• 第一章 作業系統引論
  • 1.1 作業系統的目標和作用
  • 1.2 作業系統的發展過程
  • 1.3 作業系統的基本特性
  • 1.4 作業系統的主要功能
  • 1.5 OS結構設計

第一章 作業系統引論

1.1 作業系統的目標和作用

1. 計算機系統由硬體系統和軟體系統組成
   • 硬體系統：中央處理器、儲存器、輸入輸出裝置
   • 軟體系統：系統軟體和應用軟體
2. 作業系統是配置在裸機上的第一層軟體。裸機+作業系統=虛擬機器或擴充套件機
3. 作業系統的目標：
   • 有效性：提高系統資源利用率、提高系統吞吐量
   • 方便性
   • 可擴充性
   • 開放性
4. 作業系統的作用：
   1. OS作為使用者與計算機硬體系統之間的介面：
      • 使用者通過三種方式使用計算機：命令方式、系統呼叫方式、圖示、視窗呼叫方式
   2. OS作為計算機系統資源的管理者
   3. OS實現了對計算機資源的抽象：
      • I/O軟體實現了對計算機硬體操作的第一個層次的抽象
      • 檔案管理軟體實現了對硬體資源操作的第二個層次的抽象
5. 推動作業系統發展的主要動力：
   1. 不斷提高計算機資源的利用率
   2. 方便使用者
   3. 器件的不斷更新換代
   4. 不斷出現的新的應用需求

1.2 作業系統的發展過程

1. 無作業系統的計算機系統

   1. 人工操作方式
      • 使用者獨佔計算機全部資源
      • CPU等待人工操作
   2. （為緩和人機矛盾）引入離線輸入/輸出方式
      • （通過外圍機控制輸入輸出）在主機的直接控制下進行輸入輸出的方式稱作聯機輸入/輸出方式
      • 減少了CPU的空閒時間
      • 提高了I/O速度

2. 單道批處理系統：

   1. 離線輸入一批作業，由監督程式控制，一個接一個地連連續自動處理
   2. 特徵：
      • 自動性
      • 順序性
      • 單道性
   3. 缺點：資源不能充分利用

3. 多道批處理系統：

   1. 引入多道程式設計技術，作業先存放在外存排成佇列（後備佇列）
   2. 好處：
      • 提高CPU的利用率
      • 提高記憶體和I/O裝置的利用率
      • 增加系統吞吐量
   3. 優缺點：
      • 資源利用率高
      • 系統吞吐量大
      • 平均週轉時間長
      • 無互動能力
   4. 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、使用者與系統介面問題

4. 分時系統：

   1. 多路卡：從終端輸入資料，為每個終端配置一個緩衝區
   2. 時間片：每個作業執行一個很短的時間
   3. 特徵：
      • 多路性（同時性）
      • 獨立性
      • 及時性
      • 互動性

5. 實時系統：實時表示及時，系統能及時相應外部時間的請求

   1. 應用需求：1. 實時控制（實時系統） 2. 實時資訊處理（實時資訊處理系統）
   2. 實時任務：
      • 週期性、非週期性（必須聯絡一個截止時間（開始、截止））
      • 硬實時任務、軟實時任務
   3. 比較：
      • 多路性。實時資訊處理系統也按分時原則為多個終端使用者服務。而分時系統中的多路性則與使用者情況有關，時多時少。
      • 獨立性。彼此獨立地操作，互不干擾
      • 及時性。實時資訊處理系統對實時性的要求與分時系統類似，人所能接受的等待時間來確定；而實時控制系統的及時性，則是以控制物件所要求的開始截止時間或完成截止時間來確定的，一般為秒級到毫秒級，甚至有的要低於100微秒。
      • 互動性。實時資訊處理系統雖然也具有互動性，僅限於某些特定的專用服務程式。不像分時系統那樣能向終端使用者提供資料處理和資源共享等服務。
      • 可靠性。分時系統雖然也要求系統可靠，但相比之下，實時系統則要求系統具有高度的可靠性。

6. • 批處理系統：IBM System360大型機的OS/360

   • 分時系統：Unix

   • 實時系統：VxWorks、實時Linux

7. 微機作業系統的發展：

   1. 單使用者單任務作業系統
   2. 單使用者多工作業系統
   3. 多使用者多工作業系統

1.3 作業系統的基本特性

1. 併發性：
   1. 並行性：兩個或多個事件在同一個時刻發生
   2. 併發性：連個或多個事件在同一個時間間隔內發生
2. 引入程序：
   1. 程式是靜態實體，在多道程式系統中不能獨立執行，更不能併發執行
   2. 引入程序的目的：為了使多個程式能併發執行
3. 共享性：
   1. 互斥共享方式
   2. 同時訪問方式（磁碟）
   3. 併發和共享是作業系統的兩個最基本的特徵，它們互為存在的條件。
4. 虛擬技術：
   1. 時分複用技術：提高資源利用率
      • 虛擬處理機技術
      • 虛擬裝置技術
   2. 空分複用技術：提高儲存空間利用率
      • 虛擬磁碟技術
      • 虛擬儲存器技術（本質上就是使記憶體分時複用）
5. 非同步性

1.4 作業系統的主要功能

1. 處理機管理功能：
   1. 程序控制
   2. 程序同步：1. 程序同步方式， 2. 程序同步方式
   3. 程序通訊
   4. 排程：1. 作業排程， 2. 程序排程
2. 儲存器管理功能：
   1. 記憶體分配：1. 靜態， 2. 動態
   2. 記憶體保護
   3. 地址對映
   4. 記憶體擴充：1. 請求調入功能，2. 置換功能
3. 裝置管理功能：
   1. 緩衝管理
   2. 裝置分配
   3. 裝置處理
4. 檔案管理功能：
   1. 檔案儲存空間的管理
   2. 目錄管理
   3. 檔案的讀/寫管理和保護
5. 作業系統與使用者之間的介面
   1. 使用者介面
   2. 程式介面

1.5 OS結構設計

1. 傳統作業系統結構
   1. 無結構作業系統
   2. 模組化結構OS
   3. 分層式結構OS
2. 客戶/伺服器模式
3. 面向物件程式設計
4. 微核心OS結構