第一節 什麼是作業系統?

• 作業系統是一種複雜的系統軟體, 是不同程式程式碼, 資料結構,資料初始化檔案的集合, 可執行.
• 作業系統提供計算機使用者與計算機硬體之間的介面, 並管理計算機軟體和硬體資源.

一.使用者與硬體之間的介面

• 介面是兩個不同組成部分的交接面.
• 作業系統必須完成的兩個主要目標如下:

1. 與硬體部分相互作用,為包含在硬體平臺上的所有底層可程式設計部件提供服務.
2. 為執行在計算機系統上的應用程式(即所謂使用者程式)提供執行環境

二.資源的管理者

• 現代計算機系統的一個重要特點都就是支援多工, 即允許同一個系統內同時駐留多個應用程式.
• 一方面保證使用者程式的順利執行
• 另一方面使計算機系統資源得到儘可能高效的利用, 保證計算機系統的高效能.
• 管理的資源包含: 處理機, 記憶體,裝置和檔案, 在網路作業系統中還包括網路卡,頻寬等.

1. 處理機管理

由作業系統的處理機排程程式來管理處理機的分配, 以使多個程式共享處理機, 從巨集觀上看多個程式同時順序執行.

2. 記憶體管理

在多工系統中, 記憶體不再是獨佔資源, 而是可能被多個應用程式共同佔用.如何分配而互不干擾,如何回收, 邏輯地址到實體地址的轉換

3. 裝置管理

接受使用者的IO請求, 分配IO裝置, 管理IO快取,驅動IO裝置

4.檔案管理

計算機系統把大量需要長時間保留的資料資訊以檔案的形式存放在外存裝置中, 作業系統通過自己的檔案管理程式完成外存空間的分配,回收,檔案的按名存取, 檔案的組織, 共享與保護等功能.

第二節 作業系統的發展

• 作業系統的發展從時間順序上經歷了從無作業系統到單道批處理系統, 多道程式系統(多道批處理系統, 分時系統)的發展過程.
• 隨著應用領域的擴大, 體系結構多樣化, 又出現了微機作業系統, 網路作業系統, 實時作業系統,嵌入式作業系統和物聯網作業系統

一. 無作業系統

• 第一代作業系統使用電子管作為主要的電子器件, 用外掛板上的硬連線或穿孔卡片表示程式, 沒有用來儲存程式的記憶體,無作業系統.
• 整個計算機系統處於執行-----因等待人工操作而暫停-----執行, 這樣一種不能連續自動工作的狀態.

二. 單道處理系統

• 第二代計算機使用的主要電子器件是電晶體, 開始使用磁性裝置, 內外存容量增加, 計算機運算速度提高, 出現了早期的單道批處理系統.
• 將使用者程式及程式處理的資料統稱為作業
• 對計算機的人工控制模式存在的問題是: 機器速度很快的時候, CPU長時間等待人工操作, 造成了CPU資源的嚴重浪費. 該問題的解決方案是: 利用磁性儲存裝置提高IO速度, 同時, 系統程式常駐記憶體並自動裝入作業, 撤銷作業, 輸出運算結果.
• 單道批處理系統, 記憶體中只能駐留一道使用者作業, CPU和記憶體資源被使用者作業獨佔.
• 程式是指令的集合, 程式的執行是CPU依次, 逐條執行指令的過程.當執行到輸入/輸出指令時,啟動裝置控制器工作.
• 吞吐量是指單位時間內計算機系統處理的作業量
• 當IO進行性, 此段時間內CPU空閒,無事可做.

三. 多道程式系統

• 計算機採用積體電路晶片作為主要的電子器件,OS/360是IBM開發的第一個多道程式系統.
• 多道程式系統不具有互動功能, 被稱為多道批處理系統.於是出現了分時作業系統,
• 分時作業系統,

四. 微機作業系統

• 隨著個人計算機的出現, 微機作業系統應運而生.
• CP/M在微機作業系統風行了幾年, 成為了最著名的8位作業系統.

五. 實時作業系統

• 適用於各種工業現場自動控制, 智慧機器人, 海底探測和航空航天等領域, 出現了各種實時系統.
• 實時系統是支援實時計算的系統.
• VxWorks作業系統是一種嵌入式實時作業系統,
• linux系統也支援實時性.

六. 批處理系統, 分時系統, 實時系統的特點

1. 單道批處理系統的特點

• 記憶體中只有一道作業, 可以自動成批處理作業, 自動性, 順序性,單道性
• 與無作業系統的計算機系統相比而言, 減少了等待人工操作的時間.但是單道批處理系統中, 由於作業獨佔CPU和記憶體, 當作業進行IO時,CPU只能等待IO完成而無事可做, 使得CPU資源不能得到充分利用.

2. 多道批處理系統的特點

• 在多道批處理系統中, 使用者所提交的作業都先存放在外存中並排成一個佇列, 該佇列被稱為"後備作業佇列"
• 與單道批處理系統相比, 多道批處理系統支援多道程式駐留記憶體, CPU可以不再空閒等待IO,
• 特點是: 多道性, 無序性, 排程性(作業排程和程式排程), 複雜性,
• 優點是: 能夠提高CPU, 記憶體和IO裝置的利用率和系統的吞吐量
• 缺點是: 系統平均週轉時間長, 缺乏互動能力.
• 週轉時間是指從作業被提交給系統開始到作業完成為止的時間.
• 平均週轉時間是指所有作業的週轉時間之和作業數量的比值.

3. 分時系統的特點

• 分時作業系統允許多個使用者通過終端同時使用計算機.分時作業系統是多道程式系統的自然延伸, 支援多個使用者任務同時駐留記憶體, 每個使用者通過終端與主機互動時都能得到快速響應.
• 特點是: 多路性, 獨立性, 及時性和互動性.
• 優點是: 向使用者提供了人機互動的方便性, 使多個使用者可以通過不同的終端共享主機.
• 分時系統的實現需要解決兩個關鍵問題: 及時接收和及時處理

4. 實時系統的特點

• 實時系統主要用於實時控制和實時資訊處理領域.
• 特點是: 多路性, 獨立性, 及時性, 互動性, 可靠性,

七 作業系統產品的現狀

1. 主機作業系統

• 是執行在大型主機上的作業系統, 主要提供三類服務: 批處理, 事務處理和分時處理.
• 批處理系統處理不需要互動式使用者干預的週期性作業, 保險公司的索賠處理或者連鎖商店的銷售報告通常以批處理的方式完成.
• 事務處理系統負責大量的小請求. 如銀行的支票處理或航班預定. 每個業務量都很小, 但是系統必須每秒處理成百上千個業務, 需要很高的處理速度.
• 分時系統允許多個遠端使用者同時在計算機上工作, 執行命令或處理作業 .
• 一個大型主機作業系統通常同時具有批處理, 事務處理和分時處理的功能. 如Linux 和UNIX

2. 伺服器 作業系統

• 是執行在網路伺服器上的作業系統, 可以通過網路同時為眾多使用者服務, 允許使用者共享硬體和軟體資源,
• linux廣泛應用於伺服器, PC和移動裝置.

3. 微機作業系統

• 也稱個人機作業系統,支援多工

4. 嵌入式作業系統

• 是宿主於非計算機裝置中的計算機系統.
• 嵌入式作業系統在技術上的特徵是設計上採用更易於移植的方式, 以適應越來越多的新處理器; 開放原始碼, 提高效能, 保證高可靠性.
• 特徵是小巧, 實時性, 可裝卸, 程式碼固化, 弱互動性, 強穩定性, 介面統一, 低能耗.

第三節 作業系統的特徵

1. 併發

• 併發是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生. 併發強調"同一時間間隔", 與並行不同, 並行是多個事件同時發生

2. 共享

• 共享是指系統中的資源可供記憶體中多個併發執行的程式共同使用, 資源共享有兩種方式: 互斥共享和同時共享
• 互斥共享是指任意時刻一種資源只能被一個程式訪問, 當一個程式訪問資源時, 其他程式必須等待, 直到資源被程式訪問完畢, 釋放訪問權.
• 併發與共享的關係是相互依賴的, 如果系統不支援併發, 資源的使用都是獨佔用, 不需要共享資源. 另一方面如果不能實現有效的資源共享, 併發就不可能得到很好的支援.

3. 虛擬

• 是指通過某種技術把一個物理實體變化若干邏輯上的對應物, 物理實體是實際存在的, 而虛擬僅是使用者感覺到的. 虛擬印表機, 虛擬記憶體和虛擬CPU等都作業系統通過某種技術把少量的物理資源變成較物理資源多的邏輯資源, 使共享資源的每個使用者都感覺到自己獨佔用了系統資源.

4. 非同步性

• 程式以不預知的速度向前推進.

第四節 作業系統的功能