操作系统的目标及作用
操作系统OS是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充，其主要作用是管理好这些设备，提高他们的利用率和系统的吞吐量，并为用户和应用程序提供一个简单的接口
操作系统定义
操作系统（Operating System，OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件。
OS
直接控制和管理计算机硬件，软件资源
合理的对各个作业进行调度
以方便用户使用的程序集合
操作系统的目标
方便性：
配置了OS的计算机硬件，系统可以直接使用编译命令将用户采用该机语言书写的程序翻译成机器代码，或者直接通过OS所提供的各种命令操纵计算机，方便用户
有效性：
第一层含义：提高系统资源的利用率
另一层：提高系统的吞吐量
可扩充性：
与OS结构有关
开放性：
系统能遵循世界标准规范，尤其是遵循开放系统互联·OSI标准
操作系统的作用：
- OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
- OS作为计算机系统资源的管理者
处理机管理
存储器管理
文件管理
设备管理
- OS实现了对计算机资源的抽象
为了方便用户使用I/O设备，人们在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件，隐藏了I/O的具体细节
I/O设备管理软件实现了对计算机硬件操作的第一个层次的抽象
OS是铺设在计算机硬件上的多层软件的集合，他们不仅增强了系统的功能，还隐藏了对硬件操作的具体细节
- 推动OS发展的主要动力
不断提高计算机资源利用率
方便用户
器件的不断更新
计算机体系结构的不断发展
不断提出新的应用需求
操作系统的发展过程
无OS：
人工操作方式：
用户独占全机
CPU等待人工操作
脱机输入输出方式：
单道批处理系统：
设计目标：提高系统资源的使用效率；提高作业吞吐量
减少机器的空闲等待时间：保持系统的连续运行，在处理完一个作业后，紧接着处理下一个作业
仍不能充分的利用系统资源
原理：
要求用户使用系统提供的作业控制语言（JCL）来描述自己对作业运行的控制意图，并将这些控制信息连同自己的程序和数据一起作为一个作业提交给操作员。
操作员启动有关程序将一批作业输入到计算机外存，由OS去控制、调度各作业的运行并输出结果。
由于作业进入系统后用户不再干预，从而提高了效率。
批处理是指用户将一批作业提交给操作系统后就不再干预，由操作系统控制它们自动运行。
在内存中只保持一道作业的批处理系统。
内存中始终只保持一道作业，称为单道批处理系统
多道批处理系统
多道程序设计的基本理念
多道程序设计：多个作业存放在主存中，使它们同时处于运行状态，这些作业共享处理机时间和外围设备等资源
多道批处理系统的优缺点：
资源利用率高
系统吞吐量大
平均周转时间长
无交互能力
需要解决的问题：
处理机管理问题。
内存管理问题。
I/O设备管理问题。
文件管理问题。
作业管理问题。
用户与系统的接口问题
分时系统：
分时系统是为了满足 用户需求所形成的一种新型OS
在操作系统中加入了分时技术：即将处理机的运行时间分为时间片，将时间片轮流分配给各联机作业使用。
目标：对用户的请求及时响应；尽量提高系统资源的利用率
| 表现 | (1) 人—机交互。 (2) 共享主机。 (3) 便于用户上机。 |
|---|---|
| 特征 | 1.多路性 2.独立性 3.及时性 4.交互性 |
实时系统：
所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(RealTime System)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。
目标：提高系统的响应时间，对随机发生的外部事件作出及时响应并对其进行处理。
系统类型
实时控制与处理：工业武器控制、嵌入式系统
实时信息处理： 信息查询系统、多媒体系统
实时任务类型
按任务执行时是否呈现周期性来划分
(1)周期性实时任务。
(2)非周期性实时任务。
根据对截止时间的要求来划分
硬实时任务(hard real-time task)
软实时任务(Soft real-time task)
特征
多路性
独立性
及时性
交互性
可靠性
操作系统的基本特性
并发 共享 虚拟 异步
并行和并发：
并行是指这一个时刻上面有着多个事件在执行，是一个瞬间的状态。
并发是指在某一段时间间隔以内有着多个事件同时进行
在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交 替执行。
进程：程序为静态的，进程为程序的执行
线程：进程的更小的可执行单位，一个进程可以包含若干个线程
共享
指系统中的资源供内存中的多道程序所共同使用
在OS环境下的资源共享称为资源复用，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。由于资源属性的不同，进程对资源共享的方式也不同，目前主要有
以下两种资源共享方式：
互斥共享方式：
系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程(线程)使用，但为使所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源，我们把这种资源共享方式称为互斥式共享
临界资源或独占资源：一段时间内只允许一个进程访问的资源。计算机系统中的大多数物理设备，以及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们要求被互斥地共享。
同时访问方式
允许在一段时间内由多个进程 “同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。
虚拟
操作系统中的所谓“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
在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。
时分复用技术：
虚拟机处理技术：每个程序建里至少一个进程，让多道程序并发执行，通过时分复用同时为多个用户服务
虚拟设备技术：通过时分复用将一台物理IO设备虚拟为多台逻辑上的IO设备，并允许每 个用户占用一台逻辑上的I/O设备
在操作系统中，虚拟的实现主要是通过分时使用的方法。显然，如果 n 是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚 拟设备的平均速度必然是物理设备速度的 1 / n
空分复用技术
虚拟磁盘技术：将硬盘划分为若干个卷，机器上便会有若 干个虚拟盘。
虚拟存储器技术：将一台机器的物理存储器变为虚拟存储 器，以便从逻辑上来扩充存储器的容量。
4、异步
进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性
在多道程序环境下，系统允许多个进程并发执行
并发执行的程序走走停停，以不可预知的速度前进
操作系统的主要功能
引入OS的主要目的是：为多道程序的允许提供良好的运行环境，保证多道程序能有条不紊，高效的运行，并最大程度的提高系统中各种资源的利用率，方便用户的使用
OS定义：OS是直接控制和管理计算机硬件、软件资源，合理地对各类作业进行调度，以方便用户使用的程序集合
处理机管理功能
存储器管理功能
设备管理功能
文件管理功能
用户接口
处理机管理功能
进程控制
进程同步
进程通信
调度
存储器管理功能
内存分配
静态分配
动态分配
内存保护
地址映射
内存扩充
OS结构设计
传统的操作系统结构
无结构操作系统
模块化的操作系统
模块独立性
模块接口法
分层次结构OS
客户／服务器模式
面向对象的程序设计
微内核OS结构
微内核的基本概念：将操作系统划分为两大部分：微内核和多个服务器
足够小的内核：微内核并非是一个完整的OS，而只是操作系统中最基本的部分
它通常用于：① 实现与硬件紧密相关的处理；② 实现一些较基本的功能； ③ 负责客户和服务器之间的通信
基于客户/服务器模式：
将操作系统中最基本的部分放入内核中，而把操作系统的绝大部分功能都放在微内核外面的一组服务器(进程)中实现。
客户与服务器之间是借助微内核提供的消息传递机制来实现信息交互的。
微内核的基本功能
- 进程(线程)管理
- 低级存储器管理
- 中断和陷入处理
