操作系统

一张图带你了解操作系统全知识！包括操作系统的作用、操作系统发展过程、操作系统的目标、微机操作系统、操作系统的基本特性等等。

操作系统

• 操作系统的作用
  • 操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口
  • 作为计算机系统资源的管理者
  • 对计算机资源的抽象
  • os是铺设在计算机硬件上的多层软件的集合，他们不仅增强了系统的功能，还隐藏了对硬件操作的具体细节，实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象模型。
• 操作系统发展过程
  • 未配置操作系统的计算机系统
    • 人工操作方式
    • 脱机输入输出方式（off-linei/o）（外围机，磁盘）
      • 减少cpu空闲时间
      • 提高i/o速度
  • 单道批处理系统
    • 把一批作业脱机放到磁盘上，系统配上监督程序，内存中只保存一道作业。
      • 缺点
        • cpu利用率低
        • 内存浪费
  • 多道批处理系统
    • 选择若干个作业调入内存，共享cpu和系统的各种资源，交替运行
      • 优点
        • 资源利用率高
        • 系统吞吐量大
      • 缺点
        • 平均周转时间长
        • 无交换能力
  • 分时系统
    • 人机交互，共享主机
      • 用户无法与自己作业交互的原因，作业先驻留在外存上，即使以后被调入内存，也要经过较长时间的等待后方能运行，用户无法与自己的作业交互。
        • 系统必须提供多个终端，同时给多个用户使用
        • 用户在终端输入命令，系统能及时接受，并处理该命令，再将结果返给用户，用户可根据系统响应的情况，再继续键入下一条命令。
        • 多用户同时人机交互，相互独立互不干扰
          • 多路卡
            • 实现分时多路复用，主机以很快的速度周期性扫描各个终端，在每个终端都停留很短的时间。
          • 缓冲区
            • 为了使终端上的数据能被一次逐条处理，为每一个终端配置一个缓冲区，用来暂存用户键入的命令和数据
  • 实时系统
    • 及时，系统的正确性由逻辑正确性和产生结果的时间
      • 工业武器控制系统。信息查询系统。多媒体系统。嵌入式系统
      • 分类
        • 周期性实时任务和非周期性实时任务
          • 外部设备周期性的发出激励信号给计算机，要求他按指定周期循环执行，以便周期性的控制某外部设备
          • 非周期性无明显周期性但必须联系一个截止时间
            • 开始截止时间
            • 完成截止时间
        • 硬实时任务和软实时任务
          • 系统必须满足任务对截止时间的要求否则会出现难以预料的后果
          • 也联系截止时间但不严格，偶尔错过影响也不大
• 操作系统的目标
  • 方便性
  • 有效性
  • 可扩充性
  • 开放性
• 微机操作系统
  • 单用户单任务操作系统
    • 只允许一个用户上机，只允许用户程序作为一个任务运行
  • 单用户多任务操作系统
    • 只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使他们并发执行
  • 多用户多任务操作系统
    • 允许多用户通过各自终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，每个用户程序又可分为多个任务，使他们并发执行
• 操作系统的基本特性
  • 并发
    • 并行
      • 多个事件同一时刻发生
    • 并发
      • 多个事件在同一事件间隔内发生
        • 单处理机系统
          • 每时刻只有一个程序执行，微观上程序分时交替执行，宏观上多道程序同时执行
          • 计算机中有多个处理机，将并发执行的程序分配到多个处理机上，可做到并行执行
    • 引入进程
      • 同一个应用程序的多个不同程序分配进程，是其可以并发执行
  • 共享
    • 资源共享，系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
      • 时间
        • 进程在内存期间
      • 空间
        • 内存
    • 分类
      • 互斥共享
        • 临界资源，在一定时间内只允许一个进程访问
      • 同时访问
        • 在一定时间内允许多个进程对他访问，同时是宏观意义上的，微观上访问是交替进行的。打印机例子
  • 虚拟
    • 时分复用技术
      • 虚拟处理机
        • 利用多道程序设计技术，将一台物理上的处理机虚拟为逻辑上的多台处理机
      • 虚拟设备技术
        • 比如io设备打印机。原来在一段时间上只能被一个用户访问的设备，变成允许多个用户同时访问的共享设备，宏观上同时为多个用户服务
    • 空分复用
      • 单纯空分复用存储器，利用存储器空闲区域存储运多道程序，提高利用率
      • 虚拟存储技术
        • 实现内存的时分复用
          • 使一道程序在远小于他的内存空间上运行，用户程序各个部分分时进入内存运行。
  • 异步
    • 受资源等因素限制程序的执行走走停停
      • 不可预知性
• 操作系统的主要功能
  • 处理机管理功能
    • 进程控制
      • 为作业创建进程，撤销已结束的进程，控制进程在运行过程中的状态转换
    • 进程同步
      • 多进程协调机制
        • 进程互斥方式
          • 临界资源访问
        • 进程同步方式
          • 相互合作的进程间，对他们的执行次序加以调整
            • 信号量机制
    • 进程通信
      • 相互合作的进程，之间需要交换信息。
    • 调度
      • 作业调度
        • 从后备队列中按照一定算法选择出若干个作业，为他们分配运行所需要的资源
      • 进程调度
        • 从进程的就绪队列中，按照一定算法选择一个进程将处理机分配给他们
    • 进程为核心
      • 子主题
  • 存储器管理功能
    • 内存分配
      • 静态分配
      • 动态分配
    • 内存保护
      • 确保只在自己的内存空间运行，互不干扰
      • 不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，也不许移到非共享的其他用户程序中执行
    • 地址映射
      • 将地址空间的逻辑地址转化为内存空间的物理地址
    • 内存扩充
      • 虚拟存储技术逻辑上扩充，需要一定的硬件
        • 请求调入功能
          • 系统允许在装入部分用户程序和数据的情况下，便能启动该程序运行，若发现继续运行所需的程序和数据尚未完全装入内存，可向os发出请求，由os从磁盘中将所需部分调入内存
        • 置换功能
          • 内存无足够空间将不用的移到硬盘，将需要的移入内存
  • 设备管理功能
    • 缓冲管理
      • 现代os中在内存中设置缓冲区，缓和cpu与io设备速率不匹配的矛盾
    • 设备分配
      • 子主题
    • 设备处理
  • 文件管理功能
    • 文件存储空间管理
    • 目录管理
    • 文件的读写管理与保护
  • 操作系统与用户之间的接口
    • 用户接口
      • 联机用户接口
      • 脱机用户接口
      • 图形用户接口
    • 程序接口
      • 子主题
  • 现代操作系统的新功能
    • 系统安全
      • 认证
      • 密码
      • 访问控制
      • 反病毒
    • 网络功能与服务
      • 网络通信
      • 资源管理
      • 应用互操作
    • 支持多媒体
      • 接纳控制
      • 实时调度
      • 多媒体文件的存储
• 操作系统结构设计
  • 无结构操作系统
  • 模块化操作系统
    • 缺点
      • 接口实现 难以满足预期
      • 齐头并进无序性，不可靠
  • 分层结构
    • 自下而上设计，有序可靠，
    • 缺点效率低，自上而下穿越多个层次
  • 微内核结构
    • 足够小的内核
    • 基于用户服务器模式
    • 应用机制与策略分离的原理
    • 采用面向对象的技术
      • 封装，继承
    • 功能
      • 进程管理
      • 低级存储器管理
      • 中断和陷入管理
• 浮动主题