（一）引論

操作系統(tǒng)定義

操作系統(tǒng)是一組控制和管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源、合理地對各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)度、以及方便用戶使用的程序集合。

百度百科的定義

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操作系統(tǒng)的目標(biāo)

• 方便性

• 有效性

  • 資源忙，而得到有效的利用。
  • 數(shù)據(jù)有序而節(jié)省存儲空間。
  • 合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程。

• 可擴(kuò)充性

  • 適應(yīng)硬件與網(wǎng)絡(luò)發(fā)展要求，應(yīng)采用層次化結(jié)構(gòu)。

• 開放性

  • 遵循開放系統(tǒng)互連OSI國際標(biāo)準(zhǔn)。是90年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的核心問題。

操作系統(tǒng)的作用

• 用戶與硬件系統(tǒng)的接口

  • 軟件接口，給用戶提供的三種方式：
    • 命令方式
    • 系統(tǒng)調(diào)用方式
    • 圖形、窗口方式

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裸機(jī)： 不加載任何軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

擴(kuò)充機(jī)器： 覆蓋了軟件的機(jī)器又稱虛擬機(jī)。

• 計(jì)算機(jī)四類資源的管理者

  • 處理機(jī)(CPU)管理
  • 存儲器管理
  • 設(shè)備管理
  • 文件管理

• 用作擴(kuò)容機(jī)器

操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

• 無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
• 單道批處理系統(tǒng)(50年代)
  • 過程：一批作業(yè)以脫機(jī)方式輸入到磁帶上，在監(jiān)督程序的控制下連續(xù)處理。
  • 特征：
    • 自動性： 無人工干預(yù)。
    • 順序性： 按進(jìn)入內(nèi)存的先后執(zhí)行。
    • 單道行： 內(nèi)存中只保持一道作業(yè)。
• 多道批處理系統(tǒng)(60年代)
  • 多道： 內(nèi)存中同時(shí)存放多個(gè)相互獨(dú)立的程序。
  • 多道技術(shù)是共享的技術(shù)。
  • 特征：
    • 多道性： 內(nèi)存中有多道程序，可并發(fā)執(zhí)行
    • 無序性： 完成時(shí)間與進(jìn)入內(nèi)存先后無關(guān)
    • 調(diào)度性： 作業(yè)從提交到完成經(jīng)兩次調(diào)度。
      1. 作業(yè)調(diào)度 外存 -> 內(nèi)存(選多個(gè))
      2. 進(jìn)程調(diào)度 分配處理機(jī)(選一個(gè))
  • 優(yōu)缺點(diǎn)：
    • 資源利用率高
    • 系統(tǒng)吞吐量大
      • 吞吐量： 單位時(shí)間內(nèi)完成的總工作量
      • 原因：
        1. 資源忙
        2. 完成或運(yùn)行不下去時(shí)才切換
    • 平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長
      • 作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間：
        從作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)開始完成并退出系統(tǒng)經(jīng)歷的時(shí)間，通常是幾小時(shí)，甚至幾天。
    • 無交互能力
      修改和調(diào)試極不方便。
• 分時(shí)系統(tǒng)(60年代)
  • 定義：
    一臺主機(jī)上連接了多個(gè)終端，同時(shí)允許多個(gè)用戶通過自己的終端，已交互方式使用計(jì)算機(jī)，共享主機(jī)中的資源。
  • 產(chǎn)生動力：
    • 1.人-機(jī)交互。 （邊運(yùn)行邊調(diào)試）
    • 2.共享主機(jī)。（設(shè)備昂貴）
    • 3.便于用于上機(jī)。 （在終端上輸入、控制）
  • 特征
    • 多路性： 即同時(shí)性，宏觀上同時(shí)微觀上輪流。
    • 獨(dú)立性： 每個(gè)用戶感覺獨(dú)占主機(jī)。
    • 及時(shí)性： 較短時(shí)間響應(yīng)(2-3秒）
    • 交互性
• 實(shí)時(shí)系統(tǒng)(60年代)
  • 實(shí)時(shí)： 及時(shí)響應(yīng)外部事件請求
  • 應(yīng)用需求：
    • 1.實(shí)時(shí)控制: 工業(yè)生產(chǎn)、武器控制飛機(jī)的自動駕駛
    • 2.實(shí)時(shí)信息處理：訂票系統(tǒng)

操作系統(tǒng)基本特征

• 并發(fā)性(最重要)
  • 并發(fā)行和并行性的區(qū)別：
    并行性： 多個(gè)事件在同一個(gè)時(shí)刻發(fā)生。（多個(gè)事件同時(shí)進(jìn)行）
    并發(fā)性： 多個(gè)事件在同一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。（多個(gè)事件都已經(jīng)開始，都沒有結(jié)束的狀態(tài)）
  • 單處理機(jī)系統(tǒng)： 宏觀并發(fā)微觀串行。
  • 多處理機(jī)系統(tǒng)： 可能產(chǎn)生并行。
  • 兩種資源共享方式：
    • 1.互斥共享方式： 對臨界資源的訪問
      • 臨界資源：打印機(jī)等硬件、棧、變量、表格等軟件。
    • 2.同時(shí)訪問方式：多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問的資源，如：磁盤、重入碼寫的文件。
• 共享性
• 虛擬性： 通過某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對應(yīng)物。如：虛擬處理器、虛擬內(nèi)存等。
• 異步性： 進(jìn)程以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。

** 操作系統(tǒng)兩個(gè)最基本的特征：并發(fā)和共享**

操作系統(tǒng)的五大功能

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• 資源管理

  • 1.處理機(jī)管理（硬件）
  • 2.存儲器管理（硬件）
  • 3.設(shè)備管理（硬件）
  • 4.文件管理（硬件）

• 5.用戶接口

  • 命令接口
    • 聯(lián)機(jī)用戶接口：和計(jì)算機(jī)主機(jī)相連的。
      • 適用：幾乎所有計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)中。
      • 組成：命令+終端處理程序+命令解釋程序。
        • 聯(lián)機(jī)命令舉例：
          • UNIX:login;logout;
          • DOS: copy;format;
        • 命令解釋程序：操作系統(tǒng)的最高層
          • MS-DOS:COMMAND.COM
          • UNIX: Shell
      • 過程：
        • 1.用戶在鍵盤上輸入命令。
        • 2.終端處理程序接受命令并顯示在屏幕上。
        • 3.命令解釋程序解釋成二進(jìn)制并執(zhí)行該命令。
    • 脫機(jī)用戶接口：和計(jì)算機(jī)主機(jī)不相連的
      • 適用：批處理系統(tǒng)。又稱批處理用戶接口
      • 組成： JCL+作業(yè)說明書+命令解釋程序
      • JCL: 作業(yè)控制語言
      • 過程：用戶把對作業(yè)的控制用 JCL 寫在作業(yè)說明書上，命令解釋程序按照作業(yè)說明書解釋并執(zhí)行。
  • 程序接口
    • 目的：為用戶程序訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置
    • 組成：一組系統(tǒng)調(diào)用
    • 系統(tǒng)調(diào)用：一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用是一個(gè)能完成特定功能的子程序
  • 圖形接口

系統(tǒng)調(diào)用過程

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操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)的發(fā)展階段

• 第一代：無結(jié)構(gòu)OS（傳統(tǒng)OS結(jié)構(gòu)）
• 第二代：模塊化OS結(jié)構(gòu)（傳統(tǒng)OS結(jié)構(gòu)）
• 第一代：分層式OS結(jié)構(gòu)（傳統(tǒng)OS結(jié)構(gòu)）
• 第一代：微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)（20世紀(jì)90年代）