计算机操作系统

课程简介：

操作系统是一门涉及较多硬件的系统软件课程，在计算机软硬件课程的设置上起着承上启下的作用。既涉及硬件资源管理又涉及软件算法，是计算机课程的专业主干课。

课程特点：

其特点是概念多、较抽象和涉及面广，整体实现思想和技术又比较难于理解。

学习方法：

牢记概念 理解功能 联系实际 前后贯通

主要知识：

• 操作系统的四大管理功能
• 关键词：OS是什么，做什么，如何做

一、《操作系统》课程的重要性

• 掌握核心系统软件
• 掌握并发处理的思想方法
• 考研专业课的重要科目
• 为后继课程打好基础

二、《操作系统》的课程地位

• 专业基础课
• 程序设计语言------>数据结构
• 数字逻辑-------> 计算机组成原理
• 以上两门是前置课程，之后是操作系统------> 编译原理

计算机网络 数据库原理

三、课程内容

• 操作系统引论
• CPU管理
  • 进程管理
  • 处理机调度与死锁
• 存储器管理
• 设备管理
• 文件管理
• 操作系统接口
  （加粗为操作系统四大管理功能）
  

四、OS课程所站的角度

• 单CPU
• 多任务
• CPU具有与外设并行操作的能力

第一章 操作系统引论

1.1 操作系统的目标和作用

1.2 操作系统的发展过程

1.3 操作系统的基本特性

1.4 操作系统的主要功能

1.5 OS结构设计

1.1 操作系统的目标和作用

一、操作系统（OS）的定义

用过的OS：Windows Unix Linux DOS 鸿蒙 安卓……

操作系统能做什么？

   各种命令：dir copy del format
   启动、结束用户程序
   系统调用：利用INT指令
   Unix等提供多任务、多用户环境

OS不能做什么？

   不做文档编辑
   不做房屋设计
   不是编译程序

结论：OS不直接解决最终具体应用问题，为你完成所有与“硬件相关”、“应用无关”的工作，以给你方便、效率和安全。

定义：OS是直接控制和管理计算机硬件、软件资源，合理地对各类作业进行调度，以方便用户使用的程序集合。

二、操作系统在计算机中的地位

三、OS的目标

目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点：

• 有效性
  有效性所包含的第一层含义是提高系统资源的利用率，第二层含义是提高系统的吞吐量。
• 方便性
  方便性是指一般情况下，一个未配置OS的计算机系统是极难使用的。通过配置OS，可以使用户利用各种命令来操作计算机系统，可以极大地方便用户，使计算机变得易学易用。
• 可扩充性
  可扩充性是指操作系统通过模块化后者层次化的结构设计，可以方便地增添新的功能和模块，以及对原有的功能和模块进行修改，具有良好的可扩充性。
• 开放性
  指系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连OSI国际标准，这样能实现彼此兼容，方便的实现互连。

四、OS的作用

五、推动操作系统发展的主要动力

• 不断提高计算机资源的利用率
• 方便用户
• 元器件的不断更新换代
• 计算机体系结构的不断发展

1.2 操作系统的发展过程

无OS

一、人工操作方式

二、脱机I/O方式

有OS

• 批处理系统
• 分时系统
• 实时系统

一、批处理系统

• 用户使用系统提供的作业控制语言（JCL）来描述自己对作业运行的控制意图，并将这些控制信息连通作业一起提交给计算机。
• 由OS去控制、调度各作业的运行并输出结果。
• 由于作业进入系统后用户不再干预，从而提高了效率。

设计目标：

   提高系统资源的使用效率，提高作业吞吐量。

批处理系统分为单道批处理和多道批处理两种系统。

单道批处理系统

为实现对作业的连续处理，需要先把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序（Monitor），在他的控制下，使这批作业能一个接一个地连续处理。

单道批处理系统的缺点

系统中的资源得不到充分的利用。这是因为在内存中仅有一道程序，每逢该程序在运行中发出I/0请求后，CPU便处于等待状态，必须在其I/O完成后才继续运行。又因I/O设备的低速性，更是CPU的利用率显著降低。下一张幻灯片里的图显示出了单道程序的运行情况，从图中可以看出：在t2_t3、t6t7时间间隔内CPU空闲。

多道批处理系统

什么是多道程序设计？
在多道批处理系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。
所以为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在20世纪60年代中期引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统。

多道程序运行，系统性能明显改善。将多道程序设计技术应用于批处理系统，就形成多道批处理系统。

• 优点：资源利用率高，系统吞吐量大
• 缺点：周转时间变长，无交互能力

多道批处理系统的特征

   多道性
   无序性
   调度性

多道批处理系统需要解决的问题

多道批处理系统是一种十分有效，但又非常复杂的系统，为使系统中多道程序间能协调地运行，系统必须解决下述一系列问题：

• 处理机争用机制问题。既要能满足各道程序运行的需要，又要能提高处理机的利用率。
• 内存分配和保护问题。系统应能为没到程序分配必要的内存空间，使它们“各得其所”，且不会因某道程序出现异常情况而破坏其他程序。
• I/O设备分配问题。系统应采取适当的策略来分配系统中的I/O设备，已达到既能方便用户对设备的使用，又能提高设备利用率的目的。
• 文件的组织和管理问题。系统应能有效地组织存放在系统中的大量的程序和数据，使它们既便于用户使用，又能保证数据的安全性。
• 作业管理问题。系统中存放着各种作业（应用程序），系统应能对系统中所有的作业进行合理的组织，以满足这些作业用户的不同要求。
• 用户与系统的接口问题。为使用户能方便的使用操作系统，OS还应提供用户与OS之间的接口。

二、分时系统

分时系统基本特征：

• 多路性
• 独立性
• 及时性
• 交互性

三、实时系统

为提高系统的响应时间，对随机发生的外部事件作出及时响应并在规定的时间内对其进行处理。

• 实时控制系统
  要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据，以尽快实施响应控制。如：工业控制；导弹发射；飞机飞行。

• 实时信息系统
  要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。如：订票系统；股票交易系统。

实时任务

按任务执行时是否呈现周期性来划分

• 周期性实时任务
• 非周期性实时任务

都必须联系着一个截止时间

• 开始截止时间——任务在某时间以前必须开始执行；
• 完成截止时间——任务在某时间以前必须完成。

根据对截止时间的要求来划分

• 硬实时任务：系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。
• 软实时任务：它也联系着一个截止时间，但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响也不会太大。

实时系统基本特征：

• 快速的响应时间
• 有限的交互能力
• 高可靠性