计算机操作系统第一章 操作系统导论 思维导图

操作系统是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，用户和计算机的接口，同时也是计算机硬件和其他软件的接口。本图是对书本的全面梳理，每个自己不理解的知识点都做了很详尽的解释。

操作系统第一章

• 操作系统的目标和作用
  • 目标
    • 方便性
      • 通过os提供的命令计算机
    • 有效性
      • 提高系统子要的利用率
      • 提高系统吞吐量
    • 可扩充性
      • 适应硬件等发展
    • 开放性
      • 遵循标准规范、彼此兼容
  • 作用
    • 用户观点
      • OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
    • 资源管理观点
      • OS作为计算机资源的管理者
    • 虚拟机观点
      • OS实现了对计算机资源的抽象
  • 推动计算机操作系统的主要动力
    • 1、不断提高资源利用率
    • 2、方便用户
    • 3、器件的不断更新换代
    • 4、计算机结构的不断发展
    • 5、不断提出新的应用需求
• 操作系统的发展过程
  • 无操作系统
    • 人工操作方式
      • 特点：用户独占计算机资源、资源利用率低、CPU等待人工操作
      • 矛盾
        • （1）人工操作的低速与CPU运算的高速——人机矛盾
        • （2）CPU与I/O设备之间的速度不匹配的矛盾
    • 脱机输入/输出方式
      • 事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在一台外围机的控制下，把纸带上的数据输入到磁带上。
      • 优点
        • 减少了CPU的空闲时间
        • 提高了I/O速度
  • 单道批处理系统
    • 先把一批作业以脱机的方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序，在它的控制下，使这批作业能一个接一个的连续处理。
    • 缺点
      • 系统资源得不到充分利用
    • 特征
      • 自动性
      • 顺序性
      • 单道性
  • 多道批处理系统
    • 多个程序同时装入内存，当一个程序由于I/O等操作导致CPU处于等待状态时，可以转而去执行其他程序。
    • 优点
      • 资源利用率高
      • 系统吞吐量大
    • 缺点
      • 平均周转周期长
      • 无交互能力
  • 分时系统
    • 一台主机上连接了多个配有显示器和键盘的终端并由此所组成的系统，该系统允许多个用户同时通过自己的终端已交互方式使用计算机，共享主机中的资源。实现方法：引入分时技术
    • 实现中的关键问题
      • 及时接收
        • 使用多路卡
      • 及时处理
        • 作业直接进入内存
        • 采用轮转运行方式
    • 特征
      • 多路性
      • 独立性
      • 及时性
      • 交互性
  • 实时系统
    • 系统能及时响应外部事件的请求，在规定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
    • 系统类型
      • 工业（武器）控制系统
      • 信息检索系统
      • 多媒体系统
      • 嵌入式系统
    • 任务类型
      • 按周期性分
        • 周期性实时任务
        • 非周期性实时任务
      • 按时间分
        • 硬实时任务
        • 软实时任务
• 操作系统的基本特征
  • 并发
    • 并行与并发的区别
      • 并行是指两个或多个事件在同一时刻发生
      • 并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生
    • 引入进程
      • 所谓进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。
      • 对内存中多个程序分别建立进程，使它们能并发执行，提高资源利用率
  • 共享
    • 系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
    • 互斥共享方式
    • 同时访问方式
  • 虚拟
    • 时分复用技术
      • 虚拟处理机技术
      • 虚拟设备技术
    • 空分复用技术
      • 虚拟存储器技术
      • 虚拟磁盘技术
  • 异步
    • 进程是以人们不可预知的速度向前推进的。建立同步机制，异步运行方式是允许的
• 操作系统的主要功能
  • 处理机管理功能
    • 进程控制
      • 进程的创建、撤销以及状态转换
    • 进程同步
      • 对并发执行的进程进行协调
    • 进程通信
      • 实现相互合作的进程之间信息转换
    • 调度
      • 作业调度
      • 进程调度
  • 存储器管理功能
    • 主要任务
      • 为多道程序的并发执行提供良好的环境
      • 便于用户使用存储器
      • 提高存储器的利用率
      • 从逻辑上扩充内存
    • 功能
      • 内存分配
        • 方式
          • 静态分配
          • 动态分配
        • 功能和结构
          • 内存分配数据结构、分配和回收功能
      • 内存保护
        • 含义
          • 保证各个程序只能在自己的内存空间中运行，不能访问其他程序的内存空间
        • 方式
          • 设置两个界限寄存器，分别用于存放正在执行的程序的上界和下届
      • 地址映射
        • 实现逻辑地址和物理地址的映射
      • 内存扩充
        • 虚拟内存
        • 系统必须具有内存扩充机制，用于实现功能：请求调入功能和置换功能
  • 设备管理功能
    • 主要任务
      • 完成用户进程提出的I/O请求，为用户程序进程分配其所需的I/O设备，并完成指定的I/O操作
      • 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
    • 功能
      • 缓冲管理
        • 在CPU和I/O之间进行缓冲，解决两者速度不匹配问题
      • 设备分配
        • 实现I/O设备的有序分配
      • 设备处理
        • 驱动程序，处理CPU和设备控制器的通信
  • 文件管理功能
    • 主要任务
      • 对用户文件和系统文件进行管理
      • 保证文件的安全性
      • 对存储空间进行管理
    • 功能
      • 文件存储空间的管理
      • 目录管理
      • 文件的读写管理
      • 文件保护
        • 多级保护（第一系统级、第二用户级、第三文件级）
  • 用户接口
    • 1、用户接口
      • 提供一组命令供用户直接或间接控制自己的作业。(联机脱机用户、图形接口)
    • 2、程序接口
      • 提供一组系统调用供用户程序和其他系统程序调用(库函数)
  • 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
• 操作系统结构设计
  • 传统操作系统结构
    • 1、无结构操作系统
      • 特点
        • 庞大、杂乱,缺乏清晰的程序结构、错误很多,难以阅读和理解,增加维护负担。
    • 2、模块化结构OS
      • 采用模块化思想，将操作系统分成若干个独立的模块
      • 优缺点
        • (1)提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性。
        • 2)增强了OS的可适应性。
        • (3)加速了OS的开发过程。
        • (4)难以满足模块完成后对接口的实际需求。
        • (5)无序模块法。
    • 3、分层式结构OS
      • 基本原则
        • 采用自底向上的原则，每一层只能调用底层提供的功能和服务
      • 优缺点
        • (1)易保证系统的正确性
        • (2)易扩充和易维护性。
        • (3)系统效率降低。
  • 客户/服务模式
    • 1、组成
      • (1)客户机
      • (2)服务器
      • (3)网络系统
    • 2、交互过程
    • 3、优缺点
  • 面向对象的程序设计
    • 基本概念
      • 面向对象技术是20世纪80年代初提出并很快流行起来的。该技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制大型软件的复杂度的。
    • 优点
      • (1)通过“重用”提供产品质量和生产率。
      • 2)系统易修改和易扩展。
      • (3)正确性和可靠性。
  • 4、微内核OS
    • 特点
      • 足够小的内核
        • 微内核只包含了操作系统最基本的核心功能，不是一个完整的OS
      • 基于C/S模式
        • 操作系统绝大部分功能放在微内核外面的一组服务器（进程）中实现
        • 客户与服务器使用内核提供的消息机制来实现信息的交互
      • 应用”机制与策略分离“原理
      • 采用面向对象技术
    • 基本功能
      • 进程（线程）管理
        • 包括进程间的通信、调度、切换、同步等
      • 低级存储器管理
        • 地址映射功能
      • 中断和陷入处理
        • 保护现场、识别中断等
    • 优点
      • 提高了系统的可扩展性
        • 当需要新增部件时，仅需要编写一个新的服务器即可
      • 增强了系统的可靠性
        • 当某个服务器出现错误不会影响到内核和其他服务器
      • 可移植性强
        • 服务器与硬件无关，仅需修改最底层的内核
      • 提供了对分布式系统的支持
      • 融入了面向对象技术
• 接口
  • 命令方式
  • 系統調用方式
  • 图标—窗口方式
• 管理
  • 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设备的分配与操纵
  • 文件管理
    • 负责文件的存取、共享和保护
• 并发和共享是最基本的特征，也是互为存在的条件