OS

1 操作系统的目标和作用

定义

• 操作系统（Operating System，OS）是计算机系统最基础的系统软件，管理软硬件资源、控制程序执行，改善人机界面，合理组织计算机工作流程，为用户使用计算机提供良好运行环境。

目标

• 有效性。提高系统资源利用率，提高系统吞吐量。
• 方便性
• 可扩充性
• 开放性

作用

• OS 作为用户与计算机硬件系统之间的接口。有三种接口方式：命令方式、系统调用方式、图形窗口方式。
• OS 作为计算机系统资源的管理者。资源主要包括：处理器、存储器、设备以及信息(数据和程序)等资源。
• OS 实现了对计算机资源的抽象。

2 操作系统的发展过程

OS发展

1. 单道批处理系统。自动性、顺序性、单道性。
2. 多道批处理操作系统，脱机控制方式。资源利用率高，系统吞吐量大，平均运转周期长，无交互能力。
3. 分时操作系统，交互式控制方式。人机交互，共享主机。
4. 实时操作系统

OS分类

• 根据应用领域可以分为
  1. 服务器操作系统、并行操作系统
  2. 网络操作系统、分布式操作系统
  3. 个人机操作系统、手机操作系统
  4. 嵌入式操作系统、传感器操作系统

3 基本特征

3.1 并发性

• 并发是指宏观上在一段时间内能同时运行多个程序，而并行则指同一时刻能运行多个指令。

• 并行需要硬件支持，如多流水线、多核处理器或者分布式计算系统。

• 操作系统通过引入进程和线程，使得程序能够并发运行。

3.2 共享性

• 共享是指系统中的资源可以被多个并发进程共同使用。
• 主要由两种共享方式：互斥共享和同步共享
  • 互斥共享。互斥共享的资源称为临界资源，例如打印机等，在同一时刻只允许一个进程访问，需要用同步机制来实现互斥访问。
  • 同时共享。允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问

3.3 虚拟性

• 虚拟技术把一个物理实体转换为多个逻辑实体。

• 主要有两种虚拟技术：时（时间）分复用技术和空（空间）分复用技术。

  • 时分复用技术：多个进程能在同一个处理器上并发执行使用了时分复用技术，让每个进程轮流占用处理器，每次只执行一小个时间片并快速切换。

  • 空分复用技术：虚拟内存使用了空分复用技术，它将物理内存抽象为地址空间，每个进程都有各自的地址空间。地址空间的页被映射到物理内存，地址空间的页并不需要全部在物理内存中，当使用到一个没有在物理内存的页时，执行页面置换算法，将该页置换到内存中。

2.4 异步性

• 异步指进程不是一次性执行完毕，而是走走停停，以不可知的速度向前推进。

4 基本功能

4.1 进程管理功能（属于处理机管理的一部分）

• 进程控制、进程同步、进程通信

4.2 处理机管理功能

• 死锁处理、处理机调度（作业调度和进程调度）等。

4.3 存储器管理功能

• 内存分配、地址映射、内存保护与共享、虚拟内存等。

4.4 设备管理功能

• 完成用户的 I/O 请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率。
• 主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理、虛拟设备等。

4.5 文件管理功能

• 文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管理和保护等。

4.6 接口功能

• 提供给用户的接口
  • 图形界面
  • 命令行接口
• 提供给程序的接口
  • 系统调用接口

5 OS结构设计

传统操作系统结构

• 无结构OS

• 模块化结构OS。高内聚低耦合。

• 分层式结构OS。易于保证正确性。易于维护。

客户端服务器模式

• 组成：客户端、服务器、网络系统
• 流程：客户端发送消息、服务器接收消息、服务器会送消息、客户端接收消息。
• 优缺点：数据分布式存储和处理、便于集中管理、灵活性和可扩充性、易于改变应用软件。

面向对象程序设计

• 关键概念：对象、对象类、继承
• 优缺点：重用提高代码复用率、易修改性和易扩展性、易于保证可靠性和正确性。

宏内核与微内核OS结构

• 宏内核概念：宏内核是将操作系统功能作为一个紧密结合的整体放到内核。由于各模块共享信息，因此有很高的性能。
• 微内核概念：由于操作系统不断复杂，因此将一部分操作系统功能移出内核，从而降低内核的复杂性。移出的部分根据分层的原则划分成若干服务，相互独立。在微内核结构下，操作系统被划分成小的、定义良好的模块，只有微内核这一个模块运行在内核态，其余模块运行在用户态。
• 微内核特点：足够小的内核、基于客户服务器模式、应用“机制与策略分离”的原理、采用面向对象技术。
• 微内核优缺点：可扩展性、可靠性、可移植性、分布式系统支持、面向对象技术、频繁地在用户态和核心态之间进行切换造成性能损失。
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6 操作系统的资源

资源分类

1. 硬件资源
   1. 处理器资源：哪个程序占有处理器运行
   2. 内存资源：程序/数据在内存中如何分布
   3. 设备管理：如何分配、去配和使用设备
2. 信息资源
   1. 数据、程序
   2. 信息资源管理：如何访问文件信息
   3. 信号量资源：如何管理进程之间的通信

资源使用

3. 资源使用原则：屏蔽资源使用的底层细节
   1. 驱动程序：最底层的、直接控制和监视各类硬件资源。职责是隐藏底层硬件的具体细节，并向其他部分提供一个抽象的、通用的接口
4. 资源共享方式
   1. 独占使用方式
   2. 并发使用方式
5. 资源分配策略
   1. 静态分配方式
   2. 动态分配方式
   3. 资源抢占方式

7 硬件资源

处理器资源

1. 中央处理器（CPU）是计算机的运算核心（Core）和控制单元（Control Unit），主要包括：
   1. 运算逻辑部件：一个或多个运算器
   2. 寄存器部件：包括通用寄存器、控制与状态寄存器，以及高速缓冲存储器（Cache）
   3. 控制部件：实现各部件间联系的数据、控制及状态的内部总线；负责对指令译码、发出为完成每条指令所要执行操作的控制信号、实现数据传输等功能的部件
2. 处理器与寄存器
   1. 运算单元
   2. 控制单元
   3. 内部总线
   4. PC/IR/Flag（程序计数器/指令暂存器/标志寄存器）
   5. MAR/MDR（内存地址寄存器MAR/内存数据寄存器MDR）
   6. 寄存器
   7. Cache
   8. IOAR/IODR

存储器资源

1. 存储器的组织层次（由上到下，容量更大、速度更慢、价格更低，单位都是字节）
   1. L0：寄存器
   2. L1：L1 Cache（SRAM，静态随机存储器）
   3. L2：L2 Cache（SRAM）
   4. L3：L3 Cache（SRAM）
   5. L4：主存（DRAM，动态随机存储器）
   6. L5：SSD（本地固态硬盘）
   7. L6：本地外存储器（本地硬盘）
   8. L7：远程外存储器（分布式文件系统、Web服务器）

IO设备资源

1. 类型
   1. 输入设备
   2. 输出设备
   3. 存储设备
   4. 网络通信设备
2. 控制方式
   1. 轮询方式：CPU忙式控制+数据交换
   2. 中断方式：CPU启动/中断+数据交换
   3. DMA方式：CPU启动/中断，DMA数据交换

总线

1. 定义及其组成
   1. 总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是CPU、内存、输入输出设备传递信息的公用通道
   2. 计算机的各个部件通过总线相连接，外围设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统
   3. 按照所传输的信息种类，总线包括一组控制线，一组数据线和一组地址线
2. 类型
   1. 内部总线：用于CPU芯片内部连接各元件
   2. 系统总线：用于连接CPU、存储器和各种I/O模块等主要部件
   3. 通信总线：用于计算机系统之间的通信

8 软件资源

1. 系统软件：操作系统、实用程序、语言处理程序、数据库管理系统
   1. 操作系统实施对各种软硬件资源的管理控制
   2. 实用程序为方便用户所设，如文本编辑等
   3. 语言处理程序把汇编语言/高级语言编写的程序，翻译成可执行的机器语言程序
2. 支撑软件的有接口软件、工具软件、环境数据库
3. 支持用户使用计算机的环境，提供开发工具也可以认为是系统软件的一部分
4. 应用软件是用户按其需要自行编写的专用程序