操作系統(tǒng)筆記-電子科技大學(xué)
第一章 操作系統(tǒng)概述
課程要求：
操作系統(tǒng)先修課：計(jì)算機(jī)組成原理、高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)目的：掌握OS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原理、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；基于文獻(xiàn)研究學(xué)習(xí)方法。
操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)任務(wù)?：系統(tǒng)概述； 進(jìn)程調(diào)度；存儲(chǔ)管理；I/O設(shè)備管理；文件管理；外存管理。
操作系統(tǒng)的目標(biāo)：方便性、有效性、可擴(kuò)充性、開(kāi)發(fā)性
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ：硬件（設(shè)計(jì)者）-》操作系統(tǒng)（系統(tǒng)程序員）-》工具-》應(yīng)用程序
1.1 操作系統(tǒng)的概念四種觀點(diǎn)：
用戶(hù)接口觀點(diǎn)：OS是用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的接口，它為用戶(hù)提供方便的工作環(huán)境。
虛擬機(jī)觀點(diǎn)：OS建立在計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)上的虛擬機(jī)，它為應(yīng)用軟件提供了許多計(jì)算機(jī)硬件功能更強(qiáng)或計(jì)算機(jī)硬件沒(méi)有的功能。
資源管理觀點(diǎn)：OS是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各類(lèi)資源的管理者，它負(fù)責(zé)分配、回收以及控制系統(tǒng)中各個(gè)軟硬件資源。
作業(yè)組織觀點(diǎn)：OS是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作流程的組織者，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)在系統(tǒng)中運(yùn)行的各個(gè)應(yīng)用軟件的運(yùn)行次序。
1.2 OS需求分析
OS的功能性需求：1)計(jì)算機(jī)用戶(hù)需要的用戶(hù)命令；被稱(chēng)為用戶(hù)接口或命令接口.
????????????????????????????? ?2)應(yīng)用軟件需要的系統(tǒng)調(diào)用；被稱(chēng)為程序接口或應(yīng)用編程接口API。
用戶(hù)接口
用戶(hù)命令：指用戶(hù)要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為起工作的指示。
命令的表示形式：字符、菜單、圖像
命令的使用方式分為2種：脫機(jī)使用方式；聯(lián)機(jī)使用方式受到CPU控制
系統(tǒng)調(diào)用
系統(tǒng)調(diào)用：指OS實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用軟件在運(yùn)行過(guò)程種可以引用大的系統(tǒng)服務(wù)；常見(jiàn)的API 有 WIN32 API.
1.3? 非功能性需求
1）性能或效率 ：最大吞吐量；響應(yīng)時(shí)間快；分時(shí)系統(tǒng)支持更多用戶(hù)使用；
2）公平性：
3）可靠性：
4）安全性、可伸縮性、
5）可擴(kuò)展性、
6）可移植性
1.4 OS對(duì)平臺(tái)的依賴(lài)
計(jì)時(shí)器、中斷 、DMA、特權(quán)指令、存儲(chǔ)保護(hù)機(jī)制
1.5 基本概念
作業(yè)：計(jì)算機(jī)用戶(hù)在一次上級(jí)過(guò)程種要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為其所做工作的集合；作業(yè)中的每項(xiàng)相對(duì)獨(dú)立的工作稱(chēng)為作業(yè)步。通常用一組命令來(lái)描述作業(yè)；其中每個(gè)命令定義一個(gè)作業(yè)步，作業(yè)控制語(yǔ)言（JCL）;
線程：程序的一次相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)行過(guò)程，在os中，線程是系統(tǒng)調(diào)度的最小單位。
進(jìn)程：系統(tǒng)分配資源的基本對(duì)象；在os中進(jìn)程是系統(tǒng)中擁有資源的最小實(shí)體；在傳統(tǒng)OS中，進(jìn)程是系統(tǒng)調(diào)度的最小單位。
虛擬存儲(chǔ) ：進(jìn)程的邏輯地址空間；它是OS對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中多級(jí)物理存儲(chǔ)體系進(jìn)行高度抽象的結(jié)果。
文件：命名的字節(jié)流；在OS對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)種類(lèi)繁多的外部設(shè)備進(jìn)行高度抽象的結(jié)果。
錯(cuò)誤修改；提供新服務(wù)；支持硬件升級(jí)軟件；性能要求提高
1.6 計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史
1）串行處理:?沒(méi)有操作系統(tǒng)，效率低；
????????脫機(jī)輸入輸出方式解決人機(jī)矛盾以及CPU月I/O設(shè)備之間速度不匹配；減少了CPU空閑時(shí)間，提高I/O速度
2)簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)：監(jiān)督程序常駐內(nèi)存且控制進(jìn)程調(diào)度，監(jiān)督程序在外存隊(duì)列中，選擇一個(gè)作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行且該進(jìn)程全部占用內(nèi)存，執(zhí)行完畢之后調(diào)出。缺點(diǎn)：效率低
3）多道程序設(shè)計(jì)：一個(gè)支持多道程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)允許多道程序同時(shí)準(zhǔn)備運(yùn)行；當(dāng)正在運(yùn)行的那道程序因?yàn)槟撤N原因暫時(shí)不能繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)地啟動(dòng)另一道程序運(yùn)行；一旦原因消除，暫時(shí)停止運(yùn)行的那道程序在將來(lái)某個(gè)時(shí)間還可以被系統(tǒng)重新啟動(dòng)繼續(xù)運(yùn)行。提高了資源利用率和吞吐量?；
多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：資源利用率提高；系統(tǒng)吞吐量達(dá)；平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)；無(wú)交互能力
多道批處理系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題：處理機(jī)爭(zhēng)搶?zhuān)粌?nèi)存分配保護(hù)；I/O設(shè)備分配；作業(yè)管理；文件的組織和管理問(wèn)題；用戶(hù)與系統(tǒng)的接口
1.7 分時(shí)系統(tǒng)
分時(shí)系統(tǒng)：多道程序設(shè)計(jì)允許處理器同時(shí)處理多個(gè)批作業(yè)，還可處理多個(gè)交互作業(yè)的系統(tǒng)
批處理多道程序設(shè)計(jì)和分時(shí)系統(tǒng)區(qū)別：
批處理多道程序設(shè)計(jì)主要目標(biāo)：充分利用處理器；操作系統(tǒng)指令源為 作業(yè)控制語(yǔ)言命令和作業(yè)提供的命令
分時(shí)系統(tǒng)主要目標(biāo)：減小響應(yīng)時(shí)間 ；操作系統(tǒng)指令源為 終端鍵入的命令
分時(shí)系統(tǒng)的特征：多路性、獨(dú)立性、及時(shí)性、交互性
1.8 現(xiàn)代OS基本類(lèi)型
按硬件平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類(lèi)：?jiǎn)螜C(jī)OS、并行OS、網(wǎng)絡(luò) OS、分布OS
單機(jī)OS分為批處理、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)
實(shí)時(shí)系統(tǒng)：系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)抑制運(yùn)行。實(shí)時(shí)系統(tǒng)類(lèi)型分為實(shí)施控制系統(tǒng)（如工業(yè)控制系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)）?和實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)（如信息查詢(xún)系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)）。實(shí)時(shí)任務(wù)的類(lèi)型分為周期性實(shí)時(shí)任務(wù)和非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)；也可分為硬實(shí)時(shí)任務(wù)和軟實(shí)時(shí)任務(wù)。特征：多路性、獨(dú)立性、及時(shí)性、交互性、可靠性
兩個(gè)基本特征：任務(wù)共行，資源共享
任務(wù)共行：1)從宏觀看：任務(wù)共行是指系統(tǒng)中有多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行；
????????????? ?2)?從微觀看：任務(wù)共行是指單處理機(jī)系統(tǒng)中的任務(wù)并發(fā)或多處理機(jī)系統(tǒng)中的任務(wù)并行。
資源共享：1）從宏觀看：資源共享是指多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)使用系統(tǒng)中的軟硬件資源；
???????????????????2)從微觀看：資源共享是指多個(gè)任務(wù)可以交替互斥地使用系統(tǒng)中的某個(gè)資源。
任務(wù)管理模型
任務(wù)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在某個(gè)資源集合上所做的一次相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算過(guò)程。在OS中任務(wù)用線程和進(jìn)程這個(gè)兩個(gè)基本概念共同表示；在傳統(tǒng)OS中，任務(wù)僅僅用進(jìn)程這一基本概念表示。在OS中任務(wù)管理模型用線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示；在傳統(tǒng)OS中任務(wù)管理模型用進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示。
資源管理模式
資源 ：程序和數(shù)據(jù)組成的軟件資源以及包含CPU、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備等在內(nèi)的硬件資源。
通常情況下，系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)模式管理軟件資源，為此系統(tǒng)將為共享同一軟件資源的多個(gè)任務(wù)提供互斥機(jī)制。對(duì)于硬件資源，系統(tǒng)常常用分配模式加以管理。
該模式可以描述為：申請(qǐng)-----分配-----使用-----釋放------回收
1.9 OS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
總體OS結(jié)構(gòu)風(fēng)格：用戶(hù)接口子系統(tǒng)，基礎(chǔ)平臺(tái)子系統(tǒng)；用戶(hù)接口子系統(tǒng)提供用戶(hù)需求的用戶(hù)命令，基礎(chǔ)平臺(tái)子系統(tǒng)提供應(yīng)用軟件需求的系統(tǒng)調(diào)用。
基礎(chǔ)平臺(tái)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)格：分層結(jié)構(gòu)、分級(jí)結(jié)構(gòu)、分塊結(jié)構(gòu)依次逐漸靈活劃分。
分層結(jié)構(gòu)是一種特殊的分級(jí)結(jié)構(gòu)
分級(jí)結(jié)構(gòu)是一種特殊的分塊結(jié)構(gòu)
模式 程序運(yùn)行過(guò)程中使用的、由硬件體系結(jié)構(gòu)提供的CPU特權(quán)模式；分為多模式和單模式
雙模式基礎(chǔ)平臺(tái)子系統(tǒng)其總體結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)模塊：它們分別在兩種不同CPU特權(quán)模式下運(yùn)行。分為核外子系統(tǒng)和核心子系統(tǒng)。把核外子系統(tǒng)所使用的CPU特權(quán)模式稱(chēng)為用戶(hù)模式。核心子系統(tǒng)所使用的CPU特權(quán)模式稱(chēng)為內(nèi)核模式?
微核結(jié)構(gòu)：盡最大努力剔除核心子系統(tǒng)中的多余成分，并把它們移到核外子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，核心子系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)一些必要的簡(jiǎn)單的概念及其屬性，從而保持核心子系統(tǒng)簡(jiǎn)潔高效。
1.10操作系統(tǒng)主要功能
處理機(jī)管理功能：進(jìn)程控制、進(jìn)程同步、進(jìn)程通信、進(jìn)程調(diào)度
存儲(chǔ)器管理功能：內(nèi)存分配、內(nèi)存保護(hù)、地址映射、內(nèi)存擴(kuò)充
設(shè)備管理功能：緩沖管理、設(shè)備分配、設(shè)備處理
文件管理功能：文件存儲(chǔ)空間管理、目錄管理、文件讀寫(xiě)管理和保護(hù)、
