操作系统概念（一）：概述
前言
本章目标：
- 提供对操作系统主要部件的浏览
- 提供基本计算机体系结构的概述
操作系统原理是武汉大学计算机学院软件工程专业所学习的一门专业课，教材为机械工业出版社的操作系统概念，本系列博客为该课程的学习笔记。
正文
1. 操作系统
操作系统是管理计算机硬件的程序，它还为应用程序提供基础，并且充当计算机硬件和计算机用户之间的中介。
An Operating system is a program that manages the computer hardware. It also provides a basis for application programs and acts as an intermediary between the computer user and the computer hardware.
- 从用户观点看：操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。为用户使用计算机提供服务。
- 从资源管理观点看：操作系统是计算机系统资源的管理者。
1.1. 批处理技术
- 联机批处理
- 脱机批处理
- 单道/多道程序系统
1.2. 操作系统的类型
最基本的操作系统类型有三种：
- 批处理操作系统
- 分时操作系统
- 实时操作系统
如果一个操作系统兼有批处理、分时和实时操作系统三者或其中两者的功能，则称该操作系统为通用操作系统。
1.3. 操作系统的基本特征
操作系统有四个基本特征：
- 并发
- 共享
- 虚拟
- 不确定
并发和共享是操作系统的两个最基本特征，二者之间互为存在条件。
1.4. 操作系统的功能
操作系统的主要功能包括：
- 处理机管理（也称进程管理）
- 存储器管理
- 设备管理
- 文件管理
2. 早期批处理技术
早期批处理分为联机批处理和脱机批处理。
批处理技术是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。
2.1. 联机批处理
操作员将若干作业合成一批输入到磁带上，输入/输出操作在主机控制下进行，其缺点是速度慢。
2.2. 脱机批处理
在脱机批处理系统中，除主机外另设一台外围机（又称卫星机）。用户通过外围机将作业输入到磁带上。
2.2.1. 脱机输入/输出
输入/输出操作在外围机的控制下，脱离主机进行。
脱机I/O优点：
- 减少了CPU的空闲时间
- 提高I/O速度
脱机输入：将用户程序和数据在一台外围机（又称卫星机）的控制下，预先从低速输入设备输入到磁带上，当CPU需要这些程序和数据时，再直接从磁带机高速输入到内存。 脱机输出：当CPU需要输出时，高速地把结果送到磁带上，然后在外围机的控制下，把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出。
2.3. 多道程序系统
将多个作业存放在主存中，这些程序在管理程序的控制下交替运行，共享处理机和系统中的其他资源。
2.3.1. 单处理机系统中多道程序运行特点
- 多道：计算机内存中同时存放多道相互独立的程序。
- 宏观上并行：同时进入系统的多道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。
- 微观上串行：内存中的多道程序轮流占有 CPU，交替执行。
2.3.2. 多道批处理系统需要解决的问题
- 处理机管理：如何分配回收处理机
- 内存管理：内存分配回收，信息保护
- 设备管理：设备分配回收、缓冲管理
- 文件管理：文件存储、共享保护及检索
- 作业管理：作业合理搭配（如CPU型与I/O型） 为此，人们设计了操作系统。
3. 操作系统的类型
最基本的操作系统类型有三种：
- 批处理操作系统
- 分时操作系统
- 实时操作系统
3.1. 批处理操作系统
3.1.1. 单道批处理系统
内存中始终只有一道作业的批处理系统。 单道批处理系统的特征：
- 自动性：自动依次运行，无人工干预
- 顺序性：完成顺序与进入顺序相同
- 单道性：内存只有一道作业
3.1.2. 多道批处理系统
引入多套程序设计技术后的操作系统。 多道批处理技术的特征：
- 多道性：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。
- 无序性：进入顺序与完成顺序无严格对应关系。
- 调度性：作业从提交到完成经历两级调度：作业调度、进程调度。
3.2. 分时操作系统
分时操作系统的关键问题：
- 及时接收
- 及时处理 分时操作系统的特征：
- 多路性（也称同时性）：一台计算机与若干台终端相连接，终端上的这些用户可以同时使用计算机。
- 交互性：用户通过终端采用人机会话的方式直接控制程序运行，同程序进行交互。
- 独立性：用户彼此之间都感觉不到别人也在使用这台计算机，好像只有自己独占计算机一样。
- 及时性：用户请求能在很短时间内获得响应。
3.3. 实时操作系统
实时操作系统的分类：
- 实时控制系统：指以计算机为中心的生产过程控制系统。
- 实时信息处理系统：要求对信息进行实时处理的系统。
实时操作系统的特征：
- 及时性
- 可靠性
4. 操作系统的基本特征
操作系统有四个基本特征：
- 并发
- 共享
- 虚拟
- 不确定
并发和共享是操作系统的两个最基本特征，二者之间互为存在条件。
一方面，资源的共享是以程序的并发执行为条件的，若系统不允许程序的并发执行，自然不存在资源共享问题； 另一方面，若系统不能对资源共享实施有效的管理，也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。
4.1. 并发
并行：是指两个或多个事件在同一时刻发生。 并发：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
在多道程序环境下，并发是指宏观上一段时间内有多道程序在同时运行，但在单处理机系统中，微观上这些程序是交替执行的。
4.2. 共享
共享是指系统中的资源可供多个并发执行的进程共同使用。
4.3. 虚拟
虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。
如分时技术，虚拟内存。
4.4. 不确定
不确定性表现为多个作业的执行顺序和每个作业的执行时间是不确定的。 不确定性也称异步性。
5. 操作系统的功能
操作系统的主要功能包括：
- 处理机管理（也称进程管理）
- 存储器管理
- 设备管理
- 文件管理
5.1. 处理机管理
进程是正在执行的程序。 A process is a program in execution.
处理机管理的主要任务是对处理机的分配和运行实施有效的管理。
- 进程控制：负责进程的创建、撤消及状态转换。
- 进程同步：对并发执行的进程进行协调。有同步与互斥
- 进程通信：负责完成进程间的信息交换。
- 调度：分为作业调度和进程调度。
5.2. 储存器管理
- 内存分配（静态和动态）
- 内存保护
- 地址映射
将逻辑地址转换为物理地址。又称地址变换。
- 内存扩充
借助虚拟存储技术从逻辑上扩充内存。 通过请求调入和置换功能可以实现虚拟内存。
5.3. 设备管理
- 设备分配：根据用户的I/O请求，为之分配所需的设备，设备使用完成后还应回收。
- 缓冲管理：对各类设备缓冲区进行有效管理。
- 设备驱动：主要完成设备启动、I/O操作及中断处理。
- 设备独立性：又称设备无关性，是指用户程序中的设备与实际使用的物理设备无关。
5.4. 文件管理
文件管理的主要任务是对文件进行管理，方便用户使用并保证文件安全性。
- 文件存储空间的管理：对文件存储空间进行管理，包括存储空间的分配与回收等功能。
- 目录管理：管理文件的数据结构，提供按名存取的功能。
- 文件操作管理：从外存读入数据或将数据写入外存。
- 文件保护：防止未授权用户存取文件；防止授权用户以不正确方式存取文件。
习题集锦
课堂练习
选择题
- 在脱机批处理方式中，有一台负责与外部设备交换信息的计算机，一般称之为外围处理机。
- 在计算机系统中，操作系统是核心系统软件。
- 实时操作系统必须在被控制对象规定时间内处理来自外部的事件。
- 在设计实时操作系统时，不重点考虑的是提高系统资源的利用率。
- 下述关于并发性的叙述中正确的是并发性是指若干事件在同一时间间隔内发生。
并行是指两个或多个事件在同一时刻发生。 并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
- 分时系统追求的目标是快速响应用户。
- 一个多道批处理系统，提高了计算机系统的资源利用率，同时增加了单位时间内作业的吞吐量。
- 批处理系统的主要缺点是无交互能力。
- 从用户的观点看，操作系统是用户与计算机之间的接口。
- 所谓多道程序设计是指将一个以上的作业放入内存，并且同时处于运行状态，这些作业共享处理机的时间和外围设备等资源。
- 操作系统中最基本的两个特征是并发和共享。
填空题
- 操作系统的基本特征是并发，共享，虚拟，不确定。
- 实时系统按应用的不同分为实时控制系统和实时信息处理系统两种。
- 该部分未完。
课后作业
什么是操作系统？从资源管理的角度看，操作系统应具有哪些功能？
操作系统是管理计算机硬件的程序，它还为应用程序提供基础，并且充当计算机硬件和计算机用户之间的中介。 从资源管理观点看，操作系统是计算机系统资源的管理者。
操作系统有哪几种基本类型？它们各有何特点？
操作系统有三种基本类型，它们分别是：批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。 批处理操作系统分为单道批处理系统和多道批处理系统。 单道批处理系统的特点为：自动性、顺序性和单道性。 多道批处理系统的特点为：多道性、无序性和调度性。 分时操作系统的特点为：多路性、交互性、独立性和及时性。 实时操作系统的特点为：及时性和可靠性。
什么是多道程序设计技术？多道程序设计技术的特点是什么？
多道程序设计技术是将多个作业存放在主存中，这些程序在管理程序的控制下交替运行，共享处理机和系统中的其他资源。 多道程序设计技术的特点为：多道、宏观上并行和微观上串行。
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