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教材為西安電子科技大學 湯小丹老師 第四版

1.1作業系統目標和作用

1、目標
目前存在著多種型別的OS，不同型別的OS，其目標各有所側重。通常在計算機硬體上配置的OS，其目標有以下幾點：

• 方便性
  便於理解計算機
  通過介面方便地使用
• 有效性
  提高系統資源利用率
  提高系統吞吐量
• 可擴充性
  OS應方便修改、增加新模組或功能，以適應計算機硬體、 體系結構以及應用發展的要求。
• 開放性
  OS應提供統一的開放環境，以實現應用的可移植性和互操作性
  不同的裝置能通過網路加以整合，並能正確、有效地協同工作

2、作用

• 提供使用者與計算機硬體系統之間的介面
  （1）命令方式：指由OS提供了一組聯機命令 (語言)， 使用者可通過鍵盤輸入有關命令，來直接操縱計算機系統。
  
  （2）系統呼叫方式：OS提供了一組系統呼叫，使用者可在自己的應用程式中通過相應的系統呼叫，來操縱計算機。
  （3）圖示–視窗方式：使用者通過螢幕上的視窗和圖示來操縱計算機系統和執行自己的程式。
  （4）其他方式
• 計算機系統資源的管理者
  在一個計算機系統中，硬體和軟體資源歸納起來可分為四類：處理器、儲存器、 I/O裝置以及檔案(資料和程式)。相應地，OS的主要功能也正是針對這四類資源進行有效的管理。
• 實現了對計算機資源的抽象
  一臺完全無軟體的計算機系統(即裸機)，即使其功能再強，也必定是難於使用的。通常把覆蓋了軟體的機器稱為擴充機器或虛機器。

總結來說：
作業系統 是控制和管理計算機系統的硬體和軟體資源，合理的組織計算機工作流程以及方便 使用者使用的程式和資料的集合。

3、主要發展動力

• 不斷提高計算機資源利用率
• 方便使用者（如介面）
• 器件的不斷更新換代 （如CPU晶片的發展）
• 計算機體系結構的不斷髮展（如多處理機、網路）
• 不斷提出新的應用需求 （如多媒體、嵌入）

1.2作業系統的發展過程

1.2.1未配置作業系統的計算機系統

1.人工操作方式。這種人工操作方式有以下兩方面的缺點：
(1) 使用者獨佔全機。
(2) CPU等待人工操作。

2.離線輸入/輸出(Off–Line I/O)方式
這種離線I/O方式的 主要優點如下：
(1) 減少了CPU的空 閒時間。
(2) 提高I/O速度。

1.2.2批處理系統

1.單道批處理系統
單道批處理系統是最早出現的一種OS，嚴格地說，它只能算作是OS的前身，而並非是現在人們所理解的OS。儘管如此，該系統比起人工操作方式的系統已有很大進步。

批處理是指使用者將一批作業提交給作業系統後就不再幹預，由作業系統控制它們自動執行。
單道批處理系統在記憶體中只保持一道作業的批處理系統。

特徵:
(1) 自動性
(2) 順序性
(3) 單道性

缺點: 系統資源利用不充分。

1.2.3 多道批處理系統

多道程式設計：多個作業存放在主存中，使它們同時處於執行狀態，這些作業共享處理機時間和外圍裝置等資源

好處:

• 提高CPU的利用率。
• 可提高記憶體和I/O裝置利用率。
• 增加系統吞吐量。

需要解決的問題

• 處理機管理問題。
• 記憶體管理問題。
• I/O裝置管理問題。
• 檔案管理問題。
• 作業管理問題。

1.2.4 分時系統

推動多道批處理系統形成和發展的主要動力，是提高資源利用率和系統吞吐量，那麼，推動分時系統形成和發展的主要動力，則是使用者的需求。或者說，分時系統是為了滿足 使用者需求所形成的一種新型OS。它與多道批處理系統之間，有著截然不同的效能差別。

在作業系統中加入了分時技術：即將處理機的執行時間分為時間片，將時間片輪流分配給各聯機作業使用。

使用者的需求表現：

• 人—機互動。
• 共享主機。
• 便於使用者上機。

特徵
1.多路性
2.獨立性
3.及時性
4.互動性

1.2.5 實時系統

所謂“實時”，是表示“及時”，而實時系統(RealTime System)是指系統能及時(或即時)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。

系統型別
(1) 實時控制與處理：工業武器控制、嵌入式系統
(2) 實時資訊處理： 資訊查詢系統、多媒體系統

實時任務型別

按任務執行時是否呈現週期性來劃分
(1)週期性實時任務。
(2)非週期性實時任務。

根據對截止時間的要求來劃分
(1) 硬實時任務(hard real-time task)
(2) 軟實時任務(Soft real-time task)

特徵：

• 多路性
• 獨立性
• 及時性
• 互動性
• 可靠性

1.3 作業系統的基本特性

1.3.1併發

區別並行和併發
並行是指這一個時刻上面有著多個事件在執行，是一個瞬間的狀態。
併發是指在某一段時間間隔以內有著多個事件同時進行。
在多道程式環境下，併發性是指在一段時間內，巨集觀上有多個程式在同時執行，但在單處理機系統中，每一時刻卻僅能有一道程式執行，故微觀上這些程式只能是分時地交替執行。

引入程序
程式為靜態的，程序為程式的執行
引入執行緒
程序的更小的可執行單位，一個程序可以包含若干個執行緒

1.3.2共享

在作業系統環境下，所謂共享是指系統中的資源可供記憶體中多個併發執行的程序(執行緒)共同使用。由於資源屬性的不同，程序對資源共享的方式也不同，目前主要有以下兩種資源共享方式：

互斥共享方式
系統中的某些資源，如印表機、磁帶機，雖然它們可以提供給多個程序(執行緒)使用，但為使所列印或記錄的結果不致造成混淆，應規定在一段時間內只允許一個程序(執行緒)訪問該資源，我們把這種資源共享方式稱為互斥式共享。
臨界資源或獨佔資源：一段時間內只允許一個程序訪問的資源。計算機系統中的大多數物理裝置，以及某些軟體中所用的棧、變數和表格，都屬於臨界資源，它們要求被互斥地共享。

同時訪問方式
允許在一段時間內由多個程序 “同時”對它們進行訪問。這裡所謂的“同時”往往是巨集觀上的，而在微觀上，這些程序可能是交替地對該資源進行訪問。
併發和共享是多使用者(多工)OS的兩個最基本的特徵。它們又是互為存在的條件。

1.3.1虛擬

作業系統中的所謂“虛擬”，是指通過某種技術把一個物理實體變為若干個邏輯上的對應物。物理實體(前者)是實的， 即實際存在的；而後者是虛的，是使用者感覺上的東西。相應地，用於實現虛擬的技術，稱為虛擬技術。在OS中利用了多種虛擬技術，分別用來實現虛擬處理機、虛擬記憶體、 虛擬外部裝置和虛擬通道等。

時分複用技術（即分時使用方式）
⑴虛擬處理機技術：在虛擬處理機技術中，是通過多道程式設計技術，讓多道程式併發執行的方法，來分時使用一臺處理機的。
⑵虛擬裝置技術：將一臺物理I/O裝置虛擬為多臺邏輯上的I/O裝置，並允許每 個使用者佔用一臺邏輯上的I/O裝置，這樣便可使原來僅允許在 一段時間內由一個使用者訪問的裝置(即臨界資源)，變為在一 段時間內允許多個使用者同時訪問的共享裝置。
在作業系統中，虛擬的實現主要是通過分時使用的方法。顯然，如果 n nn 是某物理裝置所對應的虛擬的邏輯裝置數，則虛擬裝置的平均速度必然是物理裝置速度的1 / n 1/n1/n。

空分複用技術
⑴虛擬磁碟技術：將硬碟劃分為若干個卷，機器上便會有若 幹個虛擬盤。
⑵虛擬儲存器技術：將一臺機器的物理儲存器變為虛擬儲存 器，以便從邏輯上來擴充儲存器的容量。

1.3.4非同步

由於資源等因素的限制，使程序的執行通常都不是“一氣呵成”， 而是以“停停走走”的方式執行。
記憶體中的每個程序在何時能獲得處理機執行，何時又因提出某種資源請求而暫停，以及程序以怎樣的速度向前推進，每道程式總共需多少時間才能完成，等等，都是不可預知的。由於各使用者程式效能的不同，比如，有的側重於計算而較少需要 I/O；而又有的程式其計算少而I/O多，這樣，很可能是先進入記憶體的作業後完成；而後進入記憶體的作業先完成。或者說，程序是以人們不可預知的速度向前推進，此即程序的非同步性。儘管如此，但只要執行環境相同，作業經多次執行，都會獲得完全相同的結果。因此，非同步執行方式是允許的，是作業系統的一個重要特徵。

1.4 作業系統的主要功能

1.4.1處理機管理功能

程序控制
程序同步
程序通訊
排程

1.4.2儲存器管理功能

記憶體分配
靜態分配
動態分配
記憶體保護
地址對映
記憶體擴充

1.4.3裝置管理功能

緩衝管理
裝置分配
裝置處理

1.4.4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

1.4.5作業系統與使用者之間的介面

使用者介面
程式介面

1.4.6現代作業系統的新功能

系統安全
網路的功能和服務
支援多媒體

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