操作系统(1.1)--引论

一、操作系统的目标和作用

1.操作系统的目标

1.方便性
2.有效性
(1)提高系统资源利用率
(2)提高系统的吞吐量
3.可扩充性

4.开放性

方便性和有效性是设计0S时最重要的两个目标

2.操作系统的作用

2.1 OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是: OS处于用户与计算机硬件系统之
间，用户通过OS来使用计算机系统。

使用计算机的三种方式:
(1) 命令方式; (2) 系统调用方式; (3)图标-窗口方式

2.2 OS作为计算机系统资源的管理者

在一个计算机系统中，通常都含有多种硬件和软件资源。归纳起来可将这些资源分为四类:处理机、存储器、I/O 设备以及文件(数据和程序)。

资源分为4类:处理机、存储器、I/0设 备和文件

2.3 0S实现了对计算机资源的抽象

对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机)，由于它向用户提供的仅是硬件接口(物理
接口)，因此，用户必须对物理接口的实现细节有充分的了解，这就致使该物理机器难于广
泛使用。

3. 推动操作系统发展的主要动力

• 不断提高计算机资源的利用率
• 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

二、操作系统的发展过程

1.无操作系统的计算机系统

1.1 人工操作方式

缺点:

(1)用户独占全机，即一- 台计算机的全部资源由上机用户所独占。
(2) CPU 等待人工操作。当用户进行装带(卡)、卸带(卡)等人工操作时，CPU及内存等
资源是空闲的。

1.2脱机输入输出方式

优点:

(1)减少了CPU的空闲时间。装带、卸带，以及将数据从低速I/O设备送到高速磁带
上(或反之)的操作，都是在脱机情况下由外围机完成的，并不占用主机时间，从而有效地
减少了CPU的空闲时间。
(2)提高了I/O速度。当CPU在运行中需要输入数据时，是直接从高速的磁带上将数
据输入到内存的，这便极大地提高了I/O速度，从而进-步减少了CPU的空闲时间。

2. 单道批处理系统

2.1 单道批处理系统的处理过程

要把一批作业以脱机的方式输入到磁盘上，并在系统当中配上监督程序，在它的控制下使这
批作业能一个接一个的连续处理。

2.2 单道批处理系统的缺点

资源不能充分利用

3. 多道批处理系统

3.1基本概念

在多道批处理系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一一个队列，称为“后备队列”;然后，由作业调度程序按- -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。

3.2 多道批处理系统的优缺点

(1)资源利用率高。

引入多道批处理能使多道程序交替运行，以保持CPU处于忙碌状态;在内存中装入多道程序可提高内存的利用率;此外还可以提高I/O设备的利用率。
(2)系统吞吐量大.。

能提高系统吞吐量的主要原因可归结为:①CPU和其它资源保持“忙碌”状态;②仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。
(3)平均周转时间长。

由于作业要排队依次进行处理，因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。
(4)无交互能力。

用户- -旦把作业提交给系统后，直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，修改和调试程序极不方便。

系统吞吐量:系统在单位时间内所完成的总工作量。
作业的周转时间:从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。

3.3 多道批处理系统需要解决的问题

(1)处理机争用问题。

既要能满足各道程序运行的需要，又要能提高处理机的利用率。
(2)内存分配和保护问题。

系统应能为每道程序分配必要的内存空间，使它们“各得其所”，且不会因某道程序出现异常情况而破坏其它程序。
(3) I/O设备分配问题。

系统应采取适当的策略来分配系统中的I/O设备，以达到既能方便用户对设备的使用，又能提高设备利用率的目的。.
(4)文件的组织和管理问题。

系统应能有效地组织存放在系统中的大量的程序和数据，使它们既便于用户使用，又能保证数据的安全性。
(5)作业管理问题。

系统中存在着各种作业(应用程序)，系统应能对系统中所有的作业进行合理的组织，以满足这些作业用户的不同要求。
(6)用户与系统的接口问题。

为使用户能方便的使用操作系统，OS还应提供用户与OS之间的接口。

操作系统: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，以及方便用户使用的程序的集合。

4. 分时系统

台计算机连接多个终端，用户通过各自的终端把作业送入计算机;计算机又通过终端向各个用
户报告其作业的运行情况。计算机能分时轮流地为各终端用户服务，并能及时地对用户服务
请求予以响应。
响应时间为用户发出一条指令到系统处理完这条指令并做出回答所需要的时间。是衡量分时系统性能好坏的一-条重要标志，但具体的响应时间与系统的用户个数及时间片大小有关。响应时间T与时间片q和用户个数n之间的关系为:T=nq

4.1 分时系统的产生

分时系统:是指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端,以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。

用户的需求具体表现在以下几个方面:

• (1)人-机交互;
• (2)共享主机

4.2分时系统实现中的关键问题

Ⅰ、及时接收

Ⅱ、及时处理

(1)作业直接进入内存。

(2)采用轮转运行方式。

4.3 分时系统的特征

• (1)多路性;
• (2)独立性;
• (3) 及时性;
• (4)交互性

5. 实时系统

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。

5.1实时系统的类型

• (1)工业控制系统;
• (2)信息查询系统;
• (3) 多媒体系统;
• (4) 嵌入式系统

5.2 实时任务的类型

1)按任务执行时是否呈现周期性来划分:

• (1) 周期性实时任务;
• (2)非周期性实时任务

2)根据对截止时间的要求来划分:

• (1) 硬实时任务;
• (2)软实时任务

5.3 实时系统与分时系统特征的比较

• (1)多路性。信息查询系统和分时系统中的多路性都表现为系统按分时原则为多个终端用户服务;实时控制系统的多路性则是指系统周期性地对多路现场信息进行采集，以及对多个对象或多个执行机构进行控制。
• (2)独立性。信息查询系统中的每个终端用户在与系统交互时，彼此相互独立互不干扰;同样在实时控制系统中，对信息的采集和对对象的控制也都是彼此互不干扰的。
• (3)及时性。信息查询系统对实时性的要求是依据人所能接受的等待时间确定的，而多媒体系统实时性的要求是，播放出来的音乐和电视能令人满意。实时控制系统的实时性则是以控制对象所要求的截止时间来确定的，一般为秒级到毫秒级。
• (4)交互性。在信息查询系统中，人与系统的交互性仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。它并不像分时系统那样，能向终端用户提供数据处理、资源共享等服务。而多媒体系统的交互性也仅限于用户发送某些特定的命令，如开始、停止、快进等，由系统立即响应。
• (5)可靠性。分时系统要求系统可靠，实时系统要求系统高度可靠，因为任何差错都可能带来无法预料的灾难性后果。因此，在实时系统中，往往都采取了多级容错措施来保障系统的安全性及数据的安全性。

6. 微机操作系统的发展

1. 单用户单任务操作系统

1. CP/M;
2. MS-DOS

2.单用户多任务操作系统
其中最有代表性的是由微软公司推出的Windows

3.多用户多任务操作系统
其中最有代表性的是UNIXOS