1.1 操作系统的目标

         与应用环境有关：查询系统——交互性、控制系统——实时性、微机系统——方便性

 

 1.2 操作系统的作用

1. OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口（实现交互）

        操作系统处于用户与硬件之间，用户通过操作系统使用计算机系统。

2.OS作为计算机系统资源的管理者（管理资源）

        在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和软件资源。归纳起来可将资源分为四类：处理器、存储器、I/O设备以及信息（数据和程序）。相应地，OS主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理，即：处理机管理；存储器管理；I/O设备管理；文件管理

 3.OS实现了对计算机资源的抽象（对用户友好）

        一台完全无软件的计算机系统（裸机），其功能再强，也必定难于使用。如果在裸机上覆盖一系列软件，便形成一台功能更强的虚拟机。操作系统是铺设在硬件外的多层软件，增强系统功能，隐藏对硬件操作的细节，实现了多层抽象。

1.3 单道批处理系统（Simple Batch Processing System）

1.3.1 单道批处理系统的处理过程

        将一批作业通过脱机方式输入到主机的外村中，由监控程序将作业依次调入主存运行。在任意时刻，内存中仅保持一道作业。

1.3.2 单道批处理的特征

        自动性：无需人工干预，即可逐个运行作业。

        顺序性：先调入内存的作业先运行。

        单道性：内存中只驻留一道作业。

1.3.3 单道批处理系统的缺点

        单道批处理系统最主要的缺点是，系统中的资源得不到充分的利用。这是因为在内存中仅有一道程序，每逢该程序在运行中发出I/O请求后，CPU便处于等待状态，必须在其I/O完成后才继续运行。又因I/O设备的低速性，更使CPU的利用率显著降低。

 1.4 多道批处理系统（Multiprogrammed Batch Processing System）

1.4.1 多道批处理系统的处理过程

         在多道处理系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。

1.4.2 多道批处理系统的特征

        多道性

        无序性

        调度性

 

 1.4.3 多道批处理系统的优缺点

1. 优点

        资源利用率高；

        系统吞吐量大（即单位时间内运行作业的个数）。

2.缺点

        平均周转时间长；

        无交互能力。

       

1.5 分时系统（Time-Sharing System）

1.5.1 分时系统满足的用户需求

        1.人—机交互 

        2.共享主机

        3.便于用户上机

1.5.2  分时系统实现中的关键问题

        分时系统中，最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互，即当用户自己在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。即使由多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理。

1.5.3 分时系统的特征

        多路性

        独立性

        及时性

        交互性 

1.6 实时系统（Real-Time System）

        所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统是指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。

1.6.1 应用需求

        为实时控制和实时信息处理而设计的能及时响应外部事件请求的操作系统，其中包括：

        1.实时控制系统：一般在通用操作系统基础上加上中断处理程序构成。

        2.实时信息处理系统：在通用操作系统和数据库管理系统下开发的具有实时信息处理的系统。

1.6.2 实时系统与分时系统特征的比较

        1.多路性

        2.独立性

        3.及时性：实时系统对及时性的要求更严格，实时控制系统以控制对象要求的开始截至时间或完成截至时间来确定。

        4.交互性：实时系统的交互性仅限于访问某些专用服务程序。

        5.可靠性：实时系统对可靠性的要求更高，否则经济损失及后果无法预料。

1.7 操作系统的基本特性

1.7.1 并发（Concurrence）

        在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用。由于资源属性的不同，主要有以下两种资源共享方式。

        1.互斥共享方式

        2.同时访问方式

1.7.3 虚拟（Virtual）

        操作系统中所谓的“虚拟”，是指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。物理实体是实的，即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在OS中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟通道等。

1.7.4 异步性（Asynchronism）

         在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，由于资源等因素的限制，进程的执行通常都不是“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。

1.8 操作系统的主要功能

1.8.1 处理机管理功能

1.8.1.1 进程控制

        进程控制的主要功能是为作业创建进程，撤销已结束的进程，以及控制程序在运行过程中的状态转换。

1.8.1.2 进程同步

（异步性的问题:同时访问临界资源，相互合作的进程的执行次序、执行速度不匹配)
        进程同步的主要任务是为多个进程(含线程)的运行进行协调。有两种协调方式:

        1.进程互斥方式;

        2.进程同步方式。

1.8.1.3 进程通信

        进程通信的任务就是用来实现在相互合作的进程之间的信息交换。（输入-计算-输出) 

1.8.1.4 调度 

        在传统的操作系统中，包括作业调度和进程调度两步。 而在多线程OS中，通常是把线程作为独立运行和分配处理机的基本单位。

 1.8.2 存储器管理功能一一内存

1.8.2.1 内存分配

        为每道程序分配内存空间；提高内存利用率；允许动态申请内存空间.(数据结构支持、分配、回收功能)
        静态分配方式(装入时确定，运行中大小、位置不变)

        动态分配方式(装入时确定，运行中大小、位置可变)

1.8.2.2 内存保护

        每道程序都只在自己的内存空间内运行，互不干扰.

        保护机制:界限寄存器越界检查

 1.8.2.3 地址映射

1.8.2.4 内存扩充

        借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量
                请求调入功能
                置换功能

1.8.3 设备管理功能

        设备管理的主要任务是，完成用户进程提出的I/O请求;为用户进程分配其所需的V/O设备;提高CPU和I/O设备的利用率;提高I/O速度;方便用户使用I/O设备。

1．缓冲管理
        引入缓冲，有效地缓和cpu和I/O设备速度不匹配的矛盾，提高cpu的利用率，从而提高系统吞吐量。
        在内存中设置缓冲，有单缓冲、双缓冲、循环缓冲缓冲池等

2.设备分配
        设备分配的基本任务,是根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配其所需的设备。(数据结构支持、设备种类、安全性、分配策略等)。
3．设备处理
        设备处理程序又称为设备驱动程序.其基本任务是用于实现cpu和设备控制器之间的通信.

 1.4.4文件管理功能

1.4.4.1.文件存储空间的管理

        主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的运行速度.

1.4.4.2 目录管理

        目录管理的主要任务是为每个文件建立其目录项，并对目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取;其次，目录管理还应能实现文件共享﹔此外，还应能提供快速的目录查询手段，以提高对文件的检索速度。

1.4.4.3  文件的读/写管理和保护

1.文件的读/写管理
        该功能是根据用户的请求，从外存中读取数据;或将数据写入外存。

2.文件保护

防止未经核准的用户存取文件；防止冒名顶替存取文件；防止以不正确的方式使用文件。
 

1.4.5 用户接口

1. 命令接口
联机用户接口
脱机用户接口(批处理系统JCL)

2. 程序接口
该接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。它是由一组系统调用组成。
3. 图形接口
 

1.5操作系统的结构设计

1.5.1软件工程的基本概念

1.软件的含义
        所谓软件，是指当计算机运行时，能提供所要求的功能和性能的指令和程序的集合，该程序能够正确地处理信息的数据结构。
2.软件工程的含义
        软件工程是指采用工程的概念、原理、技术和方法来开发与维护软件,目的是解决软件开发中编程随意、软件质量不可保证以及维护困难等问题。

 

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