計算機作業系統|作業系統引論

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作業系統（Operating System，OS）

• 一組程式的集合，控制和管理計算機硬體和軟體資源

• 計算機硬體上的第一層軟體，是對硬體系統的首次擴充

• 計算機中最基本和最重要的系統軟體，是其他系統軟體和應用軟體執行的基礎

目標和作用 

作業系統的目標

• 方便性：使計算機系統更易使用

• 有效性：提高資源利用率和系統吞吐量

• 可擴充性：方便對模組和功能的擴充、修改

• 開放性：遵循世界標準規範，方便相容、互聯

作業系統的作用

• 作為使用者與計算機硬體系統間的介面：命令，系統（功能）呼叫，圖形化介面（圖示-視窗）

• 作為計算機資源的管理者：處理機的分配和控制，（儲存器）記憶體的分配和回收，I/O裝置的分配和操縱，檔案（資料和程式）的讀取、共享和保護

• 實現了對計算機資源的抽象：在裸機上鋪設了多層軟體，增強了系統的功能，隱藏了對硬體操作的細節

發展

作業系統的發展過程

• 無作業系統的計算機系統：人工操作方式，離線輸入/輸出（Off-Line I/O）方式

• 單道批處理系統（Simple Batch Processing System）

• 多道批處理系統（Multiprogrammed Batch Processing System）

• 分時系統（Time Sharing System）：人機互動，共享主機

• 實時系統（Real Time System）：Solaris，Linux；Unix（大中小型機：多使用者多工）

人工操作方式的缺點

• 使用者佔用全機

• CPU等待人工操作

離線I/O方式的優點

• 減少了CPU的空閒時間

• 提高了I/O速度

單道批處理系統的缺點

• 系統中的資源得不到充分的利用

多道批處理系統的優缺點

• 資源利用率高

• 系統吞吐量

• 平均週轉時間長

• 無互動能力

多道批處理系統需要解決的問題

• 處理機爭用問題

• 記憶體分配和保護問題

• I/O裝置分配問題

• 檔案的組織和管理問題

• 作業管理問題

• 使用者與系統的介面問題

分時系統實現中的關鍵問題

• 及時接收

• 及時處理（作業直接進入記憶體，採用輪轉執行方式）

分時系統的特徵（與多道批處理系統相比）

• 多路性

• 獨立性

• 及時性

• 互動性

實時系統的型別

• 工業（武器）控制系統

• 資訊檢查系統

• 多媒體系統

• 嵌入式系統

實時任務的型別

• 週期性vs非週期性

• 硬實時vs軟實時

實時系統vs分時系統

• 多路性

• 獨立性

• 及時性

• 互動性

• 可靠性

微機作業系統的發展

• 單使用者單任務

• 單使用者多工

• 多使用者多工（Unix-Solaris/Linux）

作業系統發展的主要動力

• 不斷提高計算機資源利用率

• 方便使用者

• 器件的不斷更新換代

• 計算機體系結構的不斷髮展

• 不斷提出新的應用需求

基本特性和功能

作業系統的基本特性

• 併發性：並行vs併發，程式

• 共享性：互斥共享，“同時”訪問

• 虛擬性：虛擬技術，分時多工（處理機，裝置），空間多工（儲存器）

• 非同步性：多道程式中每個程式的執行速度未可知，但執行結果相同

作業系統的功能

• 處理機管理：程式控制，程式同步，程式通訊，排程（作業/程式）

• 儲存器管理：記憶體分配（靜態/動態），記憶體保護，地址對映，記憶體擴充（調入/置換）

• 裝置管理：緩衝管理，裝置分配，裝置處理

• 檔案管理：檔案儲存空間的管理，目錄管理，檔案的讀/寫管理和保護

• 友好的使用者介面：使用者介面（聯機/離線/圖形），程式介面

現代作業系統的新功能

• 系統安全：認證技術，密碼技術，訪問控制技術，反病毒技術

• 網路的功能和服務：網路通訊，資源管理，應用互操作

• 支援多媒體：接納控制，實時排程，多媒體檔案的儲存

結構設計

作業系統的結構設計

• 無結構：整體系統結構，一組過程的集合，每個過程可以任意地相互呼叫其他過程

• 模組化結構：按功能劃分為若干個具有一定獨立性和大小的模組

• 分層式結構：按功能流圖的呼叫次序劃分為若干個層次，每一層只能呼叫較低層，自底向上或自頂向下新增軟體

• 微核心結構：以模組化、層次化結構為基礎，採用客戶/伺服器模式（Client/Server Mode）和麵向物件的程式設計技術，支援分散式系統

模組獨立性的兩個標準

• 內聚性

• 耦合度

模組介面法的優缺點

• 提高OS設計的正確性

• 可理解性和可維護性

• 增強OS的可適應性

• 加速OS的開發過程

模組化結構設計存在的問題

• 設計的介面規定很難滿足實際需求

• 各模組同時設計，各種決定具有“無序性”，又叫“無序模組法”

• 分層設計的優缺點

• 易保證系統的正確性

• 易擴充和易維護性

客戶/伺服器模式的組成

• 客戶機

• 伺服器

• 網路系統

客戶/伺服器模式的互動過程

• 客戶傳送請求訊息

• 伺服器接收訊息

• 伺服器回送訊息

• 客戶機接收訊息

客戶/伺服器模式的優點

• 資料的分佈處理和儲存

• 便於集中管理

• 靈活性和可擴充性

• 易於改編應用軟體

物件導向技術的優點

• 通過“重用”提高產品質量和生產率

• 使系統具有更好的易修改性和易擴充套件性

• 更易於保證系統的“正確性”和“可靠性”

微核心作業系統

• 足夠小的核心

• 基於客戶/伺服器模式

• 應用“機制與策略分離”原理

• 採用物件導向技術

微核心作業系統的基本功能

• 程式（執行緒）管理

• 低階儲存器管理

• 中斷和陷入處理

微核心作業系統的優點

• 提高了系統的可擴充套件性

• 增強了系統的可靠性

• 可移植性強

• 提供了對分散式系統的支援

• 融入了物件導向技術

傳統作業系統vs微核心作業系統

傳統作業系統兩次上下文切換

• 一次是在執行系統呼叫後由使用者態轉向系統態時

• 另一次是在系統完成使用者請求的服務後，由系統態返回使用者態時

微核心作業系統四次上下文切換：

• 第一次發生在客戶傳送請求訊息給核心，以請求取得某伺服器特定的服務時

• 第二次發生在由核心把客戶的請求訊息發往伺服器時

• 第三次是當伺服器完成客戶請求後，把相應訊息傳送到核心時

• 第四次是在核心將相應訊息傳送給客戶時