作業系統複習筆記（1）—— 計算機系統概述

文章目錄

• 1. 計算機系統概述
• • 1.1 作業系統的概念
  • • 1.1.1 作業系統的概念
    • 1.1.2作業系統的特征
    • 1.1.3作業系統的發展和分類
  • 1.2 作業系統的發展和分類
  • • 手工操作階段
    • 批處理階段 （作業系統開始出現）
    • 分時作業系統
    • 實時作業系統
    • 網絡作業系統
    • 分布式作業系統
    • 嵌入式作業系統
    • 個人計算機作業系統
  • 1.3 作業系統的運作機制和體系結構
  • • 運作機制
    • 作業系統的核心
    • 作業系統的體系結構

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1. 計算機系統概述

1.1 作業系統的概念

1.1.1 作業系統的概念

• 作業系統的層次結構

  

  • 負責管理和協調軟體、硬體等計算機資源的工作
  • 為上層的應用程式，使用者提供簡單易用的服務
  • 作業系統是系統軟體
• 作業系統的概念
  • 是系統最基本最核心的軟體，屬于系統軟體
  • 控制和管理整個計算機的硬體和軟體資源
  • 合理的組織、排程計算機的工作與資源的配置設定
  • 為使用者和其它軟體提供友善的接口和環境
• 作業系統的功能和目标
  • 作為計算機系統資源的管理者
    • 處理器（CPU）管理
      • 在多道程式環境下，cpu的配置設定和運作都以程序（或線程）為基本機關，是以對cpu的管理可了解為對程序的管理。程序管理的主要功能包括程序控制、程序同步、程序通信、死鎖處理、處理機排程等。
    • 存儲器管理
      • 為多道程式的運作提供良好的環境，友善使用者使用及提高記憶體的使用率，主要包括記憶體配置設定與回收、位址映射、記憶體保護與共享和記憶體擴充等功能
    • 檔案管理
      • 計算機中所有的資訊都是以檔案的形式存在的，作業系統中負責檔案的管理的部分稱為檔案系統，檔案管理包括檔案存儲空間的管理、目錄管理及檔案讀寫管理和保護等
    • 裝置管理
      • 裝置管理的主要任務是完成使用者的I/O請求，友善使用者使用各種裝置，并提高裝置的使用率，主要包括緩存管理、裝置配置設定、裝置處理和虛拟裝置等功能。
  • 作為使用者與計算機硬體系統之間的接口
    • 為了讓使用者友善、快捷、可靠的操作計算機硬體并執行自己的程式，作業系統提供了使用者接口
    • 作業系統提供的接口分為兩類：指令接口和程式接口
      • 指令接口：使用者可以直接使用的，利用這些操作指令來組織和控制作業的執行。
        • 聯機指令接口：又稱互動式指令接口，适用于分時或實時系統的接口，由一組鍵盤操作指令組成。使用者輸入一條指令，作業系統就執行一條指令；
        • 脫機指令接口：又稱批處理接口，使用于批處理系統，由一組作業控制指令組成。使用者輸入一堆指令，作業系統運作一堆指令。在作業系統運作這些指令時使用者不可幹預。
          • 批處理(Batch)，也稱為批處理腳本。顧名思義，批處理就是對某對象進行批量的處理，通常被認為是一種簡化的腳本語言，它應用于DOS和Windows系統中。批處理檔案的擴充名為bat 。
      • 程式接口：使用者通過程式間接使用的，程式設計人員可以使用它們來請求作業系統服務
        • 程式接口：由一組系統調用（也稱廣義指令）組成
        • 使用者通過在程式中使用這些系統調用來請求作業系統為其提供服務，隻能通過使用者程式間接調用
        • 如使用各種外部裝置、申請配置設定和回收記憶體及其它各種要求
  • 作為擴充機器（虛拟機）
    • 沒有任何軟體支援的計算機稱為裸機
    • 覆寫了軟體的機器稱為擴充機器或虛拟機

1.1.2作業系統的特征

• 并發
  • 并發：兩個或多個事件在同一時間間隔内發生，這些事件在宏觀上是同時發生的，在微觀上是交替發生的， 作業系統的并發性指系統中同時存在着多個運作的程式
  • 并行：兩個或多個事件在同一時刻發生
  • 一個單核(CPU)同一時刻隻能執行一個程式，是以作業系統會協調多個程式使他們交替進行（這些程式在宏觀上是同時發生的，在微觀上是交替進行的）
  • 作業系統是伴随着“多道程式技術出現的”，是以作業系統和并發是一同誕生的
  • 在如今的計算機中，一般都是多核cpu的，即在同一時刻可以并行執行多個程式，比如計算機是8核的，計算機可以在同一時刻并行執行8個程式，但是事實上我們計算機執行的程式并不止8個，是以并發技術是必須存在的，并發性必不可少。
• 共享
  • 資源共享即共享，是指系統中的資源可以供記憶體中多個并發執行的程序共同使用
  • 共享分為兩類：互斥共享和同時共享
    • 互斥共享
      • 計算機中的某個資源在一段時間内隻能允許一個程序通路，别的程序沒有使用權
      • 臨界資源(獨占資源)：在一段時間内隻允許一個程序通路的資源，計算機中大多數實體裝置及某些軟體中的棧、變量和表格都屬于臨界資源，它們被要求互斥共享
    • 同時共享
      • 計算機中的某個資源在在一段時間内可以同時允許多個程序通路
      • 同時共享通常要求一個請求分為幾個時間片段間隔的完成，即交替進行，“分時共享”
      • 這裡的同時指在宏觀上是同時的，在微觀上是交替進行通路的，隻是cpu處理速度很快，我們感覺不到，在宏觀上感覺是在同時進行
• 虛拟
  • 多道程式設計：是指在計算機記憶體中同時存放幾道互相獨立的程式，使它們在管理程式控制之下，互相穿插的運作。 兩個或兩個以上程式在計算機系統中同處于開始到結束之間的狀态。這就稱為多道程式設計。多道程式技術運作的特征：多道、宏觀上并行、微觀上串行。
  • 虛拟是把一個實體上的實體變為若幹邏輯上的對應物。
  • 實體實體（前者）是實際存在的；而後者是虛的，是使用者感覺上的事務
  • 虛拟處理器（CPU）：通過多道程式設計技術，采用讓多道程式并發執行的方法，分時來使用一個CPU，實際實體上隻有一個CPU，但是使用者感覺到有多個CPU
  • 虛拟存儲器：從邏輯上擴充存儲器容量，使用者感覺到的但實際不存在的存儲器
  • 虛拟裝置：将一台實體裝置虛拟為邏輯上的多台裝置，使多個使用者在同一時間段内通路同一台裝置，即同時共享，使用者宏觀上感覺是同時的，但實際上是微觀交替通路同一台裝置的
  • 作業系統的虛拟技術科歸納為：
    • 時分複用技術：如處理器的分時共享
    • 空間複用技術：如虛拟存儲器
• 異步
  • 異步：多道程式環境允許多個程式并發執行，但由于資源有限，如cpu隻有一個，程序的執行并不是一貫到底的，而是走走停停的，它以不可預知的速度向前推進。
  • 比如A程序正在占用CPU計算，B程序這時也想占用CPU計算，B程序隻有等，等A程序算完了，A程序去通路磁盤資源了，這時B程序再占用CPU進行計算，B程序還沒計算完，A程序從磁盤取出資源了，A程序發現B這時在占用CPU，這時A程序就需要等待，等B算完後再繼續到CPU中進行計算。由于每個程序占用資源的時間不固定，是以程序的執行以不可預知的速度前進

1.1.3作業系統的發展和分類

1.2 作業系統的發展和分類

手工操作階段

• 工作方式∶ 使用者在計算機上算題的所有工作都要人工幹預，如程式的裝入、運作、結果的輸出等
• 缺點︰使用者獨占計算機，人機速度沖突導緻資源使用率極低

批處理階段 （作業系統開始出現）

• 單道批處理技術
  • 工作方式:引入脫機輸入技術（用錄音帶完成)、并監督程式（作業系統的雛形）控制作業的輸入和輸出
  • 特征
    • 自動性 錄音帶上的作業自動逐個運作
    • 順序性 作業完成的順序與進入記憶體的順序在正常情況下相同
    • 單道性 記憶體中僅有一道程式運作
  • 優點︰緩解人機沖突
  • 缺點︰資源使用率依然很低
• 多道批處理技術
  • 工作方式∶ 在記憶體中多道程式并發執行，在CPU中交替進行
  • 特征
    • 多道： 記憶體中同時放入多道互相獨立的程式
    • 宏觀上并行 ：進入系統的多道程式都處在運作過程中，給人的感覺就像同一時刻都在運作
    • 微觀上串行：記憶體中的多道程式輪流占有CPU，交替執行
  • 優點︰多道程式并發執行、資源使用率高
  • 缺點︰使用者相應時間長，沒有人機互動，使用者不知道自己的程式運作進展如何

分時作業系統

• 工作方式∶ 計算機以時間片為機關輪流為各個使用者/作業提供服務，各個使用者通過終端與計算機進行互動
• 特征
  • 同時性：也稱多路性。指允許多個終端使用者同時使用一台計算機
  • 互動性：使用者能夠與系統進行人機互動
  • 獨立性：系統中的多個使用者可以彼此獨立的進行操作，互不幹擾，單個使用者感受不到其他使用者的存在
  • 及時性：因為有了互動，采用時間片輪流為多個終端服務，使用者請求能在很短時間内獲得響應
• 優點∶解決了人機互動，使用者請求被即時響應
• 缺點:對于一切突發緊急情況不能優先及時處理

實時作業系統

• 工作方式:能夠優先響應一些緊急的任務，不用等待時間片排隊
• 分類
  • 硬實時系統：對某個動作必須絕對的在規定時間内完成
  • 軟實時系統：對某個動作可以接受偶爾違反時間規定，且不會引起任何永久性的損害
• 特征
  • 及時性: 能對緊急事務及時作出反應
  • 可靠性: 要求對緊急事件進行及時處理，是以必須可靠性強

網絡作業系統

• 工作方式：把計算機網絡中的各台計算機有機的結合起來，提供統一、經濟而有效的使用各台計算機的方法、實作各台計算機之間的資料互相傳送
• 特點：有主從關系、網絡中資源共享、網絡中的計算機通過協定通信

分布式作業系統

• 工作方式︰系統中的各計算機互相協同并行完成同一任務
• 特征
  • 系統中任意兩台計算機通過通信方式交換資訊系統中的計算機都具有同等地位，無主從關系
  • 每台計算機上的資源為所有使用者共享
  • 系統中的任意台計算機都可以構成一個子系統，并且還能重構
  • 任何工作都可以分布在幾台計算機上、由他們并行工作、協同完成
• 特點:分布性和并行性

嵌入式作業系統

• 固話在硬體裡面的系統、比如手機、路由器等
• 特點：完成某一項特定的功能、不具有通用性

個人計算機作業系統

• 廣泛用于文字處理、電子表格、遊戲中等
• 常見的有Windows、Linux、Macintosh等

1.3 作業系統的運作機制和體系結構

運作機制

• 兩種指令
  • 特權指令 ： 不允許使用者直接使用的指令，比如:I/O指令、置中斷指令、存取用于記憶體保護的寄存器、送程式狀态字到程式狀态寄存器、記憶體清零等的指令
  • 非特權指令 ：加減乘除等普通的運算指令
• 兩種處理器狀态
  • 核心态（管态）： 特權指令和非特權指令都可以執行
  • 使用者态（目态）： 隻能執行非特權指令
  • 兩種狀态的切換
    • 用程式狀态寄存器PSW中的某标志位來辨別處理器處于什麼狀态如:0使用者态，1核心态
    • 使用者态是通過中斷切換到核心态的，并且中斷是唯一的途徑。
    • “核心态→使用者态”的切換是通過執行一個特權指令，将程式狀态字(PSW）的标志位設定為“使用者态”
• 兩種程式
  • 核心程式（管理程式）：作業系統核心程式是系統管理者，特權指令和非特權指令都可執行，運作在核心态
  • 使用者程式（使用者程式）：為了保證系統能夠安全運作，使用者程式隻能執行非特權指令，運作在使用者态

作業系統的核心

• 核心是指計算機配置在底層的軟體，是作業系統的最核心的部分。實作作業系統核心功能的程式是核心程式
  • 第一功能用于計時;向使用者提供标準的系統時間;通過時鐘中斷管理，可以實作程序的切換
  • 例如∶分時作業系統中采用時間片輪轉制度;實時作業系統中按截至時間控制運作;批處理系統中通過時鐘管理來衡量一個作業的運作程度等
• 時鐘管理（最基本功能）
  • 第一功能用于計時;向使用者提供标準的系統時間;通過時鐘中斷管理，可以實作程序的切換
  • 例如∶分時作業系統中采用時間片輪轉制度;實時作業系統中按截至時間控制運作;批處理系統中通過時鐘管理來衡量一個作業的運作程度等
• 中斷機制（最基本功能）
  • 初衷是為了提高多道程式運作環境中彙總cpu的使用率;後成為作業系統各操作的基礎;
  • 例如∶鍵盤或滑鼠資訊的輸入;程序的管理和排程;系統功能的調用、裝置驅動、檔案通路等
• 原語（最基本功能）
  • 系統中的裝置驅動、cpu切換、程序通信等功能中的部分操作都可定義為原語
  • 特點
    • 是一種特殊的程式，處于作業系統最底層，是最接近硬體的部分
    • 這種程式的運作具有原子性，其操作一氣呵成(主要從系統安全性和便于管理考慮)
    • 程式運作時間都較短，調用頻繁
• 對資源進行管理的功能
  • 程序管理：程序狀态管理、程序排程和分派、建立與撤銷程序控制塊等
  • 存儲器管理：存儲器的空間配置設定和回收、記憶體資訊保護程式、代碼對換程式等
  • 裝置管理;緩沖區管理、裝置配置設定和回收等

作業系統的體系結構

• 大核心
  • 将核心的主要功能子產品都作為一個緊密聯系的整體運作在核心态
  • 優點:高性能
  • 缺點∶核心代碼龐大，結構混亂，難以維護
• 微核心
  • 将核心中最基本的功能保留在核心，而将那些不需要運作在核心态執行的功能轉移到使用者态執行
  • 優點:核心功能少，結構清晰，友善維護
  • 缺點:需要頻繁在使用者态和核心态之間切換，性能低

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