操作系统概论

目录

1.1 操作系统概论

• 操作系统与计算机系统
• 操作系统资源管理技术
• 操作系统定义和作用
• 操作系统功能和特性

1.2 操作系统形成与发展

• 人工操作阶段
• 执行系统阶段
• 多道程序设计与操作系统形成
• 操作系统发展与分类

1.3 操作系统基本服务和用户接口

• 基本服务和用户接口
• 程序接口与系统调用
• 操作接口与系统程序
• Linux系统调用及实现机制

1.4 操作系统结构和运行模型

• 操作系统结构分类
• 操作系统结构设计
• 操作系统内核
• 操作系统运行模型

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1.1 操作系统概观

1.1.2 操作系统资源管理技术

资源管理技术：

• 资源复用（解决物理资源数量不足）
  • 空分复用共享——该资源可进一步分割成更多和更小的单位供进程使用。
  • 时分复用共享——并不把资源进一步分割成更小的单位，进程可以在一个时间段内独占使用整个物理资源。
  • 时分独占式——进程获得时分独占式资源后，对资源执行多个操作，通常使用一个完整的周期后才会释放
  • 时分共享式——进程占用该类资源使用后，很可能随时被剥夺，被另一个进程抡占使用

进程空分复用内存资源，其映像装入不同内存区域，各有自己的地址空间且通过硬件存储保护机制隔离。进程时分复用共享使得物理处理器可执行已装入到不同物理地址区域中的程序代码，

• 资源虚拟（解决物理资源数量不足，提高服务的能力和水平）
  把物理上的一个资源变成逻辑上的多个对应资源的一类技术。空分复用分割实际存在的物理资源，虚拟实现虚构假想的虚拟同类资源。
  虚拟技术可用于外部设备——虚拟设备。SPOOLing，将物理上的一台独占设备转化成逻辑上的多台虚拟独占设备。
  虚拟技术可用于文件系统——虚拟文件。VFS同时支持多种具体文件系统。
• 资源抽象 （处理系统的复杂性，解决资源的易用性）
  资源抽象指通过创建软件来屏蔽硬件资源物理特性和接口细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用的一类技术。
  • 面向“进程”而不是处理器

  • 面向“文件”而不是设备

    
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  • 组合使用资源管理技术
    • 虚拟设备：抽象+虚拟（设备驱动程序+SPOOLing）
    • 虚拟内存：复用+虚拟（空分复用+虚存技术）
    • 虚拟屏幕：抽象+虚拟（读写函数+窗口技术）

2. 操作系统中的三个基础抽象

• 进程：进程是处理器的一种抽象。
• 虚存：虚存是内存的一种抽象。

• 文件：文件是设备的一种抽象。

  
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1.1.3 操作系统定义和作用

操作系统隔离其他上层软件，并为它们提供接口和服务。

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1.1.4 操作系统功能和特性

操作系统中，能分配给用户使用的硬件和软件设施总称为资源，包括：硬件资源和信息资源。

操作系统主要功能：

• 处理机管理
  • 进程控制和管理
  • 进程同步和互斥
  • 进程通信
  • 进程死锁
  • 线程控制和管理
  • 处理器调度，又分为高级调度，中级调度和低级调度
• 存储管理
  • 内存分配
  • 地址转换
  • 存储保护
  • 内存共享
  • 存储扩充
• 设备管理
  • 提供设备中断处理
  • 提供缓冲区管理
  • 提供设备独立性，实现逻辑设备到物理设备之间的映射。
  • 设备的分配和回收
  • 实现共享型设备的调度驱动
  • 实现虚拟设备
• 文件管理
  • 提供文件的逻辑组织方法
  • 提供文件的物理组织方法
  • 提供文件的存取和使用方法
  • 实现文件的目录管理
  • 实现文件的共享和安全性控制
  • 实现文件的存储空间管理
• 网络与通信管理
  • 网络资源管理
  • 数据通信管理
  • 应用服务
  • 网络管理

1.1.4 操作系统主要特性

• 并发性

两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生。

• 共享性

操作系统中的资源可以被多个并发执行的进程所使用。

• 异步性

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1.2 操作系统形成和发展

• 人工操作阶段
• 执行程序阶段
• 多道程序设计与操作系统形成
• 操作系统分类
  • 批处理操作系统
  • 分时操作系统
  • 实时操作系统

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1.3 操作系统基本服务和用户接口

1.3.1 基本服务和用户接口
1.基本服务：

• 创建程序
• 执行程序
• 数据I/O
• 信息存取
• 通信服务
• 错误检测和处理
  还具有其他功能：资源分配、统计、保护。

2. 用户接口

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1.3.2 程序接口与系统调用

• 系统调用：
  OS的功能通过一组称为系统调用的接口呈现给用户，内核提供一系列实现预定功能的内核函数，系统调用把应用程序的请求传达给内核，内核调用对应的内核函数完成请求所需处理后，再将处理结果返回给应用程序。
• 系统调用的作用
• 保证系统的安全性

• 封装资源抽象，提供一致性接口，避免用户使用资源时可能发生的错误。
  系统调用是应用程序获得操作系统服务的唯一途径，内核的主体是系统调用的集合，内核可以看成特殊的公共子程序。

  
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系统调用分类

• 进程管理
• 文件管理
• 设备管理
• 内存管理
• 信息维护
• 进程通信

系统调用实现

1. 编写系统调用处理服务例程
2. 设计一张系统调用入口地址表，每个入口地址都指向一个对应系统调用的服务例程，有的系统还包含系统调用自带参数的个数。

3. 陷阱处理机制，需开辟现场保护区，以保存发生系统调用时的处理器现场。

   
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1.3.3 操作接口与系统程序

• 作业控制方式
• 命令解释程序
• Linux命令解释器shell执行流程
• 系统程序

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1.4 操作系统结构和运行模型

1.4.1 操作系统结构分类

• 单体式结构
• 层次式结构
• 虚拟机结构
• 微内核结构

1.4.2 操作系统结构设计

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1.4.3 操作系统内核

内核是作为可信软件来提供支持进程并发执行的基本功能和基本操作的一组程序模块。

内核通常驻留在内核空间，运行于核心态，具有访问硬设备和所有内存空间的权限，是仅有的能执行特权指令的那部分程序。

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2. 内核的功能：

• 中断处理
• 时钟管理
• 短程调度
• 原语管理

3. 内核的属性

• 内核是由中断驱动的
• 内核是不可抢占的
• 内核可以在屏蔽中断状态下执行
• 内核可以使用特权指令

1.4.4 操作系统运行模型