1. 操作系统的目标和作用

操作系统的目标与应用环境有关。

• 在查询系统中所用的OS，希望能提供良好的人—机交互性；

• 对于应用于工 业控制、武器控制以及多媒体环境下的OS，要求其具有实时性；

• 对于微机上配置的OS，则更看重的是其使用的方便性。

1.1. 操作系统的目标

• 方便性

• 有效性

• 可扩充性

• 开放性

1.2 操作系统的作用

• OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口。

1. 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。

1. 用户在OS帮助下能够方便、快捷、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。

• OS作为计算机系统资源的管理者。

OS的主要功能是对处理机、存储器、I/O设备以及文件(数据和程序)这四类资源进行有效的管理。

1. 处理机管理是用于分配和控制处理机；

2. 存储器管理主要负责内存的分配与回收；

3. I/O设备管理是负责I/O设备的分配(回收)与操纵；

4. 文件管理是用于实现对文件的存取、共享和保护。

• OS实现了对计算机资源的抽象。

1. 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。

   

1. 为了方便用户使用I/O设备，人们在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件，由它来实现对I/O设备操作的细节，并向上将I/O设备抽象为一组数据结构以及一组I/O操作命令（如read和write命令），这样用户即可利用这些数据结构及操作命令来进行数据输入或输出，而无需关心I/O是如何具体实现的。

   

1.3 推动操作系统发展的主要动力

• 不断提高计算机资源利用率；

• 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。

2, 操作系统的发展过程

• 在20世纪50年代中期，出现了第一个简单的批处理OS；

• 60年代中期开发出多道程序批处理系统；不久又推出分时系统，与此同时，用于工业和武器控制的实时OS也相继问世。

• 20世纪70到90年代，是VLSI和计算机体系结构大发展的年代，导致了微型机、多处理机和计算机网络的诞生和发展，与此相应地，也相继开发出了微机OS、多处理机OS和网络OS，并得到极为迅猛的发展。

2.1 未配置操作系统的计算机系统

1. 人工操作方式；

   人工操作方式有以下两方面的缺点：

   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。

2. 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式；

   • 为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，20世纪50年代末出现了脱机I/O技术。

   • 事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在一台外围机的控制下，把纸带(卡片)上的数据(程序)输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上高速地调入内存。

2.2 单道批处理系统

• 单道批处理系统的处理过程：

  1. 先把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序(Monitor)；

  1. 在它的控制下，使这批作业能一个接一个地连续处理。

• 单道批处理系统的缺点：

  1. 单道批处理系统最主要的缺点是系统中的资源得不到充分的利用。这是因为在内存中仅有一道程序，每逢该程序在运行中发出I/O请求后，CPU便处于等待状态，必须在其I/O完成后才继续运行。

  2. 又因I/O设备的低速性，更使CPU的利用率显著降低。

2.3 多道批处理系统

• 多道程序设计的基本概念：

  

  宏观并行，微观串行。

• 多道批处理系统的优点：

  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：

     ① CPU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。

• 多道批处理系统的缺点：

  1. 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。

  1. 无交互能力。

     用户一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。

• 多道批处理系统需要解决的问题：

  1. 处理机争用问题；

  1. 内存分配和保护问题

  2. I/O设备分配问题；

  3. 文件的组织和管理问题；

  4. 作业管理问题；

  5. 用户与系统的接口问题。

2.4 分时系统

• 分时系统的引入：

  • 推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提高资源利用率和系统吞吐量。

  • 推动分时系统形成和发展的主要动力是为了满足用户对人—机交互的需求。

  • 分时系统的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。

• 分时系统实现中的关键问题：

  在多道批处理系统中，用户无法与自己的作业进行交互的要原因是：作业都先驻留在外存上，即使以后被调入内存，也要经过较长时间的等待后方能运行，用户无法与自己的作业进行交互。

• 分时系统的特征：

  1. 多路性；

  2. 独立性；

  3. 及时性；

  4. 交互性；

2.5 实时系统

• 实时系统的类型：

  1. 工业(武器)控制系统；

  2. 信息查询系统；

  3. 多媒体系统；

  4. 嵌入式系统。

• 实时任务的类型：

  1. 周期性实时任务和非周期性实时任务;

  2. 硬实时任务和软实时任务。

• 实时系统与分时系统特征的比较：

  1. 多路性；

  2. 独立性；

  3. 及时性；

  4. 交互性；

  5. 可靠性。

2.6 微机操作系统的发展

• 单用户单任务操作系统：

  1. CP/M

  1. MS-DOS

• 单用户多任务操作系统：

  单用户多任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。

• 多用户多任务操作系统

  • 多用户多任务操作系统的含义是，允许多个用户通过各自的终端，使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。

  • 在大、中和小型机中所配置的大多是多用户多任务操作系统，而在32位微机上，也有不少配置的是多用户多任务操作系统，其中最有代表性的是UNIX OS。

3. 操作系统的基本特性

四个基本特征：并发、共享、虚拟和异步。

3.1 并发

系统中的程序能并发执行这一特征，才使得OS能有效地提高系统中的资源利用率，增加系统的吞吐量。

• 并行与并发：

  • 并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；

  • 并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

3.2 共享

• 互斥共享方式：

  系统中的某些资源虽然可以提供给多个进程(线程)使用，但应规定在一段时间内，只允许一个进程访问该资源。

  为此，在系统中应建立一种机制，以保证多个进程对这类资源的互斥访问。

• 同时访问方式：

  • 在宏观意义上，系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。

  • 在微观上，这些进程对该资源的访问是交替进行的。

  典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备。一些用重入码编写的文件也可以被“同时”共享，即允许若干个用户同时访问该文件。

共享和并发互存

3.3 虚拟

在OS中，把通过某种技术将一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物的功能成为“虚拟”。

• 时分复用技术：

  1. 虚拟处理机技术；

  2. 虚拟设备技术。

• 空分复用技术：

  早期的频分复用技术只能将一条物理信道划分为几条到几十条话路；

  后来又很快发展到成千上万条话路，每条话路供一对用户通话；

  再后来在计算机中也把空分复用技术用于对存储空间的管理，用以提高存储空间的利用率。

3.4 异步

在OS中配置有完善的进程同步机制，且运行环境相同，则作业即便经过多次运行，也会得到完全相同的结果。因此异步运行方式是允许的。

在多道程序环境下，系统允许多个进程并发执行。在单处理机环境下，由于系统中只有一台处理机，因而每次只允许一个进程执行，其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源要求时，如打印请求，而此时打印机正在为其它进程打印，由于打印机属于临界资源，因此正在执行的进程必须等待，并释放出处理机，直到打印机空闲，并再次获得处理机时，该进程方能继续执行。可见，由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不可能“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。

4. 操作系统的主要功能

传统的OS中应具有处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理等基本功能。此外，为了方便用户使用OS，还需向用户提供方便的用户接口。

4.1 处理机管理功能

• 进程控制；

• 进程同步；

• 进程通信；

• 调度。

  1. 作业调度；

  2. 进程调度。

4.2 存储器管理功能

• 内存分配：

  1. 为每道程序分配内存空间，使它们“各得其所”。

  2. 提高存储器的利用率，尽量减少不可用的内存空间(碎片)。

  3. 允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。

• 内存分配的两种方式：

  OS在实现内存分配时，可采取静态和动态两种方式：

  1. 静态分配方式。

     每个作业的内存空间是在作业装入时确定的，在作业装入后的整个运行期间不允许该作业再申请新的内存空间，也不允许作业在内存中“移动”。

  1. 动态分配方式。

     每个作业所要求的基本内存空间虽然也是在装入时确定的，但允许作业在运行过程中继续申请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增长，也允许作业在内存中“移动”。

• 内存保护：

  • 确保每道用户程序都仅在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。

  • 绝不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，也不允许用户程序转移到非共享的其它用户程序中去执行。

• 地址映射：

  1. 在多道程序环境下，由于每道程序经编译和链接后所形成的可装入程序其地址都是从0开始的，但不可能将它们从“0”地址(物理)开始装入内存，致使(各程序段的)地址空间内的逻辑地址与其在内存空间中的物理地址并不相一致。

  1. 为保证程序能正确运行，存储器管理必须提供地址映射功能，即能够将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的支持下完成。

• 内存扩充：

  • 内存扩充并非是从物理上去扩大内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多，以便让更多的用户程序能并发运行。

  • 这样既满足了用户的需要，又改善了系统的性能。

  • 为了能在逻辑上扩充内存，系统必须设置内存扩充机制(包含少量的硬件)，用于实现下述各功能：

    1. 请求调入功能。

    2. 置换功能。

4.3 设备管理功能

• 完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配所需的I/O设备，并完成指定的I/O操作。

• 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。

为实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理以及虚拟设备等功能。

4.4 文件管理功能

• 文件存储空间管理；

• 目录管理；

• 文件的读/写管理和保护。

4.5 操作系统与用户之间的接口

• 用户接口：

  1. 联机用户接口。

  2. 脱机用户接口。

  3. 图形用户接口。

• 程序接口：

  程序接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径。

  它是由一组系统调用组成的，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序。每当应用程序要求OS提供某种服务(功能)时，便调用具有相应功能的系统调用(子程序)。

4.6 现代操作系统的新功能

• 系统安全：

  1. 认证技术。

  2. 密码技术。

  3. 访问控制技术。

  4. 反病毒技术。

• 网络的功能和服务：

  1. 网络通信。

  2. 资源管理。

  3. 应用互操作。

• 支持多媒体：

  1. 接纳控制功能。

  2. 实时调度。

  3. 多媒体文件的存储。

5. OS结构设计

5.1 传统操作系统结构

• 无结构操作系统：

  在早期开发操作系统时，设计者只是把他的注意力放在功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾一致的设计思想。

  此时的OS是为数众多的一组过程的集合，每个过程可以任意地相互调用其它过程，致使操作系统内部既复杂又混乱，因此，这种OS是无结构的，也有人把它称为整体系统结构。

• 模块化结构OS：

  1. 模块化程序设计技术的基本概念。

     该技术基于“分解”和“模块化”的原则来控制大型软件的复杂度。为使OS具有较清晰的结构，OS不再是由众多的过程直接构成的，而是按其功能精心地划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。

  2. 模块独立性。

     在模块-接口法中，关键问题是模块的划分和规定好模块之间的接口。

     如果我们在划分模块时将模块划分得太小，虽然可以降低模块本身的复杂性，但会引起模块之间的联系过多，从而会造成系统比较混乱；

     如果将模块划分得过大，又会增加模块内部的复杂性，使内部的联系增加，因此在划分模块时，应在两者间进行权衡。

  3. 模块接口法的优点。

     • 提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性。

     • 增强OS的可适应性。

     • 加速OS的开发过程。

  4. 模块接口法的缺点

     • 在OS设计时，对各模块间的接口规定很难满足在模块设计完成后对接口的实际需求。

     • 在OS设计阶段，设计者必须做出一系列的决定(决策)，每一个决定必须建立在上一个决定的基础上，但模块化结构设计中，各模块的设计齐头并进，无法寻找一个可靠的决定顺序，造成各种决定的“无序性”，这将使程序人员很难做到“设计中的每一步决定”都是建立在可靠的基础上，因此模块-接口法又被称为“无序模块法”。

• 分层式结构OS：

  1. 分层式结构的基本概念。

     为了将模块-接口法中“决定顺序”的无序性变为有序性，引入了有序分层法，分层法的设计任务是，在目标系统An和裸机系统(又称宿主系统)A0之间，铺设若干个层次的软件A1、A2、A3、…、An-1，使An通过An-1、An-2、…、A2、A1层，最终能在A0上运行。在操作系统中，常采用自底向上法来铺设这些中间层。

     

     1. 分层式结构的优点。

        • 易保证系统的正确性。

        • 易扩充和易维护性。

     2. 分层式结构的缺点。

        系统效率降低。

        由于层次结构是分层单向依赖的，必须在每层之间都建立层次间的通信机制，OS每执行一个功能，通常要自上而下地穿越多个层次，这无疑会增加系统的通信开销，从而导致系统效率的降低。

5.2 客户/服务器模式

客户/服务模式（Client/Server Model）也可简称为C/S模式。

• 客户/服务器模式的优点：

  1. 数据的分布处理和存储。

  2. 便于集中管理。

  3. 灵活性和可扩充性。

  4. 易于改编应用软件。

5.3 微内核OS结构

• 微内核操作系统的基本概念：

  1. 足够小的内核。 在微内核操作系统中，内核是指精心设计的、能实现现代OS最基本核心功能的小型内核，微内核并非是一个完整的OS，而只是将操作系统中最基本的部分放入微内核。

     这些部分通常包含有：① 与硬件处理紧密相关的部分；② 一些较基本的功能；③ 客户和服务器之间的通信。

     这些OS最基本的部分只是为构建通用OS提供一个重要基础，这样就可以确保把操作系统内核做得很小。

  2. 基于客户/服务器模式。 由于客户/服务器模式具有非常多的优点，故在单机微内核操作系统中几乎无一例外地都采用客户/服务器模式，将操作系统中最基本的部分放入内核中，而把操作系统的绝大部分功能都放在微内核外面的一组服务器(进程)中实现。

     如用于提供对进程(线程)进行管理的进程(线程)服务器、提供虚拟存储器管理功能的虚拟存储器服务器、提供I/O设备管理的I/O设备管理服务器等，它们都是被作为进程来实现的，运行在用户态。

     客户与服务器之间是借助微内核提供的消息传递机制来实现信息交互的。

     

  3. 应用“机制与策略分离”原理。

     在现在操作系统的结构设计中，经常利用“机制与策略分离”的原理来构造OS结构。

     所谓机制，是指实现某一功能的具体执行机构。而策略，则是在机制的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。

  4. 采用面向对象技术。

     操作系统是一个极其复杂的大型软件系统，我们不仅可以通过结构设计来分解操作系统的复杂度，还可以基于面向对象技术中的“抽象”和“隐蔽”原则控制系统的复杂性，再进一步利用“对象”、“封装”和“继承”等概念来确保操作系统的“正确性”、“可靠性”、“易修改性”、“易扩展性”等，并提高操作系统的设计速度。

     正因为面向对象技术能带来如此多的好处，故面向对象技术被广泛应用于现代操作系统的设计中。

• 微内核操作系统的基本功能：

  1. 进程(线程)管理；

  2. 低级存储器管理；

  3. 中断和陷入处理。

• 微内核操作系统的优点：

  1. 提高了系统的可扩展性。

  2. 增强了系统的可靠性。

  3. 可移植性强。

  4. 提供了对分布式系统的支持。

  5. 融入了面向对象技术。

• 微内核操作系统的缺点：

  微内核操作系统的运行效率有所降低。且往往还会引起更多的上下文切换。

6. 补充

• 设计现代OS的主要目标是什么？

  设计现代操作系统（OS）的主要目标可以归纳为以下几点：

  1. 有效性。 有效性指的是操作系统应能有效地提高系统资源利用率和系统吞吐量。这要求操作系统能够高效地管理计算机硬件和软件资源，确保它们得到充分利用。具体来说，操作系统需要通过合理的内存管理、文件系统管理、设备管理等手段，确保计算机硬件资源得到高效利用。同时，操作系统还需要通过任务调度算法，如优先级调度算法和抢占方式等，来优化系统性能，提高系统吞吐量。

  2. 方便性。 方便性指的是配置了操作系统后的计算机应该更容易使用。这要求操作系统提供一个直观易用的界面，使用户能够方便地管理计算机资源。操作系统作为计算机用户与计算机硬件系统之间的接口，需要确保用户能够轻松、高效地与系统进行交互。为此，操作系统通常提供图形用户界面（GUI）和命令行界面（CLI）等多种交互方式，以满足不同用户的需求。

  3. 可扩充性。 可扩充性指的是操作系统应提供良好的系统结构，使得新设备、新功能和新模块能方便地加载到当前系统中，同时也要提供修改老模块的可能。这种对系统软硬件组成以及功能的扩充保证称为可扩展性。随着技术的不断发展，新的硬件设备和软件功能不断涌现，操作系统需要具备良好的可扩展性，以适应这些变化。

  4. 开放性。 开放性指的是操作系统应遵循世界标准规范，如开放系统互连OSI国际标准。这要求操作系统能够与其他系统进行互操作，实现资源共享和互通有无。在现代计算环境中，不同的操作系统和应用程序之间需要进行频繁的数据交换和资源共享。因此，操作系统需要具备开放性，以支持与其他系统的互操作性。

  综上所述，设计现代操作系统的主要目标是实现有效性、方便性、可扩充性和开放性。这些目标相互关联、相互促进，共同构成了现代操作系统的核心设计理念。

• OS的作用可表现在哪几个方面？

  操作系统（OS）的作用可以表现在以下几个关键方面：

  1. 资源管理 硬件资源管理：操作系统负责管理和分配计算机的硬件资源，如CPU、内存、I/O设备和存储设备等。它通过调度算法优化资源使用，确保多个任务或进程能够高效地共享这些资源。 软件资源管理：操作系统还管理软件资源，如文件、目录、数据库和进程等。它提供机制来创建、删除、修改和访问这些资源，确保数据的完整性和安全性。

  2. 提供用户界面 命令行界面（CLI）：操作系统提供命令行界面，允许用户通过输入命令来管理系统和应用程序。 图形用户界面（GUI）：现代操作系统通常还提供图形用户界面，使用户可以通过图形化的元素（如窗口、按钮和菜单）来与系统进行交互。

  3. 程序执行 进程管理：操作系统负责创建、调度、执行和终止进程。它提供机制来管理进程的状态、优先级和同步，以确保系统的稳定性和性能。 线程管理：在支持多线程的操作系统中，它还负责线程的管理，包括线程的创建、调度和同步等。

  4. 文件系统管理 文件存储：操作系统提供文件系统来存储和组织数据。它管理文件的创建、删除、修改和访问权限，确保数据的完整性和安全性。 目录结构：操作系统还管理目录结构，允许用户通过目录来组织和管理文件。

  5. 设备驱动与I/O控制 设备驱动：操作系统提供设备驱动程序来与硬件设备进行通信。这些驱动程序封装了与设备交互的底层细节，使应用程序能够轻松地访问硬件设备。 I/O控制：操作系统还负责I/O操作的调度和控制，以确保设备的高效使用和数据的准确传输。

  6. 网络通信 网络协议支持：现代操作系统通常支持网络通信协议，如TCP/IP，允许计算机与其他计算机进行网络通信。 网络服务：操作系统还提供网络服务，如文件共享、打印共享和远程登录等，使用户能够方便地与其他计算机共享资源和进行协作。

  7. 系统安全 访问控制：操作系统提供访问控制机制来限制对系统资源的访问权限，防止未经授权的访问和操作。 数据加密：一些操作系统还提供数据加密功能来保护敏感数据的安全性。

  8. 错误检测与恢复 错误检测：操作系统能够检测硬件故障、软件错误和异常情况，并采取相应的措施来防止系统崩溃或数据丢失。 恢复机制：操作系统还提供恢复机制来恢复系统到正常运行状态，如重新启动、恢复备份和恢复丢失的数据等。

  综上所述，操作系统在计算机系统中发挥着至关重要的作用，它管理硬件和软件资源、提供用户界面、执行程序、管理文件系统、控制设备I/O、支持网络通信、确保系统安全以及提供错误检测和恢复机制等。

• 为什么说操作系统实现了对计算机资源的抽象？

  操作系统实现了对计算机资源的抽象，这一说法主要体现在以下几个方面：

  1. 硬件资源的抽象

     • I/O设备管理软件的抽象：

       操作系统在计算机裸机上首先覆盖一层I/O设备管理软件，这层软件实现了对计算机硬件操作的第一层次抽象。通过这层抽象，用户无需直接了解硬件设备的具体工作原理和细节，只需通过操作系统提供的接口即可实现对硬件设备的操作和控制。

     • 文件管理软件的抽象：

       在I/O设备管理软件的基础上，操作系统再覆盖一层文件管理软件，实现了对硬件资源操作的第二层次抽象。文件管理软件将硬件设备上的数据存储抽象为文件和目录的形式，用户可以通过文件系统进行文件的创建、删除、读取和写入等操作，而无需关心数据的具体存储位置和存储方式。

  1. 软件资源的抽象：

     操作系统通过提供进程管理、线程管理、内存管理等功能，将计算机的软件资源抽象为一系列可管理的实体。这些实体包括进程、线程、内存块等，用户可以通过操作系统提供的接口对这些实体进行创建、调度、同步等操作。

  1. 系统功能的增强与隐藏操作系统通过在计算机上安装多层系统软件，不仅增强了系统的功能，还隐藏了对硬件操作的细节。这种抽象使得用户无需了解底层的硬件细节和复杂的硬件操作，只需通过操作系统提供的接口即可实现各种功能。

  1. 虚拟机器的概念操作系统向用户提供了一个对硬件操作的抽象模型，这个模型被称为虚拟机器。用户可以利用虚拟机器提供的接口来使用计算机，而无需了解计算机的物理接口和实现细节。这种抽象模型使得用户可以更方便地使用计算机硬件资源，提高了系统的易用性和灵活性。

  综上所述，操作系统通过对计算机硬件和软件资源的抽象，为用户提供了一个简单、易用、功能强大的计算环境。这种抽象不仅降低了用户的使用难度，还提高了系统的稳定性和性能。

• 试说明推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是什么？

  推动多道批处理系统形成和发展的主要动力可以归纳为以下几点：

  1. 提高计算机资源利用率

     随着计算机技术的不断发展，人们逐渐认识到单道程序运行方式下计算机资源利用率低的问题。为了提高资源利用率，多道批处理系统应运而生。该系统允许在内存中同时存放几道相互独立的程序，并使它们交替地运行。这样，在一道程序等待I/O操作时，CPU可以立即转去执行另一道程序，从而充分利用CPU和I/O设备。

  2. 方便用户

     多道批处理系统通过批处理的方式，将多个用户的程序组织成批，然后依次输入计算机进行处理。这种方式减少了用户与计算机之间的交互次数，提高了处理效率。同时，操作系统还提供了作业控制语言，使用户可以方便地描述自己的作业需求，从而进一步简化了用户的使用过程。

  3. 器件的不断更新换代

     随着计算机硬件技术的不断发展，特别是存储器和CPU等关键器件的不断更新换代，为多道批处理系统的形成和发展提供了物质基础。例如，存储容量的增大使得系统可以同时存储更多的程序和数据；CPU性能的提升使得系统可以更快地处理多个任务。这些硬件上的进步为多道批处理系统的实现提供了有力支持。

  4. 计算机体系结构的不断发展

     计算机体系结构的不断发展也为多道批处理系统的形成和发展提供了重要推动。例如，随着中断和通道等硬件机制的出现和完善，操作系统可以更好地管理硬件资源和进程调度。这些机制使得操作系统能够更有效地处理多个任务之间的切换和同步问题，从而提高了系统的性能和稳定性。

  综上所述，推动多道批处理系统形成和发展的主要动力包括提高计算机资源利用率、方便用户、器件的不断更新换代以及计算机体系结构的不断发展。这些因素共同作用，促进了多道批处理系统的形成和发展，并使其成为计算机操作系统发展的重要里程碑。

• 何谓脱机I/O和联机I/O？

  脱机I/O和联机I/O是计算机输入输出操作的两种方式，它们的主要区别在于程序和数据的输入输出是否是在主机的直接控制下进行的。

  脱机I/O（Offline I/O）指的是输入/输出工作不受主机直接控制，而是由外围设备（如纸带输入机、卡片机、磁带机等）专门负责完成。在脱机I/O方式下，用户事先将装有用户程序和数据的纸带或卡片装入输入设备，然后在外围机的控制下，将纸带或卡片上的数据或程序输入到磁带上或内存中，供主机后续处理。这种方式下，主机和外围设备可以并行操作，主机专注于计算任务，而外围设备则负责数据的输入和输出。因此，脱机I/O提高了系统的效率和吞吐量。

  联机I/O（Online I/O）则是指程序和数据的输入输出都是在主机的直接控制下进行的。在联机I/O方式下，用户通过终端或控制台与主机进行交互，主机根据用户的输入和指令来执行相应的操作，并将结果输出到终端或存储设备上。这种方式下，主机和输入输出设备之间的交互是实时的，用户可以直接看到和处理输出结果。联机I/O适用于需要实时交互和响应的应用场景，如交互式系统、实时控制系统等。

  脱机I/O和联机I/O各有优缺点，适用于不同的应用场景。脱机I/O提高了系统的效率和吞吐量，但增加了系统的复杂性和延迟；而联机I/O则提供了实时交互和响应的能力，但可能受到主机处理速度和输入输出设备性能的限制。在实际应用中，需要根据具体的需求和资源情况来选择合适的输入输出方式。

• 试说明推动分时系统形成和发展的主要动力是什么？

  推动分时系统形成和发展的主要动力是为了更好地满足用户的需要，具体表现在以下几个方面：

  1. 缩短了作业周转时间

     在批处理系统中，用户将作业提交给系统后，需要等待一批作业都运行完成后才能得到结果。这对于那些运行时间很短的小作业用户来说是不愿接受的。分时系统则是分时为每个终端用户服务，当一个程序运行结束时，用户立即可获得结果，而无需等到所有用户程序都运行结束。这种方式显著缩短了作业的平均周转时间，提高了用户的满意度。

  1. 提供了人机交互能力

     在批处理系统中，用户一旦把作业提交给系统，就失去了对作业的控制能力。为了使系统能够运行作业，用户还需编写作业说明书，并在作业说明书中给出作业运行中可能出现的各种情况的处理方法，这无疑增加了用户的难度。分时系统提供了良好的人机交互界面，使用户能够边运行程序边调试，随时针对程序所出现的问题采取适当的解决办法。这种交互能力极大地提高了用户的工作效率和满意度。

  1. 实现了主机的共享

     分时系统允许多个用户同时使用同一台计算机，独立地处理自己的作业。这种主机的共享功能使得多个用户能够互不干扰地利用计算机资源，提高了计算机的利用率和用户的满意度。同时，这也为用户提供了更加灵活和便捷的计算环境。

  综上所述，分时系统的形成和发展是为了更好地满足用户的需要，通过提高作业周转效率、提供人机交互能力和实现主机共享等方式，为用户提供了更加高效、便捷和灵活的计算环境。

• 实现分时系统的关键问题是什么？应如何解决？

  实现分时系统的关键问题是如何确保用户能与自己的作业进行高效、实时的交互，即用户在自己的终端上键入命令后，系统能够及时接收、处理该命令，并在用户可接受的时延内返回结果。以下是这一关键问题的详细分析及其解决方案：

  1. 关键问题

     及时接收：系统需要能够同时接收来自多个终端的用户命令和数据。

     及时处理：系统需要确保所有用户的作业都能在短时间内得到处理，以便用户能够及时看到结果并进行下一步操作。

  1. 解决方案

     及时接收的解决策略：

     • 配置多路卡：在系统中设置多路卡，使主机能够同时接收来自多个终端的数据。多路卡能够并行处理多个输入/输出通道，从而提高系统的吞吐量。

     • 为每个终端配置缓冲区：为每个终端设置一个缓冲区，用于暂存用户键入的命令和输出的结果。这样，即使某个终端的命令正在被处理，用户仍然可以继续输入新的命令，而这些命令会被存储在缓冲区中等待处理。

     及时处理的解决策略：

     • 用户作业直接进入内存：当用户提交作业后，系统应立即将作业加载到内存中，以便随时进行处理。这减少了作业在磁盘和内存之间传输的时间，提高了处理效率。

     • 引入时间片概念：系统为每个作业分配一个很短的时间片，允许作业在自己的时间片内运行。如果时间片用完，无论作业是否运行完毕，都必须将CPU让给下一个作业。通过这种方式，系统可以在不长的时间内使每个作业都运行一次，从而确保所有用户的作业都能得到及时处理。

     • 采用轮转运行方式：系统采用轮转方式安排作业的执行，即按照某种顺序（如先进先出、优先级等）依次让每个作业运行一个时间片。这种方式保证了每个作业都有机会获得CPU资源，从而实现了作业的并发执行。

  综上所述，实现分时系统的关键在于确保系统能够及时接收和及时处理用户的命令和数据。通过配置多路卡、为每个终端配置缓冲区、用户作业直接进入内存、引入时间片概念以及采用轮转运行方式等策略，可以有效地解决这些问题，从而为用户提供高效、实时的交互体验。

• 为什么要引入实时操作系统？

  引入实时操作系统（RTOS）主要是为了满足特定应用领域的需求，这些领域要求系统能够及时响应外部事件并在规定的时间内完成任务。以下是引入实时操作系统的几个主要原因：

  1. 满足实时性需求

     实时操作系统的主要特点是能够提供及时响应和高可靠性。在实时系统中，外部事件或数据的产生需要系统能够迅速接收并以足够快的速度进行处理，其处理结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统做出快速响应。这种对时间敏感性的需求在实时控制领域和实时信息处理领域尤为突出。

  1. 提高系统效率

     实时操作系统通过调度一切可利用的资源来完成实时任务，并控制所有实时任务协调一致地运行。这种高效的资源管理和任务调度机制使得系统能够在有限的时间内完成更多的任务，从而提高了系统的整体效率。

  1. 支持多任务处理

     在实时系统中，通常存在多个实时任务需要同时处理。实时操作系统提供了多任务处理的能力，允许系统同时运行多个任务，并根据任务的优先级和紧急程度进行合理的调度。这种多任务处理能力使得系统能够更好地应对复杂的应用场景和多变的环境条件。

  1. 增强系统可靠性

     实时操作系统通常具有较高的可靠性，能够确保任务的正确性和完整性。在实时控制系统中，任何微小的错误或延迟都可能导致严重的后果。因此，引入实时操作系统可以增强系统的可靠性，降低故障发生的概率，从而提高系统的稳定性和安全性。

  1. 适应多样化应用场景

     实时操作系统广泛应用于各种领域，如空间探测、军事、工业控制、医疗等。这些领域对系统的实时性、可靠性和多任务处理能力有着不同的要求。引入实时操作系统可以使得系统更好地适应这些多样化的应用场景，满足各种复杂的需求。

  综上所述，引入实时操作系统是为了满足特定应用领域对系统实时性、效率、多任务处理能力和可靠性的需求。通过引入实时操作系统，可以使得系统更好地应对复杂的应用场景和多变的环境条件，提高系统的整体性能和稳定性。

• 什么是硬实时任务和软实时任务? 试举例说明。

  硬实时任务和软实时任务是实时操作系统（RTOS）中的两种不同类型，它们的主要区别在于对任务截止时间的严格程度。

  1. 硬实时任务是指系统必须严格满足任务对截止时间的要求，否则可能出现灾难性后果或系统性能大大降低。这类任务通常具有严格的时间约束，对系统的实时性要求极高。

     例如，运载火箭的控制。在火箭发射过程中，控制系统需要在极短的时间内对火箭的姿态、速度等参数进行精确调整，以确保火箭能够按照预定轨道飞行。如果控制系统无法在规定的截止时间内完成任务，可能会导致火箭偏离轨道，甚至发生坠毁等严重后果。

     医疗设备的控制。在医疗设备中，如心脏起搏器、呼吸机等，控制系统需要实时监测患者的生理参数，并在必要时进行紧急调整。如果控制系统无法在规定的截止时间内做出响应，可能会导致患者生命危险。

  1. 软实时任务是指系统对任务的截止时间有一定的要求，但并不像硬实时任务那样严格。如果这类任务偶尔错过了截止时间，虽然会对系统性能产生一定影响，但不会导致系统崩溃或产生灾难性后果。

     例如，网页内容的更新。在网页服务器中，内容的更新通常有一定的时间要求，但并不是非常严格。如果内容更新稍微延迟了一些时间，虽然会影响用户的浏览体验，但不会导致服务器崩溃或数据丢失等严重后果。

     火车售票系统。在火车售票系统中，用户购票请求的处理通常需要在一定时间内完成，但并不是必须严格满足某个截止时间。如果购票请求稍微延迟了一些时间，虽然会影响用户的购票体验，但不会导致系统崩溃或无法购票等严重后果。

  综上所述，硬实时任务和软实时任务的主要区别在于对任务截止时间的严格程度。硬实时任务对系统的实时性要求极高，必须严格满足截止时间要求；而软实时任务则对截止时间有一定的要求，但并不像硬实时任务那样严格。在实际应用中，需要根据具体的应用场景和需求来选择合适的实时操作系统和任务类型。

• 试从交互性、及时性以及可靠性方面将分时系统与实时系统进行比较。

  从交互性、及时性以及可靠性方面，分时系统与实时系统的比较如下：

  1. 交互性

     • 分时系统分时系统是一种通用系统，主要用于运行终端用户程序。它允许多个用户同时通过终端以交互的方式使用计算机，共享主机中的资源。分时系统具有较强的交互能力，能够为用户提供数据处理、资源共享等服务。实时系统实时系统也具有交互能力，但相比分时系统，其交互能力相对有限。

     • 在实时信息处理系统中，人与系统的交互主要限于访问系统中某些特定的专用服务程序。实时系统通常更侧重于对外部事件的及时响应和控制，而不是提供广泛的数据处理和资源共享服务。

  1. 及时性

     • 分时系统分时系统要求在规定的时间内对于外界的请求给予及时回应，即要求系统必须在一定时间内解决实时任务。但这种及时性相比实时系统来说较弱，因为分时系统主要关注如何公平地分配系统资源给多个用户，并确保每个用户都能得到及时的服务。

     • 实时系统实时系统对及时性的要求更高。实时系统的及时性由处理对象的截止时间决定，一般为秒级，甚至可以达到微秒级。在实时控制系统中，系统必须在控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间内完成任务，否则可能会导致严重的后果。

  1. 可靠性

     • 分时系统分时系统要求系统可靠，以确保多个用户能够顺利地共享资源和进行交互。但相比实时系统，分时系统对可靠性的要求相对较低。实时系统实时系统则要求系统高度可靠。

     • 因为在实时系统中，任何微小的故障或延迟都可能导致严重的后果，如设备损坏、人员伤亡等。因此，实时系统在设计和实现时需要采取更多的措施来确保系统的可靠性和稳定性。

  综上所述，分时系统和实时系统在交互性、及时性和可靠性方面存在显著的差异。分时系统更注重为用户提供广泛的数据处理和资源共享服务，而实时系统则更侧重于对外部事件的及时响应和控制。在选择使用哪种系统时，需要根据具体的应用场景和需求来做出决策。

• OS有哪几大特征？其最基本的特征是什么？

  OS（操作系统）具有多个显著特征，这些特征共同定义了操作系统的基本属性和功能。以下是OS的主要特征及其最基本的特征的详细分析：

  OS的主要特征：

  • 并发：并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，宏观上表现为同时发生，但微观上可能是交替发生的。并发性是OS的一个重要特征，它使得系统能够同时处理多个任务，提高了系统的效率和吞吐量。

  • 共享：共享是指系统中的资源（如CPU、内存、I/O设备等）可以被多个程序或用户共同使用。资源共享是OS的另一个基本特征，它提高了资源的利用率，降低了系统的成本。

  • 异步性：异步性是指OS中的进程或任务不是按照某种固定的顺序依次执行的，而是以不可预知的速度向前推进。这种不确定性是由并发性和共享性共同决定的，使得系统能够灵活地处理各种任务，提高了系统的灵活性和适应性。

  • 虚拟性：虚拟性是指OS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。这种技术包括空分复用技术和时分复用技术，如虚拟存储器、虚拟处理器等。虚拟性使得系统能够提供更丰富、更灵活的功能和服务，提高了系统的可扩展性和可用性。

  • 方便性：用户直接使用OS提供的各种命令来操作计算机，从而简化了用户的操作过程。有效性：包括提高系统资源的利用率和提高系统的吞吐量两个方面。

  • 可扩展性：OS能够适应计算机硬件或体系结构的发展要求，保持系统的先进性和稳定性。

  • 开放性：OS能够遵循世界标准规范，与其他系统和软件进行互操作和集成。

  最基本的特征在上述特征中，并发和共享是OS最基本的特征。

  • 并发使得系统能够同时处理多个任务，提高了系统的效率和吞吐量；而共享则使得系统中的资源能够被多个程序或用户共同使用，提高了资源的利用率。

  • 这两个特征互为存在条件，共同构成了OS的核心功能。

  综上所述，OS具有并发、共享、异步性、虚拟性、方便性、有效性、可扩展性和开放性等多个特征。其中，并发和共享是OS最基本的特征，它们共同决定了OS的基本属性和功能。

• 在多道程序技术的OS环境下的资源共享与一般情况下的资源共享有何不同？ 对独占资源应采取何种共享方式？

  在多道程序技术的OS环境下的资源共享与一般情况下的资源共享存在显著的不同，主要体现在以下几个方面：

  1. 资源共享的定义与范围

     • 一般情况下的资源共享：资源共享在一般情况下，指的是某种资源能够被多个用户或程序共同使用。例如，图书馆的图书可以被大家借阅，学校的计算机机房供全校学生使用等。在这种资源共享方式下，用户或程序之间并不会产生对资源的竞争，或者通过适当的安排可以避免竞争，因此资源管理相对简单。

     • 多道程序技术下的资源共享：在多道程序技术的OS环境下，资源共享或称为资源复用，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。这里的资源包括CPU、内存、I/O设备等。在这种资源共享方式下，由于资源有限而进程数量众多，会形成对共享资源的争夺，因此系统必须对资源共享进行妥善管理。

  1. 资源共享的特点与复杂性

     • 一般情况下的资源共享特点：资源的使用时间和地点相对灵活，用户或程序可以在不同的时间和地点使用资源。资源管理相对简单，因为用户或程序之间不会产生对资源的竞争或竞争较小。

     • 多道程序技术下的资源共享特点：资源的使用时间和地点受到限制，即进程在内存期间和内存地点内。资源管理复杂，因为需要处理多个进程对共享资源的竞争和同步问题。

  1. 对独占资源的共享方式

     在多道程序技术的OS环境下，对于独占资源（如打印机、磁带机等）的共享方式，通常采用互斥共享方式。这种方式下，资源虽然可以被多个进程共享，但每次只能由一个进程使用。当某个进程需要使用独占资源时，必须先申请并获得该资源的访问权，然后才能使用该资源。在资源使用完毕后，进程必须释放该资源的访问权，以便其他进程能够使用。

     这种互斥共享方式可以确保独占资源的安全性和完整性，防止多个进程同时访问导致的数据冲突和错误。同时，系统还需要通过适当的同步机制（如信号量、互斥锁等）来协调进程对共享资源的访问，以确保系统的稳定性和可靠性。

  综上所述，多道程序技术的OS环境下的资源共享与一般情况下的资源共享在定义、范围、特点以及复杂性等方面存在显著的不同。对于独占资源的共享方式，通常采用互斥共享方式来确保资源的安全性和完整性。

• 什么是时分复用技术？ 举例说明它能提高资源利用率的根本原因是什么。

  时分复用技术（Time Division Multiplexing，TDM）是一种通信技术，它将不同的信号相互交织在不同的时间段内，沿着同一个信道传输；在接收端再用某种方法，将各个时间段内的信号提取出来还原成原始信号。这种技术能够在同一个信道上传输多路信号，从而提高了资源的利用率。

  举例说明，假设有一条物理信道，其最大比特率为76.8kbit/s，而每个用户的数据比特率为9.6kbit/s。如果不采用时分复用技术，那么这条信道只能为一个用户提供服务。但是，如果采用时分复用技术，将信道的时间划分为若干个时间片（时隙），每个时间片分配给一个用户使用，那么在这条信道上就可以同时传输8路信号（因为76.8kbit/s ÷ 9.6kbit/s = 8）。这样，原本只能为一个用户服务的信道就被充分利用起来，为多个用户提供了服务，从而提高了资源的利用率。

  时分复用技术能提高资源利用率的根本原因在于，它利用某设备为一用户服务的空闲时间，又转去为其它用户服务，使设备得到最充分的利用。在时分复用技术中，时间被划分为若干个时间片，每个时间片都可以被不同的用户或信号所使用。这样，即使在某个时间片内某个用户或信号没有数据传输，该时间片也可以被其他用户或信号所利用，从而实现了资源的高效利用。

  此外，时分复用技术还可以提高系统的可靠性和灵活性。由于多个信号被分散在不同的时间片内传输，因此即使某个时间片内的信号出现错误或丢失，也不会影响到其他时间片内的信号传输。同时，时分复用技术还可以根据需要动态地分配时间片给不同的用户或信号，从而实现了系统的灵活性和可扩展性。

  综上所述，时分复用技术是一种高效的通信技术，它通过将时间划分为若干个时间片并分配给不同的用户或信号使用，从而提高了资源的利用率和系统的可靠性、灵活性。

• 是什么原因使操作系统具有异步性特征？

  操作系统具有异步性特征的原因主要在于多道程序环境下的并发执行和资源共享。

  • 并发执行是指在多道程序环境下，允许多个进程同时存在于内存中，并由操作系统负责调度这些进程交替执行。由于进程的执行需要竞争系统资源（如CPU、内存、I/O设备等），因此进程的执行速度不是恒定的，而是以“走走停停”的方式运行。具体来说，一个进程在执行过程中可能会因为等待某个资源（如I/O操作）而暂停执行，此时操作系统会将CPU分配给其他进程使用。当该进程所需的资源可用时，操作系统再将其唤醒并继续执行。这种进程的交替执行和不可预知的速度推进，使得操作系统具有异步性特征。

  • 资源共享也是导致操作系统异步性的原因之一。在多道程序环境下，多个进程可能需要共享某些资源（如打印机、文件等）。由于资源的有限性，进程在访问这些资源时可能会产生竞争。为了避免资源冲突和提高资源利用率，操作系统通常采用各种同步机制（如信号量、互斥锁等）来协调进程对共享资源的访问。然而，这些同步机制的使用也会导致进程的执行变得不可预知，因为进程何时能够获得所需资源并继续执行是取决于其他进程的行为和系统的调度策略的。

  综上所述，操作系统具有异步性特征的原因主要在于多道程序环境下的并发执行和资源共享所导致的进程执行速度不可预知和资源共享的竞争性。这种异步性特征使得操作系统能够灵活地处理各种任务，提高了系统的效率和吞吐量，但同时也增加了系统管理的复杂性和对同步机制的需求。

• 处理机管理有哪些主要功能？其主要任务是什么？

  处理机管理在操作系统中扮演着至关重要的角色，其主要功能和任务涉及多个方面，以确保系统资源的合理分配和利用，提高系统的性能和效率。

  处理机管理的主要功能包括：

  1. 进程管理：这是处理机管理的核心功能之一，涉及进程的创建、调度、同步和通信。进程管理确保系统中的每个进程都能得到适当的处理机时间，以实现高效的并发执行。

  2. 内存管理：虽然内存管理通常被视为与处理机管理相对独立的功能，但两者在资源分配和协调方面密切相关。内存管理负责内存的分配、回收和保护，以确保进程在运行时能够正确地访问和存储数据。

  3. 文件系统管理：文件系统管理负责文件的创建、读写和保护，为用户提供文件存储和检索的便利，同时确保文件系统的完整性和安全性。

  4. 设备管理：设备管理涉及计算机系统中所有外围设备的管理，包括设备的分配、控制和保护。设备管理的主要任务是完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配所需的I/O设备，并提高CPU和I/O设备的利用率。

  处理机管理的主要任务包括：

  1. 进程控制：创建和撤销进程，以及控制进程的状态转换。这包括为作业创建进程、撤销已结束的进程，并确保进程在运行过程中的状态转换符合系统的要求。

  2. 进程同步：协调多个进程的运行，确保它们能够正确地访问共享资源和临界区，避免数据竞争和死锁等问题。

  3. 进程通信：实现进程之间的信息交换，以便它们能够协同完成任务。这包括在相互合作的进程之间传递数据和信号。

  4. 处理机调度：按照一定的算法从进程就绪队列中选出一个进程，将处理机分配给它，并为其设置运行现场，使其投入运行。调度算法的选择直接影响系统的性能和效率。

  综上所述，处理机管理的主要功能和任务涉及多个方面，它们共同确保系统资源的合理分配和利用，提高系统的性能和效率。

• 内存管理有哪些主要功能？其主要任务是什么？

  内存管理在操作系统中扮演着至关重要的角色，它负责管理和优化计算机的内存资源。以下是内存管理的主要功能及其主要任务：

  主要功能

  1. 内存分配：为每道程序分配内存空间，确保它们能够正常运行。提高存储器的利用率，减少不可用的内存空间。允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。

  1. 内存保护：确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。防止用户程序访问操作系统的程序和数据，以及转移到非共享的其它用户程序中去执行。

  1. 地址映射：将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的支持下完成，确保程序能够正确地访问内存。

  1. 内存扩充：借助于虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量。使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多，以便让更多的用户程序并发运行。

  主要任务

  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，方便用户使用存储器，并提高存储器的利用率。具体来说，包括以下几个方面：

  1. 优化内存使用：通过合理的内存分配和回收策略，确保内存资源得到充分利用，避免内存浪费和碎片化。

  1. 保护内存安全：通过内存保护机制，防止程序之间的非法访问和干扰，确保系统的稳定性和安全性。

  1. 提供地址转换：通过地址映射功能，将逻辑地址转换为物理地址，确保程序能够正确地访问内存中的数据和指令。

  1. 支持虚拟存储：通过内存扩充功能，实现虚拟存储技术，使用户能够运行比实际内存容量更大的程序，提高系统的并发性和处理能力。

  综上所述，内存管理的主要功能和任务涉及多个方面，它们共同确保系统内存资源的合理分配和利用，提高系统的性能和稳定性。

• 设备管理有哪些主要功能？其主要任务是什么？

  设备管理在企业的运营中占据重要地位，其主要功能和任务旨在确保设备的正常运行、优化设备的使用效率，并降低设备的运营和维护成本。以下是对设备管理的主要功能及其主要任务的详细阐述：

  主要功能

  1. 设备资产管理：记录设备的基本信息，如设备编号、名称、型号、制造商、购买日期、保修期等。管理设备的采购、安装、运行、维护和报废全过程。跟踪设备的折旧情况，提供资产定位功能，实时跟踪设备的位置和状态。

  1. 维护与保养：制定并执行设备的预防性维护计划，定期对设备进行检查和维护。记录设备的维修历史，优化设备的维护策略，降低维修成本。管理备件的库存、采购和消耗情况，确保维修工作的顺利进行。

  1. 设备状态监控：实时监控设备的运行状态，收集设备的运行数据，如温度、压力、转速、电流等关键参数。提供报警系统，当设备的运行参数超出预设范围时，自动发出警报并通知相关人员。支持历史数据的存储和回放，用于发现设备运行中的潜在问题。

  1. 采购与库存管理：规范采购流程，从需求申请到供应商选择、合同签订、验收入库等环节提供全流程管理。实时跟踪设备和备件的库存情况，包括库存数量、入库时间、保质期等信息。管理供应商的绩效评价，帮助企业选择优质供应商。

  1. 设备调度与使用管理：根据生产任务的需求，合理调度设备的使用，确保设备资源的最优配置。记录设备的使用情况，包括使用时间、操作人员、使用频率等信息。为每台设备设定使用权限，确保只有经过授权的人员才能操作设备。

  1. 报表与分析：自动生成多种类型的报表，如设备使用率报表、维护保养报表、故障统计报表等。提供数据分析功能，深入挖掘设备运行数据，帮助企业发现设备管理中的问题。支持自定义报表功能，根据企业的需求灵活设置报表的内容和格式。

  1. 权限管理：通过严格的权限控制，确保设备管理数据的安全性和操作的合规性。根据企业的组织架构，为不同的用户分配不同的权限。

  主要任务

  设备管理的主要任务是对设备进行综合管理，包括全面规划、合理配置、择优选购、正确使用、精心维护、科学检修、适时改造更新等。具体任务如下：

  1. 确保设备的正常运行：通过定期维护和保养，减少设备的故障和停机时间，提高设备的可靠性和稳定性。

  1. 优化设备的使用效率：根据生产任务的需求，合理调度和使用设备，提高设备的利用率。

  1. 降低设备的运营和维护成本：通过制定合理的维护计划和采购策略，降低设备的维修成本和采购成本。

  1. 推动设备的技术创新：应用现代化技术开展技术革新，对老旧设备进行改造与更新，提高设备的效能和劳动生产率。

  1. 建立完善的设备管理制度：规范设备的使用、维护、检修和更新流程，明确各级管理人员和操作人员的职责和权限。

  综上所述，设备管理的主要功能和任务共同构成了设备管理的完整体系，旨在确保设备的正常运行、优化设备的使用效率，并降低设备的运营和维护成本。

• 文件管理有哪些主要功能？其主要任务是什么？

  文件管理在操作系统中扮演着举足轻重的角色，它主要负责存储、组织、检索和保护计算机系统中的文件。以下是文件管理的主要功能及其主要任务的详细解析：

  主要功能

  1. 文件存储空间的管理：为每个文件分配必要的外存空间，确保文件能够正确存储。提高外存的利用率，优化文件系统的存取速度。管理空闲磁盘空间，包括分配和回收功能，确保存储空间的合理利用。

  1. 目录管理：为每个文件建立目录项，包括文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置等信息。对众多的目录项进行有效的组织，实现方便的按名存取，即用户只需提供文件名便可对该文件进行存取。支持目录的创建、删除、修改等操作，以及目录结构的优化。

  1. 文件的读/写管理：根据用户的请求，从外存中读取数据或将数据写入外存。管理文件的读写权限，确保只有授权用户才能进行读写操作。提供文件的打开、关闭、读写等基本操作功能。

  1. 文件的共享与保护：支持多个用户或进程同时访问同一个文件，实现文件的共享。提供文件保护机制，防止文件被非法窃取、破坏或篡改。包括存取控制、加密存储、数据备份等安全措施。

  1. 版本管理：记录文件的多个版本，避免错误版本的使用。支持历史版本的查看、回退与下载，方便用户进行文件的版本控制和恢复。

  1. 其他高级功能：

     • 全文索引：索引Office、PDF等文件内容，快速从海量资料中精准查找所需文件。

     • 文档审计：记录文档生命周期全过程中的每一个动作，包括操作人、动作、日期时间等信息，全局掌握系统内部所有文件的操作情况。

     • 自动编号：自由组合设计编号规则，方便文件的命名和管理。

     • 锁定保护：文档作者和管理权用户可将文档锁定，确保文档不被随意修改。

     • 规则应用：为目录设定规则，指定动作、条件和操作，当动作触发符合设定的条件时，系统则自动执行规则的操作。

  主要任务

  1. 管理用户文件和系统文件：确保用户文件和系统文件的正确存储和访问。提供文件的创建、删除、复制、移动等基本操作功能。

  1. 保证文件的安全性：防止文件被非法访问、窃取或破坏。提供文件保护机制，如加密存储、权限管理等。

  1. 提高文件的存取效率：优化文件系统的存储结构和存取策略，提高文件的存取速度。管理空闲磁盘空间，确保存储空间的合理利用和高效访问。

  1. 支持文件的共享和协作：实现文件的共享功能，方便多个用户或进程同时访问同一个文件。提供文件的协作功能，如版本控制、审批流程等，支持团队协同工作。

  综上所述，文件管理的主要功能和任务共同构成了文件管理的完整体系，旨在确保文件的正确存储、安全访问、高效存取以及支持文件的共享和协作。

• 试说明推动传统OS演变为现代OS的主要因素是什么？

  推动传统OS演变为现代OS的主要因素主要包括以下几点：

  系统安全：随着计算机技术的不断发展，网络安全问题日益突出。现代操作系统在设计时更加注重安全性，采用了多种安全机制和技术，如用户权限管理、文件加密、防火墙等，以保护系统免受恶意软件和未经授权访问的威胁。

  网络的功能和服务：互联网的普及和网络技术的快速发展对操作系统产生了深远影响。现代操作系统提供了丰富的网络功能和服务，如网络通信、资源共享、远程访问等，使得用户可以更加便捷地连接到网络并享受各种网络服务。

  支持多媒体：多媒体技术的兴起使得操作系统需要支持音频、视频、图像等多种媒体格式的处理和播放。现代操作系统通常内置了多媒体处理模块，提供了强大的多媒体功能，如音频视频播放、图像处理、游戏支持等，满足了用户对多媒体应用的需求。

  此外，现代操作系统还在不断发展和完善中，以适应不断变化的技术环境和用户需求。例如，随着云计算和大数据技术的兴起，现代操作系统开始支持虚拟化技术、容器化技术、分布式存储和计算等，以提供更加灵活和高效的资源管理和服务。同时，人工智能技术的进步也为操作系统的智能化发展提供了新的机遇和挑战。

  综上所述，系统安全、网络的功能和服务以及支持多媒体是推动传统OS演变为现代OS的主要因素。这些因素的共同作用使得现代操作系统在功能、性能、安全性和用户体验等方面都得到了显著提升。

• 什么是微内核OS？

  微内核OS，即微内核操作系统（Microkernel Operating System），是一种基于微内核架构的操作系统。以下是对微内核OS的详细解释：

  1. 微内核的定义微内核是提供操作系统核心功能的内核的精简版本。

     它设计成在很小的内存空间内增加移植性，并提供模块化设计，使用户能够安装不同的接口，如DOS、Workplace OS、Workplace UNIX等。微内核仅包括最基本的系统管理功能和最少的抽象层，如进程通信、基本的调度和内存管理等。

  1. 微内核OS的特点。

     • 最小化核心：微内核OS的内核非常小，仅包含最基本的系统服务，如进程调度、进程间通信（IPC）、存储管理等。这种设计使得内核更加简洁、高效，并减少了系统的复杂性和出错的可能性。

     • 模块化：微内核OS将系统服务和驱动程序作为独立的模块运行在用户空间。这些模块可以像普通应用程序一样启动和停止，而不需要重启整个系统。这种模块化设计提高了系统的可扩展性和灵活性。

     • 安全性和稳定性：由于大部分服务都在用户空间运行，即使某些服务失败，也不会影响到系统的核心功能。这种设计提高了系统的稳定性和安全性。

     • 可移植性：微内核的核心相对较小，更容易移植到不同的硬件平台。这使得微内核OS能够在不同的处理器上运行，提高了系统的兼容性和适应性。

  1. 微内核OS的优势

     • 高效的进程间通信：微内核OS通过提供高效的进程间通信机制，如消息传递、信号等，实现了不同进程之间的快速、可靠的数据交换。

     • 灵活的系统升级：由于系统服务和驱动程序是模块化的，因此在对系统进行升级时，只需要替换相应的模块，而不需要改变整个操作系统。这降低了系统升级的难度和成本。

     • 强大的资源管理能力：微内核OS提供了丰富的资源管理机制，如内存管理、设备管理等，能够高效地管理系统的各种资源，提高系统的性能和稳定性。

  1. 微内核OS的应用实例

     • QNX：QNX是一个广泛用于嵌入式系统中的微内核OS。它采取了微核心架构，操作系统中的多数功能是以许多小型的task来执行，被称为server。这种架构使得用户和开发者可以关闭不需要的功能，而不需要改变操作系统本身。QNX已被移植到许多平台，并运行在嵌入式市场中使用的各种现代处理器上。

     • 鸿蒙OS：鸿蒙OS是华为开发的面向全场景（移动办公、运动健康、社交通信、媒体娱乐等）的分布式操作系统。它采用了全新的微内核设计，拥有更强的安全特性和低时延等特点。鸿蒙OS的微内核是LiteOS，它具备轻量级、低功耗、互联互通、组件丰富、快速开发等关键能力，可广泛应用于可穿戴设备、智能家居、车联网等领域。

  综上所述，微内核OS是一种基于微内核架构的操作系统，具有最小化核心、模块化、安全性和稳定性以及可移植性等特点和优势。它在嵌入式系统、物联网等领域有着广泛的应用前景。

• 微内核操作系统具有哪些优点？它为何能有这些优点？

  微内核操作系统（Microkernel Operating System）具有多种显著优点，这些优点主要源于其独特的设计理念和架构。以下是对微内核操作系统优点的详细阐述及其原因：

  可扩展性与灵活性

  • 优点：微内核操作系统的许多功能是由相对独立的服务器软件来实现的，因此当开发了新的硬件和软件时，微内核操作系统只需在相应的服务器中增加新的功能，或再增加一个专门的服务器。这使得系统能够轻松地适应新的技术和需求。

  • 原因：微内核设计将操作系统的核心功能精简到最小，而将其他服务作为独立模块运行在用户空间。这种模块化设计使得新增或修改功能变得更加容易，无需对整个操作系统进行重构。

  安全性和可靠性

  • 优点：微内核操作系统提供了更高的安全性和可靠性。由于所有服务器都运行在用户态，服务器与服务器之间采用的是消息传递通信机制，因此当某个服务器出现错误时，不会影响内核，也不会影响其他服务器。

  • 原因：微内核经过精心设计和严格测试，容易保证其正确性。同时，它提供了规范而精简的应用程序接口（API），为微内核外部的程序编制高质量的代码创造了条件。此外，由于服务器之间的通信是通过消息传递进行的，这减少了直接访问和修改内核数据的可能性，从而提高了系统的安全性。

  可移植性

  • 优点：微内核操作系统更容易移植到不同的硬件平台上。

  • 原因：在微内核结构的操作系统中，所有与特定CPU和I/O设备硬件有关的代码，均放在内核和内核下面的硬件隐藏层中，而操作系统其他绝大部分（即各种服务器）均与硬件平台无关。因此，将操作系统移植到另一个计算机硬件平台上所需做的修改相对较小。

  支持分布式系统

  • 优点：微内核操作系统能够很好地支持分布式系统和网络系统。

  • 原因：微内核操作系统中的客户和服务器之间以及服务器和服务器之间的通信是采用消息传递通信机制进行的。这使得微内核操作系统能够方便地处理分布式系统中的进程间通信和数据共享问题。

  面向对象技术

  • 优点：微内核操作系统融入了面向对象技术，提高了系统的正确性、可靠性、易修改性和易扩展性。

  • 原因：面向对象技术中的“封装”、“继承”、“对象类”和“多态性”等概念被应用于微内核操作系统的设计中。这使得系统的各个部分更加模块化、易于管理和维护。同时，面向对象技术还提供了更好的代码重用和继承机制，降低了开发成本。

  良好的系统结构

  • 优点：微内核结构精简了操作系统的核心功能，使得内核规模比较小，有利于系统的整体优化和性能提升。

  • 原因：由于操作系统核心常驻内存，而微内核结构将一些非核心功能移到了外存上，这减少了内核的复杂性和占用的内存空间。同时，微内核结构还使得系统的各个部分更加清晰和独立，有利于系统的整体优化和性能提升。

  综上所述，微内核操作系统具有可扩展性与灵活性、安全性和可靠性、可移植性、支持分布式系统以及融入面向对象技术等多种优点。这些优点主要源于其独特的设计理念和架构，使得微内核操作系统能够更好地适应现代计算机系统的需求和发展趋势。

• 现代操作系统较之传统操作系统又增加了哪些功能和特征？

  现代操作系统相较于传统操作系统，在功能和特征上都有所增强和拓展。以下是对现代操作系统新增功能和特征的详细归纳：

  新增功能

  1. 更强大的资源管理

     现代操作系统在资源管理方面进行了显著增强，包括更高效的内存管理、存储管理、设备管理以及文件管理等。例如，现代操作系统通过虚拟内存技术，让用户感觉内存是无限大的，从而提高了内存的利用率和系统的性能。

  2. 作业管理

     现代操作系统增加了作业管理的功能，包括任务管理、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等。这使得用户能够更加方便地与计算机进行交互，提高了系统的可用性和用户体验。

  3. 网络功能

     现代操作系统普遍支持网络功能，包括网络通信、资源共享、网络管理和网络安全等。这使得计算机能够方便地连接到网络，实现与其他计算机的通信和数据共享。

  4. 分布式系统支持

     现代操作系统能够更好地支持分布式系统，包括分布式文件系统、分布式数据库以及分布式计算等。这使得多台计算机能够协同工作，共同完成复杂的任务。

  5. 面向对象设计

     现代操作系统融入了面向对象的设计思想，使得系统的各个部分更加模块化、易于管理和维护。同时，面向对象技术还提供了更好的代码重用和继承机制，降低了开发成本。

  6. 多媒体支持

     现代操作系统增加了对多媒体的支持，包括音频、视频、图像等多媒体数据的处理和管理。这使得计算机能够更加方便地处理多媒体数据，满足用户的多样化需求。

  新增特征

  1. 微内核结构

     现代操作系统普遍采用微内核结构，将操作系统的核心功能精简到最小，而将其他服务作为独立模块运行在用户空间。这种设计提高了系统的可扩展性和灵活性，使得系统能够轻松地适应新的技术和需求。

  2. 对称多处理机支持

     现代操作系统能够更好地支持对称多处理机（SMP），即多个处理器共享相同的物理内存和总线结构。这使得系统能够充分利用多个处理器的计算能力，提高系统的整体性能。

  3. 实时性

     现代操作系统增加了实时性的特征，即计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内做出快速反应。这对于需要实时响应的应用场景（如工业控制、实时通信等）至关重要。

  4. 安全性

     现代操作系统在安全性方面进行了显著增强，包括用户身份验证、权限管理、数据加密以及防火墙等功能。这些安全措施有效地保护了系统的机密性、完整性和可用性。

  5. 可移植性

     现代操作系统通常具有更好的可移植性，即能够方便地移植到不同的硬件平台和操作系统环境中。这使得软件开发者能够更加灵活地选择开发平台和工具，降低了开发成本和时间。

  综上所述，现代操作系统在功能和特征上相较于传统操作系统都有所增强和拓展。这些新增的功能和特征使得现代操作系统能够更好地适应现代计算机系统的需求和发展趋势，为用户提供更加高效、便捷和安全的计算环境。

• 在微内核OS中，为什么要采用客户/服务器模式？

  在微内核OS中，采用客户/服务器（C/S）模式的原因主要基于以下几个方面的优点：

  1. 数据的分布处理和存储

     C/S模式允许数据在客户端和服务器之间进行分布处理和存储。在微内核OS中，这意味着可以将更多的数据处理和存储任务交给用户空间的服务器来完成，从而减轻了内核的负担，提高了系统的整体性能。同时，这种分布处理的方式也使得系统能够更灵活地应对不同的数据处理需求。

  1. 便于集中管理

     C/S模式使得系统能够更容易地进行集中管理。在微内核OS中，内核仅提供最基本的服务，而大部分功能和服务都由用户空间的服务器来实现。这种设计使得系统管理员可以更方便地对服务器进行管理和维护，而无需深入了解内核的复杂细节。同时，由于服务器是运行在用户空间的独立进程，因此它们可以像普通应用程序一样进行启动、停止和重启等操作，这进一步提高了系统的可管理性。

  1. 灵活性和可扩充性

     C/S模式为微内核OS提供了更高的灵活性和可扩充性。由于服务器是独立的模块，因此可以根据需要添加或删除服务器，以适应不同的应用场景和需求。这种模块化设计使得系统能够更轻松地应对新的技术和挑战，同时也为开发者提供了更多的选择和自由。

  1. 易于改编应用软件

     C/S模式还使得应用软件更容易改编和移植。在微内核OS中，由于大部分功能和服务都由服务器来实现，因此应用软件可以更加专注于实现自己的业务逻辑，而无需关心底层系统的复杂细节。同时，由于服务器是独立的模块，因此可以更容易地将应用软件从一个平台移植到另一个平台，而无需对底层系统进行大量的修改。

  综上所述，C/S模式在微内核OS中具有独特的优点和重要性。它使得系统能够更灵活地应对不同的数据处理需求、更容易地进行集中管理、具有更高的灵活性和可扩充性，同时也使得应用软件更容易改编和移植。这些优点共同推动了微内核OS的发展和应用。

• 在基于微内核结构的OS中，应用了哪些新技术？

  在基于微内核结构的操作系统（OS）中，应用了多种新技术以提升系统的性能、安全性和可维护性。以下是对这些新技术的详细归纳：

  1. 微内核架构

     • 分层设计：微内核架构将操作系统划分为内核核心层、系统服务层、安全子系统和跨平台支持层等多个层次。这种分层设计提高了系统的可靠性、可维护性和安全性。

     • 模块化设计：微内核架构中的各个功能模块是相互独立的，可以独立升级和替换。这种模块化设计使得系统能够灵活地适应新的技术和需求，同时也便于动态管理和扩展。

  1. 高性能进程间通信（IPC）

     • 低延迟通信：微内核架构中的IPC机制通常采用高效的通信协议和算法，以确保进程间通信的低延迟和高吞吐量。例如，某些微内核操作系统通过优化消息传递机制，实现了进程间通信的低延迟和高效率。

     • 高可靠性：微内核架构中的IPC机制还具备高可靠性，能够确保在复杂环境中数据传输的完整性和一致性。

  1. 形式化方法

     • 系统验证：形式化方法是一种利用数学手段从源头验证系统正确性的有效手段。在微内核架构中，形式化方法被用于验证系统的安全性和可靠性，从而确保系统的稳定运行。

     • 提高安全等级：通过形式化方法验证的微内核架构系统，其安全等级可以得到显著提升。这种提升对于保护用户数据和系统资源具有重要意义。

  1. 硬件抽象层（HAL）

     • 跨平台支持：硬件抽象层为微内核架构提供了跨平台支持的能力。通过HAL，微内核架构可以轻松地适应不同的硬件平台，从而实现系统的广泛部署和应用。

     • 硬件优化：HAL还可以对硬件进行优化，提高系统的性能和效率。例如，通过优化HAL中的驱动程序和硬件接口，可以实现更快的设备响应和更高的数据传输速率。

  1. 分布式软总线技术

     • 无缝协同：分布式软总线技术打破了不同设备之间的界限，实现了跨设备的无缝协同和资源虚拟化。这种技术使得用户可以在不同设备间自由切换，享受更加便捷和智能的使用体验。

     • 资源虚拟化：通过分布式软总线技术，微内核架构可以将不同设备的资源进行虚拟化，从而形成一个统一的资源池。这种资源虚拟化技术提高了资源的利用率和系统的灵活性。

  1. 声明式开发

     • 提高开发效率：声明式开发是一种注重描述系统行为和状态的编程方式。在微内核架构中，声明式开发被用于简化应用程序的开发过程，提高开发效率。

     • 增强用户体验：通过声明式开发，开发者可以更加便捷地创建用户界面和交互逻辑，从而为用户提供更加流畅和直观的使用体验。

  综上所述，基于微内核结构的操作系统应用了多种新技术以提升系统的性能、安全性和可维护性。这些新技术包括微内核架构、高性能IPC、形式化方法、硬件抽象层、分布式软总线技术以及声明式开发等。这些技术的应用使得微内核架构的操作系统能够更好地适应现代计算机系统的需求和发展趋势。

• 何谓微内核技术？在微内核中通常提供了哪些功能？

  微内核技术是一种操作系统设计技术，它将操作系统中更多的成分和功能放到更高的层次（即用户模式）中去运行，而留下一个尽量小的内核，这个内核仅完成操作系统最基本的核心功能。这种技术旨在提高操作系统的可扩展性、灵活性和安全性。

  在微内核中，通常提供以下核心功能：

  1. 进程（线程）管理：微内核负责创建、调度、终止进程以及管理进程间的通信和同步。这是操作系统中最基本的功能之一，它确保系统能够高效地执行多个任务。

  2. 低级存储器管理：微内核提供基本的内存分配和回收机制，以及内存保护机制，以防止进程之间非法访问对方的内存空间。这有助于维护系统的稳定性和安全性。

  3. 中断和陷入处理：微内核处理来自硬件的中断信号，以及处理系统调用（陷入）请求。它将这些请求转发给相应的用户空间服务程序进行处理，从而实现了操作系统与用户程序之间的交互。

  4. 进程间通信（IPC）机制：微内核通常提供高效的进程间通信机制，如消息传递、管道、共享内存等。这些机制使得进程之间能够方便地交换数据和信息，从而实现协同工作。

  5. I/O设备管理：虽然微内核本身可能不直接管理硬件设备，但它通常提供与硬件设备交互的接口和机制。这些接口和机制使得用户空间的服务程序能够方便地访问和控制硬件设备。

  微内核技术的优点在于其模块化和可扩展性。由于微内核只包含最基本的功能，因此可以更容易地对系统进行升级和扩展。同时，由于用户空间的服务程序与内核相互独立，因此可以更容易地实现系统的安全性和可靠性。然而，微内核技术也可能带来一些性能上的开销，因为进程间通信和中断处理等操作需要通过用户空间和内核空间之间的切换来完成。但总体而言，微内核技术是一种具有广阔应用前景的操作系统设计技术。