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操作系统绪论
操作系统的基本概念
概念
冯诺依曼模型
计算机系统的层次关系
引入操作系统的目的
提供用户与硬件系统之间的接口、有效控制和管理软硬件资源、合理组织计算机系统的共工作流程
特征
并发性
并行性
指两个或多个时间在同一时刻发生
并发性
指两个或多个时间在同一时间间隔内发生
程序的并发执行能有效改善系统的资源利用率，但是会使系统复杂化，因此操作系统必须具有控制和管理各种并发活动的能力
共享性
指系统中的软硬件资源不在为某个程序所独占，而是供多个用户共同使用
互斥共享
只有当前作业使用完毕并释放后，才能被其他作业使用
同时访问
宏观上的同时，微观上可能是作业交替访问该资源，但作业访问资源的顺序不会影响访问的结果
并发性和共享性是操作系统最基本的特征，二者互为存在条件
虚拟性
指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物
异步性
系统中的每道程序如何执行、多道程序间的执行顺序以及完成每道程序所需的时间都是不确定的，因而也是不可预知的
主要功能
处理器管理
进程控制
负责进程的创建、撤销及状态转换
进程同步
对并发执行的进程进行协调
进程通信
负责完成进程间的信息交换
进程调度
按一定算法进行处理器分配
存储器管理
内存分配
按一定的策略为每道程序分配内存
内存保护
保证各程序在自己的内存区域内运行而不相互干扰
内存扩充
为允许大型作业或多作业的运行，必须接触虚拟存储技术去获取增加内存的效果
设备管理
设备分配
根据一定的程序分配原则怼设备进行分配，为了使设备与主机并行工作，还需采用缓冲技术与虚拟技术
设备传输控制
实现物理的输入/输出操作
设备独立性
即用户程序中的设备与实际使用的物理设备无关
文件管理
文件存储空间的管理
负责怼文件存储空间进行管理，包括存储空间的分配与回收等功能
目录管理
目录是为方便文件管理而设置的数据结构，它能提供按名存取的功能
文件操作管理
实现文件的操作，负责完成数据的读写
文件保护
提供文件保护功能，防止文件遭到破坏
用户接口
命令接口
提供一组命令供用户直接或间接控制自己的作业
联机命令接口（交互式命令接口）
脱机命令接口（批处理命令接口）
程序接口（系统调用）
程序级接口，由系统提供一组系统调用命令供用户程序和其他系统程序调用
图形接口
联机命令接口的图形化
操作系统的发展与分类
发展
无操作系统阶段
人们采用手工操作方式操作计算机
单通道批处理系统
自动性
在顺利的情况下，在磁带上的一批作业能自动依次运行，而无需人工干预
顺序性
磁带上的各道作业顺序进入内存，搁到作业的完成顺序与塔恩进入内存的顺序在正常情况下应完全相同，亦即先调入内存的作业先完成
单道性
内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行
多通道批处理系统
分类
批处理操作系统
多用户脱机使用计算机，用户提交作业后，在获得结果之间几乎不和计算机交互
成批处理
工作人员把用户提交的作业分批进行处理，由进度程序负责没批作业间的自动调度
多道处理程序
按多道程序设计的调度原则，从一批后背作业中选取多个作业调入内存闭关组织琪运行，成为多道批处理系统
资源为多个作业共享，运行过程中用户不干预自己的作业，提高力系统资源利用率和作业吞吐量的同时使用户失去了对运行的控制能力，使用不方便
分时操作系统
多路性
一台计算机与若干台终端相连接，终端上的这些用户可以同时或基本同时使用计算机
交互性
分时操作系统中用户的操作方式是联机方式，即用户通过终端采用人机会话方式直接控制程序运行，同程序进行交互
独占性
分时操作系统采用时间片乱转的方法使一台计算机同时为许多终端用户服务，客观效果是用户彼此之间感觉不到别人的存在
及时性
系统能够在较短时间内相应用户请求
实时操作系统
实时控制系统
指以计算机为中心的生产过程控制系统，又称为计算机控制系统
实时信息处理系统
计算机及时接收从远程终端发来的服务请求，根据用户提出的问题怼信息进行检索和处理，并短时间内做出正确响应
主要特点
及时响应
高可靠性
其他操作系统
嵌入式操作系统
运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统以及它所操作和控制的各种装置等资源进行统一控制的软件系统
集群系统
两个或多个独立系统耦合起来，共同完成一项任务，通常用来提高可用性
网络操作系统
一个互联的计算机系统的全体，在物理上是分散的
每台计算机都有自己的操作系统，各自独立工作
系统互联要通过通信设施实现
系统通过信息设置执行信息交换等操作，需要网络支持，基于计算机网络
分布式操作系统
多个分散的处理单元经互联网络连接而成的系统，每个处理单元具有高度自治由相互协同
特征
统一性
共享性
透明性
操作系统的运行环境
核心态与用户态
核心态（管态、系统态）
系统管理程序执行时机器所处的窗台，有较高权限，能执行包括特权指令的一切指令，能够访问所有寄存器和存储区
用户态（目态）
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，只能执行规定指令，只能访问指定的寄存器和存储区
特权指令
只能由操作系统内核部分使用，不允许用户直接使用的指令
I/O指令
设置中断屏蔽指令
清内存指令
存储保护指令
设置时钟指令
时钟管理
时钟是计算机各部件最关键的设备，系统通过时钟管理，向用户提供标准的系统时间，通过时钟中断管理实现进程的切换，如时间片轮转调度
中断机制
一小部分属于内核，负责保护和回复终端现场的信息，转移控制权到相关的处理程序，这样可以减少终端的处理时间，提高系统的并行处理能力
原语
关闭中断的公用小程序
特点
处于操作系统的最底层，最接近硬件的部分
程序运行具有原子性，操作只能一气呵成
运行时间段，但调用频繁
系统控制和数据结构及处理
操作系统中需要一些用来等级状态信息的数据结构
作业控制块
进程控制块
设备控制块
各类链表
消息队列
缓冲区
空闲登记区
内存分配表
定义怼这些数据结构的一系列操作
进程管理
存储器管理
设备管理
中断与异常
中断（外中断）
系统正常功能的一部分
因进程调度使程序等职当前运行进程转而执行其他进程
因缺少所需资源而中断等待资源到达
异常（内中断）
由错误引起
文件损坏
进程越界
异常会引起中断，中断未必是异常引起
系统调用

体系结构
模块组合结构
优点
结构紧密
接口直接简单
系统效率相对较高
缺点
不易把握模块独立性，导致系统结构不清晰
可扩展性差
可适应性差
只是用与系统小、模块少、使用环境稳定的系统
层次结构
优点
组织和依赖关系清晰明了，上层功能建立在下层基础之上，系统可读性和可适应性及可靠性都得到了增强
便于修改和扩充
缺点
操作系统的功能模块如何有效分层要仔细考虑
把与机器特点紧密相关的软件放在最底层
常用操作方式放在最内层
随着操作方式改变的部分放在外层
为进程提供服务的调用模块放在系统内层
微内核结构
优点
进程运行在独立用户进程中，某个服务器产生问题，不会引起其他部分崩溃
灵活性好，只要接口规范，操作系统可以方便增删服务功能
便于维护，修改服务器代码不会影响系统其他部分
适合分布式处理的计算环境
缺点
效率不高，所有用户进程都要通过微内核相互通信，微内核成为系统瓶颈