操作系统概述

操作系统第一章知识梳理

操作系统概述

• 计算机和操作系统
  • 计算机发展史
    • 机械计算机时代
      • 始于1614
    • 电子计算机发展过程
      • 1946-1958 电子管（无操作系统）
      • 1959-1964 晶体管（批操作处理系统）
      • 1965-1970 集成电路（多道程序设计）
      • 1971-今 大规模和超大规模集成电路
    • 计算机技术的影响
      • 互联网技术多媒体技术的发展使计算机开始改变人们的生活，未来的计算机将与各种新技术相结合
  • 操作系统发展史
    • 无操作系统时代 1946-50年代
      • 工作方式 ：程序员编程+用户 机器语言
      • 计算机的工作特点 ：用户独占全机，用户一个一个轮流使用 CPU等待用户
      • 主要矛盾：人机速度矛盾
      • 提高效率的途径：脱机输入/输出技术 减少CPU等待，提高利用率； 提高I/O吞吐量；
    • 单道批处理系统 50年代末-60年代中
      • 利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个批作业由一个专门的监督程序自动依次处理，使用汇编语言开发。
      • 主要问题
        • CPU和I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）
        • 解决方法：通道和中断技术
          • 通道：用于控制主存与外设间的数据传输，独立于CPU运行，实现CPU与I/O的并行。
          • 中断：是指CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。
    • 多道批处理系统 60年代中～70年代中
      • 运行特征
        • 多道 宏观上并行运行 微观上串行运行
      • 提高处理器利用率
        • 在内存中同时放入多个程序
      • 优点
        • 资源利用率高 作业吞吐量大
      • 缺点
        • 用户交互性差 作业平均周转时间长
    • 分时系统 70年代中至今
      • 把处理机时间划分成很短的时间片，轮流地分配给各个用户程序使用，如果某个用户程序在分配的时间片用完之前还未完成计算，该程序就暂停执行，等待下一轮继续计算，此时处理机让给另一个用户程序使用。
      • CPU分配方式
        • 按时间片分配
        • 抢先式和非抢先式
      • 特点
        • 人机交互性好
        • 共享主机
        • 用户独立性
    • 实时系统
  • 操作系统的分类
    • 单用户操作系统 批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统 网络操作系统 分布式操作系统 多处理操作系统
• 操作系统的概念
  • 定义和地位
    • 定义：操作系统是控制和管理计算机系统的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程及方便用户使用程序和数据的集合。
    • • 计算机系统的组成：计算机硬件、计算机软件 计算机硬件：CPU、存储器、输入输出设备 计算机软件：系统软件、应用软件和工具软件 系统软件：操作系统、语言处理程序（汇编和编译程序）、连接装配程序、系统实用程序、工具软件等
  • 功能
    • 处理机管理 管理CPU的分配和运行，多道程序环境下，单位为进程
    • 存储器管理 对内存进行分配、保护和扩充，以提高内存的利用率、方便进程并发运行。
    • 设备管理 对所有设备进行有效管理，提高CPU与I/O设备利用率
    • 文件管理 解决软件资源的存储、共享、保密和保护。
  • 特性
    • 并发性 控制多道程序同时运行 （并发而不并行）
    • 共享性 操作系统要对系统资源进行合理分配和使用，资源在一个时间段内交替被多个进程所用。
    • 虚拟性 一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体——分时或分空间。（操作系统管理系统资源的重要手段，提高资源利用率）
    • 不确定性 由共享和并发引起
  • 性能指标
    • 系统可靠性 系统吞吐量 系统响应时间 系统资源利用率 可移植性
  • 运行机制
    • • 内核（核心态，管态,系统态 ） 操作系统内核程序执行时机器所处的状态，具有较高的特权，能执行包括特权指令的一切指令，能访问所有寄存器和存储区。可以执行特权指令或算态指令（非特权指令）
        • 时钟管理 实现计时功能
        • 中断机制 实现中断机制
        • 原语操作
          • 是一种特殊程序
          • 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
          • 这种程序的运行具有原子性——其运行只能一气呵成，不能中断
          • 运行时间较短，调用频繁
        • 系统资源管理
          • 进程管理
          • 存储器管理
          • 设备管理
      • 核外部分(用户态,目态，算态) 用户程序执行时机器所处的状态，是具有较低特权的执行状态，它只能执行规定的指令，只能访问指定的寄存器和存储区。只能执行算态指令
  • 体系结构
  • 引导
    • 在保证硬件设备正常后，计算机利用CPU运行特定程序，通过程序识别硬盘，识别硬盘分区，识别硬盘分区上的操作系统，最后又通过程序启动操作系统，一环扣一环的完成上述过程。
      • BIOS ->MBR->DPT->PBR–>OS files
    • 硬盘主引导扇区 = 硬盘主引导记录(MBR) + 硬盘分区表(DPT)
      • MBR通过检查DPT分区信息引导系统跳转至DBR引导加载操作系统
  • 虚拟机
    • 第一类虚拟机
      • 不需要安装在实际的操作系统之上，实际使用它的时候，它作为一个中间层，下面是运行操作系统需要的各种硬件，上面就是虚拟机需要支持的各种系统（windows,linux）,操作系统们通过第一类虚拟机管理程序来完成对硬件的调用。
    • 第二类虚拟机
      • 伪装成具有CPU和各种设备的完整计算机，实际上还是需要运行它的操作系统来提供大量的功能，它依赖于Windows,Linux等操作系统调度和分配资源。