计算机操作系统引论（操作系统）

一、操作系统的目标

操作系统（Operating System，OS）是计算机硬件的第一层软件，是计算机必备配置的最基本、最重要的系统软件。

1、有效性

有效提高CPU和I/O设备利用率；提高的方法：合理地组织计算机的工作流程

2、方便性

可使计算机系统更容易使用

3、可扩展性

OS为了能适应发展的要求，比具有良好的可扩展性；如何才有可扩充性？例如：采用新的OS结构，如微内核结构和客户服务器模式

4、开放性

** 计算机网络，特别特别是LAN的迅速发展，使OS的应用环境由单机转向网络环境。为使不同厂家的计算机和设备能通过网络加以集成化，并能正确、有效地协同工作，实现应用的可移植性和互操作性，必须具有统一的开放环境，进而要求OS具有开放性。 **

** 开放性是指系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连（OSI）国际标准。**

二、操作系统的作用

从用户观点看，OS是用户和计算机硬件系统之间的****接口

从资源管理观点看，OS是计算机系统资源（软、硬）的****管理者

操作系统的作用：

1．OS****作为用户和计算机硬件系统的接口

2．OS****作为计算机资源的管理者

3．OS****实现了对计算机资源的抽象

1、操作系统作为用户和计算机硬件系统的接口

用户可以通过三种方式使用计算机

命令方式（键盘命令）

图标、窗口方式（GUI****）

系统调用方式（程序接口****）

2、操作系统作为计算机资源的管理者

计算机系统资源可归结为四类：处理器、存储器、I/O设备、文件**/**信息（数据和程序）

OS****的主要功能也正是针对这四类资源进行有效管理：

处理机管理：分配和控制处理机

存储器管理：主要是内存分配和回收

I/O设备管理：I/O设备的分配与操纵

文件管理：文件的存取、共享和保护

3、操作系统实现了对计算机资源的抽象

完全无软件的计算机——裸机。“裸机”难于使用。

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** 裸机覆盖了一层I/O设备管理软件如图1-2所示，由它来实现对I/O设备操作的细节，并向上提供一组I/O操作命令，如Read和Write命令，用户可以利用它进行数据输入/输出，而无需关心I/O**实现的细节。

** 为了方便用户使用文件系统，又在第一层软件上再覆盖一层用于文件的管理软件，用它来实现对文件操作的细节，并向上提供一组对文件进行存取操作的命令。第二个层次的抽象。**

三、操作系统的基本特性

1、并行与并发

并行性——两个或多个事件在同一时刻发生。

*并发性——*两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 **

** 在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却只能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。若计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执行的程序可被分配到多个处理机上，实现**并行执行。

进程简述

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** 通常的程序是静态实体，它是不能并发执行的。为了使程序能并发执行，系统必须分别为每个程序建立进程（Process）。**

 **   进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个活动实体。**

** 多个进程之间可以并发执行和交换信息。**

关于进程和线程的基本概念

在OS中引入进程的目的，是使多个程序能并发执行。

进程和并发是现代OS中最重要的基本概念，也是OS运行的基础。

*直到80年代中期，人们才提出了比进程更小的单位 ——线程（Threads）。*

一个进程通常包含若干线程。

*近年来推出的***OS **都引入了线程。

2、共享

共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用。

目前主要有以下两种资源共享方式：

（1）****互斥共享方式

对于临界资源，要求被互斥地共享；

（2）****同时访问方式

允许在一段时间内由多个进程“同时”对它进行访问。这里所说的“同时”往往是宏观上的，而微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们是互为存在条件的。

资源的共享是以进程的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；

若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。

3、虚拟

虚拟——是指通过某种技术把一个**物理实体变为若干个逻辑上的对应物。 **

操作系统中利用了两种方式实现虚拟技术****，即时分复用技术和空分复用技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等。

4、异步性

** **** 内存中的每个进程在何时能获得处理机运行，何时又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度向前推进，每道程序总共需要多少时间才能完成等等，都是不可预知的。很可能是先进入内存的作业后完成，而后进入内存的作业先完成。进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。**

四、操作系统的主要功能

1、处理机管理功能

** 在传统的多道程序设计系统中，处理机的分配和运行，都是以进程为基本单位的，因而对处理机的管理，可以归结为对进程的管理。**

** 在引入线程的OS中，还包含对线程**的管理。

•创建和撤消进程（线程） ----进程控制

•对诸进程（线程）的运行进行协调 ----进程同步

•实现进程（线程）之间的信息交换 ----进程通讯

•按照一定的算法把处理机分配给进程（线程） ----进程调度

2、存储器管理

存储器管理应具有以下功能：

内存分配（静态、动态分配方式）

内存保护（硬件检查越界，软件处理）

地址映射（逻辑、物理地址，硬件支持）

内存扩充（虚拟存储技术）

3、设备管理功能

主要任务：

完成进程提出的I/O请求；

为用户进程分配其所需的I/O设备；

提高CPU和I/O设备的利用率；

提高I/O速度；

方便用户使用I/O设备。

**设备管理应具有以下功能： **

1、*缓冲管理——在设备和CPU之间引入缓冲，可有效地缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU*的利用率，进而提高系统的吞吐量。 **

2、设备分配——按某种策略将设备分配给用户进程。需设备控制表等数据结构。

3、*设备处理——设备处理程序又称为设备驱动程序。基本任务是实现CPU与设备控制器通信：*CPU 发I/O*命令；*设备控制器发中断请求。

4、文件管理

主要任务****：

对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。

**文件管理应具有以下功能： **

  **1****．文件存储空间的管理 **

  **2****．目录管理 **

          **3．文件的读****/****写管理和保护 ** 

5、用户接口

命令接口(联机命令、脱机命令)

程序接口(系统调用)

图形接口(GUI)

五、操作系统的结构设计

微内核OS结构——现代OS结构

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** 微内核结构能有效地支持多处理机运行，故非常使用于分布式系统环境。Windows NT采用微内核结构。**

** 在与微内核技术发展的同时，客户/服务器技术、面向对象技术也在迅速发展，把它们应用到基于微内核结构的OS中，便具有了以微内核为OS核心，以客户****/**服务器为基础，并且采用了面向对象的程序设计方法的特征。

1、微内核技术

微内核技术——是指精心设计的、能实现现代OS****核心功能的小型内核。

1****）足够小的内核

微内核是指精心设计的、能实现现代OS最基本的核心功能的部分。

2）基于客户**/**服务器模式

把OS的最基本部分放在内核中，****把OS的绝大部分功能放在内核外面的一组服务器(进程)中实现。

3****）应用“机制与策略分离”原理

所谓机制，是指****实现某一功能的具体执行机构。

策略****是在机制基础上，借助于某些参数和算法来实现该功能的优化，或达到不同的功能目标。

机制处于系统的低层，而策略处于系统的高层。

传统OS将机制放在内核低层，策略放在内核高层。

微内核OS将机制放在微内核中，策略放在微内核外。

4****）采用面向对象技术

2、微内核的基本功能

1）进程（线程）管理

2）低级存储管理

3）中断和陷入处理

3、微内核的优点与缺点

优点：

1）提高了系统的可扩展性

2）增强了系统的可靠性

3）可移植性

4）提供了对分布式系统的支持

5）融入了面向对象技术

缺点：

6）微内核OS****的运行效率有所降低。