第一章绪论

1.1 操作系统的基本概念

1.1.1计算机硬件的基本组成

（冯 ~诺伊曼模型） ，由运算器，存储器，控制器，输入设备，输出设备组成。

引入操作系统的目的：提供一个计算机用户与计算机硬件系统之间的接口，有效控制和管理计算机系统中的各种硬件和软件资源，合理组织计算机系统的工作流程，以改善系统性能。

1.1.2操作系统的概念

• 用户观点：根据用户所使用的计算机的不同而设计不同类型的操作系统。
• 系统观点（资源管理的观点）：操作系统是计算机系统的资源管理程序
• 进程观点：把操作系统看作由若干个可以独立运行的程序和一个对这些程序进行协调的核心所组成。
• 虚拟机观点（机器扩充）：提供许多服务功能和良好的工作环境，扩充为虚拟计算机。

操作系统与硬件的关系：操作系统时覆盖在硬件上的第一层软件，管理计算机硬件资源

操作系统与其他系统软件的关系：操作系统时一种特殊地系统软件，时其他系统软件与硬件之间的接口。

1.1.3操作系统的特征

操作系统的特征（4项）：

• 并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。（易混淆概念：并行性：两个或多个事件在同一时刻发生）
• 共享性：系统中的软硬件资源为多个程序、多个用户共同使用。并发性与共享性是操作系用最基本的特征。与并发互为存在条件。

• • 互斥共享，打印机，队列
  • 同时访问，硬盘，可重入代码

• 虚拟性：把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。多道程序设计技术可以把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU。虚拟性还表现在虚拟存储器（逻辑上扩充存储器容量），虚拟设备（独占设备变共享设备）
• 异步性：系统中程序的何时执行，多道程序间的执行顺序以及完成每道程序所需的时间都是不确定且不可预知的。

1.1.4操作系统的主要功能和提供的服务

基本功能（五项）

• 处理器管理

• • 进程控制：负责进程的创建，撤销和状态转换
  • 进程同步:对并发执行的进程进行协调
  • 进程通信:进程间的信息交换
  • 进程调度：使用一定算法进行处理器分配

• 存储器管理

• • 内存分配
  • 内存保护
  • 内存扩充

• 设备管理

• • 设备分配
  • 设备传输控制
  • 设备独立性：用户程序中的设备与物理设备无关

• 文件管理

• • 文件存储空间的管理
  • 目录管理
  • 文件操作管理
  • 文件保护

• 用户接口

• • 命令接口

• • • 联机命令接口（交互式命令接口）：分时或实时操作系统，直接控制
    • 脱机命令接口（批处理命令接口）：批处理系统，间接控制，由作业控制命令组成，系统自动执行。

• • 程序接口（系统调用）：程序级接口，由系统提供一组系统调用命令供用户程序和其他系统程序调用
  • 图形接口：图形界面，联机命令接口的图形化

1.2操作系统的发展与分类

1.2.1操作系统的发展

1.无操作系统阶段（手工操作）

问题：CPU与I/O设备之间速度不匹配

解决办法：脱机输入/输出技术

2.单道批处理系统

单道批处理系统特点：

• 自动性
• 顺序性
• 单道性

3.多道批处理系统

多道程序设计技术：将一个以上的作业存放在主存中，并且同时处于运行状态，这些作业共享处理器，外设以及其他资源。

特点：

• 多道
• 宏观上并行
• 微观上串行

综上,操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程以及方便用户的程序的集合。

1.2.2操作系统分类

作业的概念

用户在一次解题或一个事务处理过程中要求计算机系统所做工作的集合，包括用户陈旭，所需数据以及命令。

1.批处理操作系统：不能加以干预

2.分时操作系统:时间片轮转

• • 简单分时操作系统
  • 具有前台和后台的分时操作系统，前台分时处理，后台是批处理作业
  • 多道分时操作系统
  • 分时特征：

• • • 多路性
    • 交互性
    • 独占型
    • 及时性

3.实时操作系统：被控制对象允许的时间范围内做出快速反应

• • 实时控制系统
  • 实时信息处理系统
  • 特征：

• • • 提供及时响应
    • 高可靠性

4.兼有两种以上，则为通用操作系统

5.其他操作系统

• 嵌入式操作系统
• 集群系统
• 网络操作系统（基于计算机网络）（信息的处理和控制是集中的，计算机之间具有主从性，有节点计算机和监视计算机）
• 分布式操作系统（信息的处理和控制不是集中的，具有分布性）

• • 统一性
  • 共享性
  • 自治性：计算机地位平等
  • 透明性
  • 优势：分布式（较低成本，较高性能），可靠性

1.3操作系统的运行环境

1.3.1CPU运行模式

核心态(管态，系统态)：主体：操作系统管理程序执行时所处状态。能执行包括特权指令的一切指令，能访问所有寄存器和存储区。

• 内核的指令操作：

• • 时钟管理
  • 中断机制
  • 原语：一些用于关闭中断的共用小程序

• • • 特点：处于操作系统最底层，最接近硬件； 程序运行具有原子性； 运行时间短，调用频繁。

• • 系统控制的数据结构及处理

用户态（目态）：主体：用户程序执行时所处状态，只能执行规定的指令，只能访问指定寄存器和存储区

特权指令：只能由操作系统内核部分使用，不允许用户直接使用的指令（I/O指令，设置中断屏蔽指令，清内存指令，存储保护指令和设置时钟指令）

1.3.2中断处理与异常的处理

中断：外中断，系统正常功能

异常：内中断，错误引起

1.3.3系统调用

系统调用：程序接口或应用编程接口（API），是应用程序同系统之间的接口。

操作流程：用户程序需要执行系统调用时，准备并传递系统调用所需参数，通过陷入指令（trap）进入操作系统的系统内核，用户态进入内核态，执行对应系统调用函数，使用特定系统内核功能，返回结果给用户进程，从内核态回到用户态。

1.4操作系统的体系结构

1.4.1模块组合结构

• 优点：结构紧密，接口直接简单，效率高
• 缺点：独立性差，结构不清晰，可扩展性差
• 只适用系统小，模块少，使用环境比较稳定的系统

1.4.2层次结构

• 优点：单向调用，单向依赖
• 缺点：层次划分需要考量

1.4.3微内核结构

• 思想：在操作系统中只保留最基本的功能，将其他服务尽可能地从内核中分离出去，由用户进程来实现，形成（C/S客户服务器模式）
• 适用于分布式系统
• 优点：可靠性好，灵活性，易于维护
• 缺点：效率不高，所有进程通过微内核通信，对通信频繁地系统不友好。