操作系统笔记-电子科技大学
第一章 操作系统概述
课程要求：
操作系统先修课：计算机组成原理、高级语言程序设计、数据结构
操作系统学习目的：掌握OS设计与实现原理、算法与数据结构；基于文献研究学习方法。
操作系统学习任务 ：系统概述； 进程调度；存储管理；I/O设备管理；文件管理；外存管理。
操作系统的目标：方便性、有效性、可扩充性、开发性
计算机系统结构 ：硬件（设计者）-》操作系统（系统程序员）-》工具-》应用程序
1.1 操作系统的概念四种观点：
用户接口观点：OS是用户使用计算机系统的接口，它为用户提供方便的工作环境。
虚拟机观点：OS建立在计算机硬件平台上的虚拟机，它为应用软件提供了许多计算机硬件功能更强或计算机硬件没有的功能。
资源管理观点：OS是计算机系统中各类资源的管理者，它负责分配、回收以及控制系统中各个软硬件资源。
作业组织观点：OS是计算机系统工作流程的组织者，它负责协调在系统中运行的各个应用软件的运行次序。
1.2 OS需求分析
OS的功能性需求：1)计算机用户需要的用户命令；被称为用户接口或命令接口.
2)应用软件需要的系统调用；被称为程序接口或应用编程接口API。
用户接口
用户命令：指用户要求计算机系统为起工作的指示。
命令的表示形式：字符、菜单、图像
命令的使用方式分为2种：脱机使用方式；联机使用方式受到CPU控制
系统调用
系统调用：指OS实现的应用软件在运行过程种可以引用大的系统服务；常见的API 有 WIN32 API.
1.3 非功能性需求
1）性能或效率 ：最大吞吐量；响应时间快；分时系统支持更多用户使用；
2）公平性：
3）可靠性：
4）安全性、可伸缩性、
5）可扩展性、
6）可移植性
1.4 OS对平台的依赖
计时器、中断 、DMA、特权指令、存储保护机制
1.5 基本概念
作业：计算机用户在一次上级过程种要求计算机系统为其所做工作的集合；作业中的每项相对独立的工作称为作业步。通常用一组命令来描述作业；其中每个命令定义一个作业步，作业控制语言（JCL）;
线程：程序的一次相对独立的运行过程，在os中，线程是系统调度的最小单位。
进程：系统分配资源的基本对象；在os中进程是系统中拥有资源的最小实体；在传统OS中，进程是系统调度的最小单位。
虚拟存储 ：进程的逻辑地址空间；它是OS对计算机系统中多级物理存储体系进行高度抽象的结果。
文件：命名的字节流；在OS对计算机系统种类繁多的外部设备进行高度抽象的结果。
错误修改；提供新服务；支持硬件升级软件；性能要求提高
1.6 计算机发展历史
1）串行处理: 没有操作系统，效率低；
脱机输入输出方式解决人机矛盾以及CPU月I/O设备之间速度不匹配；减少了CPU空闲时间，提高I/O速度
2)简单批处理系统：监督程序常驻内存且控制进程调度，监督程序在外存队列中，选择一个作业进入内存运行且该进程全部占用内存，执行完毕之后调出。缺点：效率低
3）多道程序设计：一个支持多道程序设计的系统允许多道程序同时准备运行；当正在运行的那道程序因为某种原因暂时不能继续运行时，系统将自动地启动另一道程序运行；一旦原因消除，暂时停止运行的那道程序在将来某个时间还可以被系统重新启动继续运行。提高了资源利用率和吞吐量 ；
多道批处理系统的优点：资源利用率提高；系统吞吐量达；平均周转时间长；无交互能力
多道批处理系统需要解决的问题：处理机争抢；内存分配保护；I/O设备分配；作业管理；文件的组织和管理问题；用户与系统的接口
1.7 分时系统
分时系统：多道程序设计允许处理器同时处理多个批作业，还可处理多个交互作业的系统
批处理多道程序设计和分时系统区别：
批处理多道程序设计主要目标：充分利用处理器；操作系统指令源为 作业控制语言命令和作业提供的命令
分时系统主要目标：减小响应时间 ；操作系统指令源为 终端键入的命令
分时系统的特征：多路性、独立性、及时性、交互性
1.8 现代OS基本类型
按硬件平台系统结构分类：单机OS、并行OS、网络 OS、分布OS
单机OS分为批处理、分时系统、实时系统
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抑制运行。实时系统类型分为实施控制系统（如工业控制系统、嵌入式系统） 和实时信息系统（如信息查询系统、多媒体系统）。实时任务的类型分为周期性实时任务和非周期性实时任务；也可分为硬实时任务和软实时任务。特征：多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性
两个基本特征：任务共行，资源共享
任务共行：1)从宏观看：任务共行是指系统中有多个任务同时运行；
2) 从微观看：任务共行是指单处理机系统中的任务并发或多处理机系统中的任务并行。
资源共享：1）从宏观看：资源共享是指多个任务可以同时使用系统中的软硬件资源；
2)从微观看：资源共享是指多个任务可以交替互斥地使用系统中的某个资源。
任务管理模型
任务：计算机系统在某个资源集合上所做的一次相对独立的计算过程。在OS中任务用线程和进程这个两个基本概念共同表示；在传统OS中，任务仅仅用进程这一基本概念表示。在OS中任务管理模型用线程状态转换图表示；在传统OS中任务管理模型用进程状态转换图表示。
资源管理模式
资源 ：程序和数据组成的软件资源以及包含CPU、存储器、I/O设备等在内的硬件资源。
通常情况下，系统竞争模式管理软件资源，为此系统将为共享同一软件资源的多个任务提供互斥机制。对于硬件资源，系统常常用分配模式加以管理。
该模式可以描述为：申请-----分配-----使用-----释放------回收
1.9 OS系统结构
总体OS结构风格：用户接口子系统，基础平台子系统；用户接口子系统提供用户需求的用户命令，基础平台子系统提供应用软件需求的系统调用。
基础平台子系统结构风格：分层结构、分级结构、分块结构依次逐渐灵活划分。
分层结构是一种特殊的分级结构
分级结构是一种特殊的分块结构
模式 程序运行过程中使用的、由硬件体系结构提供的CPU特权模式；分为多模式和单模式
双模式基础平台子系统其总体结构包含两个模块：它们分别在两种不同CPU特权模式下运行。分为核外子系统和核心子系统。把核外子系统所使用的CPU特权模式称为用户模式。核心子系统所使用的CPU特权模式称为内核模式
微核结构：尽最大努力剔除核心子系统中的多余成分，并把它们移到核外子系统中实现，核心子系统只实现一些必要的简单的概念及其属性，从而保持核心子系统简洁高效。
1.10操作系统主要功能
处理机管理功能：进程控制、进程同步、进程通信、进程调度
存储器管理功能：内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充
设备管理功能：缓冲管理、设备分配、设备处理
文件管理功能：文件存储空间管理、目录管理、文件读写管理和保护、
