計算機操作系統引論【操作系統的目標和作用、發展過程以及其基本特性】

操作系統的目標和作用、發展過程以及其基本特性

一、操作系統的目標和作用

（一）、OS的目標

（1）、方便性：一個未配置0S的計算機系統是極難使用的。
（2）、有效性：第一層含義是提高系統資源的利用率。第二層含義是提高系統的吞吐量
方便性和有效性是設計0S的兩個重要目標。
（3）、可擴充性：爲適應計算機硬件、體系結構以及計算機應用發展的要求，容易升級
（4）、開放性：開放性是指系統能遵循世界標準規範，特別是遵循開放系統互連(OSI)國際標準。

（二）、OS的作用

1. OS作爲用戶與計算機硬件系統之間的接口

①、命令方式:操作員級。由OS提供了一組聯機命令接口,以允許用戶通過鍵盤輸入有關命令來取得操作系統的服務，並控制用戶程序的運行
②、系統調用方式:程序員級。 OS提供了一組系統調用，用戶可在自己的應用程序中通過相應的系統調用，來實現與操作系統的通信。
③、圖形、窗口方式:允許用戶通過屏幕上的窗口和圖標來實現與操作系統的通信，並取得它的服務。

操作系統中，用戶界面UI也稱爲用戶接口，其含義有兩種:一種是指用戶與操作系統交互的途徑和通道，另一種是指這種交互環境即操作環境。一般將第一種含義稱爲用戶接口，第二種含義稱爲用戶交互界面。
系統調用的目的是請求系統服務。
操作系統提供給應用程序的接口是系統調用。

庫函數可以理解爲是對系統調用的一層封裝。系統調用，我們可以理解是操作系統爲用戶提供的一系
列操作的接口(API)，這些接口提供了對系統硬件設備功能的操作。

庫函數有可能包含有一個系統調用，有可能有好幾個系統調用，當然也有可能沒有系統調用,比如有些操作不需要涉及內核的功能。

2. OS作爲計算機系統資源的管理者

資源可以分爲四類:處理機、存儲器、I/0設備以及文件(數據和程序)。
相應地，0S的主要功能也正是針對這四類資源進行有效的管理，即:
①、處理機管理:用於分配和控制處理機;
②、存儲器管理:主要負責內存的分配與回收;
③、I/O設備管理:負責I/0設備的分配與操縱;
④、文件管理:負責文件的存取、共享和保護。

3. OS實現了對計算機資源的抽象

OS就是鋪設在計算機硬件上的多層軟件的集合。

（三）、推動OS發展的主要動力

0S最初發展的推動力
方便用戶成爲了繼續推動0S發展的主要因素

二、操作系統的發展過程

1、未配置操作系統的計算機系統

（1）、人工操作方法（第一代計算機 —— 電子管）
缺點：用戶獨佔全機，CPU等待人工操作，時間造成浪費糾錯不方便。
（2）、脫機輸入/輸出(Off-Line I/0) 方式
優點:
①、減少了CPU的空閒時間（裝帶、卸帶以及將數據從低速|I/O設備送到高速磁帶_上的操作都是在脫機情況下外圍機完成的，並不佔用主機時間）
②、提高了I/0速度（CPU在運行時需要的數據是從較高速的磁帶上讀取到內存的）

2、單道批處理系統

（1）單道批處理系統的處理過程

監督程序：監督計算機的運行情況(在內存中中駐留)

（2）單道批處理系統的缺點

單道批處理系統最主要的缺點是，系統中的資源得不到充分的利用。這是因爲在內存中僅有一道程序

從圖可以看出:在t2 ~ t3、t6 ~ t7時間間隔內CPU空閒。
單道批處理系統的特點:
①、自動性:磁帶上的一批作業自動執行，無需人工干預。
②、順序性:磁帶.上的作業順序進入內存，順序執行
③、單道性:內存中僅有一道程序運行

3、多道批處理系統

(第三代電子計算機小規模集成電路) 注意：有了多道批處理系統的時候，纔有了操作系統；操作系統並不是伴隨着計算機的誕生而誕生的。

(1)、多道批處理系統的基本概念

特點：作業先到磁盤上，等待進入內存，一批作業形成後備作業隊列。有專門的作業調度程序，不斷檢測內存使用情況，一旦發現內存充足，會立即選擇若干個作業進入內存去運行，使它們共享CPU和系統中的各種資源，宏觀上並行，微觀上只有一個程序執行，交替執行。

(2)、多道批處理系統的優缺點

優點:資源利用率高，系統吞吐量大。
缺點:平均週轉時間長，無交互能力。
平均週轉時間長：週轉時間是指從作業進入系統開始,直至完成並退出系統所經歷的時間。在批處理系統中,由於作業要排隊，依次進行處理，所以作業的週轉時間長。
無交互能力: 用戶一旦把作業提交給系統後，直至作業完成，用戶都不能與自己的作業交互，對修改和調試程序極不方便。

(3)、多道批處理系統需解決的問題

處理機爭用問題:既要能滿足各道程序運行的需要，又要提高處理機的利用率。
內存分配和保護問題:爲每道程序分配足夠的存儲空間又不會因爲某道程序出現問題而破壞其他程序
I/0設備分配問題:採用適當的策略來分配I/0設備，提高利用率
文件組織和管理問題:能有效組織系統中的大量程序和數據，保證數據的安全性
作業管理問題:能對所有的作業進行合理的組織，滿足用戶的不同需求
用戶與系統的接口問題:使用戶能方便的使用os，還應提供用戶與0S的接口

4、分時系統

(1)、分時系統的引入.

滿足人—機交互：可以及時的進行錯誤調試，便於實現用戶上機的需求。

(2)、追求的目標:交互性和響應時間

推動分時操作系統發展的主要動力是:爲了更好地滿足用戶的需要~人機交互。
具體實現:
①、及時接收(多路卡連接終端-分時複用)
②、及時處理(人機交互的關鍵一輪轉運行方式)
分時系統將CPU的時間劃分成若干個片段，稱爲時間片。操作系統以時間片爲單位，輪流爲每個終端用戶服務。每個用戶輪流使用一個時間片而使每個用戶並不感到有別的用戶存在。
等待週期=時間片*終端個數
時間片的大小對系統的影響：①、大:響應時間長、②、小:系統的開銷太大

(3)、分時系統的特徵

多路性、獨立性、及時性、交互性。

5、實時系統

實時系統是指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的運行。

（1）、實時系統的類型：

工業(武器)控制系統(火炮的自動控制系統、飛機的自動駕駛系統等)
信息查詢系統(訂票系統等)
多媒體系統
嵌入式系統

（2）、實時任務的類型

①、週期性實時任務和非週期性實時任務
週期性的控制某設備;
無明顯的週期性，但都有一一個截止時間或最後期限
②、硬實時任務和軟實時任務。.
實時任務根據對截止時間的要求來劃分:硬實時任務和軟實時任務

（3）、試從交互性、及時性以及可靠性方面，比較實時系統與分時系統。

交互性:交互性是分時系統中考慮的關鍵問題，用戶可以通過終端與系統進行廣泛的人機交互。實時系統也有交互性，但是僅侷限於訪問系統中某些特定的專用服務程序，實時系統的交互性有很大的侷限性。
及時性:分時系統的及時性是指用戶能在人們可以忍受的時間範圍內獲得系統的響應，一般2S左右；實時系統的及時性是它的關鍵問題之一，實時系統的及時性是被控制對象所要求的開始截止時間或完成截止時間決定的。
可靠性:分時系統要求系統有一定的可靠性，但是比實時系統的要求要低。實時系統的可靠性是它的另外一個關鍵問題。實時系統的任何差錯都有可能造成巨大的損失。所以實時系統會採取多級容錯措施保證系統的可靠性。

6、微機操作系統的發展

(1)單用戶單任務操作系統
(2)單用戶多任務操作系統
(3)多用戶多任務操作系統
一個是隨着計算機系統結構的發展，形成多處理機操作系統、網絡操作系統和分佈式操作系統；另一個則是把操作系統應用於微機，形成微機操作系統。嵌入式設備的普及應用則促進了嵌入式系統的成熟。

三、操作系統的基本特性

1、多處理機操作系統

(1)、多處理機系統的引入

計算機發展的歷史表明，提高計算機系統性能的主要途徑有兩條:
①、提高構成計算機系統的元器件的運行速度。
②改進計算機系統的體系結構。

(2)、引入多處理機系統的原因

①、增加系統的吞吐量。
②、節省投資。
③、提高系統的可靠性。

(3)、多處理機系統的類型

根據多個處理機之間耦合的緊密程序，MPS分爲兩類:

①、緊密耦合(tightly coupled) MPS
通常是通過高速總線或高速交叉開關，來實現多個處理機之間的互連，它們共享主存和I/0設備，並要求將主存劃分爲若千個能獨立訪問的存儲器模塊，以便多個處理機能同時對主存進行訪問。
②、鬆散耦合MPS
通常是通過通道或通信線路，來實現多臺計算機之間的互連。

(4)、多處理機操作系統的類型

①非對稱多處理模式(Asymmetr ic multiprocessing model，主從模式) .
在非對稱多處理系統中，把處理機分爲主處理機和從處理機兩類。主處理機只有一個，其上配置了0S，用於管理整個系統的資源，並負責爲各從處理機分配任務。從處理機有多個，執行預先規.定的任務及由主處理機所分配的任務。.
②對稱多處理模式(symnetric multiprocessing model)
對稱多處理系統中，所有的處理機都是相同的。在每個處理機上運行一個相同的0S拷貝。
優點：允許多個進程同時運行。同時，還要注意使各CPU的負載平衡，以免有的CPU超載運行，而有的卻空閒。

2、網絡操作系統

(1)、網絡操作系統概述

網絡操作系統的基本功能：網絡通信；資源管理；提供多種網絡服務；提供網絡接口。

(2)、網絡操作系統工作模式

①、客戶/服務器C(client) /S (server)模式
該模式是80年代發展起來的，目前仍廣爲流行的網絡工作模式。網絡中的各個站點分爲如下兩大類:
Ⅰ、服務器。它是網絡的控制中心，其任務是向客戶提供一種或多種服務。它有多種類型，如:文件服務器、數據庫服務器等。
Ⅱ、客戶。是用戶用於本地處理和訪問服務器的站點。客戶中包含了本地處理軟件和訪問服務器上服務程序的軟件接口。C/S具有分佈處理和集中控制的特徵。
②、對等模式peer-to- peer
網絡的服務和控制功能分佈於各個站點上。所以，該模式具有分佈處理及分佈控制的特徵。

(3)、網絡操作系統的特點

①、計算機網絡是一個互連的計算機系統的羣體。
②、這些計算機是自治的。
③、系統互連要通過通信設施(硬件、軟件)來實現。

3、分佈式系統

(1)、分佈式系統概述

分佈式處理系統最基本的特徵，是處理上的分佈，==處理分佈的實質是資源、功能、任務和控制都是分佈的。==把一個大任務分解成很多小任務,，然後分佈於各個處理單元。分佈式操作系統可以是計算機網絡,也可以是多處理機系統

(2)、分佈式操作系統的特徵

(1)統一性，即它是一個統一的操作系統。
(2)共享性，即分佈式系統中的所有資源是共享的。
(3)透明性，是指用戶並不知道分佈式系統是運行在多臺.計算機上，在用戶眼裏整個分佈式系統像是一臺計算機,用戶並不知道自己請求系統完成的操作是哪一臺計算機完成的，即系統對用戶來講是透明的。
(4)自治性，即分佈式系統中的多個主機都處於平等地位。
分佈式系統的優點是分佈式和可靠性。.

(3)、分佈式OS與網絡OS的區別

①分佈性
②並行性.
③透明性
④共享性
⑤健壯性

4、嵌入式操作系統

在嵌入式系統中的0S，稱爲嵌入式操作系統。

5、操作系統領域中新的操作系統

(1)、有線電視機頂盒領域
(2)、移動通信領域
(3)、掌上計算機領域
(4)、數字影像領域

6、操作系統的基本特徵

（1）、併發性

(1)並行與併發；並行性是指兩個或多個事件在同一時刻發生。併發性是指若干事件在同一時間間隔內發生而並多個處理機:實現並行執行。
(2)引入進程
程序是靜態實體(Passive Entity),在多道程序系統中，它們是不能獨立運行的，更不能和其它程序併發執行。在操作系統中引入進程的目的，就是爲了使多個程序能併發執行。
所謂進程，是指在系統中能獨立運行並作爲資源分配的基本單位，它是由一組機器指令、數據和堆棧等組成的，是一個能獨立運行的活動實體。多個進程之間可以併發執行和交換信息。
一個進程在運行時需要一定的資源，如CPU、存.儲空間及I/O設備等。

（2）、共享性

系統中資源可供內存中多個併發執行的進程共同使用。互斥共享方式、同時訪問方式
(1)互斥共享方式
僅當A進程訪問完並釋放該資源後，才允許另一進程對該資源進行訪問。
把在一段時間內只允許一個進程訪問的資源稱爲臨界資源或獨佔資源。在系統中必需配置某種機制來保證諸進程互斥地使用獨佔資源。
(2)同時訪問方式
在一段時間內由多個進程在宏觀_上“同時”對它們進行訪問，而實際在微觀上仍然互斥。典型的可供多個進程“同時”訪問的資源是磁盤設備。
併發和共享是操作系統的兩個最基本的特徵，它們又是互爲存在的條件。

（3）、虛擬性

在OS中用兩種方式實現了虛擬技術，即時分複用技術和空分複用技術

Ⅰ、時分複用技術

時分複用技術能提高資源利用率的根本原因在於，它利用某設備爲一-用戶服務的空閒時間，又轉去爲其他用戶服務，使設備得到最充分的利用。

把用戶所感覺到的處理機都稱爲虛擬處理機

Ⅱ、空分複用技術.

空分複用技術是利用存儲器的空閒空間分區域存放和運行其它的多道程序，以此來提高內存的利用率。
虛擬磁盤技術也是採用了空分複用方式
空分複用則是利用存儲器的空閒空間來存放其它的程序，以提高內存的利用率。

（4）、異步性

可見，由於資源等因素的限制，使進程的執行通常都不是“一氣呵成”，而是以==" 停停走走 "==的方式運行。
併發和共享互爲存在的條件；虛擬以併發和共享爲前提；異步性是併發和共享的必然結果