操作系统学习笔记：基础知识

目录：

一、操作系统的概念：

计算机系统简介：

什么是操作系统/p>

作业与进程：

二、操作系统的形成与发展：

操作系统的形成：

①无操作系统时的计算机系统：

②单道批处理系统：

③多道批处理系统：

④分时系统：

 ⑤实时系统：

操作系统的发展：

①微机操作系统：配置在微机上的操作系统称为微机操作系统。

②多处理机操作系统：

③ 络操作系统：一些互连的自主计算机系统的集合。

④分布式操作系统： 络操作系统的高级形式。

⑤嵌入式操作系统：

推动操作系统发展的主要动力：

三、研究操作系统的几种观点：

四、操作系统的功能与特征：

操作系统的功能：

操作系统的特性：

五、操作系统结构设计：

传统的操作系统结构：

①模块化结构操作系统：

②层次结构操作系统：

现代操作系统结构——微内核：

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一、操作系统的概念：

计算机系统简介：

硬件(子)系统：

计算机硬件是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种计算机部件和计算机设备。这些部件和设备依据计算机系统结构的要求构成的有机整体，称为计算机硬件系统。计算机硬件系统主要由运算器、内存储器、控制器、输入输出控制系统、辅助存储设备等功能部件组成。

软件(子)系统：

软件是计算机系统中的程序和有关的文件。

• 程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述；
• 文件是为了便于了解程序所需的资料说明。

 计算机系统的层次结构：

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什么是操作系统/h3>

操作系统的地位：

操作系统实际上是一个计算机系统中硬、软件资源的总指挥部。

操作系统的定义：

操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是能有效地组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效地运行的一组程序模块的集合。

操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源、以方便用户使用计算机的程序的集合。

操作系统主要有两方面的作用：

• 管理系统中的各种资源，包括硬件资源和软件资源
• 为用户提供良好的界面

操作系统的目标：

方便性、  有效性、  可扩充性、  开放性

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作业与进程：

作业：

作业是指用户在一次计算过程中或一个事务处理中要求计算机系统所要完成工作的集合，它是用户向计算机提交一项工作的基本单位。用户提交的任务，包括作业步以及每一作业步要求的程序和数据 。

进程：

进程是程序的一次执行过程，是一个具有独立功能的程序对数据集的一次加工过程。

二、操作系统的形成与发展：

操作系统的形成：

①无操作系统时的计算机系统：

人工操作方式：

• 由用户(即程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件。

• 系统缺点：用户独占全机、CPU等待人工操作。

脱机输入输出方式：

• 程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下完成。

• 优点：减少了CPU的空闲时间、提高I/O速度。

 

②单道批处理系统：

基本概念：系统对作业的处理都是成批地进行的、且在内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理系统。

特征：自动性、顺序性、单道性。

③多道批处理系统：

基本概念：把一个以上的作业(程序)存放在内存中，并且同时处于宏观运行状态，共享处理机和外部设备等其他资源。

优点：提高了CPU的利用率、提高了内存和I/O设备的利用率、增加系统吞吐量。

多道批处理系统的优缺点： 

优点：资源利用率高、系统吞吐量大

缺点：平均周转时间长、无交互能力

多道批处理系统的特征：

多道批处理系统还需解决的问题：

④分时系统：

分时系统实现的关键问题：及时接收、及时处理。

分时系统的实现方法：

分时系统的特征：

 ⑤实时系统：

实施系统的产生——源于特殊领域的需求：

• 实时控制（如自动驾驶系统，制导系统）

• 实时信息处理（如订票系统）

实时系统的定义：

实时系统是指系统能够及时或即时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行 。

实时任务的类型：

• 按任务执行时是否呈现周期性来划分：周期性实时任务、非周期性实时任务 

• 根据对截止时间的要求来划分 ：强实时任务 、弱实时任务

实时系统与分时系统的比较：

• 多路性：多个终端对现场数据的采集

• 及时性：实时系统要求更高

• 可靠性：实时系统要求更高

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操作系统的进一步发展：

①微机操作系统：配置在微机上的操作系统称为微机操作系统。

单用户单任务操作系统：

只允许一个用户上机、且只允许用户程序作为一个任务运行。

例如：CP/M(1975、Digital Research)、MS-DOS（1981、Microsoft）

单用户多任务操作系统：

只允许一个用户上机，但允许将一个用户程序分成若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善系统的性能。

例如：OS/2（1987、IBM）、MS Windows(1990、Microsoft)、Linux （源码开放）

多用户多任务操作系统：

允许多个用户通过各自的终端，使用同一台主机，共享主机系统中的各类资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们并发执行。

例如：UNIX（60年代贝尔实验室）

②多处理机操作系统：

为何引入多处理机/strong>

增加系统的吞吐量、节省投资、提高系统的可靠性。

多处理机的类型：

• 紧密耦合MPS（共享内存和I/O设备）

• 松散耦合MPS（独立的内存和I/O设备）

多处理机操作系统的类型：

• 非对称多处理机模式（也称主从模式，易于实现，但资源利用率低）

• 对称多处理机模式（也称对等模式，需要解决负载平衡问题）

③ 络操作系统：一些互连的自主计算机系统的集合。

计算机 络系统模式：

• 客户机/服务器(C/S)模式 ：分布处理，集中控制

• 对等模式 ：分布处理，分布控制

络操作系统的功能：

络通信（数据传输）、资源管理（共享资源）、 络服务（电子邮件、共享打印服务）、 络管理（安全、容错）、互操作能力（访问文件服务器）。

④分布式操作系统： 络操作系统的高级形式。

分布式系统：

集中式处理系统：处理和控制功能都高度地集中在一台主机上，所有的任务都有主机处理。

分布式处理系统：由多个分散的处理单元经互连 络的连接而形成的系统，每个处理单元既具有高度的自治性，又相互协同 ，并行地运行分布式程序。

常见的分布式系统：

Mach（UNIX技术）、DEC的分布计算环境

分布式操作系统与 络操作系统的比较：

• 分布性：分布处理，分布/集中控制

• 并行性： 络操作系统无任务分配功能

• 透明性：站点物理位置透明与否

• 共享性：所有站点资源共享， 络操作系统的共享只能在 络服务器上

• 健壮性：容错技术可帮助分布系统重构

⑤嵌入式操作系统：

概念：嵌入式系统在用来控制设备的计算机中运行，这种设备不是一般意义上的计算机，并且不允许用户安装软件。所有软件被固化在ROM中。（譬如：智能家用）

特点：

• 可装卸性，强实时性

• 统一的接口

• 操作方便、简单、提供友好的图形GUI

• 提供强大的 络功能，强稳定性，弱交互性

• 固化代码

• 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性

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推动操作系统发展的主要动力：

• 不断提高计算机资源利用率的需要

• 方便用户

• 器件的不断更新换代 （电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路）

• 计算机体系结构的不断发展（单处理机系统、多处理机系统、计算机 络） 

三、研究操作系统的几种观点：

软件的观点：

从软件的观点来看，操作系统有其作为软件的外在特性和内在特性。

计算机系统资源管理的观点：

操作系统的主要功能是针对处理机、存储器、I/O设备、文件这四类资源进行有效的管理。

进程的观点：

把操作系统看作由若干进程和一个对进程进行协调的核心所组成。每个进程都完成某一特定任务，而操作系统的核心则控制和协调这些进程的运行，解决进程之间的通信。

用户与计算机硬件系统之间接口的观点：

操作系统处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过操作系统来使用计算机。

用户可以通过以下两种方式来使用计算机 ：命令方式、系统调用方式。

虚机器观点：

操作系统为用户使用计算机提供了许多服务功能和良好的工作环境，把计算机扩充为功能更强、使用更加方便的计算机系统 。

服务提供者观点

操作系统提供了程序执行的环境，也为程序和用户提供了一系列的操作系统服务。

操作系统能够提供公共服务类型包括 ：

• 程序执行

• I/O操作

• 文件系统操纵

• 通信

• 差错检测

四、操作系统的功能与特征：

通用操作系统：

一个系统兼有批量处理、分时处理和实时处理三者或其中两者的功能，而形成通用操作系统。

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操作系统的功能：

处理机管理功能：

进程控制、进程同步、进程通信、调度

存储器管理的功能：

内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充

设备管理功能：

缓冲管理、设备分配、设备处理、设备独立性和虚拟设备

文件管理功能：

文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制

用户接口：

• 命令接口（包括联机用户接口和脱机用户接口）

• 程序接口

• 图形接口

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操作系统的特性：

并发：

并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生

并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生

共享：

互斥共享方式、同时访问方式

虚拟：

通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物

异步性：

程序运行结果、运行次序以及多次运行的时间都不确定

五、操作系统结构设计：

传统的操作系统结构：

①模块化结构操作系统：

采用模块化程序设计技术

模块化结构设计方法较之无结构的操作系统具有以下明显的优点：

• 提高了操作系统设计的正确性、可理解性和可维护性。

• 增强了操作系统的可适应性。

• 加速了操作系统的开发过程。

结构化设计方法的仍存在着下述问题：

• 对模块的划分及对接口的规定要精确描述很困难。

• 从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别。

②层次结构操作系统：

层次结构的主要缺点就是——系统效率低。

方法：

将操作系统分成若干层；每一层实现一组基本概念以及与其相关的基本属性。层与层之间的相互关系要满足：所有各层的实现不依赖其以上各层所提供的概念及其属性，只依赖其直接下层所提供的概念及属性；每一层均对其上各层隐藏其下各层的存在。

优点：

易保证系统的正确性。

易扩充性和易维护性。

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现代操作系统结构——微内核：

特点：

• 足够小的内核。

• 基于客户/服务器模式。

• 应用机制和策略分离的技术。

• 采用面向对象的技术。

 

相关介绍：

•  微内核虽然带来了诸多的优点，但不可否认微内核较早期的操作系统而言，运行效率有所降低。

• 一个微内核思想的略微变体是将进程划分为两类：服务器，每个服务器提供某种服务；客户端，使用这些服务。这个模式就是所谓的客户机-服务器模式。

• 通常，在系统最底层是微内核，但并不是必须这样的。

• 这个模式的本质是存在客户端进程和服务器进程。 

 

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