1.1操作系统的目标作用

1.  OS的目标

§方便性：用户无需了解底层硬件，无需用0、1机器语言操作。（可以说不用手，用工具，进入石器时代了。）

§有效性：CPU、I/O、存储等的管理专门、合理地被组织管理起来，提高资源的利用率。

§可扩充性：扩充应用软件；适应硬件和体系结构发展，扩充底层管理功能模块等。

开放性：网络环境，遵循开放互联标准

2.OS的作用

1) 作为用户与计算机硬件系统之间的接口

* 达成了方便性的目标。*

  用户通过OS来使用计算机系统。或者说，用户在OS帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。

2）OS作为计算机系统资源的管理者

达成有效性目标 

    处理器                               处理器管理

    存储器                               存储器管理

    I/O设备                              I/O设备管理

   信息(数据和程序)             文件管理

3）OS用作扩充机器

系统软件以及更上层的用户应用软件在操作系统虚拟机上运行：计算机成为功能更强大的多层虚拟机。

1.2  操作系统的发展过程

推动OS萌芽、发展、变化的主要动力：

方便用户

l提高计算机资源利用率

l硬件器件不断更新换代：8bit

->16，32

计算机体系结构的不断发展：单CPU,多CPU,网络

脱机I/O方式的主要优点：

减少了CPU的空闲时间

提高I/O速度

脱机I/O方式的主要缺点：

系统开销大！

单道批处理系统(Simple

Batch Processing System)

•作业成批、脱机方式输入到磁带或磁盘上

•进一步减少脱机I/O中装卸磁带等耗时操作 

•系统监督程序(Monitor)控制作业自动过渡，一个接一个的连续处理。

“多道”程序有什么好处

CPU利用率提高：减少了CPU等待时间（正在运行的程序若因为I/O操作暂停，可调度其他程序执行，不必装卸。）

内存利用率提高：容量尽可能多的被利用

多种I/O设备并发被使用，也提高了利用率

总体->系统吞吐量增加（虽然CPU总是串行的，但一段时间内被运行的作业数相对要多

1）多道批处理系统的特征：

多道性

无序性

作业入内存由算法决定，不按提交顺序。入内存后顺序执行。

调度性

包括作业调度、进程调度

2）多道批处理系统的优缺点：

优点：

资源利用率高：CPU和内存利用率较高；

系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；

缺点：

平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；

无交互能力：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改

3）多道批处理系统解决的五大问题：

a.处理机管理问题

b.内存管理问题

c.I/O设备管理问题

d.文件管理问题

e.作业管理问题

操作系统是：

一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度（多道），方便用户使用的程序的集合

5.分时系统(time-sharing system)

1）分时系统的产生

用户的新需求是主要动力：

A.人—机交互

B.共享主机

C.便于用户上机

2）分时系统实现中的关键问题

交互：当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。

共享：强调即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理。

    (1)及时接收：多路卡，缓冲区

    (2)及时处理：终端请求作业直接进入内存，设置时间片

    3）分时系统的实现方法

改变批处理系统的运行方式：

q多个用户连接主机

q请求的作业发送到主机后，直接进入主机内存以快速响应

q系统采用时间片轮转方式处理服务请求

响应时间RT(response time)≈时间片×用户数

时间片：就是分配给进程运行的一段时间（time slice）

4）分时系统的特征：

多路、独立、及时、交互

多路性：多个用户同时使用一台计算机,共享CPU和其他资源，充分利用系统资源。

宏观上：是多个人同时使用一个CPU

微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU

独立性：用户感觉不到计算机为其他人服务，各用户独立操作，互不干扰。

及时性：通过时间片技术和轮转调度算法保证及时响应。

交互性：系统及时响应用户的请求，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间。

6.  实时系统(Real-Time System)

实时系统是指：

  系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行

各种典型操作系统各有特色，但均具有共同的基本特征：

1.3操作系统的基本特性

并发、共享、 虚拟、异步

1.并发concurrence

并行性：两个或多个事件在同一时刻发生

并发性：两个或多个事件在同一时段发生

并发和进程是现代OS最重要的基本概念

2.共享sharing

  系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。主要有两种共享方式：

互斥共享方式：

 对临界资源（如打印机）采用该方式，资源分配给某进程后未释放前，不能被其他进程所用。

 临界资源(独占资源)：一段时间内只允许一个进程访问的资源。

同时访问方式：

 对允许“同时”访问的资源（如磁盘）采用该方式，但“同时”仍然是“宏观并行微观串行”的，不是真正的同时

３.虚拟virtual

  通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑对应物（用户感觉上的东西），两种实现方式：

时分复用

  一个物品被多人分时使用，在一段时间内就表现为每个人都有一个该物品可用，1虚拟为n。

空分复用

  一个物品划分为多个部分，多个人每人都有一部分可用，主观上看也是1虚拟成n

虚拟处理机

  时分复用：多道程序分时间使用一个cpu，直观上似乎n个程序有n个CPU一样。

虚拟打印机

  时分复用：对一台打印机的n个打印请求进行时间的合理调配，直观上就产生互斥性质的打印机可共享使用，似乎有n个打印机的效果。

４.异步性asynchronism

指进程的执行顺序和执行时间的不确定性

进程的运行速度不可预知

 由于资源等因素限制，进程通常不能一气呵成地执行完，多个进程并发执行是“时走时停”的，不可预知每个进程的运行推进快慢；

允许异步，但结果应正确

只要环境相同，无论快慢，结果应该相同（可再现性），这需要进程互斥和同步手段来保证。

�1.4操作系统的功能

处理机管理功能（作业管理）

存储器管理功能

设备管理功能

文件管理功能

用户接口

1）进程控制：

为作业创建进程、撤销已结束的进程，控制进程在运行过程中的状态转换。以及线程的创建撤销等。

（可理解为对单个进程基本信息进行管理）

2）进程同步：

为多个进程运行进行协调（包括互斥和同步）

3）进程通信：

用来实现在相互合作进程间的信息交换；（直接通信和网络通信）

4）调度：

作业调度（入内存）和进程调度（分配CPU）

1.5操作系统的结构设计

无结构OS

模块化OS结构

分层式OS结构

微内核OS结构