计算机操作系统 汤子瀛（慕课版）
第1章 操作系統引論
操作系統
①是配置在計算機硬件上的第一層軟件，是對硬件系統的首次擴充，
②主要用于管理硬件設備，提高他們的利用率和系統吞吐量
③為用戶和應用程序提供簡單的接口，以便用戶和應用程序使用硬件設備
④OS是計算機系統中最基礎，最重要的系統軟件
操作系統的目標
①方便性，如果計算機只有硬件系統，操作員只能通過機器指令進行編程，具體按鈕進行操作，十分繁雜，有了操作系統就可以屏蔽部分機器指令，用戶可以通過高級語言編碼，經編譯程序翻譯為機器語言，執行指令或者直接使用OS提供的各種命令來操作計算機
②有效性，提高系統資源的利用率，提高系統的吞吐量，有效管理與控制軟硬件資源
③可擴充性，適應計算機硬件，體系結構以及應用發展的要求；OS從早期的無結構發展為模塊化結構，到分層式結構，再到近年來的微內核結構/外核；結構可方便添加新的功能和模塊，以及對原有功能模塊進行修改，具有良好的可擴充性，擴充軟硬件不會對OS產生很大影響
④開放性，為解決計算機軟硬件兼容問題；系統遵循國際標準，特別是遵循開放系統互連參考模型（open system interconnect, OSI）
其中方便性和有效性是OS最重要的兩個目標
操作系統的作用
對計算機系統進行統一管理與調度，提供各種強有力的服務，人機交互，資源管理，資源抽象等
1.OS作為用戶與計算機硬件系統之間的接口；向上提供服務，向下管理資源；
2.OS作為計算機系統資源的管理者
計算機中含有多種軟件資源和硬件資源，這些資源大致分為4類：處理機，存儲器，I/O設備，文件資源/信息（程序和數據）
操作系統的對應功能就是針對這四類資源的有效管理，處理機管理負責處理機的分配與控制；存儲器管理負責內存的分配與控制；I/O設備管理負責I/O設備的分配（回收）與操縱；文件管理負責文件的存取，共享與保護等。
3.OS實現了對計算機資源的抽象
在裸機上鋪設的I/O軟件，隱藏了I/O設備的具體細節，向上提供了一組抽象的I/O設備
OS的工作補充
完成程序的執行；完成與硬件相關的工作；完成與應用無關的工作；計算機的效率與安全問題（OS的安全問題）
課后實踐
OS原理與實際運用OS的關系
操作系統發展的主要動力
1.不斷提供的計算機系統資源的利用率
2.方便用戶
3.器件不斷更新換代
4.計算機體系結構不斷發展
5.不斷提出新的應用要求
操作系統的發展過程
手工操作—>簡單批處理—>多道批處理—>分時系統—>實時系統—>微機，多處理機，網絡，分布式OS
未配置操作系統的計算機
1.人工操作方式
特點：用戶獨占全機，CPU等待人工操作
缺點：人工操作的方式嚴重降低了計算機資源的利用率（問題主要表現在，人工操作方式下紙帶的裝填速度，明顯慢于CPU的運行速度），所謂人機矛盾；CPU與I/O設備之間速度不匹配的矛盾更加突出；
解決方式：通道技術，緩存技術，但并未很好地解決上述矛盾，直至引入脫機I/O技術
2.脫機I/O方式
優點：
減少CPU的空閑時間——數據是在外圍機控制下輸入到高速磁帶當中，脫機控制，并不占用主機時間
提高了I/O速度——當CPU需要數據時，數據直接從高速磁帶輸入內存，極大提高了I/O速度，進一步減少了CPU空閑時間
為解決CPU與I/O設備之間速度不匹配的問題
由于程序和數據的輸入和輸出都是在外圍機的控制下完成的，或者說，他們都是在脫離主機的情況下進行的，故稱其為脫機控制方式
（將要輸入的的用戶程序和數據通過外圍機輸入到磁帶當中保存，當CPU需要這些程序和數據時再通過磁帶調入內存；當需要輸出時，CPU將數據從內存高速地送到磁帶上，然后在另一臺外圍機的控制下將數據通過相應的輸出設備輸出）
單道批處理系統
特性與研發目的
自動性：作業挨個處理，無人工干預
單道性：內存中僅有一道程序，順序性（先進先出）
單道批處理系統研發目的：為了能充分提高計算機的利用率，應盡量保持系統連續運行，即使其在處理完一個作業后，緊接著處理下一個作業，減少系統空閑時間
單道批處理系統的處理過程
作業以脫機方式輸入到磁帶上，并在系統中配上監督程序。在監督程序的控制下，這批作業能一個接一個地被連續處理；
處理過程：監督程序將磁帶上的第一個作業裝入內存，并把運行控制權交給該作業；當作業處理完成時，又把運行控制權交還給監督程序，直到這批作業處理完畢；
單通道批處理系統的流程圖
?單道批處理系統的缺點
系統中的資源得不到充分利用——內存中僅有一道程序，每逢該程序在運行中發出I/O請求后，CPU便會處于等待狀態，并且必須在該程序I/O完成后才能繼續運行
計算機內存資源被浪費，多種I/O設備也未被很好利用
多道批處理系統
多道程序設計的基本概念
多道——宏觀并行，微觀串行，內存同時駐留多道程序容許并發執行
無序性——受資源影響，進出順序不一致
成批處理
設計目的：為進一步提高資源利用率和系統吞吐量
執行流程：用戶所提交作業放于外存，并形成一個“后備隊列”
? ? ? ? ? ? ? ? ? 作業調度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干個作業調入內存，使他們共享CPU和系統中的各種資源；
由于內存中裝有若干道程序，在運行程序A時，利用因其I/O操作而暫停執行時的CPU空擋時間，再調度另一道程序B執行
多道批處理系統的優缺點
資源利用率高
系統吞吐量大
平均周轉時間長
無交互能力
多道批處理系統需解決的問題
爭用處理機問題
內存分配與保護問題
I/O設備分配問題
文件的組織與管理問題
作業管理問題
用戶與系統的接口問題
OS是一組能有效地組織和管理計算機軟硬件資源，合理地對各類作業進行調度，以及方便用戶使用的程序集合
分時系統
分時系統的引入
為滿足人機交互的需求
特點：人機交互，共享主機
分時系統：在一臺主機上連接多個配有顯示器和鍵盤的終端所形成的系統
分時系統實現過程的關鍵
及時接收——多路卡，實現多路復用；配置緩沖區
及時處理——作業直接進入內存，只進行一次調度，作業直給CPU；引入時間片，輪轉運行方式（2s響應 2ms處理）
分時系統的特征
多路性，多終端同連一臺主機，按分時原則為每個用戶服務
獨立性，feeling 一人獨占主機
及時性，用戶的請求能在很短的時間內得到相應(通常為1-3s)
交互性，用戶通過終端與系統進行廣泛的人機對話
實時系統
實時系統——系統能及時響應外部事件的請求，在規定事件內完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協調一致地運行
實時系統的類型
工業控制系統
信息查詢系統
多媒體系統
嵌入式系統
實時性任務的類型
周期性實時任務和非周期性實時任務
硬實時任務和軟實時任務（對截至時間的要求）
實時系統與分時系統特征的比較
實時控制系統——周期性對多路現場進行信息采集，并對多個對象或多個執行機構進行控制
多路性——裝置與設備，對多個執行機構進行控制
獨立性——獨立控制某一裝置，設備
及時性——畫面流暢，聲音連貫
交互性
可靠性
微機操作系統
單用戶單任務OS（早期的8，16位OS，用戶上機，僅用于單個任務）
單用戶多任務OS
多用戶多任務OS
?提高算力的兩種方式：量大，性能高
嵌入式操作系統
嵌入式系統——專用計算機系統
嵌入式OS——基于嵌入式系統的OS
嵌入式OS的特點
系統內核小——一般用于小型電子裝置，系統資源相對有限，因此其內核較傳統OS要小的多
系統精簡——既可以控制系統成本也有利于系統安全
實時性高——嵌入式系統的基本要求
具有可配置性
網絡操作系統
什么是網絡操作系統
用于計算機網絡環境下對網絡資源進行管理和控制，實現數據通信及對網絡資源的共享，為用戶提供網絡資源接口的一組軟件和規程的集合。
網絡操作系統建立在網絡中的計算機各自不同的單處理OS上，為用戶提供使用網絡資源的橋梁
常見的局域網上的OS有UNIX，linux等
網絡操作系統的特征
硬件獨立性，接口一致性，資源透明性，系統可靠性，執行并行性
網絡OS的功能
網絡OS涵蓋了單處理機OS的全部功能，還具有支持數據通信，應用互操作，網絡管理等功能
為實現網絡中計算機之間的數據通信，網絡操作系統具有如下基本功能:
①連接的建立與拆除；
②報文的分解與組裝；
③傳輸控制；
④流量控制；
⑤差錯的檢測與糾正；
分布式操作系統
分布式系統
分布式系統（distributed system），基于軟件實現的多處理機系統，是多個處理機通過通信線路互聯而構成的松散耦合系統，系統的處理和控制功能分散在各個處理機上；
分布式操作系統是利用軟件系統方式構建在計算機網絡上的一種多處理機系統；
分布式OS的特點
分布性?
透明性
同一性
全局性
分布式OS的功能
涵蓋單機處理機OS的主要功能
通信管理功能
資源管理功能
進程管理功能
操作系統的基本特性
并發與并行
系統中的程序可以并發執行，從而有效提高了系統的資源利用率，提高了系統的吞吐量
并行：兩個或多個事件在同一時刻發生
并發：兩個或多個事物在同一間隔時間內發生
缺點:使系統復雜化，共享CPU，內存，I/O設備，發生資源爭奪
共享
互斥共享，在一段時間內只允許一個進程訪問，如打印機，磁帶機，棧，變量，表格等；協調不好可能會產生死鎖；在一段時間內只允許一個進程訪問的資源稱為臨界資源（或獨占資源）
同時共享
在一段時間內，允許多個進程對其進行訪問（宏觀同時，微觀交替進行）如，磁盤設備（不會導致死鎖），可重入代碼編寫的文檔
虛擬
時分復用技術
在為某一用戶服務的空閑時間，轉而去為另一用戶服務
虛擬機處理機技術，利用多道程序設計技術，為每道程序建立至少一個進程，使多道程序并發執行；我們把用戶所感受到的處理機稱為虛擬處理機
虛擬設備技術，將物理上的I/O設備，虛擬為多臺邏輯上的I/O設備，并允許每個用戶占一臺邏輯上的I/O設備
空分復用技術
利用存儲器的空閑時間（如某道程序阻塞時被換出到外存而空出來的內存空間）來存放其他程序以提高內存的利用率
虛擬存儲技術
本質：實現內存的分時復用（一次只抽取程序的部分在內存當中運行），邏輯上擴充內存含量
磁盤：磁道與扇區；引導程序存放在0磁—0扇區，引導程序定位到OS內核（精簡版的OS），并將其加載到內存中
異步
由于資源等因素的限制，進程通常不是一下執行完畢（一氣呵成），而是以走走停停的方式；
操作系統的運行環境
硬件支持
操作系統內核
常駐內存，與硬件緊密相關
ctrl C 操作員控制中斷
內核功能：
1.支撐功能
? ? ? ? ①中斷處理?
? ? ? ? ②時鐘管理
? ? ? ? ③原語操作，原語，由若干條指令組成的，用于完成一定功能的過程；與一般過程的區別在于，他是原子操作，操作過程中的動作一次性完成，不可分割，即原子性
2.資源管理功能
? ? ? ? ①進程管理
? ? ? ? ②存儲器管理
? ? ? ? ③設備管理
處理機的雙重工作模式
雙重模式提供了保護手段，以防止OS和用戶程序受到錯誤用戶程序的影響，如，將可能引起損害的機器指令當成特權指令，硬件只有在內核狀態下才允許執行特權指令；其他指令為非特權指令
處理機的雙重工作模式視圖
?內核態（0）也稱系統態，管態
?用戶態（1）也稱目態
特權指令
在內核態下運行的指令，它對內存空間的訪問范圍基本不受限制。可訪問用戶空間，系統空間，（切換到用戶態的指令也是特權操作）
非特權指令
在用戶態下運行的命令，應用程序完成的指令，只能完成一般的操作和任務，不能對系統的硬件和軟件進行直接的訪問，對內存的訪問局限于用戶空間，可防止應用程序的運行異常對系統造成破壞
中斷與異常
現代操作系統是中斷驅動的，中斷是硬件通過系統總線發送信號到CPU來觸發的
指令：CPU執行
執行程序：位于內存
引導程序：位于固件，定位OS內核并將其加載到內存中
事件：硬件中斷或軟件中斷
程序：位于外存
總結
以上是生活随笔為你收集整理的计算机操作系统 汤子瀛（慕课版）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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