一、操作系统基本常识
核算机是由硬件和软件两部分组成的，而操作系统(Operating System)是配备在核算机硬件之上的第一层软件，是对核算机硬件的第一次扩展。操作系统是系统软件的基础，其他的系统软件，例如编译程序、汇编程序、数据库处理系统、确诊程序等，都是在操作系统的支撑下作业的，都要依赖于操作系统，获得操作系统供应的各类效力。
操作系统的方针是什么?
1) 便当性：核算机硬件只能辨认0或1，即只能辨认机器代码，因此没有配备操作系统的核算机是难以运用的;假设配备了操作系统，则可以运用OS供应的各种指令来运用核算机系统，然后便当了用户，也使核算机变得易学易用。
2) 有用性：操作系统可以处理CPU、I/O设备等系统资源，然后避免各种资源运用无需而引起的资源糟蹋现象。配备了OS的核算机可有用改善系统的资源使用率和前进系统吞吐量。
3) 可扩展性：OS选用模块化规划，可习气核算机硬件和系统结构的迅速展开，可便当增加新的功用模块和批改旧的功用模块。
4) 开放性：为了习气不同的硬件系统和软件系统，结束硬件设备正确、有用地协同作业，以及结束运用程序地可移植性和互操作性，要求OS具有开放性。
说明：便当性和有用性是OS最重要的两个方针。其时更重视OS运用上的便当性。
操作系统的效果有哪些?
1) 从一般用户的观念看，OS是用户和核算机硬件系统之间的接口;用户可以通过指令方法或许系统调用方法来运用核算机。
2) 从资源处理的观念看，OS是核算机资源的处理者。核算机的资源分为四类：处理器、存储器、I/O设备和信息(数据和程序)，相应地，OS系统的首要功用也是对这四类资源的处理，即：处理机处理、存储器处理、I/O设备的处理、文件处理。这也是本课程要介绍的首要内容。
3) OS可用作扩展机器。没有任何软件支撑的核算机，称为裸机，掩盖了软件的机器称为虚拟机(Virtual machine);每多掩盖一层软件，则虚拟机的功用就越强。
操作系统可以用一种层次结构模型描绘：底层是OS方针，中间层是对方针进行的操作和处理的软件的集结;最高层是OS供应给用户的用户接口。
无操作系统时代：
二、操作系统展开进程
1)人工操作方法：首要发生在第一代核算机到上世纪50时代中期，此时的程序员通过人工操作方法直接操作核算机硬件系统;用户独占全机和CPU等候人工操作是这种方法的首要缺点。
人工操作方法严重影响了核算机资源的使用率，引起了所谓的“人机敌对”。后来呈现了“通道技术”和“缓冲技术”，用于陡峭此敌对，但是效果欠好，再后来引入了“脱机输入输出方法”，获得了出色的效果。
2) 脱机输入输出方法：该方法最出色的方法是增加了外围机。外围机的效果在于脱机控制输入设备和输出设备。由于输入和输出都是在脱机状态下进行的，因此可有用减少CPU的空闲时刻，然后陡峭了人机敌对。该中方法的利益是：减少了CPU的空闲时刻;前进了I/O的速度。
2.操作系统时代
1)单道批处理系统(Simple Batch System)： 是为前进系统资源使用率和系统吞吐量而提出的，配有监督程序(Monitor)。首先将一批作业以脱机输入输出方法(Off-Line I/O)输入道磁带上，然后在监督程序的监督之下次第实行。此种方法可保证系统对作业的处理是成批进行的，且内存中总坚持一道作业。其效果并欠好，现在现已很少运用。其特征是：主动性(无需人工干预)、次第性、单道性。可以以为SBS是OS的前身。
说明：系统吞吐量是指系统在单位时刻内结束的总作业量。
2)多道批处理系统：为进一步前进系统资源的使用率和系统吞吐量，引入了多道程序规划技术，增加了作业调度程序。用户提交的作业都存放在外存上，排成一个队伍(后备队伍);然后，由专门的作业调度程序按照必定的算法(?)从后备队伍中选择若干个作业调入内存，这些作业同享内存和处理机等资源，可并发工作。利益：前进CPU的使用率(有用避免I/O等候);前进内存和I/O设备的使用率;增加系统吞吐量。缺点：均匀周转时刻长;无交互才干。特征：多道性、无序性(作业结束次第同进入次第无关)、调度性(作业调度和进程调度)。
说明：作业调度是将作业从外存调入内存，但是不必定占有处理机;进程调度是从已在内存中的作业选择一个作业，将处理机分配给它，使其工作。
均匀周转时刻：从作业进入系统初步，教导其结束并退出系统所阅历的时刻。
3)分时系统(Time-Sharing System)：是一台主机 + 多个终端的系统。推动分时系统构成和展开的动力是用户的需求。用户运用核算机时，希望结束“人机交互”，以便能对过失进行批改，并且希望能独占主机;但是在19世纪60年末，核算机非常贵重，又不可能每个用户独占一台主机，所以“同享主机”是一个不错的选择;一同，假设每个用户各自占用一台终端设备，则可以便当地将自己的作业通过终端设备传输到核算机上处理。
分时系统的定义：是指一台主机上联接了多个带有显示器和键盘的终端，一同容许多个用户同享主机的资源，每个用户都可以通过自己的终端以交互的方法运用核算机。
分时系统需求处理的问题：
a. 及时接收：指的是主机要及时接收用户输入的指令和数据
b. 及时处理：指用户通过终端键入指令后能及时控制自己的作业工作或批改自己的作业。在分时系统中，全部用户的作业都直接进入内存，且在较短短时刻内(例如3秒之内)保证每个作业都工作一次(一个时刻片)。
说明：
时刻片：指的是一段很短的时刻，例如0.1秒，用于进程调度时的时刻段标明。
分时系统的结束方法：
a. 单道分时系统：系统内存中只驻留一道程序(作业)，其他作业都在外存上。当内存中的一个作业工作一个时刻片后，便被调至致外存(称为调出)，再从外存上选一个作业装入内存(称为调入)并工作一个时刻片，如此往复。特征：每个用户的作业都可以轮流调入内存接受CPU的效力，但是由于每道作业都是一再的调入调出多次，开支大，CPU空闲较多，系统功用较差。
b. 具有“前台”和“后台”的分时系统：为充分使用CPU，将内存分为前台区和后台区，前台区存放按时刻片“调入”和“调出”的作业流，后台区存放批处理作业。只需前台在调入/调出过程中，或许前台现已无作业可工作时，方才可工作后台区的作业。该类型分时系统能在必定程度前进了系统的功用。
c. 多道分时系统：内存中可一同存放多道作业(程序)，每道程序在内存中没有固定的方位。系统将具有工作条件的作业排成一个队伍，这些作业可以轮流获得时刻片来工作。该类系统的特征是：切换作业是在内存中进行，不要花费调入、调出开支，具有较好的功用。现代的分时系统多归于多道分时系统。
分时系统的特征：
(1) 多路性：一台主机上联接多台终端，系统按照分时准则轮流为每个用户效力。多路性也称为一同性。
(2)独立性：是从用户的角度考虑的，每个用户独占一个终端，各自独立操作，互补搅扰，因此，用户感到是他一个人占用主机。
(3)及时性：用户的央求能在很短短时刻内获得照应。人所能接受的等候时刻是2~3秒，因此，分时系统中让用户等候的时刻也限定在该范围内。
(4)交互性：用户通过终端可以同主机进行广泛的对话，以结束人机交互。
. 4) 实时系统(Real-Time System)：多道批处理系统和分时系统尽管现已获得了较好的资源使用率和照应时刻，但是无法处理“实时控制”和“实时信息处理”两个领域的运用。
核算机作为控制系统的中心设备，用于生产过程的控制，能保证实时收集现场数据，并对数据进行及时处理和主动控制，例如高炉温度控制、武器控制、主动驾驶系统等。“实时”是“及时”或“即时”的意思，而“实时系统”是指能及时照应外部时刻的央求，在规矩的时刻内结束对该时刻的处理，并控制全部实时任务调和共同地工作。
实时任务：控制系统中要求在规矩时刻内结束的任务称为实时任务，它们都带有某种程度的紧迫性。分类如下：
(1)按照是否呈现周期性区别
l 周期性实时任务：任务按照拟定的周期循环实行;
l 非周期性实时任务：任务的实行无明显得周期性，但是都同一个截止时刻相联系。截止时刻(deadline)分为初步截止时刻和结束截止时刻。所谓初步截止时刻，是指任务在某时刻之前，有必要初步实行;所谓结束截止时刻，是指某任务有必要在某时刻之前结束。
(2)按照对截止时刻的要求严峻程度区别
l 硬实时任务：系统有必要满意对截止时刻的要求，否则可能呈现难以预料的成果;
l 软实时任务：系统也有也一个截止时刻，但是对截止时刻的要求不严峻。若错过了截止时刻，对系统发生的影响也不会很大。
说明：实时系统和分时系统的比较
(1)多路性：都具有多路性。分时系统的多路性指的是系统按照分时准则为多个用户效力，实时系统的多路性是指系统常常对现场的多路信息进行收集及对多个方针进行控制。
(2)独立性：都具有独立性。分时系统的独立性体现在每个终端用户向系统提出效力时是独立的操作，相互不相干，实时系统的独立性体现在系统对多路信息收集和控制时，也是相互独立的。
(3)及时性：实时信息系统的实时性通分时系统相似，都是以人所能接受的时刻来判定，而实时控制系统是以控制方针所要求的初步截止时刻和结束截止时刻来判定的，时刻要求比较严峻。
(4)交互性：实时信息系统中的交互是为了访问系统内的特定资源，分时系统中是系统向终端用户供应各种数据处理效力、资源贡献效力等。
(5)可靠性：分时系统要求系统较为可靠，但实时系统要求系统严峻可靠。
三、操作系统定义、特征、效力及功用
1.操作系统的定义：是一组控制和处理核算机硬件和软件资源，合理对各类作业进行调度，以及便当用户的程序的集结。
批处理系统、分时系统和实时系统是三种基本的操作系统类型。一个实践的操作系统，可能兼有三者或许其间两者的功用。
2.操作系统的四大基本特征
1) 并发性(Concurrence)
并发：两个或多个工作在同一个时刻间隔内发生。
并行：两个或多个时刻在共同时刻发生。
程序是不能并发进行的，是静态实体;为使得程序能并发实行，系统有必要为每个程序建立进程。进程，也称任务，是系统中能独立工作且作为资源分配的基本单位，是一个活动实体。进程之间可以并发实行和交流信息。
2) 同享性(Sharing)：系统中的资源可供内存中的多个并发实行的进程一同运用。有两种同享资源的方法：互斥同享方法和一同访问方法。
互斥同享方法：有的资源可以供多个进程运用，但是在一个特定的时刻段内只能由一个进程占用，这样的资源称为临界资源;其它希望运用该资源的进程有必要等候其时进程开释该资源。
一同访问方法：有的资源(如磁盘)可以容许多个进程一同访问。留心这儿的“一同”是一个微观的概念，在微观上往往是这些进程替换对资源进行访问。
3) 虚拟性(Virtual)：通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。物理实体实实在存在的，而后者是虚拟的，是用户感觉到的东西。例如多道分时系统中中只需一个CPU，但是每个终端用户都以为有一个CPU在专门为他效力，此即为使用多道程序技术把一台物理上的CPU变成多台逻辑的CPU。
4) 异步性(A synchronism)：多道环境中，多个进程并发实行，但是由于资源有限，一般进程的实行并非“趁热打铁”，而是以“走走停停”的方法进行，即进程是以异步方法进行的。
说明：并发和同享是操作系统的两个最基本的特征，且互为依存。
3.操作系统供应的效力：操作系统供应了其他程序实行的环境，也为程序和用户供应了一些操作系统的效力。操作系统可以供应比如程序实行、I/O操作、文件系统操作、通讯以及过失检测等效力，还可以供应系统调用(System Call)效力。
4.操作系统的五大功用
1) 存储器处理功用：为多道程序的工作供应出色的环境。这儿的“存储器”指的是内存。首要有以下功用：内存分配(静态分配、动态分配)、内存保护(每道程序在自己的内存范围内，不能越界)、地址映射和内存扩展(凭仗虚拟存储技术)
2) 处理机处理功用：实践是对进程的处理。在多道程序环境下，对处理机的处理是以进程为基本单位的，因此处理机的处理可以归结为对进程的处理。首要有以下功用：进程控制、进程同步、进程通讯和调度(作业调度和进程调度)等。
3) 设备处理功用：首要任务是结束用户提出的各种I/O央求，为用户分配I/O设备，前进CPU和I/O设备的使用率，前进I/O速度，以及便当用户运用I/O设备。首要功用有：缓冲处理(CPU和I/O设备之间速度不匹配)、设备分配(包括回收)、设备处理(设备驱动)、保证设备的独立性和虚拟性。
4) 文件处理功用：首要是对用户文件和系统文件进行处理，以便当用户运用，并保证文件的安全性。首要功用包括：文件存储空间的处理、目录处理、文件的读写处理以及文件的贡献与保护等。
5) 用户接口功用：是操作系统为了便当用户运用而向用户供应的“用户与操作系统的接口”，一般以指令和系统调用的方法呈现出来，有指令接口、程序接口(系统调用)和图形接口几种方法。
5.常见操作系统：有以下几类操作系统
1) 微机操作系统：
(1)单用户单任务操作系统：只容许一个用户运用核算机，且只答运用户程序作为一个任务工作，是一种最简略的操作系统。例如：CP/M和MS-DOS。
(2)单用户多任务操作系统：只容许一个用户运用核算机，但容许将一个用户程序分为若干个任务，使它们并发实行，可有用改善系统的功用。例如OS/2和Windows系列。
(3)多用户多任务操作系统：容许多个用户通过各自的终端，运用同一台主机，同享主机系统中的各类资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们并发实行，然后进一步前进了资源使用率和增加系统吞吐量。例如UNIX OS 。
2) 多处理机操作系统MPS(MultiProcessor System)：多台处理机调和作业，可增加系统吞吐量、节省开支、前进系统的可靠性。
3) 网络操作系统：首要有两种方式 C/S方式和对等方式(peer-to-peer)
4) 分布式操作系统：通会合式操作系统不同。处理和控制都会合在一台主机上，全部的任务都由主机来处理，这样的系统称为会合式操作系统。而分布式操作系统的处理和控制，都是松散在系统的各个处理单元上。
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