操作系统 | 操作系统导论

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目录​​​​​​​

操作系统组成及作用

操作系统目标

操作系统作用

用户视角

系统视角

操作系统定义

现代计算机系统

计算机系统操作

系统启动

引导程序（Boostrap Program）

多道程序设计和分时系统

简单批处理系统

批处理系统

多道程序系统

并行和并发的区别

分时系统

操作系统类型

大型机系统

桌面系统

手持（移动）系统

嵌入系统

分布式系统

多处理其系统

多核处理器系统

集群系统

多核/多处理器系统分类

操作系统操作

双重模式操作

I/0和内存保护

定时器

操作系统功能

进程管理

内存管理

文件管理

I/O系统管理

操作系统组成及作用

从上到下依次是：

用户 --- 系统和应用程序 --- 操作系统 --- 计算机硬件

操作系统目标

• 管理计算机硬件的程序；
• 在用户和计算机硬件之间的中介。

主要目标：

• 核心目标：运行用户程序
• 面向用户：更加方便使用计算机
• 面向系统：更加高效使用计算机

不用用户和系统的不同侧重点

• 早期：追求高效性
• 目前：追求方便性

操作系统作用

用户视角

系统视角

操作系统定义

极大化定义：当预定一个操作系统时零售商所装的所有东西可以统称为操作系统。

极小化定义：内核才是操作系统。

• 一直运行在计算机上的程序；
• 其他程序为系统程序和应用程序；
• 内核不运行则计算机无法运行。

现代计算机系统

• 一个或多个CPU和内存系统；
• 若干个由总线相连接的设备控制器和设备；
• 总线系统；
• CPU和设备控制器可以并行工作，也可以竞争内存。

计算机系统操作

每个设备控制器有一个本地缓冲。

CPU在内存和本地缓冲之间传输数据。

I/O控制器从设备到本地缓冲之间传输数据。

协作：控制器通过调用中断通知CPU完成操作。

• 中断：指当出现需要时，CPU暂停当前程序的执行，转而执行处理新情况的程序和执行过程。
• 中断号：外部设备进行I/O操作时产生的中断信息，发送给CPU。

系统启动

引导程序（Boostrap Program）

• 在打开电源或重启时被装载。
• 通常位于ROM或EPROM中，成为Firmware（固件）。
• 初始化所有硬件。
• 负责装入操作系统内核并开始运行。

多道程序设计和分时系统

简单批处理系统

自动作业调度

• 自动从一个运行完的作业转换到下一个作业。

常驻监控程序（Monitor）

• 控制作业传输
• 调度作业运行

单道程序设计

批处理系统

批处理

• 用户将一批作业提交操作系统后就不再干预，由操作系统控制它们自动运行。

批处理操作系统

• 采用批量作业技术的操作系统
• 分为单道批处理系统和多道批处理系统
• 不具有交互性，提高了CPU的利用率

多道程序系统

单用户通常不能总使得CPU和设备在所有时间内都忙碌。

多道程序设计：在内存中同时存在多道作业，在管理程序控制下相互穿插运行。

• 通过作业调度选中一个作业并运行。
• 当该作业必须等待时，切换到另一个作业。
• 目的：提高CPU利用率，并充分发挥计算机系统部件的并行性。
• 现代操作系统广泛采用多道程序设计技术。

并行和并发的区别

并行：指两个或多个作业同时在某一时刻运行。

并发：指两个或多个作业在同一时间间隔内依次运行。

分时系统

分时系统（或多任务）是多道程序设计的延伸。

• 一种联机的多用户交互式的操作系统。
• 采用时间片轮训方式使用一台计算机为多个用户服务。
• 在单位时间内，每个用户获得一个时间片并运行。
• 保证用户获得足够小的响应时间，并提供交互能力。

分时系统原理

• 如果某个作业在分配的时间片用完之前没有完成，该作业就暂时中断，等待下一轮；此时，处理机让给另一个作业使用。
• 每个用户好像独占一台计算机（因为时间片足够小）。

作业分类

• 批处理作业
• 交互作业：相应时间<1s；多道程序设计技术。

时间片

• 把一段CPU时间按照固定单位进行分割， 每个分割得到的时间段称为一个时间片。
• 每个任务依次轮流使用时间片。

操作系统类型

大型机系统

桌面系统

手持（移动）系统

嵌入系统

分布式系统

多处理其系统

多核处理器系统

集群系统

多核/多处理器系统分类

对称多处理系统（Symmetric Multiprocessing, SMP）

• 每个处理器运行操作系统的相同副本。
• 许多进程可以立即运行不会降低性能。
• 多数现代操作系统支持SMP。

非对称多处理系统（Asymmetric Multiprocessing, ASMP）

• 每个处理器不对等。
• 一个主处理器，若干了存储利器。
• 主处理器为从处理器安排任务。
• 一般用于特定的场景，如游戏、通讯等。
• 不适合PC，但适合手机等要求功耗的设备。

操作系统操作

双重模式操作

程序运行中的问题

• 软件错误或特定请求产生异常或者陷阱（除数为零等）。
• 其他的进程问题（死循环等）。

解决方法：双重模式

• 允许OS保护自身和其他系统部件。
• 用户模式（User mode）和内核模式（Kernel mode）。
• 由硬件提供模式位。
• 特权指令：可能引起系统崩溃的指令，智能运行在内核模式中。

模型转换方法：系统调用

I/0和内存保护

I/O保护

• 防止用户程序执行非法I/O。
• 解决方法：所有I/O指令都是特权指令。
• 用户程序通过系统调用进行I/O操作。

内存保护

• 防止内存非法访问。
• 解决方法：存储保护机制。
• 例子：基址寄存器和限长寄存器的应用。

定时器

如果操作系统不能获得CPU控制权，就无法管理系统

• 用户程序死循环。
• 用户程序不调用系统调用。

解决方法：定时器

• 在一段时间后发生中断，CPU控制权返回操作系统。
• 固定时间和可变时间定时器。
• 利用时钟和计数器实现。

操作系统功能

进程管理

操作系统核心目标：运行程序。

进程：运行中的程序。

具体内容

• 创建和删除用户和系统进程。
• 暂停和恢复进程。
• 提供进程同步、通信和死锁处理机制。

内存管理

程序运行中必须的存储设备

• CPU只能直接访问寄存器、高速缓存和内存。
• 处理前和处理后的所有数据都在内存。
• 执行的指令都在内存。

内存管理：提供内存的分配、回收、地址转换、共享和保护等功能。

• 提高内存利用率。
• 提高内存访问速度，从而提高计算机运行效率。’

文件管理

解决信息在计算机中的存储问题。

以文件为单位，以目录为组织方式构建文件系统。

内容

• 文件逻辑结果、文件物理结构。
• 目录。
• 文件检索方法，文件操作。
• 空闲空间管理，存储设备管理。

I/O系统管理

管理种类繁多的各种I/O设备，解决计算机中信息的输入和输出问题。

关键：设备无关性（独立性）

• 所有物理设备按照物理特性抽象为逻辑设备。
• 应用程序针对逻辑设备编程，且和物理设备无关。

内容

• 设备管理和设备驱动。

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