtual machine)。

5.操作系统的基本特征

• 并发(concurrence)

• 共享(sharing)

• 虚拟(virtual)

• 异步性(asynchronism)

1、并发

并发：指在计算机系统中同时存在着多道运行的程序（进程）

   宏观上：多道程序同时在执行

   微观上：任何时刻只有一道程序在执行，即微观上多道程序在CPU上轮流（交替）执行（单机）

并行(parallel)： 与并发相似，指多道程序在同一时刻执行，但需多个硬件支持

引入进程

程序和进程：在多道程序系统中，程序不能独立运行，更不能和其它程序并发执行。引入进程的目的，就是为了使多个程序并发执行。

引入线程

进程是OS中拥有资源并独立运行的基本单位。引入线程后，把进程作为分配资源的基本单位，把线程作为独立运行和独立调度的基本单位，进一步提高系统的并发性。

2、共享

指系统中的资源不再为某道程序所独占，而是供多道程序共同使用。

资源共享方式：互斥共享方式、同时访问方式

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，二者互为存在条件：

• 资源的共享是以程序（进程）的并发执行为条件。

• 程序的并发执行也以资源的共享为条件。

3、虚拟

通过某种技术把一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体——分时（时分复用技术）或分空间（空分复用技术）。

虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。如：虚拟处理机（分时）、虚拟设备（分时）、虚拟磁盘（分空间）、虚拟存储器（分空间、分时）

4、异步

也称不确定性，指进程在执行中，其执行时间、顺序、向前推进的速度和完成的时间等都是不可预知的。

只要在OS中配置有完善的进程同步机制，且运行环境相同，作业经多次运行都会获得完全相同的结果。所以，异步运行方式是允许的，是OS的一个重要特征。

6.操作系统的功能

处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户接口

1、处理机管理的功能

处理机管理的主要任务：

• 是对处理机进行分配

• 对处理机运行进行有效的控制和管理

注：处理机的分配和运行以进程为基本单位，因此对处理机的管理可归结为对进程的管理

处理机管理的功能

• 进程控制
• 进程同步
• 进程通信
• 调度

2、存储器管理的功能

主要任务：

• 为多道程序的运行提供良好的环境
• 方便用户使用存储器
• 提高存储器的利用率
• 从逻辑上扩充内存

功能：

• 内存分配（静态分配、动态分配）
• 内存保护
• 地址映射
• 内存扩充

3、设备管理功能

主要任务：

• 完成用户提出的I/O请求
• 为用户分配I/O设备
• 提高I/O设备的利用率及速度
• 方便用户使用I/O设备

功能

• 缓冲管理
• 设备分配
• 设备处理
• 虚拟设备

4、文件管理功能

主要任务

• 对用户文件和系统文件进行管理
• 方便用户使用文件
• 保证文件的安全性

功能：

• 文件的读、写管理和保护
• 文件存储空间的管理
• 目录管理

5、OS与用户接口管理的功能

主要任务:

方便用户使用操作系统

功能:

用户接口（联机用户接口-命令方式、图形用户接口，脱机用户接口）

程序接口（系统调用）

7.操作系统的结构设计

操作系统的结构设计经历了以下几代：

传统的操作系统结构

• 无结构操作系统
• 模块化结构OS
• 分层式结构OS

客户/服务器模式

面向对象的程序设计

微内核OS结构

 

参考资料

《华东理工大学  操作系统》