操作系统简介

什么是操作系统

操作系统的定义

操作系统（OS） 是一种复杂的系统软件，是不同程序代码、数据结构、数据初始化文
件的集合，可执行。

操作系统的作用

1. 用户与硬件之间的接口
2. 资源的管理者

操作系统的功能

从资源管理的观点看，操作系统的功能可分为：处理器管理、存储管理、文件管理和设备管理。

操作系统的发展

无操作系统

第一代计算机（1945～1955）使用电子管作为主要的电子器件，用插件板上的硬连线或穿孔卡片表示程序，没有用来存储程序的内存，无操作系统。整个计算机系统处于运行——因等待人工操作暂停——运行，这样一种不能连续自动工作的状态。

单道批处理系统的特点与缺点

单道批处理系统内存中只有一道作业，可以自动成批处理作业，特点是：
（1）自动性
（2）顺序性
（3）单道性

单道批处理系统与无操作系统的计算机系统相比而言，减少了等待人工操作的时间。但是单道批处理系统中，由于作业独占 CPU 和内存，当作业进行 I/O 时， CPU 只能等待 I/O完成而无事可做，使得 CPU 资源不能得到充分利用。

多道批处理系统的特点与优缺点

多道批处理系统中，用户所提交的作业都先存放在外存中并排成一个队列，该队列称为“后备作业队列”。由操作系统的作业调度程序按一定策略从后备作业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，以达到提高资源利用率和系统吞吐量的目的。
它的特点是：
（1）多道性
（2）无序性
（3）调度性
（4）复杂性

多道批处理系统的优点是能够提高 CPU、内存和 I/O 设备的利用率和系统吞吐量。多道批处理系统的缺点是系统平均周转时间长，缺乏交互能力。周转时间是指从作业被提交给系统开始到作业完成为止的时间。平均周转时间是指所有作业的周转时间之和与作业
数量的比值。

分时操作系统的特点和优点

分时操作系统允许多个用户通过终端同时使用计算机。分时操作系统的特点是多路性、独立性、及时性和交互性。分时操作系统的优点是向用户提供了人机交互的方便性，使多个用户可以通过不同的终端共享主机。

实时操作系统的特点和应用领域

实时操作系统主要用于实时控制和实时信息处理领域。它的特点是：
（1）多路性
（2）独立性
（3）及时性
（4）交互性
（5）可靠性

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，而一个实际的操作系统可能兼有三者或其中两者的功能特点。

操作系统产品现状

（1）主机操作系统：主机操作系统是运行在大型主机上的操作系统，主要提供三类服务：批处理、事务处理和分时处理。
（2）服务器操作系统：服务器操作系统是运行在网络服务器上的操作系统，可以通过网络同时为众多用户服务，允许用户共享硬件和软件资源。服务器可提供打印服务、文件服务和 Web 服务。
（3）微机操作系统：微机操作系统也称个人机操作系统，现代微机操作系统都支持多道程序处理，就是通常所说的支持多任务。微机操作系统为单个用户提供良好的应用环境和应用软件开发环境。
（4）嵌入式操作系统：嵌入式操作系统的特征是小巧、实时性、可装卸、代码固化、弱交互性、强稳定性、接口统一、低能耗。嵌入式操作系统的应用领域有掌上电脑、智能手机、数码相机、自动售货机、自动取款机、工业控制设备、军工装备、游戏机、医疗设备和网络设备等。

操作系统的特征

操作系统的特征

（1）并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
（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共同使用。 资源共享有
两种方式，即互斥共享和同时共享。
（3）虚拟：是指通过某种技术把一个物理实体变成若干逻辑上的对应物。
（4）异步性：进程以不可预知的速度向前推进。

操作系统的功能

内存管理

内存管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用内存，提高内存的利用率，以及从逻辑上扩充内存以实现虚拟存储。为此，内存管理应具有内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充功能。

（1）内存分配：内存分配的主要任务是为每道程序分配内存空间。可采用两种分配方式，即静态分配方式和动态分配方式。为了实现内存分配，需要以下数据结构和功能支持：用于内存分配数据结构、内存分配功能和内存回收功能。
（2） 内存保护：内存保护的任务：一是使操作系统内核的空间不会被用户随意访问，以保证系统的安全和稳定；二是确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互不干扰。实现方式可以采用界限寄存器存放允许程序访问的地址区间的上限和下限值。
（3） 地址映射： CPU 执行程序过程中访问内存时，需要把程序的逻辑地址转变为物理地址，这个转换的过程称为地址映射。
（4）内存扩充：内存扩充的任务是借助虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量，使系统能够向用户提供比物理内存大的存储容量。为了能从逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制，以实现请求调入功能和置换功能。

进程管理

进程可以被认为是程序的执行实体。进程管理功能主要包括进程的描述与组织、进程控制、进程同步、进程通信及进程调度。进程控制完成进程创建、撤销进程、唤醒进程和阻塞进程等操作。

设备管理

设备管理主要完成用户的 I/O 请求，为用户分配 I/O 设备。为了完成这些任务，设备管理应具有以下功能：

（1）缓冲管理
（2）设备分配
（3）设备处理
（4）设备独立性和虚拟设备。

文件管理

（1）文件存储空间的管理：为每个文件分配必要的外存空间，提高外存利用率，并能
有助于提高访问文件的速度。
（2）目录管理：为每个文件建立目录项并对众多目录项进行有效组织。
（3）文件的读、写管理和存取控制：根据用户的请求，从外存中读取数据或将数据写
入外存。防止未经核准的用户存取文件，防止冒名顶替存取文件，防止以不正确的方式使用
文件。

提供用户接口

为了方便用户使用操作系统，操作系统向用户提供了用户与操作系统之间的接口。操作系统向最终用户提供命令行和图形用户接口，向程序员提供应用程序与操作系统之间的接口即系统调用。

命令接口又可分为联机用户接口和脱机用户接口。

操作系统的体系结构

简单的监控程序模型

这种系统的功能相当简陋，任意时刻系统中只能运行一个任务，这样保证了对系统信息的互斥访问，保护了系统数据的安全。

单体结构模型

单体结构模型中，所有的软件和数据结构都放置在一个逻辑模块中，对外层的用户程序提供一个完整的内核界面——系统调用。整个系统由若干具有一定独立功能的子程序组成，系统各部分之间没有确定的位置概念，彼此间没有信息隐藏，允许任一子程序调用其它子程序。因此，它的特点是结构简单，便于理解和实现，而且系统所有部分都集中在一个内核中，效率较高。缺点也很明显，由于各子程序间可以互相调用，系统结构关系复杂，容易引起循环调用和死锁。

层次结构模型

层次结构模型为系统中各个模块赋予了位置的理念。在操作系统的系统结构中，各个模块都有相对固定的位置、相对固定的层次。层与层之间有严格的接口定义，并且每一层只依赖于它下层提供的服务而工作，不能访问上层所提供的服务。这样组织的好处是方便了操作系统的实现、调试和测试。“分层”结构使操作系统中各模块间的组织和依赖关系清晰明了，系统的可读性、可靠性和可移植性都得到了增强。此外，对某一层的修改或替换只影响邻近的两层，便于系统的维护和扩充。

客户/服务器模型与微内核结构

微内核技术的核心思想是核心功能外移，即把传统操作系统内核中的一些组成部分放到内核之外作为一个独立的服务器进程来实现，在微内核中只保留了操作系统最基本的功能，包括处理机调度，存储管理和消息通信等，这些服务器借助于微内核传递消息来实现相互之间的交互。
微内核结构带来的好处是系统结构清晰，具有较高的灵活性、可靠性和可维护性；其次是可靠性好；再者，微内核体积小，便于测试、管理和维护，而且修改服务器的代码也不会影响系统其他部分。另外，微内核结构完全适宜于网络环境及分布式计算模型。但是，微内核设计有一个严重的缺点是效率不高。

微内核结构的操作系统有两个发展方向：向通用操作系统的方向发展和嵌入式操作系统。

动态可扩展结构模型

动态可扩展结构的基本思想就是在运行过程中，能够动态地实现系统行为扩展的结构，也可称之为弹性结构。

动态可扩展结构的操作系统具有很好的扩展性和灵活性。缺点是系统的安全性较低，内核抽象的安全必须由用户来保证，这也增加了用户的负担。

指令的执行

指令周期

一个单一指令需要的处理称为指令周期。

取指令和执行指令

（1） 取指令：在每个指令周期开始时，处理器从存储器中取一条指令。
（2） 执行指令：取到的指令被放置在处理器的指令寄存器 IR 中。指令中包含确定处理器将要采取动作的位，处理器解释指令并执行要求的动作，这些动作可分为4 类：

• 处理器与存储器之间的指令或数据传送操作；
• 处理器与 I/O 设备之间的指令或数据传送操作；
• 算术运算操作或逻辑运算操作；
• 控制操作。