1.1 操作系统的定义

计算机系统的组成：应用程序 -> 实用程序 -> 操作系统 -> 硬件

接口：外层的软件必须以事先约定的方式，调用内层软件或硬件提供的服务。

操作系统的定义： 是由一系列程序模块组成的一个大型的系统管理程序；依据各种管
理和调度策略，对计算机的软、硬件资源进行统一的管理和调度，
合理地组织计算机的工作流程，以提高资源利用率。

1.2 操作系统的设计目标

设计目标：方便性、有效性、易维护性

形成与发展：
-顺序处理（手工操作阶段）
-简单的批处理系统（单道批处理）
-多道成批处理系统（多道批处理）
-分时系统
-实时系统
-嵌入式系统

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，并启动运行。
多道批处理：主存同时存放多个作业，同时处于“运行状态”，共享系统中的各种资源。
-引入多道程序设计技术的根本目的是提高CPU的利用率

宏观上并行，微观上串行：宏观上，各个作业都已开始运行，但都未运行完；微观上，各个作业是串行执行的，在任何特定时刻，只有一个作业在处理机上运行。

衡量批处理系统的性能指标
-资源利用率
-吞吐率：单位时间内系统所处理的信息量
-周转时间：等待时间+运行时间

批处理系统特点：
-优点：系统吞吐量大，资源利用率搞。适合计算量大、自动化程度高的成熟作业。
-缺点：用户与作业无法交互，作业平均周转时间较长。

分时系统：
-工作方式：一台主机连接若干个终端。用户交互式地向系统提出命令请求，系统接受命令，采用时间片轮转的方式处理请求，并在终端上显示结果。
-分时：多用户分时使用CPU，将CPU的单位时间划分成若干的时间片。

-特点：同时性、独立性、交互性、及时性（用户的请求能在较短时间内得到响应。

实时系统：
-计算机对随即发生的外部事件做出及时的响应和处理，是专用系统。
-不以作业为处理对象，以数据或信息为处理对象。
-过程控制
-信息处理
-特点：
-实时性
-可靠性
-确定性

嵌入式系统：
-以实际应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪的专用计算机系统。
-软件固化存储。
-实时操作系统，只有满足实际需要的优先功能，如任务调度、同步与通信、主存管理、时钟管理等。

1.3 操作系统的功能、服务和特性

-三种基本类型：批处理系统；分时系统；实时系统。
-通用操作系统：兼有批处理、分时和实时之中至少两种的功能。

操作系统的功能：
-处理及管理：进程管理，控制、调度、通信
-存储器管理：主存管理，分配、保护、扩充、共享。
-设备管理：对系统中各种输入、输出设备的管理和控制。分配设备，控制设备传输数据。
-文件管理：将程序、数据、操作系统软件等组织成文件，存放在磁盘或磁带上，方便用户访问。

操作系统的特性：
-并发性：时间上重叠操作，竞争系统资源。
-共享性：资源供多个并发执行的进程共同使用。
-支持系统并发性的物质基础是资源共享。
-虚拟性：共享资源的一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。
-异步性：有限的资源共享使并发进程直接产生相互制约关系。

操作系统提供的服务：
用户接口、执行程序、I/O操作、文件系统操作、通信服务、错误检测和处理、资源分配、记账、保护。

1.4 操作系统的进一步发展

-个人计算机操作系统：单用户单任务OS、单用户多任务OS、多用户多任务OS
-多处理机操作系统：非堆成处理(ASMP)、堆成多出力(SMP)、多核处理器
-网络操作系统：联系各台计算机的操作系统
-分布式操作系统：多个计算机通过网络连接成一个统一的计算机系统，并有一个统一的操作系统
-虚拟化与云计算：虚拟化技术，提升资源利用率；核心思想：虚拟机获得虚拟化的硬件资源

1.5 用户与操作系统接口

-操作接口：命令语言、窗口界面是用户使用计算机系统的主要接口
-命令语言：操作系统提供一个命令解释程序来支持命令语言的解释执行。捕获用户在命令行输入的命令，调用实现命令的操作系统代码，完成命令的执行。
-窗口界面：系统初始化，Windows为终端用户生成的一个运行进程，是一个具有窗口界面的解释程序，当点击桌面内的某个实用程序时，解释程序就会创建一个新进程。
-编程接口：系统调用是用户与操作系统之间的编程接口
-系统调用：通过系统调用接口运行系统内核的一些子程序

-核心态/用户态：对于两类程序，操作系统内核程序、用户程序，前者是后者的管理者和控制着，将CPU的运行状态分为核心态/用户态；用户态到核心态的转换由硬件完成，核心态到用户态的转换由内核程序执行完后完成。
-核心态，允许执行处理机的全部指令集，访问所有的寄存器和存储区；用户态，只允许执行处理机的非特权指令，访问指定的寄存器和存储区。

1.6 操作系统的运行方式

不同中断有不同优先级，处理机优先级：指处理机当前正运行程序的终端响应级别。
在中断或者陷入时，中断处理程序或系统调用程序，利用用户进程的核心栈空间，嵌入用户进程中运行。

1.7 操作系统的设计规范

系统效率、系统可靠性、可移植性、可伸缩性、兼容性、安全性

习题

-1.早期操作系统设计的主要目标是什么?
资源管理、多任务处理、内存管理、文件系统管理、输入输出管理、用户界面、安全性和保护、稳定性和可靠性。
-2.操作系统是资源管理程序，它管理系统中的什么资源？
中央处理单元(CPU)、内存(RAM)、磁盘和存储设备、输入/输出设备(I/O设备)、网络资源、用户和进程、时间和始终、系统调用接口、安全资源
-3.为什么要引入多道程序系统?它有什么特点？
原因：提高CPU利用率、减少系统的空闲时间、提高系统吞吐量、优化资源分配
特点：多个程序并行执行、进程切换与调度、内存管理、资源共享与隔离、I/O与CPU的解耦、系统吞吐量和响应时间的平衡、提高系统可靠性与容错性
-4.叙述操作系统的基本功能。
进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理、用户接口、安全性和保护、网络管理、系统性能监控与调优、错误处理与异常管理。
-5.批处理系统、分时系统和实时系统各有什么特点?各适合应用于哪些方面?
批处理系统：任务按批次处理、无交互性、作业排队、适用于大规模数据处理；应用于数据处理分析、生产过程控制、大规模文件处理。
分时系统：多用户共享、交互性强、资源共享；应用于共享计算资源、在线数据处理、办公自动化。
实时系统：严格的时间约束、高可靠性和高稳定性、可预测性、硬实时与软实时；应用于嵌入式系统、工业控制、医疗设备、交通管理。
-6. 操作系统的特性?
并发性、共享性、异步性、虚拟性
-7.衡量OS的性能指标有哪些？什么是吞吐量、响应时间和周转时间?
性能指标：资源利用率、吞吐量、周转时间
吞吐量：指单位时间内系统所处理的信息量。
响应时间：从用户发出请求到系统开始响应所需要的时间。
周转时间：指从作业进入系统到作业退出系统所用的时间。
-8.什么是嵌入式系统？
以实际应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪的专用计算机系统； 软件要求固化存储；属于实时操作系统，只有满足实际需要的有限功能，如任务调度、同步与通信、主存管理、时钟管理等。
-9.什么是对称多处理？它有什么好处？
对称多处理：操作系统和用户程序可安排在任何一个处理机上运行，多处理机共享主存和I/O设备。
好处：提高计算性能和吞吐量、增加系统的可靠性和容错性、提升响应时间和交互性、灵活的扩展性、简化的硬件和软件管理、适应多核处理器和高并发应用。
-10.为了实现系统保护，CPU通常有哪两种工作状态？各种状态下分别执行什么程序？什么时候发生状态转换？状态转换由谁实现的？
CPU的两个工作状态：核心态、用户态；
核心态下：允许执行处理机的全部指令集，访问所有的寄存器和存储区。
用户态下：只允许执行处理机的非特权指令，访问指定的寄存器和存储区。
状态转换：用户态到核心态的转换由硬件完成，硬件把系统调用作为一个软件中断对待；核心态到用户态的转换由内核程序执行完后完成。
-11. 什么是系统调用？什么是特权指令？特权指令执行时，CPU处于哪种工作状态？
系统调用：操作系统内核向用户提供了一组系统调用接口。用户通过系统调用接口，运行系统内核里的一些子程序。
特权指令：指只能在内核态下执行的指令。
特权指令执行时，CPU的工作状态为核心态。
-12. 操作系统通常向用户提供哪几种类型的接口?其主要作用是什么?
操作接口、编程接口。
操作接口：命令语言、窗口界面是用户使用计算机系统的主要接口。
编程接口：系统调用是用户与操作系统之间的编程接口。