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操作系统

操作系统的定义

操作系统是一种管理计算机系统资源控制程序执行改善人机界面为其他软件提供支持的系统软件。

操作系统的发展

1、单用户微机操作系统:是指早期的微型计算机上运行的操作系统每次只允许一个用户使用计算机。

2、网络操作系统:为计算机网络配置的操作系统称为网络操作系统。网络操作系统把计算机网络中各台计算机系统有机地联合起来,为用户提供一种统一、经济而有效地使用各台计算机系统的方法,可使各台计算机系统相互间传送数据,实现各台计算机系统之间的通信以及网络中各种资源的共享。

3、分布式操作系统:为分布式计算机系统配置的操作系统称为分布式操作系统。分布式操作系统能使系统中若干台计算机相互协作完成一个共同的任务,或者说把一个计算问题可以分成若干个子计算,每个子计算可以在计算机系统中的各计算机上并行执行。

4、多机操作系统:为多处理器系统配置的操作系统称为多机操作系统。

 

5、嵌入式操作系统:是指运行在嵌入式系统中对各种部件、装置等资源进行统一协调、处理和控制的系统软件。(主要特点是微型化实时性

操作系统的类型

批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、多机操作系统和嵌入式操作系统。其中前三种是基本的操作系统。

批处理操作系统

1、定义:用户为作业准备好程序和数据后,再写一份控制作业执行的说明书。然后把作业说明书连同相应的程序和数据一起交给操作员。操作员将收到的一批作业的有关信息输入到计算机系统中等待处理,由操作系统选择作业,并按其操作说明书的要求自动控制作业的执行。采用这种批量化处理作业的操作系统称为批处理操作系统。

2、分类:

(1)批处理单道系统:一次只选择一个作业装入计算机系统的主存储器运行。

(2)批处理多道系统:允许多个作业同时装入主存储器,使中央处理器轮流地执行各个作业,各个作业可以同时使用各自所需要的外围设备。

3、批处理多道系统优点:

(1)多道作业并行工作减少了处理器的空闲时间,即提高了处理器的利用率。

(2)作业调度可以按一定的组合选择装入主存储器的作业,只要搭配合理。

(3)作业执行过程中,不再访问低速的设备,而是直接从高速的磁盘上存取信息,从而缩短了作业执行时间,使单位时间内的处理能力得到提高。

 

(4)作业成批输入、自动选择和控制作业执行,减少了人工操作时间和作业交接时间,有利于提高系统的吞吐率。

分时操作系统

1、定义:能使用户通过与计算机相连的终端来使用计算机系统,允许多个用户同时与计算机系统进行一系列的交互,并使得每个用户感到好像自己独占一台支持自己请求服务的计算机系统。具有这种功能的操作系统称为分时操作系统,简称分时系统。

2、分时技术:即把CPU时间划分成许多时间片,每个终端用户每次可以使用一个由时间片规定的CPU时间。这样,多个终端用户就轮流地使用CPU时间。如果某个用户在规定的一个时间片内还没有完成它的全部工作,这时也要把CPU让给其他用户,等待下一轮再使用一个时间片的时间,循环轮转,直至结束。

3、分时系统主要特点:

(1)同时性。允许多个终端用户同时使用一个计算机系统。

(2)独立性。用户在各自的终端上请求系统服务,彼此独立,互不干扰。

(3)及时性。对用户的请求能在较短时间内给出应答。

 

(4)交互性。采用人机对话的方式工作。

实时操作系统

1、定义:能使计算机系统接收到外部信号后及时进行处理,并且在严格的规定时间内处理结束,再给出反馈信号的操作系统称为实时操作系统,简称为实时系统。

2、实时操作系统的应用十分广泛,如控制科学实验、控制生产流水,监督病人的临床功能、监督和控制飞机的飞行状态,进行工业过程控制等。

3、设计实时系统注意点:

(1)要及时响应、快速处理。

(2)实时系统要求高可靠性和安全性,不强求系统资源的利用率。

操作系统的功能

操作系统负责管理计算机系统的所有资源,并调度这些资源的使用。具体来说,其主要功能有:处理器管理存储管理设备管理文件管理

处理器管理:对CPU进行管理。

存储管理:对主存储器进行管理。

文件管理:通过对磁盘进行管理,实现对软件资源进行管理。

 

设备管理:对各类输入/输出设备进行管理。

操作系统为用户提供的使用接口:一组操作控制命令或作业控制语言供用户提出对作业的控制要求;一组系统功能调用为用户程序提供服务功能。即,

       程序员接口:通过“系统调用”使用操作系统功能。(开发者)

       操作员接口:通过操作控制命令提出控制要求。(应用者)

计算机系统

      计算机系统定义:是按用户的要求接收和存储信息、自动进行数据处理并输出结果信息的系统。

      计算机系统构成:硬件系统和软件系统。

      硬件系统组成:中央处理器(CPU)、主存储器、辅助存储器、各种输入/输出设备。

计算机系统的结构

由于操作系统十分庞大,所以清晰的结构有利于开发和调试。层次结构是一种重要的设计技术,它不仅使正确性容易得到保证,而且也能提高可维护性可移植性

操作系统结构追求四大目标,正确性、高效性、可维护性和可移植性

1.计算机系统的层次结构

 

目前的计算机系统,一般都具有一种层次结构。从内到外依次为:硬件系统、软件系统、支撑软件和应用软件,最外层是使用计算机的人。

2.操作系统的运行方式

计算机开启时,自动执行引导程序。引导程序首先进行系统初始化的工作,然后把操作系统中的核心装入主存储器。此后操作系统便等待用户请求(事件)的发生,当有某个事件出现,硬件便能识别并能发生一个中断,从而通过操作系统,由它的服务程序去处理,处理结束后,又等待下一个事件发生。

硬件环境

1.CPU与外设的并行工作

在计算机系统中,输入/输出控制系统负责完成外围设备与主存储器之间的信息传送。

2.存储体系

寄存器是处理器的组成部分,用来存放处理器的工作信息。一般来说,寄存器可分成如下几类:

(1)通用寄存器:存放参加运算的操作数、指令的运算结果等。

(2)指令寄存器:存放当前从主存储器读出的指令。

(3)控制寄存器:存放控制信息以保证程序的正确执性和系统的安全。

A.程序状态字寄存器:存放当前程序执行时的状态。

B.中断字寄存器:记录出现的事件。

C.基址寄存器:设定程序执行时可访问的主存空间的开始地址。

D.限长寄存器:设定程序执行时可访问的主存空间的长度。

 

主存储器CPU能直接访问唯一的存储空间,任何程序和数据都必须被装入主存储器之后,CPU才能对它进行操作。主存储器以“字节”为单位进行编址,若干字节组成一个“字”。中央处理器可以按地址读出主存储器中的一个字节或一个字的内容。

为了减少对主存储器的访问时间,加快程序的执行速度,现代计算机系统往往配置一个高速缓冲存储器(cache)。辅助存储器解决了主存储器的容量不足,以及主存储器无法永久保存信息的问题。辅助存储器的优点是容量大且能永久保存信息,缺点是无法被中央处理器直接访问必须通过主存储器才能访问

3.保护措施

为了保证计算机系统能正确工作,硬件采用了若干保护措施,操作系统进行配合来提高系统的安全性。

中央处理器有两种工作模式:管态(可执行包括特权指令在内的一切机器指令。一般是操作系统程序占用中央处理器时,CPU处于管态)和目态不允许执行特权指令。一般是用户程序占用中央处理器时,CPU处于目态)。限定用户程序在目态执行,不能直接使用特权指令(启动I/O、设置时钟、设置控制寄存器等)。操作系统利用硬件设置的基址寄存器限长寄存器来限定各程序可访问的主存空间,以免相互干扰而造成错误。

硬件的部分保护措施有以下几种:

(1)特权指令。

(2)管态和目态。

(3)存储保护。(基址寄存器的值<=访问地址<=基址寄存器的值+限长寄存器的值。)

UNIX

UNIX操作系统一个交互式的分时操作系统。UNIX系统的源代码公开。从结构上看,UNIX可以分成内核层和外壳层两部分。

1、UNIX层次结构:内核层和外壳层。

(1)内核层:是UNIX操作系统的核心。它具有存储管理、文件管理、设备管理、进程管理以及为外壳层提供服务的系统调用等功能。

(2)外壳层:为用户提供各种操作命令和程序设计环境。

2、外壳层组成:由shell解释程序、支持程序设计的各种语言、编译程序、解释程序、使用程序和系统库等组成。其中其它模块归shell解释程序调用,shell解释程序用来接收用户输入的命令并进行执行。

3、内核层组成:内核程序用C语言和汇编语言编写。按编译方式可分为:汇编语言文件、C语言文件和C语言全局变量文件。

4、程序运行环境:用户态和核心态。外壳层的程序在用户态运行,内核层的程序在核心态运行。用户态运行的程序称为用户程序,核心态运行的程序称为系统程序。(注:外壳层的用户程序在执行时可通过系统调用来请求内核层的支持)

系统调用

1.系统调用定义:即系统功能调用程序,是指操作系统编制的许多不同功能的供程序执行中调用的子程序。

2.执行模式:系统调用在管态下运行,用户程序在目态下运行,用户程序可以通过“访管指令”实现用户程序与系统调用程序之间的转换。(注:访管指令本身是一条在目态下执行的指令)

 

3.系统调用分类:文件操作类资源申请类控制类信息维护类

用户为作业准备好程序和数据后,再写一份控制作业执行的说明书。然后把作业说明书连同相应的程序和数据一起交给操作员。操作员将收到的一批作业的有关信息输入到计算机系统中等待处理,由操作系统选择作业,并按其操作说明书的要求自动控制作业的执行。采用这种批量化处理作业的操作系统称为批处理操作系统。

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