(一)操作系統概述-學習筆記

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一、操作系統概述

1.1 操作系統初步認識

1. 操作系統與普通軟件有什麼區別? 功能上的區別(見1.2 功能)
2. 沒有安裝操作系統，計算機能運行程序嗎？ 能(bios)。
3. 沒有安裝操作系統，普通用戶能正常使用嗎？ 不能

基本功能:

• 提供操作界面
• 控制程序運行
• 管理系統系統資源
• 配置系統參數
• 監控系統狀態
• 工具軟件集合

思考:

• hello.exe 文件如何存放? (硬盤)
• hello.exe 如何啓動?
• 如何爲hello.exe分配內存? (內存)
• printf如何輸出字符串? (設備)
• while 死循環會不會獨佔CPU?
• 程序結束如何退出系統? (釋放內存等)

1.2 操作系統功能和定義

功能:

• 進程管理(CPU管理), 多個進行併發運行

  • 進程控制: 創建、暫停、喚醒、撤銷
  • 進程調度: 調度策略，優先級
  • 進程通信: 進程間通信

• 內存管理

  • 內存分配
  • 內存共享
  • 內存保護
  • 虛擬內存

  思考

  1. 有沒有遇到因爲內存小導致運行失敗的情況?

     可能運行速度慢，但一定可以運行

  2. 一個循環程序，不斷的申請(malloc) 100M內存，在內存1G的機器上，一共可以申請多少次?

     答: 實測可以19次， 1.85G內存，大於實際內存 1G。而且應用程序、操作系統沒有崩潰。

  3. 假如5個相同的上述程序同時運行呢？

     操作系統仍然不會崩潰。每個程序的申請內存依然是1.85G。

• 設備管理

  • 設備的分配和調度
  • 設備的無關性
  • 設備傳輸控制(設備和CPU，設備和內存)
  • 設備驅動

• 文件管理

  • 存儲空間管理（硬盤）
  • 文件的操作
  • 目錄的操作
  • 文件和目錄的存取權限管理

• 網絡管理

定義: 操作系統是一個大型系統程序

• 提供用戶接口(圖形界面、命令)，方便用戶控制計算機
• 負責爲應用程序分配和調度軟硬件資源，並控制與協調應用程序併發活動，幫助用戶存取和包含信息。

操作系統的地位:

1.3 操作系統發展歷史

用戶需求提升和硬件技術進步是操作系統發展的兩大動力。

計算機硬件發展的四個典型階段

• 電子管時代 1946-1955
• 晶體管時代 1955-1965
• 集成電路時代 1965-1980
• 大規模集成電路時代 1980-

速度、容量、穩定性、可靠性都得到逐步提高。

操作系統發展的四個典型階段

• 手工操作(無操作系統) 50年代早期

  結構特點:

  • 硬件: 電子管、接線面板
  • 程序: 二進制程序，打孔: 紙袋和卡片

  使用特點:

  • 程序準備、啓動、結束: 手工處理，繁瑣耗時

  缺點:

  • 效率低： CPU有效運行時間極低
  • 用戶獨佔
  • 缺少交互

• 單道批處理系統 50年代

  • 管理員事先將多個作業輸入到磁盤形成作業隊列
  • 操作系統依次自動處理隊列中的每個作業(裝入-運行-撤出…)
  • 程序的裝入和撤出: 自動完成，效率高
  • 運行完畢，通知用戶取結果

  特點:

  • 批量: 作業隊列
  • 自動: 識別作業，裝入和撤出
  • 單道: 依次、串行

  外設與CPU交替空閒和忙碌，CPU和外設利用率低。

• 多道批處理系統 60年代初

  在內存中存放多道程序，當某道程序因爲某種原因(例如執行I/O操作時)不能繼續運行而放棄CPU時，操作系統便調度另一程序投入運行。這樣可以使CPU儘量忙碌提高系統效率。

  • 提高系統CPU利用率
  • 提高系統吞吐量

A,B兩道程序相互穿插運行，使CPU和外設都儘量忙碌。

特點:

• 多道: 內存同時存放多道程序
• 並行: 宏觀上
• 串行: 微觀上

缺點:

• 作業處理時間長

• 交互能力差

• 運行過程不確定

• 分時系統 60年代中

1.4 分時技術與分時操作系統

60年代硬件的兩個重大進展:

• 中斷技術 CPU收到外部信號(中斷信號)後， 停止當前工作，轉去處理該外部事件，處理完畢後回到原來工作的中斷處(斷點)繼續原來的工作。
• 通道技術 專門處理外設與內存之間的數據傳輸的處理機

分時操作系統的背景

• 事務性任務的湧現
  • 交互性高
  • 響應快速
• 要求支持多任務、多用戶
• 多終端計算機
  • 高性能計算機(運算， CPU和內存) + 多個終端(輸入和顯示)
  • 主機採用分時技術輪流爲每個終端服務，每個終端都感覺到是“獨佔”主機。

概念

• 主機以很短的"時間片"爲單位，把CPU輪流分配給每個終端使用，直到全部作業被運行完。
• 由於時間片很短，在終端數量不多的情況下，每個終端都能重新獲得CPU，使得每個終端都能得到及時響應。
  • 等待週期 = 時間片 x 終端數量

分時系統的特點

• 多路調製性，多用戶聯機使用同一臺計算機
• 獨佔性, 用戶感覺獨佔計算機
• 交互性，及時響應用戶的請求

UNIX第一個實用化的分時系統操作

• 實現操作系統的可移植性
• 實現了硬件無關性
• 引進了"特殊文件"的概念: 把外設看作文件，實現對外設統一管理

1.5 典型操作系統類型

操作系統的進一步發展(分時系統的衍化)

• 微機操作系統 (windows, macos, linux)
• 多處理機操作系統
• 網絡操作系統 (普通操作系統 + 網絡通信 + 網絡服務)
• 實時操作系統 (某些任務要優先緊急處理, 強調作業完成的時限)
• 嵌入式操作系統 (andriod, linux)