操作系统
什么是操作系统
操作系统的组成
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操作系统由软件和硬件构成
- 计算机硬件作为基础
- 操作系统管理和调度硬件
- 系统工具例如iptables，可以修改内核的netfilter
- 应用软件 例如数据库管理软件
- 操作系统向上层提供系统调用
- 操作系统的作用就是将复杂的硬件调度封装起来，作为系统调用提供给其他软件
操作系统的设计目标
- 方便性 提供用户接口(Interface)，使计算机便于使用
- 有效性 合理分配资源，提高利用率，增加吞吐量(单位时间的工作量)
- 可扩充性 适应将来的硬件体系和对应的更高功能和性能要求
- 开放性 不针对特定的硬件，适应不同硬件，实现软件的可移植性和互操作性
操作系统的作用
(1).用户与计算机硬件系统之间的接口
外壳(Shell)
- 面向一般用户
- CLI，GUI，Script，Menu
- 使用户使用计算机更加便利 #### 系统调用(System Call)
- 面向开发人员
- 形式上类似于过程调用，编写程序的时候使用
- 软件和系统交互的基本机制 ### (2).系统资源管理 #### 管理对象
- 硬件对象和软件对象的控制 #### 管理内容
- 资源分配，回收，访问操作
- 记录资源当前状态，相应管理策略 ### (3).用作扩充机器
- 在硬件层上管理各种资源
操作系统组成及层次结构
三层结构
| 操作系统的三层结构 |
|---|
| 最上层为用户接口GUI,CLI等 |
| 中间层为对象管理软件 |
| 最底层是操作系统抽象硬件等作为对象 |
结构细化
## 操作系统定义
最基本的系统软件
- 有效管控硬件软件，对任务的合理调度，组织作业流程
操作系统发展的主要动力
硬件
- 提高硬件资源利用率
- 提高性能
- 支持新型硬件
人们的需求
- 改善用户体验
早期计算机
纸带计算机
- 1946-50年代中期
- 价格昂贵，只有计算功能
- 工作方式
- 用户：管理员和使用者的双重身份
- 输入输出：卡带或纸片
- 编程语言：机器语言
工作特点：
- 资源利用率低
- 计算前后，CPU空闲时间浪费算力
速度矛盾和缓和途径
- 通道技术，中断技术，缓冲技术
- 中断技术：把当前的寄存器中的内容入栈，保存现场，优先处理中断程序后出栈，恢复现场
- 通道技术：通道是独立于中央处理器的，专门负责数据I/O传输工作的理单元。通道对外部设备实行统一管理，它代替CPU对I/O操作进行控制，从而使CPU和外部设备可以并行工作。所以通道又称为I/O处理机。
- 脱机输入输出
- 主机不参与对输出结果的使用
- 专业操作员和批处理技术
单道批处理技术
提高系统资源利用率
在监督程序的控制下使作业连续进行
内存中始终存在着一道作业
吞吐量比纸带计算机提高很多 #### 特性：
自动性
- 作业按次序执行，无需干预
顺序性
- 按顺序进入内存执行
单道性
- 只有一个程序可以运行，当其发生错误，调用监控程序管理作业，处理结束，退出内存，交出执行权
多道批处理技术
- 多道程序在同一处理器上交替运行
- 通过作业调度算法调度作业，处理异常
- 吞吐量比单道批处理提高很多 #### 特性：
- 多道性
- 内存中有多道程序，允许并发执行
- 无序性
- 多个作业何时进入内存没有严格的限定
- 调度性
- 作业调度
- 进程调度
优点
- 资源利用率高
- 系统吞吐量大
缺点：
- 作业周转时间长，对短作业不公平
- 无交互，不利于调试和修改
需求分析：
- 处理机管理问题
- 管理机分配
- 提高利用率
- 分配与回收
- 内存管理问题
- 分配与保护
- IO设备管理问题
- 设备共享，提高利用率
- 文件管理问题
- 文件组织方便用户使用
- 数据安全和一致性
- 作业管理问题
- 作业调度
- 工作流程
联机批处理
- 主机直接和输入输出机连接，由于输入很慢，造成cpu空闲。
脱机批处理
- 主机不直接和输入输出机连接，用其他卫星机存储在存储介质上，后集中处理
分时系统
- 人机交互
- 程序修改调试
- 共享主机
- 处理器昂贵
- 便于用户上机
- 单处理器多终端
- 分时系统的概念
- 单主机，多终端，多用户，可交互使用计算机
分时系统遇到的问题
- 及时接受输入
- 多路卡，多路缓冲区
- 及时处理
- 所有用户作业直接进入内存
- 有限时间内就可以将每个程序都运行一次 ### 分时系统的实现 #### 作业直接进入内存
- 用户键入指令直接进入内存，不必等待
时间片轮转策略
- 时间片很短，每个程序都运行一些时间周期就切换到其他程序，给人一种并发的错觉
实现方式
- 单道分时系统
- 具有前台和后台的分时系统
- 多道分时系统
分时系统特征
- 多路性
- 宏观上：多个用户同时工作，共享资源
- 微观上：每个用户轮流执行时间片
- 独立性/独占性
- 互不干扰
- 及时性
- 响应时间短
- 交互性
- 用户可以通过终端与系统进行交互
实时系统
- 时间约束
- 截止时间
- 可预测性
- 对任务的执行时间进行预判
- 可靠性
- 交互作用
实时系统与分时系统比较
实时系统更追求于
及时性
高度可靠
区别
- 分时系统的目标是提供一种通用性很强的系统，有较强的交互能力；而实时系统则大都是具有特殊用途的专用系统，交互能力略差
- 分时系统对响应时间虽有要求，但一般来说，响应时间由人所能承受的等待时间来确定；而实时系统对响应时间要求很高，一般由控制系统或信息处理磁头所能接受的延迟时间来决定。
所谓多道程序设计是指将一个以上的作业放入内存，并且同时准备运行，这些作业共享处理机的时间和外围设备等其他资源。
- 多道程序设计是为了提高cpu的利用率
