OS概述

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图片 1 操作系统做什么?

从不同的视角进行分析:

定义操作系统

1.操作系统(operating
system):
是管理计算机硬件的一个程序,它同时作为用户和硬件的中间层,为应用程序提供了基础。

2.计算机系统可大致划分为四个部件:硬件、操作系统、应用程序(application
programs)、用户 。

3.硬件包括:中央处理器(cpu)、存储器(memory)和输入输出(I/O)设备。操作系统控制并协调多个用户的多道程序。

4.从计算机的视角来说,操作系统的的工作(作用):资源管理、程序控制。

5.操作系统的功能:进程管理、内存管理、存储管理、I/O、保护/安全。

    进程:创建、删除、挂起、重启进程;提供进程的同步、通信、死锁机制。

    内存:记录内哪部分正在使用、被谁使用;决定哪些进程可进入内存;分配和释放内存空间。

    存储:创建/删除文件,大容量外存(算法)

 

图片 2 用户视角

操作系统组织

1.计算机用于启动的初始化程序被称作引导程序,它被存储在只读存储器(ROM)中,也就是常说的固件。它初始化系统中的所有部分。

2.事件的发生通常通过硬件或软件的中断(interrupt)来触发。

硬件可能在任何时候通过向 CPU
发送一个信号触发中断,该信号通常经由总线传递。

软件可能通过执行名为系统调用的特殊指令来触发中断。

3.计算机程序必须在主/内存(RAM)中执行。主内存是 CPU
直接访问的唯一的大容量存储,它通常由被称作动态随机访问存储器(DRAM)的半导体器件实现。

4.主存是易失存储,当电源关闭或其它问题出现时,其内容会丢失。因此多数计算机系统提供了二级存储作为主存的扩展,二级存储设备通常是磁盘

5.存储设备层次:寄存器-高速缓存(cache)- 主/内存 – 电子磁盘 – 磁盘

  • 光盘 – 磁带

操作系统做什么

 


 

1. 计算机系统有4个组成部分:计算机硬件,操作系统,系统程序与应用程序和用户。 

 

 
操作系统的组成部分:内核为资源(特别是内存、处理器和I/O设备)提供了最低层次的抽象层。它包括(但不限于)以下组件

  CPU管理器、内存管理器、文件系统、设备管理器

 

 

             
           
  图片 3

 

2. 什么是操作系统?(不同观点)

  • 控制程序—-操作系统控制和协调不同用户的各种应用程序之间的硬件使用。(操作系统是管理计算机硬件的程序,为应用程序提供基础,充当计算机硬件和计算机用户的中介)

  • 资源管理器(资源分配器)—-操作系统管理计算机的资源,使各种应用程序和用户能够有效和公平地操作计算机系统。

  • 扩展机(虚拟机)—-操作系统抽象了计算机硬件,为用户提供了友好的界面。

  • 没有通用的可接受定义—–操作系统的存在是因为它们是解决创建可用计算系统问题的合理方法。

 

 

图片 4 系统视角

计算机系统体系结构

1.多处理器系统:也被称作并行系统紧耦合系统有以下三个主要优点:

    1)增加了吞吐量

   
2)性价比、资源利用率高:相比多个单处理器系统,因为多处理器系统可以共享外围设备、大容量存储器和电源,因此花费更少。

   
3)增加可靠性:单个处理器出现故障只会减缓系统而不会导致系统终止。根据存活硬件均衡提供服务的能力被称作故障弱化(适度退化)。有些系统具有容错能力,当任何一个单件出错时,系统能够继续运行。

2.多处理器系统主要有两种类型

   
1)非对称多处理器:每个处理器被赋予一定特殊作业,一个主处理器用于控制系统,其它的处理器要么从主处理器获取信息,要么执行预定义的作业。

   
2)对称多处理器:每个处理器均可执行操作系统中的所有作业,处理器之间不存在主从关系。

3.多道程序:通过组织作业(代码或数据)增加了CPU
的利用率,让CPU无论何时均有一个作业在执行。(单任务有IO就会CPU空闲)

4.分时/多工:分时是多道程序在逻辑上的扩展,CPU在多个程序间跳转执行,因为跳转速度很快,对于用户而言就可以与各个同时运行的程序交互。分时需要交互式的计算机系统,用户和系统之间应该可以直接交流,且响应时间应当足够短。

5.一个被装入主存并执行的程序被称作进程。分时和多道程序需要内存中同时保持多个作业,因为内存通常不足以同时容纳这些作业,所以它们在执行前被存放在硬盘的作业池/缓冲池(job
pool)
中,它容纳了所有等待分配内存的进程。

6.如果多个作业因为主存空间不足而无法同时装载,那么系统要在作业间进行 作业调度

7.在分时系统中,操作系统必须保证合理的响应时间,这一点有时通过进程在主存和硬盘之间的 交换完成。一个更普遍的方式是 虚拟内存,它使用户可以运行远大于物理内存的程序。

3.操作系统的目标

  • 执行用户程序,更容易地解决用户问题。

  • 使计算机系统让用户使用方便。

  • 有效地使用计算机硬件。

 

4.定义操作系统

  • 一个比较公认的定义是:
    操作系统是一直运行在计算机上的程序(通常称为内核),其他程序则为系统程序和应用程序。

 


 

图片 5最终定义操作系统

定义1:操作系统是为了实现管理,同时带来了必不可少的各种类型的浪费

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分析:管理硬件资源,同样带来的浪费有:内存消耗,硬件消耗等。

定义2:操作系统是管理计算机硬件的程序,它还为应用程序提供基础,并且充当计算机硬件和计算机用户的中介

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分析:计算机硬件包括CPU(逻辑计算中心)、I/O设备(显示器,鼠标,键盘,打印机等)、物理存储设备。

硬件:如中央处理单元(Centeal Processing
Unit,CPU)、内存(memory)、输入输出设备(Input/Output devices,
I/Odevices),为系统提供基本的计算资源。

应用程序:电子制表软件、编译器、浏览器、音乐播放器等国定了用户按何种方式使用这些资源。

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操作系统提供了正确使用这些资源的方法。操作系统类似于政府,操作系统本身并不实现任何有用的功能。它只不过是提供了一个方便其他程序做有用工作的环境。

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用户视角:对于这种情况,操作系统的设计目的是为了用户使用方便,性能是其次的,而且不在乎资源使用率。性能和资源使用率相比,性能对用户来说更为重要,这种系统主要为了优化单用户的情况。

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系统视角:将操作系统看做资源分配器。计算机系统可能有许多资源,用来解决CPU时间、内存空间、文件存储空间、I/O设备等问题。操作系统管理这些资源。面对许多甚至冲突的资源请求,操作系统必须决定如何为各个程序和用户分配资源,以便计算机系统能有效而公平地运行。强调控制各种I/O设备和用户程序的需求。操作系统管理用户程序的执行以防止计算机资源的错误使用或者使用不当。

操作系统运行模式

1.为了保证操作系统程序正确执行,我们需要区分系统程序段和用户程序段。因此设置了两个独立的操作模式用户模式内核模式。计算机硬件中需要加入一个模式位用于说明当前的模式为内核(0)还是用户(1)。

   
1)在系统启动时,硬件系统处于内核模式。之后操作系统被加载并且在用户模式中执行用户应用。

   
2)硬件只允许特权指令在内核模式中运行。一旦系统调用被执行,它将被硬件视为一个软中断,中断向量将被传递给系统内部的一个服务程序,并且模式位切换至内核模式。

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