计算机操作系统|操作系统引论

本文主要是介绍计算机操作系统|操作系统引论，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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操作系统（Operating System，OS）

• 一组程序的集合，控制和管理计算机硬件和软件资源

• 计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充

• 计算机中最基本和最重要的系统软件，是其他系统软件和应用软件运行的基础

目标和作用 

操作系统的目标

• 方便性：使计算机系统更易使用

• 有效性：提高资源利用率和系统吞吐量

• 可扩充性：方便对模块和功能的扩充、修改

• 开放性：遵循世界标准规范，方便兼容、互联

操作系统的作用

• 作为用户与计算机硬件系统间的接口：命令，系统（功能）调用，图形化接口（图标-窗口）

• 作为计算机资源的管理者：处理机的分配和控制，（存储器）内存的分配和回收，I/O设备的分配和操纵，文件（数据和程序）的读取、共享和保护

• 实现了对计算机资源的抽象：在裸机上铺设了多层软件，增强了系统的功能，隐藏了对硬件操作的细节

发展

操作系统的发展过程

• 无操作系统的计算机系统：人工操作方式，脱机输入/输出（Off-Line I/O）方式

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

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

• 分时系统（Time Sharing System）：人机交互，共享主机

• 实时系统（Real Time System）：Solaris，Linux；Unix（大中小型机：多用户多任务）

人工操作方式的缺点

• 用户占用全机

• CPU等待人工操作

脱机I/O方式的优点

• 减少了CPU的空闲时间

• 提高了I/O速度

单道批处理系统的缺点

• 系统中的资源得不到充分的利用

多道批处理系统的优缺点

• 资源利用率高

• 系统吞吐量

• 平均周转时间长

• 无交互能力

多道批处理系统需要解决的问题

• 处理机争用问题

• 内存分配和保护问题

• I/O设备分配问题

• 文件的组织和管理问题

• 作业管理问题

• 用户与系统的接口问题

分时系统实现中的关键问题

• 及时接收

• 及时处理（作业直接进入内存，采用轮转运行方式）

分时系统的特征（与多道批处理系统相比）

• 多路性

• 独立性

• 及时性

• 交互性

实时系统的类型

• 工业（武器）控制系统

• 信息检查系统

• 多媒体系统

• 嵌入式系统

实时任务的类型

• 周期性vs非周期性

• 硬实时vs软实时

实时系统vs分时系统

• 多路性

• 独立性

• 及时性

• 交互性

• 可靠性

微机操作系统的发展

• 单用户单任务

• 单用户多任务

• 多用户多任务（Unix-Solaris/Linux）

操作系统发展的主要动力

• 不断提高计算机资源利用率

• 方便用户

• 器件的不断更新换代

• 计算机体系结构的不断发展

• 不断提出新的应用需求

基本特性和功能

操作系统的基本特性

• 并发性：并行vs并发，进程

• 共享性：互斥共享，“同时”访问

• 虚拟性：虚拟技术，时分复用（处理机，设备），空分复用（存储器）

• 异步性：多道程序中每个程序的执行速度未可知，但执行结果相同

操作系统的功能

• 处理机管理：进程控制，进程同步，进程通信，调度（作业/进程）

• 存储器管理：内存分配（静态/动态），内存保护，地址映射，内存扩充（调入/置换）

• 设备管理：缓冲管理，设备分配，设备处理

• 文件管理：文件存储空间的管理，目录管理，文件的读/写管理和保护

• 友好的用户接口：用户接口（联机/脱机/图形），程序接口

现代操作系统的新功能

• 系统安全：认证技术，密码技术，访问控制技术，反病毒技术

• 网络的功能和服务：网络通信，资源管理，应用互操作

• 支持多媒体：接纳控制，实时调度，多媒体文件的存储

结构设计

操作系统的结构设计

• 无结构：整体系统结构，一组过程的集合，每个过程可以任意地相互调用其他过程

• 模块化结构：按功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块

• 分层式结构：按功能流图的调用次序划分为若干个层次，每一层只能调用较低层，自底向上或自顶向下添加软件

• 微内核结构：以模块化、层次化结构为基础，采用客户/服务器模式（Client/Server Mode）和面向对象的程序设计技术，支持分布式系统

模块独立性的两个标准

• 内聚性

• 耦合度

模块接口法的优缺点

• 提高OS设计的正确性

• 可理解性和可维护性

• 增强OS的可适应性

• 加速OS的开发过程

模块化结构设计存在的问题

• 设计的接口规定很难满足实际需求

• 各模块同时设计，各种决定具有“无序性”，又叫“无序模块法”

• 分层设计的优缺点

• 易保证系统的正确性

• 易扩充和易维护性

客户/服务器模式的组成

• 客户机

• 服务器

• 网路系统

客户/服务器模式的交互过程

• 客户发送请求消息

• 服务器接收消息

• 服务器回送消息

• 客户机接收消息

客户/服务器模式的优点

• 数据的分布处理和存储

• 便于集中管理

• 灵活性和可扩充性

• 易于改编应用软件

面向对象技术的优点

• 通过“重用”提高产品质量和生产率

• 使系统具有更好的易修改性和易扩展性

• 更易于保证系统的“正确性”和“可靠性”

微内核操作系统

• 足够小的内核

• 基于客户/服务器模式

• 应用“机制与策略分离”原理

• 采用面向对象技术

微内核操作系统的基本功能

• 进程（线程）管理

• 低级存储器管理

• 中断和陷入处理

微内核操作系统的优点

• 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

传统操作系统vs微内核操作系统

传统操作系统两次上下文切换

• 一次是在执行系统调用后由用户态转向系统态时

• 另一次是在系统完成用户请求的服务后，由系统态返回用户态时

微内核操作系统四次上下文切换：

• 第一次发生在客户发送请求消息给内核，以请求取得某服务器特定的服务时

• 第二次发生在由内核把客户的请求消息发往服务器时

• 第三次是当服务器完成客户请求后，把相应消息发送到内核时

• 第四次是在内核将相应消息发送给客户时

 

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