《操作系统 》 操作系统概述 （一）

一、操作系统的概念

1.1.1 计算机系统

计算机系统主要包含硬件和软件

硬件：是构成计算机系统所必须配置的各种设备。（看得见，摸得着）

软件：是由计算机硬件执行以完成一定任务的程序及其数据。

系统软件：是支持和管理计算机硬件的软件，是服务于硬件的（如：编译软件，操作系统软件）

应用软件：是完成用户某项要求的软件，是服务于特定用户的，它满足某一个应用领域的要求。

1.1.2 什么是操作系统（要点）

操作系统属于软件中的系统软件，是紧挨着硬件的第一层软件。

没有操作系统，如何应用软件都无法运行。操作系统实际上是一个计算机系统硬件资源的总指挥部，操作系统性能的高度低决定了整体计算机的潜在硬件性能能否发挥出来。

1、用户观点

     在用户看来，操作喜提是用户与计算机硬件系统之间的接口，用户通过操作系统来使用计算机系统。

2、资源管理的观点

把操作系统看做系统资源的管理者，目前资源主要分为四大类：处理器，存储器，I/O设备和文件四大类。

操作系统功能：主要负责计算机软件硬件的控制、调度、分配、和回收。

3、虚拟机的观点

安装了操作系统的计算机又称为虚拟机。

操作系统的定义：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理组织计算机工作流程，以及方便用户使用的程序的集合。

1.1.3 操作系统的目标

①方便性：极大方便了用户，使计算机变得易学易用

②有效性：一层含义：提高系统资源的利用率；二层含义：提高系统的吞吐量

③可扩充性：OS广泛采用微内核技术，能够方便地添加新的功能模块

④开放性：遵循国际标准，使得各种软硬件能够彼此兼容

二、操作系统的形成和发展

1.2.1 推动操作系统发展的动力

1、不断提高计算机资源利用率的需要

2、方便用户操作

3、硬件的不断更新换代

4、计算机体系结构的不断发展

1.2.2 操作系统的形成

1、无操作系统

  （1） 人工操作：

在第一代计算机上没有操作系统，对计算机的操作完全是人工操作方式，这种人工操作方式有两个特点：

● 用户完全独占计算机。也就是说，计算机的全部资源只供一个用户使用。

●计算机等待人工操作。当用户操作时计算机要等待，CPU空闲。

缺点：①严重降低了计算机资源的率用率（人机矛盾）

（2）脱机输入输出方式：

    为了解决CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，50年代末出现了脱机输入输出技术。简单地说，脱机输入输出方式是指程序和数据的输入输出是在外围机的控制下，而不是在主机的控制下完成的。

脱机输入输出技术减少了计算机主机的空闲等待时间，提高了I/O设备的处理速度。此外，如果输入输出是在主机的控制下完成的，则称为联机输入输出。

2、批处理器系统

批处理系统主要采用了批处理技术。批处理技术是计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。批处理系统有单道批处理系统和多道批处理系统两种形式。

（1）单道批处理系统

由于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，故称单道批处理系统。

单道批处理系统的特点是：

①自动性。磁盘（带）上的一批作业能自动地逐个执行，无需人工干预。。

②顺序性。磁盘（带）上的作业是顺序地进入内存的，先调入内存的作业先完成。

③单道性。内存中仅有一个程序运行。

单道批处理系统大大减少了人工操作的时间，提高了机器的利用率。但是，在单道批处理作业运行时，主存中仅存放了一道程序，每当程序发出I/O请求时，CPU便处于等待I/O完成状态，致使CPU空闲，特别是I/O设备的低速性降低了CPU的利用率。

（2） 多道批处理系统

多道批处理系统是在20世纪60年代设计的。为了改善CPU的利用率，提高机器的使用效率，在单道批处理系统中引入了多道程序设计技术，形成了多道批处理系统，它使CPU与外设可以并行工作。多道程序设计技术是指同时把多个作业放入内存并允许它们交替执行，共享系统中的各类资源，当某个程序因某种原因而暂停执行时，CPU立即转去执行另一道程序。

特点：

①多道性：内存中同时存放多道相互独立的程序

②无序性：多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的先后顺序没有严格的对应关系，即先进入内存的作业不一定先完成，后进入内存的作业不一定最后完成

③调度性：作业从提交给系统开始直至完成，需要经过两次调度：一是作业调度，二是进程调度。

优点：

①资源率用率高

②系统吞吐量大

缺点：

①平均周转时间长

②无交互能力：用户一旦把作业提交给系统后，直到作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，这对修改和调试程序都不方便。

单道和多道对比：

单道：内存中仅放一道作业，作业完成顺序与进驻内存的顺序相关

多道：内存中放多道作业，作业的完成顺序与进驻内存的顺序无严格对应关系

3、分时系统

允许多个终端用户同时使用计算机，在这样的系统中，用户感觉不到其他用户的存在，好象独占计算机一样。

（1）分时系统实现中的关键问题：

①及时接收

②及时处理

（2）分时系统的特征

1. 多路性（同时性）
2. 独立性：每个用户占用一个终端，彼此操作，互不影响
3. 交互性：用户可以请求系统提供各方面的服务
4. 及时性：用户请求能在很短的时间内获得响应

4、实时系统

概念：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。

类型：

①实时控制系统：指以计算机为中心的产生过程控制系统和武器控制系统，又称为计算机控制系统。系统要求能及时采集现场数据，并对采集的数据进行及时处理，进而自动控制相应的执行机构，使某些参数能按预定的规律变化，以保证产品的质量和提高产量，如飞机自动驾驶系统，火箭飞行控制系统，导弹制导系统等。

②实时信息处理系统

特点：

1. 多路性
2. 独立性
3. 及时性
4. 交互性
5. 可靠性

实时系统和分时系统的主要区别：

①系统的设计目标不同

②响应时间的长短不同:分时系统为秒级，实时系统为毫秒级，微妙级

③交互性的强弱不同：实时系统>分时系统

批处理系统、分时系统、和实时系统是三种基本的操作系统类型，而一个司机的操作系统，可能兼有三者或其中两者的功能，则称该操作系统为通用的操作系统。

1.2.3 操作系统的进一步发展

1、微机操作系统

CP/M 操作系统、MS-DOS 操作系统、 OS/2  操作系统、 Windows 操作系统、 UNIX及类UNIX 操作系统、 Solaris  、 SVR4、SCO OpenServer、 SCO Unix Ware 7、Xenix 、Linux、Mac OS X操作系统

2、多处理器操作系统

引入原因：

1. 增加系统吞吐量
2. 节省投资
3. 提高系统可靠性

多处理机OS类型：

1. 非对称多处理模式——主-从模式
2. 对称多处理模式——  独立管理模式

3、 络操作系统

络OS模式：

客户/服务器模式——Client/server

对等模式——Peer to Peer

络OS功能：

络通信、资源共享管理、 络服务、 络管理、互操作能力

4、分布式操作系统

分布式系统则是系统的处理和控制功能都分散在系统的各个处理单元上，系统中的所有任务也可动态的分配到各个处理单元上去并执行，从而实现分布处理。

   所谓的分布式处理系统是指由多个分散的处理单元经 络连接而形成的系统，在分布式系统上配置的操作系统称为多分布式操作系统。

特点：分布性,并行性、透明性、共享性、健壮性

5、嵌入式操作系统

计算机发展的趋势之一是体积越来越小，掌上电脑和嵌入式系统随机出现。掌上电脑也称PDA

嵌入式计算机，顾名思义即将计算机嵌入到其他设备上，这些设备无处不在，大到汽车发动机、机器人，小到电视机、微波炉、移动电话。运行在其上的操作系统比较简单，只实现所要求的控制功能。

三、操作系统的特征与功能(重点）

1.3.1 操作系统的特征

1、并发性：两个或两个以上的事物在同一时间间隔内发生（基本特征）

2、共享性：系统中的软、硬件资源在其上的供多个程序共同享用（基本特征）

        ●互斥共享——某时间内只允许一个进程访问，

           该进程访问完了，别人才可访问。如：打印机

        ●同时访问——某时间段内，允许多个进程同时

           访问。如：磁盘。

3、虚拟性：

通过某种技术手段把一个物理上的实体，变成多个

逻辑上的对应物

4、异步性：也称不确定性，是指系统中各种事件的发生顺序是不确定的。

1.3.2 操作系统的功能

1、处理器的管理

2、存储器的管理

3、设备管理

4、文件管理

5、用户接口

管理图：

四、流行操作系统

1、DOS操作系统

2、UNIX操作系统

3、Linux操作系统

4、Windows操作系统