計算機作業系統第一章複習

一、作業系統的概念

1.定義

作業系統是一個大型的程式系統，它負責計算機的全部軟、硬體資源的分配、排程工作，控制並協調多個任務的活動，實現資訊的存取和保護。它提供使用者介面，使使用者獲得良好的工作環境。

作業系統的計算機系統的核心軟體，按照功能特性的不同，可把作業系統分為多道批處理系統，個人機系統，網路作業系統，分散式作業系統
（系統呼叫的目的是請求系統服務）

• 多道批處理系統：提高系統的吞吐量和效率（缺點：失去了互動性）
• 實時作業系統：實時的對系統資源進行排程（追求的目標是快速響應）
• 網路作業系統：
• 分散式作業系統：
• 分時作業系統：特性（及時性，獨佔性，互動性）

Unix為分時作業系統：
在分時作業系統中，時間片一定，使用者數越多，響應時間就越長。
DOS沒有多道批處理的特點
2、目標

• 方便性：配置OS後計算機系統更容易使用

• 有效性：改善資源利用率；提高系統 吞吐量

• 可擴充性：OSde結構（如層次化的結構：無結構發展->模快化結構->層次化結構->微核心結構）

• 開放性：OS遵循世界標準範圍。

3、作用

• OS作為使用者與計算機硬體系統之間的 介面（API／CUI／GUI）

• OS是計算機系統資源的管理者（處理機、儲存器、I/O裝置、檔案）
• OS實現了對計算機資源的抽象（OS是擴充機/虛擬機器）

4、作業系統的特徵：
程式的併發執行，資源共享、 獨立性、非同步性
5、發展
隨著VLSL的發展，計算機硬體得到了迅速的發展，對作業系統提出了更高的要求，作業系統負責管理計算機系統的資源包括處理機，儲存器，裝置和檔案

• 處理機管理是用於分配和控制處理機

• 儲存器管理是負責記憶體的分配與回收

• I/O裝置管理是負責I/O裝置的分配（回收）與操縱

• 檔案管理是用於實現檔案的存取、共享和保護

6、現代作業系統的基本特徵 ： 程式的併發執行 資源共享，和操作的非同步性

7、作業系統的生活例項
計算機訂票系統應該安裝 網路作業系統
計算機語言系統學習應該安裝 分時作業系統

8、作業系統的實現必須具備的硬體支援是 ：地址轉換機構 ， 中斷轉置 儲存保護機構
9、分時系統需要使用 多道程式設計技術 中斷處理 終端命令解釋程式 系統呼叫
10、支援CPU與外設並行工作的硬體支援有通道， 中斷， 緩衝
11、特權指令 關中斷 改執行為管態 重啟動
12、作業系統的核心 檔案系統 裝置管理 記憶體管理 CPU管理
13、設計作業系統時的目標：
可擴充性，開放性，方便性，有效性
14、使用者可以通過 命令方式 系統呼叫方式 圖形視窗方式
介面 ： 使用者介面 ，程式介面 離線使用者介面 圖形使用者介面（GUI）
15、作業系統是一組控制和管理計算機 硬體和軟體資源 合理地對各類作業進行排程 以及方便使用者使用的程式的程式的集合
16、資源共享的兩種方式 互斥共享方式 同時訪問方式
17、在一段時間內只允許一個程式訪問的資源稱為 臨界資源
18、在作業系統中利用了兩種方式 實現虛擬技術，分時多工 ， 空間多工

二、作業系統的發展過程

1、無作業系統的計算機系統（40年代 手工操作階段）

• 人工操作方式：使用者獨佔全機，資源空閒浪費。
  手工裝卸、人工判斷、手工修改與除錯記憶體指令等造成CPU空閒；提前完成造成剩餘預約時間內的CPU完全空閒；
  I/O裝置的慢速與CPU的速度不匹配造成的CPU空閒等待時間
• 離線輸入輸出（Off-Line I/O）方式。減少了CPU的空閒時間
  提高了I/O速度

2、單道批處理系統（50年代）

• 解決問題：

單道批處理系統是在解決人機矛盾和CPU與I/O裝置速度不匹配矛盾的過程中形成的。批處理系統旨在提高系統資源的利用率和系統的吞吐量。（但單道批處理系統仍不能充分利用資源，故現在已很少用）
單道批處理分為：聯機批處理、離線批處理
聯機批處理：CPU直接控制作業輸入輸出
離線批處理：由外圍機控制作業輸入輸出

• 缺點：

系統資源利用率低（因為記憶體中只存在一道程式，I/O請求成功前CPU都處於空閒狀態）

• 特徵

• 自動性。正常情況下，一批作業能自動依次執行，無需人工預
• 順序性。各道作業是順序進入記憶體，
• FCFS 單道性。記憶體中任何時候只能有一道作業。

3、多道批處理系統（60年代初）

目的：為了進一步提高資源利用率和系統吞吐量

該系統中，使用者提交的作業都先存在外存中，在作業A在執行I/O請求時，CPU空閒，此時呼叫作業B，防止CPU空閒。同理按一定的演算法呼叫作業，防止CPU空閒 : 注

優點：

資源 利用率高

系統吞吐量 大

缺點：
平均週轉時間長（作業的週轉時間是指從作業進入系統開始，直至其完成並退出系統為止所經歷的時間。）無互動能力

總結：

• 多道：記憶體同時存在多個作業
• 巨集觀上並行：同時有多道程式在記憶體執行，某一時間段上，各道程式不同程度地向前推進。
• 微觀上序列：任一時刻最多隻有一道作業佔用CPU，多道程式交替使用CPU

4、還需解決的問題：

處理機管理問題	記憶體管理問題（記憶體分配和保護）
I/O裝置管理問題	檔案管理問題（檔案的組織和管理）
作業管理問題	使用者與系統的介面（OS還應提供使用者與OS的介面，方便使用者操作）

5、分時系統（60年代中）

分時系統 是指在一臺主機上連線多個帶有顯示器和鍵盤的終端，同時允許多個使用者通過自己的鍵盤，以互動的方式使用計算機，共享主機中的資源。

關鍵問題：

及時接收（多路卡和緩衝區）	作業直接進入記憶體、不允許一個作業長期佔用處理機
即時處理（劃分時間片）	多個使用者分時使用主機，每一使用者分得一個時間片，用完這個時間片後作業系統將處理機分給另一使用者，如此迴圈，每一使用者可以週期性地獲得CPU使用權，這樣每一使用者都有一種獨佔CPU的感覺。

特徵：

多路性	允許同一主機聯接多臺終端
獨立性	每一使用者獨佔一個終端；每個使用者感覺不到其他使用者的存在。
及時性	使用者請求能及時響應
互動性	可進行廣泛的人機對話

6、實時作業系統（60年代中）

• 概念：系統能及時響應外部事件的請求，在規定的時間內完成對該事件的處理，並控制所有實時任務協調一致地執行。

• 特徵：

• 多路性

  • 對實時處理系統，系統按分時原則為多個終端服務；
  • 對實時控制系統，系統經常對多路現場資訊進行採集；以及對多個物件或多個執行機構進行控制。

• 獨立性

  • 實時處理系統，每個終端使用者向實時系統提出服務請求時，彼此獨立；
  • 實時控制系統，對資訊的採集和對物件的控制彼此不干擾。

• 及時性（開始截止時間/完成截止時間）

• 互動性（僅限於訪問專用服務程式）

• 可靠性（多級容錯措施保障系統和資料安全）

7、微機作業系統

單使用者單任務作業系統：CP/M（75年）、MS-DOS（81年）。
單使用者多工作業系統：OS/2（87年）、MS WINDOWS（90年windows 3.0)。
多使用者多工作業系統：UNIX（70年）
8、多處理機作業系統

9、網路作業系統

三、作業系統的基本特性

1、併發

• 是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。
• 在一個時間段上，每一道作業都能不同程度地向前推進。但在任何一個時間點上只能有一道佔用CPU。

• 序列：在記憶體中每次只能放一道作業，只有它完 全執行完後別的作業才能進入記憶體執行。
• 並行： 存在於有多個CPU的環境中， 在記憶體中放多道作業，在任一時間點上都可能有多道作業在不同的CPU上同時執行。

2、共享

系統中的資源（硬體資源和資訊資源）可以被多個併發執行的程式共同使用，而不是被其中一個獨佔。資源共享有兩種方式：互斥共享 （臨界/獨佔資源）訪問和同時訪問。

3、虛擬

虛擬性是一種管理技術，把物理上的一個實體變成邏輯上的多個對應物，或把物理上的多個實體變成邏輯上的一個對應物的技術。採用虛擬技術的目的是為使用者提供易於使用、方便高效的操作環境。

CPU	多道程式設計技術/每個使用者（程式）的“虛擬處理機"
儲存器	每個程式都佔有的地址空間（指令＋資料＋堆疊）
I/O裝置	印表機、多視窗或虛擬終端

4、非同步
在多道程式環境下，允許多個程式併發執行，但由於資源有限，程式的執行不是一貫到底。而是走走停停，以 不可預知 的速度向前推進，這就是程式的非同步性。

四、作業系統的主要功能

1、處理機管理功能：程式控制、程式同步、程式通訊、排程（作業排程、程式排程）

2、儲存器管理功能：記憶體分配、記憶體保護、儲存擴充、地址對映

3、裝置管理功能：緩衝管理、裝置分配、裝置處理

4、檔案管理功能：檔案儲存空間的管理、目錄管理、檔案的讀 /寫管理和保護

5、作業系統與使用者之間的介面：命令介面、程式介面、圖形介面

6、現代OS的新功能：

系統安全：為保障資料的保密性、完整性和可用性，常使用的技術：認證技術、密碼技術、訪問控制技術、反病毒技術
網路功能和服務：網路通訊、資源管理、應用互操作
支援多媒體

五、作業系統的結構設計

傳統的作業系統結構

無結構OS
模組化OS結構
分層式OS結構
現代OS結構——微核心結構