操作系统 1.1基本内容

操作系统（OS）是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用计算机的程序的集合（一组程序的集合）。是其他系统软件和应用程序软件运行的基础

1. 操作系统的目标

   1. 方便性：操作系统使计算机相同更容易使用
   2. 有效性：操作系统的资源利用率更高、系统的吞吐量更大
   3. 可扩充性：操作系统必须能方便地增加新功能、模块，以及能够修改老功能、模块。
   4. 开放性：操作系统应该遵守世界标准规范

2. 操作系统的作用

   1. 操作系统是用户和计算机硬件系统之间的接口。用户通过使用操作系统提供的命令、系统功能调用以及图形化接口来使用计算机
   2. 操作系统是计算机资源的管理者。处理机的分配、内存的分配和回收、IO 设备的分配和操作、文件的读取等等都由操作系统控制
   3. 操作系统实现了对计算机资源的抽象。（使用者看不到硬件操作的细节）
      1. OS首先在计算机裸机上铺盖一层I/O设备管理软件，实现了对操作系统的第一层次抽象；
      2. 在操作系统第一层软件再覆盖文件管理软件，实现了对硬件资源操作的第二层抽象；
      3. OS通过在计算机上安装多层系统软件，增强了系统功能，隐藏了对硬件操作的细节，由他们共同实现了对计算机资源的抽象。

3. 操作系统的发展过程

   1. 无操作系统

      1. 人工操作
         1. 单个使用者独占全机资源和CPU
         2. 由于人工操作的低速和CPU运算的高速，造成了计算机资源利用率的底下
      2. 脱机输入、输出
         1. 输入：由一台外部机控制下预先将程序、数据的写入磁带，当CPU需要时在高速的将数据读入内存
         2. 输出：由一台外部机控制下CPU需要输出时，将数据写入到磁带中，在在外部机的控制进行输出
         3. 输入、输出由外部机控制，提高了IO速度。缓解了CPU与I设备速度不匹配的问题
      3. 联机输入、输出
         1. 与脱机输入、输出差不多，只不过是将输入和输出是由主机自己执行

   2. 单道批处理系统

      • 批处理系统：在程序的控制下能够对一批作业进行自动处理。（该程序为早期操作系统的雏形）
      • 内存中只有一个作业的批处理系统
      • 处理过程：一批作业以脱机方式输入到磁带上，由监督系统将磁带上的第一个作业读取到内存中，在由CPU进行处理，当处理完成或出现异常，把控制权还给程序，由监督程序继续调入作业进入内存

   3. 多到批处理系统

      • 内存中有多个作业的批处理系统
      • 由于单道批处理系统CPU将一个作业处理完成后，才会执行下一个作业。虽然机器效率提高。但是在作业执行过程中，可能会有IO请求等，这时CPU只有继续等待。并且单道批处理系统内存中只有一个程序，造成了内存资源的浪费。

      多道批处理系统与单道批处理的区别：

      1. 单道批处理系统一次只读取一次查询进入内存。多道批处理系统一次读取多个程序进入内存
      2. 单道批处理系统一次只执行一个程序。多道批处理系统一次处理多个程序（宏观上并行、微观上串行）

      为了实现多道批处理的功能，我们就需要给多道批处理系统配置一组相应的软件，来解决多道程序对系统资源的共享和争用。于是和形成了现代意义上的操作系统。

   4. 分时系统

      1. 在多道批处理的基础上，加入了RR（论证时间片算法）算法。保证了多个用户可以同时使用计算机的资源。
      2. 因为所有使用者的程序都可以被执行。如同多道批处理系统中的CPU分配，这里只是加入了一个类似于倒计时的算法。但倒计时结束，CPU就分配给其他的用户去执行他们的程序。是所以在宏观上，所有使用者的程序都被同时执行了。

   5. 实时系统

      1. 对时间要求严格的操作系统。要求操作系统必须在规定的时间内完成对事件的处理。

   6. 微机操作系统

      1. 安装在微机上的操作系统。

1. 操作系统的基本特征
   1. 并发性
      1. 在一段时间内，宏观上多个程序同时运行
      2. 为了多个程序能够同时执行，系统必须为程序建立进程
      3. 进程是系统中能够独立运行并能够独立分配资源的基本单位
      4. 进程由PCB、数据、一组机器指令，堆栈组成
   2. 共享性
      1. 系统中的资源可以供多个进程同时使用，资源可分为两类：
         1. 互斥共享
            1. 一段时间内，只能给一个进程使用。比如打印机、变量等等
         2. 同时访问
            1. 在同一段时间内可以被多个进程同时访问
   3. 虚拟性
      1. 提供某种技术将一个计算机资源实体分成多个虚拟的逻辑上的资源。如虚拟机
   4. 异步性
      1. 在多道程序下，每个程序何时执行、和暂停但是未知的，即他们以不可预知的速度向前推进。
2. 操作系统的功能
   1. 处理机管理（CPU）
      1. 处理机的以进程为基本单位，处理机管理通常归结于进程管理
         1. 进程控制
            1. 为作业创建、撤销进程，并控制进程在运行过程中状态转换
         2. 进程同步
            1. 对进程的执行程序进行协调
         3. 进程通信
            1. 进程间的通话
         4. 进程调度
            1. 为进程分配CPU
   2. 存储器管理
      1. 内存分配
         1. 为程序分配内存空间，尽可能的提高内存的利用率
      2. 内存保护
         1. 确保每个程序只在自己的内存空间运行，不影响其他程序和操作系统的运行
      3. 地址映射
         1. 将程序中的逻辑地址转化为物理地址，以便于程序能够执行
      4. 内存扩充
         1. 在逻辑上扩充内存的容量（？虚拟内存 不确定）
   3. 设备管理
      1. 缓冲管理
         1. 利用缓冲来缓和CPU与IO设备速度不匹配的矛盾。提高CPU和IO设备的利用率和IO的速度
      2. 设备分配
         1. 为用户分配完成IO请求的设备和设备控制器
      3. 设备处理
         1. 启动设备进行IO操作
   4. 文件管理
      1. 文件存储空间的管理
         1. 为文件分配必要的存储空间，并尽量提高文件存储空间的利用率和文件访问的效能
      2. 目录管理
         1. 通过目录的方式组织文件，提高了文件的检索速度
      3. 文件的读写管理和保护
         1. 实现文件的读写操作、保护文件的安全性
   5. 友好的用户接口
      1. 用户接口
      2. 程序接口
   6. 现代操作系统的新功能
      1. 系统安全
      2. 网络的功能和服务
      3. 支持多媒体

操作系统的结构设计

无结构OS --> 模块化结构OS --> 分层式结构OS --> 微内核OS

1. 早期无OS的计算机系统，CPU–IO设备速度不匹配的矛盾，对计算机资源利用率有什么影响？

人工输入速度与CPU处理的速度相比下太慢。一次只读入一个程序

2. 单道批处理系统引入了那些技术？如何解决上面的矛盾？

批处理、作业自动过渡。

作业存储在磁带上，当CPU需要需要可以快速写入内存中。作业的自动过渡。

批处理一次读取一批作业加入磁带，

3. 单道批处理系统还要那么不足？而多道批处理系统是如何处理的？

内存中只有一个程序，浪费内存空间

当CPU在处理一个作业时可能会因为IO、异常等原因造成CPU等待。浪费宝贵的CPU资源

将一批作业全部写入内存中（内存空间足够的话），由监督程序给作业分配CPU，当正在执行的作业进行其他操作时（如IO）监督程序将CPU分配给其他作业

4. 多道批处理系统是在什么原因的推动下产生了分时系统?

计算机资源昂贵，一次只允许一个人使用者使用。

5. 实时系统是怎么发展来的?

对时间要求严格的系统

操作系统的四大特征

1. 并发性
2. 资源共享性
3. 虚拟性
4. 异步性

最重要的并发性，其他三大特征都是以并发性为前提的

OS的功能

1. 处理机管理
2. 存储器管理
3. 设备管理
4. 文件管理
5. 提供友好的用户接口