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操作系统的概念

操作系统的目标和作用

操作系统的作用

操作系统的基本特征

操作系统的发展过程

操作系统的主要功能

OS的体系结构

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操作系统的概念

操作系统（OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配；以提供给用户和其他软件方便的接口和环境；它是计算机系统中最基本的系统软件。

操作系统的目标和作用

主要目标：方便性、有效性、可扩充性、开放性

操作系统的作用

1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口的含义是：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。或者说，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。如图所示，用户可以通过三种方式使用计算机，即通过命令方式、系统调用方式和图标-窗口方式来实现与操作系统的通信，并取得它的服务。

2.OS作为计算机系统资源的管理者

资源划分为四类资源：处理机、存储器、I/O设备、文件（数据和程序）

处理机管理：用于分配和控制处理机。

存储器管理：主要负责内存的分配和回收。

I/O设备管理：负责I/O设备的分配（回收）与操控。

文件管理：用于实现对文件的存取、共享和保护。

3.OS实现了对计算机资源的抽象

操作系统的基本特征

操作系统的特性：并发、共享、虚拟、异步，其中并发和共享是最基本的特征，二者互为存在条件。

1.并发

并发：指两个或多个事件在同以时间间隔内发生，这些事件宏观上同时发生的，但在微观上是分时的交替发生。

并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

注：单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行。

多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行。

2.共享

共享即资源共享，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。

两种资源共享方式：

（1）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使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该      资源。比如打印机。

（2）同时共享方式

  系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问。比如磁盘设备。

3.虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上的对应物是用户感受到的。在OS中也是利用时分复用技术和空分复用技术来实现“虚拟”的。

4.异步

异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

操作系统的发展过程

1.人工操作阶段

缺点：人机速度矛盾

2.批处理阶段

（1）单道批处理系统（引入脱机输入输出技术）

优点：缓解人机速度矛盾。 缺点：资源利用率依然很低。

（2）多道批处理系统（操作系统开始出现）

优点：多道程序并发执行，资源利用率高。 缺点：不提供人机交互功能。

3.分时操作系统

优点：提供人机交互功能。 缺点：不能优先处理紧急任务。

4.实时操作系统

（1）硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理。

（2）软实时系统：能接收偶尔违反时间规定。

优点：能优先处理紧急任务。

操作系统的主要功能

1.处理机管理功能

处理机管理的主要功能有：创建和撤消进程，对诸进程的运行进行协调，实现进程之间的信息交换，以及按照一定的算法把处理机分配给进程。

（1）进程控制

（2）进程同步：常用的协调方式有进程互斥方式和进程同步方式

（3）进程通信

（4）调度

在传统的OS中，调度包括作业调度和进程调度两步。

作业调度。作业调度的基本任务时从后备队列中按照一定的算法选择出若干个作业，为它们分配运行所需资源，在将这些作业调入内存后，分别为它们建立进程，使它们成为可能获得处理机的就绪进程，并将它们插入就绪队列中。

进程调度。进程调度的任务是从进程的就绪队列中按照一定的算法选出一个进程，将处理机分配给它，并为它设置运行现场，使其投入执行。

2.存储器管理功能

（1）内存分配

内存分配的主要任务：为每道程序分配内存空间，使它们“各得其所”；提高存储器的利用率，尽量减少不可用的内存空间（碎片）；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

OS在实现内存分配时，可采取静态和动态的两种方式：

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”。

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”。

（2）内存保护

（3）地址映射

（4）内存扩充

3.设备管理功能

设备管理的主要任务如下：

（1）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。

（2）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。

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

4.文件管理

文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理以方便用户使用，并保证文件的安全性。为此，文件管理应具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读/写管理以及文件的共享与保护等功能。

5.操作系统与用户之间的接口

（1）用户接口

为了方便用户直接或间接地控制自己的作业，操作系统向用户提供了命令接口。用户可通过该接口向作业发出命令以控制作业的运行。该接口又进一步分为联机用户接口、脱机用户接口和图形用户接口三种。

（2）程序接口

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

6.现代操作系统的新功能

（1）系统安全

（2）网络的功能和服务

（3）支持多媒体

现代操作系统增加了多媒体的处理功能：

接纳控制功能。

实时调度。多媒体系统中的每一个任务，往往都是一些要求比较严格的，周期性的软实时任务SRT，如为了保证动态图像的连续性，图像更新的周期必须在40ms之内，因此在SRT调度时，不仅需要考虑进程的调度策略，还要考虑进程调度的接纳度等，相比传统的OS这就要复杂的多。

多媒体文件的存储。

OS的体系结构

1.大内核

将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态。

优点：高性能。缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护。

2.微内核

只把最基本的功能保留在内核。

优点：内核功能少，结构清晰，方便维护。

缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低。

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