计算机操作系统

计算机操作系统知识干货分享！本导图根据西安电子科技大学出版社《计算机操作系统》第四版第一章整理而成，详细整理操作系统的目标和作用、操作系统的发展过程、操作系统的基本特征、操作系统结构设计与操作系统的主要功能。

操作系统第一章

• 操作系统的目标和作用
  • 目标
    • 方便性
    • 有效性
      • 提高系统子要的利用率
      • 提高系统吞吐量
    • 可扩充性
    • 开放性
  • 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
• 操作系统的发展过程
  • 未配置操作系统的计算机
    • 人工操作方式
      • 严重降低计算机资源利用率
    • 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。
      • 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
  • 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。
    • 需要做到
      • 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
      • 工控系统
      • 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
    • 空分复用
  • 异步
    • 进程是以人们不可预知的速度向前推进的
• 操作系统的主要功能
  • 处理机管理功能
    • 进程控制
      • 包括进程的创建、回收等，以及线程的创建
    • 进程同步
      • 进程互斥方式
      • 进程同步方式
    • 进程通信
      • 如果处在同一计算机中，采用直接通信的方式
    • 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
      • 内存保护
        • 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
      • 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
  • 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
      • 文件的读写管理和保护
• 操作系统结构设计
  • 1、无结构操作系统
  • 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
  • 3、分层式结构OS
    • 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
  • 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
• 是最基本的特征，也是互为存在的条件
• 管理
  • 处理机
    • 分配和控制处理机
  • 存储器
    • 内存的分配和回收
  • I/O设备
    • I/O设备的分配与操纵
  • 文件
    • 文件的存取、共享和保护
• 接口
  • 命令方式
  • 系統調用方式
  • 图标—窗口方式