## 操作系统引论
**操作系统是计算机硬件上的第一层软件，操作系统是指控制和管理整个计算机软硬件资源，合理的组织、调度计算机的工作和资源分配，进而为用户和其他应用软件提供方便接口与环境的程序集合**目标和作用
- 目标
（1）方便性：用户直接在裸机上运行自己的程序，就必须用机器语言写程序，但是若在计算机硬件上配置了os，系统可以将高级语言编译成机器语言。使计算机变得易学易用。
（2）有效性：提高系统资源的利用率；提高系统的吞吐量：合理的组织计算机工作流程，加速程序的运行，缩短程序的运行周期，从而提高了系统的吞吐量。
（3）可扩充性：os的结构从无结构发展的模块化再到层次化结构，到现在的微内核结构：能方便增添新的功能和模块，以及对原有的功能和模块进行修改。
（4）开放性：计算机日益普及，但是区域差异性使“兼容性”这一词儿被提出来，世界各国相应制定了一系列软硬件标准。所谓开放性，是指系统能够遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互联osi标准。
- 作用
1. OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
—由示意图可以看出用户可以通过三种方式使用计算机，即通过命令方式、系统调用和图标-窗口方式来实现与操作系统的通信，取得它的服务。
2. OS作为系统资源的管理者
计算机资源归纳起来有四类：处理机、存储器、I/O设备、文件。OS的主要功能就是对这四类资源进行有效的管理。
----处理机管理：分配和控制处理机；
----存储器管理：内存的分配与回收；
----I/O设备管理：负责I/O设备的分配与操纵；
----文件管理：实现对文件的存取、共享和保护。
3. OS实现了对计算机资源的抽象
由于裸机向用户仅提供硬件接口，用户必须对硬件接口的实现细节有充分的了解，这使得该物理机难以推广。为了方便人们在裸机上覆盖一层管理软件（如：I/O管理）用户可以直接利用数据结构及操作命令来实现，无需关心具体的细节。
操作系统基本特性
- 并发：正是这一特征，有效提高了计算机系统资源的利用率，增加了系统吞吐量
(1)并行与并发：这两者是相似但又相互区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生，而并发是指两个或多个事件在同一时间间隔发生
(2)引入进程：没有引入进程的系统，同一个程序只能顺序执行。所谓进程，是指在系统中能够独立永兴并作为资源分配的基本单位，由机器指令，数据，堆栈等组成。（进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的独立单位）
- 共享
(1)互斥共享：A正在访问临界资源，B只有当A释放资源才能访问运行。所谓临界资源，是指在一段时间内只允许一个进场访问的资源。
(2)同时访问：“同时”是宏观意义上的，在微观上，这些进程对该资源的交替访问。
- 虚拟
-(时分复用TDM)：虚拟处理机技术，虚拟设备技术
-(空分复用FDM)：用于对存储空间的管理，提高存储空间利用率。
- 异步
进程是以人们不可预知的速度向前推进的，有不封闭和不可再现性，尽管如此，但只要在os 中配置有完善的进程同步机制，且运行环境相同，作业即便多次运行，也都会得到同样的结果。
操作系统的主要功能
- 处理机管理功能
进程控制、进程同步、进程通信、作业、进程调度 - 存储器管理功能
内存分配（静态，动态）：为每道程序分配内存空间
内存保护：确保用户之间互不干扰，绝不允许用户访问操作系统的数据和程序
地址映射：逻辑地址到物理地址的转换
内存扩充：利用虚拟技术，从逻辑上扩充内存容量。 - 设备管理功能
缓冲管理：有效缓解速度不匹配问题（如：cache，磁盘缓冲）
设备分配：根据用户需求，按某种分配策略，为之分配所需的设备
设备处理：设备处理程序又叫设备驱动程序，用于CPU与设备控制器的通信 - 文件管理功能
文件存储空间的管理
目录管理
文件的读/写管理和保护：互锁 - 操作系统与用户之间的接口
用户接口：方便用户直接或间接地控制自己的作业
程序接口
操作系统的运行环境
内核是计算机上配置的底层软件
1.时钟管理：操作系统通过时钟管理，向用户提供标准的系统时间。另外，通过时钟中断的管理，可以实现进场的切换；实时系统按截止时间控制 运行，在批处理中通过时钟管理来衡量一个作业的运行程度。
2.中断机制：
3.原语：是指完成某种功能的程序，运行具有原子性不可中断性，其操作只能一气呵成，不能被打断。
操作系统 发展历程
1. 人工操作方式
(1)用户独占全机：一台计算机所有资源由上机用户占用
(2)cpu等待人工操作：当用户进行装带、卸带等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。
2. 脱机输入输出方式
加入外围机解决人机矛盾。
3. 批处理系统
(1)单道批处理系统：在监督程序的控制下，使这批作业一个一个进入内存（始终只保持一道作业），一个接一个地连续处理。
缺陷：系统资源不能充分利用
(2)多道批处理系统
对于单道操作系统来说，他可以连续的运行多个程序，减少了程序切换时的CPU等待时间。但是它的问题在于，当执行I/O操作加时，CPU是空闲的。于是出现了多道批处理程序。多道批处理程序，把多个程序同时加载到内存中，当其中正在运行的程序执行I/O操作时，CPU可以继续执行其他的程序，而当I/O操作结束后，程序可以继续被执行。用户所提交的作业先放在外存上并排成一个“后备队列”，然后由作业调度程序按一定的算法将若干作业调入内存
上图是多道批处中会存在2个以上的程序，所以需要一个内存分区表来标识每个程序占用的内存范围，以保证每个程序内存空间的独立。
优缺点：
(1)资源利用率高。多道程序交替执行，以保持CPU处于忙碌状态；
(2)系统吞吐量大：CPU和其他资源处于忙碌状态，只有当作业完成时或进行不下去时才进行交换，系统开销小
(3)平均周转时间长：所谓平均周转时间，是指作业从进入系统开始，直至完成退出系统所经历的时间。
(4)无交互能力：用户一旦把作业提交给系统后，直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互。
4. 分时系统
批处理的发展动力是提高资源利用率和系统吞吐量，分时系统为了满足人机交互
分时系统是指：在一台主机上连接了多个配有显示器和键盘的终端并由此组成的系统，该系统允许多个用户同时通过自己终端，已交互方式使用计算机，共享主机资源。
要做到同时接受多个用户键入的数据，只需在系统中配置一个多路卡（实现分时多路复用）即可。
作业直接进入内存，采用时间片轮转运行
分时系统的特征
(1)多路性：系统允许多个终端同时连接到一个主机上，并按分时原则为每个用户服务。
(2)独立性：每个用户在各自终端上进行操作，彼此之间互不干扰，给用户的感觉就是他一人独占主机进行操作。
(3)交互性：用户可以通过终端与系统进行广泛的人机对话，用户可以请求系统提供多方面的服务。
(4)及时性：是指用户的请求能在很短时间内获得响应。
5.实时系统
实时系统是指系统能及时响应外部时间的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致的运行。
特征：
可靠性：分时系统要求系统高度可靠，因为任何差错都可能带来灾难性后果。
多路性、独立性、交互性、及时性。