OS 概论

• 定义
  • 定义
    • 由一系列程序模块组成的一个大程序。
    • 对软硬件资源进行统一的管理和调度。
    • 组织计算机工作流程，提高资源利用率。
  • 设计目标
    • 方便：方便用户使用。
    • 有效：提高性能和利用率。
    • 方便设计、实现、维护。
• 功能
  • 处理器管理：主要是进程管理，分配 CPU 资源。
  • 储存器管理：管理主存/内存，设计分配、保护、扩充。
  • 设备管理：对 IO 设备进行管理控制，分配设备，控制设备传输数据。
  • 文件管理：将数据组织为文件，提供逻辑视图，管理文件在外部储存设备的储存。
• 特性
  • 并发性
  • 共享性
  • 虚拟性
  • 异步性
• 分类
  • 工作方式
    • 顺序处理
      • 手工操作，无 OS。
    • 简单批处理系统
      • 有一个监控程序在内存中运行。
      • 单道批处理：监控程序自动控制输入设备一次装入一道作业，内存中只有一个作业。
      • 联机批处理：作业输入输出完全由 CPU 直接控制。
      • 脱机批处理：用卫星机专门处理输入输出。
    • 多道批处理系统
      • 多道批处理：内存中可以有多个作业同时运行，作业共享资源。
      • 使用的新技术
        • 通道：专门处理 IO 的机器，连接内存和外设，使 CPU 和外设可以并行操作。
        • 中断：IO 设备使用中断通知 CPU，实现异步回调。
        • 缓冲：设置缓冲区，缓解 CPU 与 IO 设备的速度不匹配问题。
      • 性能指标
        • 资源利用率：单位时间内，某资源的实际使用时间在总时间的占比。
        • 吞吐量：单位时间内，系统处理的作业量。
        • 周转时间：单个作业从进入系统到完成的时间。
      • 特点
        • 吞吐量大，资源利用率高，适合计算量大、自动化程度高的作业。
        • 用户无法与作业交互，作业平均周转时间长。
    • 分时系统
      • 工作方式：用户交互式提交命令，系统使用时间片轮转方式处理。
      • 分时：划分 CPU 的单位时间为多个时间片，每个时间片处理一个用户的命令。
      • 特点
        • 同时性：多用户可以同时使用一个计算机。
        • 独立性：每个用户占有一个终端，独立操作，感受不到其他用户。
        • 交互性：使用终端，可以交互式运行命令。
        • 及时性：命令请求可以较快响应。
    • 实时系统
      • 工作方式：对外部事件做出及时的响应和处理。
      • 特点
        • 实时性：响应时间限制在控制对象能承受的延迟内。
        • 可靠性：可以有后备系统。
        • 确定性：按照固定、确定的时间执行操作。
    • 嵌入式系统
      • 以实际应用为中心，裁剪功能的专用系统。
      • 软件固化储存。
      • 一般是多任务的实时操作系统，只有满足实际需要的有限功能。
  • 并发模式
    • 单用户单任务：如 MS-DOS
    • 单用户多任务：如 Windows
    • 多用户多任务：如 *nix
  • 多处理器模式
    • 非对称多处理器（ASMP）：所有处理器分为两部分，主处理器运行 OS，其他运行用户作业。
    • 对称多处理器（SMP）：处理器没有区分，可以运行 OS 或用户作业。
• 接口
  • 操作接口
    • CLI
    • GUI
  • 编程接口
    • 系统调用
• 运行环境
  • 用户态/内核态
    • 用户态只能执行有限的指令，访问指定的寄存器和储存区域。
    • 内核态运行执行所有指令，访问所有资源。
    • 用户态转换到内核态由硬件完成，内核态转换到用户态由内核程序执行后完成。
    • 用户进程在用户态和内核态都有对应的栈，用户态调用内核态时，内核态代码使用内核态栈。
  • 中断
    • 异步事件，打断当前线程执行，处理器切换到指定代码执行。
    • 中断有优先级，高级中断屏蔽低级中断。
  • 异常
    • 同步事件，程序指令执行时产生的事件，触发后执行处理代码。
    • 无法屏蔽，出现后要立即处理。
• 设计规范
  • 系统效率
  • 可靠性
  • 可移植性
  • 可伸缩性
  • 兼容性
  • 安全性