操作系统引论

操作系统的目的和作用

目的

方便性：可以通过高级语言编写程序，或者使用OS封装的接口
有效性：提高计算机系统资源的利用率和系统的吞吐量
可扩充性：方便计算机硬件不断发展
开放性：遵守对应的国际标准，比如OSI

作用

作为用户与计算机硬件之间的接口
作为系统资源的管理者：处理机，存储器，IO设备，信息
实现对计算机资源的抽象

推动计算机发展的动力

不断提高的计算机系统资源的利用率
方便用户
器件不断的迭代
计算机体系结构不断地发展
不断提出新的应用需求

计算机系统的发展过程

未配置操作系统的计算机系统

人工操作方式：利用纸带等输入程序
脱机IO方式：解决人机矛盾以及IO设备和CPU速度不匹配的问题。先把程序从纸带写入磁带，再从磁带写入内存。减少了CPU空闲时间，提高了IO速度。

单道批处理系统

处理过程：先把作业用脱机IO的方式写入到磁带上，由监督程序依次把磁带上的程序一个个的调入内存，一次只能调入一个程序。
缺点：系统中的资源得不到充分的利用

多道批处理系统

基本概念：用户提交的作业鲜卑放置在外存上，排成后备队列，按一定的算法调入内存中。
优点：资源利用率高，系统吞吐量大。
缺点：平均周转时间长，无交互能力。
需要解决的问题：争用处理机、内存分配和保护、IO设备分配、文件的组织和管理、作业管理、用户与系统接口的问题。

分时系统

进程不进入硬盘，直接进入内存。

引入：为了满足用户对人机交互的需求，表现在：人机交互、共享主机。其配有多个显示器和键盘的终端组成，无处理能力，只有发送指令的能力。
关键问题：及时接收、及时处理。其中及时处理：作业直接进入内存，采用轮转允许的方式。
特征：多路性：多个终端连接到一台计算机；独立性：各个终端彼此互不干扰；及时性：用户的请求在很短是时间内响应，时间间隔更具人们能够接受的时间确定；交互性：可以请求操作系统提供多种服务。

实时系统

能够即使响应外部事件的请求

类型：工业控制系统、信息查询系统、多媒体系统、嵌入式系统
实时任务的类型：·周期性实时任务：外部设备周期性地发出激励信号；非周期性实时任务：无周期性，但是有截止时间；硬实时任务：必须在截止时间之前完成；软是实时任务：可以偶尔错过截止时间。
对象与分时系统，实时系统处理任务更加及时，终端仅限于某些特殊的业务，实时系统要求高度可靠。

微机操作系统

单用户单任务操作系统：只允许一个用户和一个程序上机
多用户多任务操作系统：允许一个用户上机，但是允许多个任务并发执行
多用户多任务操作系统

嵌入式系统

网络操作系统

分布式操作系统

操作系统的特性

并发

并行：多个事件同一时刻发生
并发：一段时间内宏观时间上有多个程序同时运行
进程：能独立运行并且能够作为计算机分配资源的单位

共享

互斥共享
同时共享

虚拟

分时复用技术：空闲时间服务其他的用户
空分复用：类似于电信的信道

异步

操作系统的运行环境

硬件支持

操作系统内核

与硬件紧密相关的模块、设备的驱动、运行频率较高的模块以及许多模板所公用的一些基本操作的集合。

支撑功能：中断、时钟、源于操作
资源管理：进程管理、存储器管理、设备管理

处理机的多重工作模式

用于区分OS的代码和用户的代码执行。

运行模式：用户态、内核态
用户态：也被称作目态，模式位为1
内核态：也被称作管态或者系统态，模式位为0

操作系统执行用户程序的时候处于用户态，当用户通过系统调用请求OS服务的时候，系统必须从用户态切换为内核态。

存在系统引导的时候，硬件会从内核态开始工作，OS加载，然后再用户态下执行用户程序。一旦有中断或者陷阱，硬件就会从用户态切换为内核态。

双重模式有保护手段，防止OS和用户程序收到错误的用户程序的影响：

特权指令：内核态下运行的指令，可能损害机器，处于内核态下才可以执行。
非特权指令：用户态下运行的指令。

这两种指令的限制是由硬件实现的。如果程序在用户态执行了特权指令，会触发权限出错信号，OS将其转入相应的错误处理程序。