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操作系统（Operating System , OS）是计算机硬件上的第一层软件，是计算机必须配置的最基本、最重要的系统软件

1.1 OS的目标和作用

目标

方便性

使计算机系统更容易使用

有效性

有效提高CPU和I/O设备利用率
合理地组织计算机的工作流程，从而改善资源的利用率和提高系统的吞吐量

方便性和有效性是设计OS的两个最重要的目标

可扩展性

修旧增新
适应硬件、体系结构和应用的发展要求
实现方法：模块化、层次化、微内核结构

开放性

不同厂家的计算机和设备能通过网络加以集成化，并能正确、有效地协同工作，实现应用的可移植性和互操作性的需求

作用

OS作为用户和计算机硬件系统的接口
OS作为计算机资源的管理者
OS实现了对计算机资源的抽象

1.2 OS的发展过程

无OS的计算机系统

人工操作方式

穿孔纸带放入输入机，启动输入机输入程序和数据。然后启动计算机运行

脱机输入/输出方式


优点：
（1）减少了CPU的空闲时间
（2）提高了I/O速度

单道批处理系统

os前身

特征

自动性
顺序性
单道性（缺点：资源得不到重复利用）

多道批处理系统

概念

特征

多道性：多道程序在内存中并发执行。提高了资源利用率和系统吞吐量。
无序性：先进入内存的作业可能后完成；后进入内存的作业可能先完成。
调度性：作业从提交到完成，需经过两种调度：作业调度和进程调度。

优缺点

（1）资源利用率高
（2）系统吞吐量大
（3）平均周转时间长
（4）无交互能力

需要处理的问题

处理机争用问题
内存分配和保护问题
I/O设备分配问题
文件的组织和管理问题
作业管理问题
用户与系统的接口问题

分时系统

在一台主机上连接多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源

实现要求

1.及时接收
2.及时处理
用户作业直接进入内存
应该规定每个作业只运行一个很短的时间（称为时间片）。采用轮转运行方式

特征

多路性
独立性
及时性
交互性

实时系统

定义

指系统能及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行

应用需求

（1）实时控制
（2）实时信息处理

实时系统与分时系统特征的比较

1.3 操作系统的基本特性

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们是互为存在条件的
虚拟——是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物
OS中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等
异步–
进程的执行通常不是“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。
进程是以人们不可预知的速度向前推进的。
在完善的同步机制，且运行环境相同时，作业多次运行仍能获得同样的结果。

1.4 操作系统的主要功能

处理机管理功能

对进程的管理：控制，同步，通信，调度

存储器管理功能

1.内存分配 (静态 、动态分配方式 )
2.内存保护 (硬件检查越界，软件处理)
3.地址映射 (逻辑、物理地址，硬件支持)
4.内存扩充 (虚拟存储技术)

设备管理功能

缓冲管理
设备分配
设备处理

主要任务

完成进程提出的I/O请求
为用户进程分配其所需的I/O设备
提高CPU和I/O设备的利用率
提高I/O速度
方便用户使用I/O设备

文件管理功能

文件存储空间的管理
目录管理
文件的读/写管理和保护

主要任务

对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性

用户接口

命令接口(联机命令、脱机命令)
程序接口(系统调用 )
图形接口（GUI）

1.5 操作系统的结构设计

第一代的OS是无结构的
第二代OS采用了模块式结构
第三代OS是层次式结构
第四代OS采用微内核结构

微内核

精心设计的、能实现现代OS最基本核心功能的小型内核
提高OS的正确性、灵活性、易维护性和可扩充性

特点

微内核运行在核心态；
开机后常驻内存；
并非一个完整的OS，而只是为构建通用 OS提供一个重要基础；
常采用客户/服务器模式，OS的大部分功 能和服务，都由若干服务器提供。

基本功能

进程管理
低级存储管理
中断和陷入处理

优点

提高了系统的可扩展性
增强了系统的可靠性
可移植性强
提供了对分布式系统的支持
融入了面向对象技术

问题

运行效率低，解决方法：重新将一些常用的操作系统基本功能，和服务器移入微内核中

作业错题

1.下列管理功能中，（C）不属于操作系统的功能
A. 处理器管理
B. 软件管理
C. 作业管理
D. 设备管理

2.分时系统响应时间与（D）有关。
A. 每个应用进程分配的时间片长度
B. 进程大小
C. 就绪进程数目
D. 就绪进程数目和时间片长度