此章節(jié)不會出現(xiàn)綜合題

第一節(jié)：什么是操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)概念：操作系統(tǒng)是一種復(fù)雜的系統(tǒng)軟件，是不同程序代碼锭碳、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、初始化文件的集合砌们，可執(zhí)行。

操作系統(tǒng)是提供計(jì)算機(jī)用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口嘉熊，并管理計(jì)算機(jī)軟件和硬件資源非驮，并且通過這個(gè)接口使應(yīng)用程序的開發(fā)變得簡單壕鹉、高效垄开。

操作系統(tǒng)是覆蓋在裸機(jī)上的第一層軟件琴许，編譯程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及其他應(yīng)用程序都運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上溉躲，操作系統(tǒng)為這些軟件提供運(yùn)行環(huán)境榜田。

操作系統(tǒng)處于硬件與應(yīng)用程序之間。

一锻梳、用戶與硬件之間的接口

接口是兩個(gè)不同部分的交接面串慰。接口分為硬件接口和軟件接口。

計(jì)算機(jī)的所有功能最終都是由硬件的操作來實(shí)現(xiàn)的唱蒸。

應(yīng)用程序在操作系統(tǒng)上運(yùn)行，對硬件的控制過程都封裝在了操作系統(tǒng)的核心程序中灸叼。

有操作系統(tǒng)對硬件的抽象神汹，且操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境，在操作系統(tǒng)上編寫和運(yùn)行應(yīng)用程序就簡單了古今。

操作系統(tǒng)屏蔽了對硬件操作的細(xì)節(jié)屁魏，提供了計(jì)算機(jī)用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口，并且通過這個(gè)接口使應(yīng)用程序的開發(fā)變得簡單捉腥、高效氓拼。

操作系統(tǒng)必須完成的兩個(gè)主要目標(biāo)如下：

????(1)與硬件部分相互作用，為包含在硬件平臺上的所有底層可編程部分提供服務(wù)。

????(2)為運(yùn)行在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的應(yīng)用程序提供執(zhí)行環(huán)境桃漾。

二坏匪、資源的管理者

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)特點(diǎn)是支持多任務(wù)，允許在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)駐留多個(gè)應(yīng)用程序撬统。

多個(gè)應(yīng)用程序共同使用計(jì)算機(jī)軟硬件資源時(shí)适滓，需要操作系統(tǒng)對這些資源進(jìn)行有效的管理。

操作系統(tǒng)的主要功能：

????(1)處理機(jī)管理

????程序的執(zhí)行須依靠處理機(jī)恋追，任意時(shí)刻處理機(jī)都只能執(zhí)行一個(gè)程序流凭迹。

????在單處理機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行多個(gè)程序流，須由操作系統(tǒng)的處理機(jī)調(diào)度程序來管理處理機(jī)的分配苦囱，以使多個(gè)程序共享處理機(jī)嗅绸，從宏觀上看多個(gè)程序能同時(shí)順利執(zhí)行。

????(2)內(nèi)存管理

????在多任務(wù)系統(tǒng)中撕彤，內(nèi)存可被多個(gè)應(yīng)用程序共同占用鱼鸠，如何分配內(nèi)存，如何回收內(nèi)存喉刘，以及完成邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換瞧柔，以上都是內(nèi)存管理要完成的功能。

????(3)設(shè)備管理

????設(shè)備管理主要完成接受用戶的I/O請求睦裳、為用戶分配I/O設(shè)備造锅、管理I/O緩存和驅(qū)動I/O設(shè)備等功能。

????(4)文件管理

大量需長時(shí)間保存的信息以文件的形式存放在外存中操作系統(tǒng)通過文件管理程序完成外存空間的分配廉邑、回收哥蔚、文件的按名存取、文件的組織蛛蒙、共享與保護(hù)等功能

第二節(jié)：操作系統(tǒng)的發(fā)展

操作系統(tǒng)的發(fā)展從時(shí)間順序上經(jīng)歷了從無操作系統(tǒng)到單道批處理系統(tǒng)糙箍、多道程序系統(tǒng)（多道批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)）牵祟、微機(jī)操作系統(tǒng)深夯，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的發(fā)展過程。

一诺苹、無操作系統(tǒng)

第一代計(jì)算機(jī)(1945~1955)使用電子管作為主要的電子器件咕晋，無內(nèi)存，無操作系統(tǒng)收奔。

1946年賓夕法尼亞大學(xué)的埃尼阿克掌呜。

二、單道批處理系統(tǒng)

第二代計(jì)算機(jī)(1955~1965)使用的主要電子器件是晶體管坪哄，開始使用磁性存儲設(shè)備质蕉，內(nèi)外存容量增加計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度势篡，出現(xiàn)了早期的單道批處理系統(tǒng)。

三模暗、多道程序系統(tǒng)

早期的多道程序系統(tǒng)不具有交互功能禁悠，被稱為多道批處理系統(tǒng)。程序員提交作業(yè)后汰蓉，在作業(yè)運(yùn)行結(jié)束輸出結(jié)果之前绷蹲，無法觀察和控制作業(yè)的運(yùn)行。

解決這一問題的需求非常迫切顾孽，于是出現(xiàn)了分時(shí)操作系統(tǒng)祝钢。

在分時(shí)操作系統(tǒng)的支持下，多個(gè)用戶可以同時(shí)通過不同的終端使用主機(jī)若厚，主機(jī)可以快速響應(yīng)常用命令拦英。

終端用戶感覺自己獨(dú)占計(jì)算機(jī)資源，并且實(shí)現(xiàn)用戶與主機(jī)的及時(shí)交互测秸。

在分時(shí)系統(tǒng)中同時(shí)登陸系統(tǒng)的多個(gè)用戶提交的作業(yè)輪流執(zhí)行疤估，每個(gè)作業(yè)都是運(yùn)行一小段時(shí)間就把主機(jī)資源讓給另一個(gè)作業(yè)運(yùn)行一段時(shí)間，多個(gè)作業(yè)交替執(zhí)行霎冯，分時(shí)使用主機(jī)資源铃拇。

四、微機(jī)操作系統(tǒng)

隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)沈撞，微機(jī)操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生慷荔。第一個(gè)微機(jī)操作系統(tǒng)是Intel公司的CP/M系統(tǒng)，用于Intel8080缠俺。

20世紀(jì)80年代形成了新DOS版本MS-DOS显晶。

1985年微軟開始構(gòu)建windows操作系統(tǒng)。

另壹士，還有l(wèi)inux磷雇，mac os等一些支持個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。

五躏救、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用唯笙，出現(xiàn)了各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是支持實(shí)時(shí)計(jì)算的系統(tǒng)盒使。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)不僅要求系統(tǒng)能正確地計(jì)算出結(jié)果睁本，而且要求必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出正確結(jié)果。

如果計(jì)算結(jié)果正確忠怖，但是時(shí)間超過了規(guī)定時(shí)間，依然被認(rèn)為計(jì)算出錯(cuò)抄瑟。

六凡泣、批處理系統(tǒng)枉疼、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)：

1.單道批處理系統(tǒng)的特點(diǎn)

單道批處理系統(tǒng)內(nèi)存中只有一道作業(yè)鞋拟，可以自動處理作業(yè)骂维，其特點(diǎn)如下：

(1)自動性

單道批處理系統(tǒng)使計(jì)算機(jī)能夠在操作系統(tǒng)控制下，自動地將作業(yè)從外存裝入內(nèi)存運(yùn)行贺纲。當(dāng)作業(yè)運(yùn)行完畢后航闺，自動撤銷已運(yùn)行完畢的作業(yè)，并依次從外存裝入下一個(gè)作業(yè)猴誊，使之運(yùn)行潦刃。

(2)順序性

存放在外存中的作業(yè)按順序依次被裝入內(nèi)存運(yùn)行，先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)先運(yùn)行完畢懈叹。

(3)單道性

任何時(shí)刻內(nèi)存中只有一道作業(yè)乖杠。

優(yōu)點(diǎn)：減少了等待人工操作的時(shí)間。

缺點(diǎn)：CPU資源不能得到有效的利用澄成。

2.多道批處理系統(tǒng)的特點(diǎn)

在多道批處理系統(tǒng)中胧洒，用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存中并排成一個(gè)隊(duì)列，該隊(duì)列被稱為“后備作業(yè)隊(duì)列”墨状。由操作系統(tǒng)的作業(yè)調(diào)度程序按一定策略從后備作業(yè)隊(duì)列中選擇若干個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)容卫漫，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源，以達(dá)到提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量的目的肾砂。其特點(diǎn)如下：

(1)多道性

(2)無序性

多個(gè)作業(yè)完成的先后的順序與它們進(jìn)入內(nèi)存的順序之間沒有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系列赎，先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)不一定先被調(diào)度。

(3)調(diào)度性

多道程序系統(tǒng)必須具有作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度功能通今。

作業(yè)調(diào)度用來從后備作業(yè)隊(duì)列中選擇一個(gè)或多個(gè)要被裝入內(nèi)存的作業(yè)粥谬。

進(jìn)程調(diào)度程序用來從內(nèi)存中選擇一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程，使其在CPU上運(yùn)行辫塌。

(4)復(fù)雜性

優(yōu)點(diǎn)：能夠使CPU和內(nèi)存IO資源得到充分利用漏策，提供系統(tǒng)吞吐量。

缺點(diǎn)：系統(tǒng)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長臼氨，缺乏交互能力掺喻。

3.分時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)

分時(shí)操作系統(tǒng)允許多個(gè)用戶通過終端同時(shí)使用計(jì)算機(jī)。是多道批處理系統(tǒng)的自然延伸储矩，支持多個(gè)用戶任務(wù)同時(shí)駐留內(nèi)存感耙，每個(gè)用戶通過終端與主機(jī)交互時(shí)都能得到快速響應(yīng)。

分時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：多路性持隧、獨(dú)立性即硼、及時(shí)性和交互性。

優(yōu)點(diǎn)：提供了人機(jī)交互屡拨，可以使用戶通過不同終端分享主機(jī)只酥。

缺點(diǎn)：不能及時(shí)接收及時(shí)處理用戶命令褥实。

4.實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)

實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)信息處理領(lǐng)域。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請求裂允，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對該事件的處理损离，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。

特點(diǎn)如下：

(1)多路性

(2)獨(dú)立性

每個(gè)終端用戶獨(dú)立向?qū)崟r(shí)系統(tǒng)提出服務(wù)請求绝编，彼此互不干擾僻澎。

(3)及時(shí)性

實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求是以人所能接受的等待時(shí)間來確定的。

(4)交互性

(5)可靠性

七十饥、操作系統(tǒng)產(chǎn)品現(xiàn)狀

1.主機(jī)操作系統(tǒng)

2.服務(wù)器操作系統(tǒng)

3.微機(jī)操作系統(tǒng)

4.嵌入式操作系統(tǒng)

第三節(jié)：操作系統(tǒng)的特征

現(xiàn)代操作系統(tǒng)都支持多任務(wù)窟勃，具有并發(fā)、共享绷跑、虛擬和異步性特征拳恋。

1.并發(fā)

并發(fā)是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生，而并行是指多個(gè)事件同時(shí)發(fā)生砸捏。

2.共享

指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用谬运。

資源共享有兩種方式：互斥共享和同時(shí)共享。

3.虛擬

值通過某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變成若干邏輯上的對應(yīng)物垦藏。

4.異步性

內(nèi)存中的每個(gè)程序何時(shí)執(zhí)行梆暖、暫停，何時(shí)完成都是不可預(yù)知的掂骏。

第四節(jié)：操作系統(tǒng)的功能

一轰驳、內(nèi)存管理

內(nèi)存管理的主要任務(wù)是為多道程序的運(yùn)行提供良好的環(huán)境，方便用戶使用內(nèi)存弟灼，提高內(nèi)存的利用率级解，以及從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存以實(shí)現(xiàn)虛擬存儲。

1.內(nèi)存分配

主要任務(wù)是為每到程序分配內(nèi)存空間田绑。

有靜態(tài)分配和動態(tài)分配兩種方式勤哗。

靜態(tài)方式：內(nèi)存劃分成固定大小和數(shù)量的區(qū)域；

動態(tài)方式：根據(jù)進(jìn)程的請求分配掩驱，內(nèi)存中分區(qū)大小和數(shù)量都是動態(tài)變化的芒划。

2.內(nèi)存保護(hù)

一是使操作系統(tǒng)內(nèi)核的空間不會被用戶隨意訪問，以保證系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定欧穴；

二是確保每道用戶程序都在自己的內(nèi)存空間中運(yùn)行民逼，互不干擾。

3.地址映射

CPU執(zhí)行程序過程中訪問內(nèi)存時(shí)涮帘，需要把程序的邏輯地址轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢淼刂菲床裕@個(gè)轉(zhuǎn)換的過程稱為地址映射。

(1)邏輯地址與物理地址

目標(biāo)程序中的地址稱為邏輯地址调缨，從0開始映屋。

內(nèi)存中的單元地址稱為物理地址苟鸯。CPU訪問內(nèi)存需要將物理地址送入地址總線，以選中要訪問的內(nèi)存單元棚点。

(2)地址映射

將邏輯地址轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的物理地址。

4.內(nèi)存擴(kuò)充

借助于虛擬存儲技術(shù)湾蔓，從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量瘫析，使系統(tǒng)能夠向用戶提供比物理內(nèi)存大的存儲容量。

(1)請求調(diào)入功能

(2)置換功能

二默责、進(jìn)程管理

進(jìn)程使程序的執(zhí)行實(shí)體贬循。（進(jìn)程的內(nèi)容將在第二章講解）

三、設(shè)備管理

主要完成用戶的I/O請求桃序，為用戶分配I/O設(shè)備杖虾。

設(shè)備管理的功能：

(1)緩沖管理

(2)設(shè)備分配

(3)設(shè)備處理

由設(shè)備驅(qū)動程序來實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器之間的通信。

(4)設(shè)備獨(dú)立性和虛擬設(shè)備

設(shè)備獨(dú)立性功能使應(yīng)用程序獨(dú)立于物理設(shè)備媒熊。

虛擬設(shè)備的功能是把一個(gè)物理設(shè)備變換為多個(gè)對應(yīng)的邏輯設(shè)備奇适，使一個(gè)物理設(shè)備能供多個(gè)用戶共享。

四芦鳍、文件管理

1.文件存儲空間的管理

為每個(gè)文件分配必要的外存空間嚷往，提高外存利用率，并能有助于提高訪問文件的速度柠衅。

2.目錄管理

為每個(gè)文件建立目錄項(xiàng)并對眾多目錄項(xiàng)進(jìn)行有效組織皮仁。

3.文件的讀、寫管理和存取控制

根據(jù)用戶的請求菲宴，從外存中讀取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入外存贷祈。

五、提供用戶接口

為了方便用戶使用操作系統(tǒng)喝峦，操作系統(tǒng)向用戶提供了用戶與操作系統(tǒng)之間的接口势誊。

1.命令接口

便于用戶與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的交互。

分為聯(lián)機(jī)用戶接口和脫機(jī)用戶接口愈犹。

聯(lián)機(jī)用戶接口為聯(lián)機(jī)用戶設(shè)計(jì)

脫機(jī)用戶接口為批處理作業(yè)的用戶提供键科。

2.圖形用戶接口

圖形化（窗口）用戶接口

3.程序接口

操作系統(tǒng)提供給程序員的接口是系統(tǒng)調(diào)用。

第五節(jié)：操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

一漩怎、軟件體系結(jié)構(gòu)簡介

軟件體系結(jié)構(gòu)勋颖，是一個(gè)復(fù)雜軟件系統(tǒng)的高層結(jié)構(gòu)，為軟件系統(tǒng)提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)勋锤、行為和屬性的高級抽象饭玲。

明確清晰的軟件體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)貫穿軟件體系整個(gè)生命周期的主線，是軟件設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)和關(guān)鍵叁执，也是對軟件大型化茄厘、復(fù)雜化趨勢的一種很好的應(yīng)對決策矮冬。

二、操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的分析

操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究整個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)各組成成分次哈，以及成分間和成分內(nèi)部存在的相互關(guān)系胎署。

幾種操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型：

（1）簡單的監(jiān)控程序模型，任意時(shí)刻系統(tǒng)中只能運(yùn)行一個(gè)任務(wù)窑滞，整個(gè)系統(tǒng)的所有功能全部集中在一個(gè)單一模塊中琼牧。

（2）單體結(jié)構(gòu)模型，是軟件工程出現(xiàn)以前的早期操作系統(tǒng)及目前一些小型操作系統(tǒng)采用的體系結(jié)構(gòu)哀卫，所有的軟件和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都放在在一個(gè)邏輯模塊中巨坊，對外層的用戶程序提供一個(gè)完整的內(nèi)核界面——系統(tǒng)調(diào)用。

具有單體內(nèi)核結(jié)構(gòu)的典型操作系統(tǒng)有UNIX此改，MS-DOS趾撵，Linux等。

（3）層次結(jié)構(gòu)模型共啃，將操作系統(tǒng)分解為多個(gè)小的占调。容易理解的層，系統(tǒng)功能被隔閡在不同的層中勋磕，每一層提供對系統(tǒng)功能的部分抽象妈候，然后采用單向調(diào)用的順序，形成一連串彼此連續(xù)的對系統(tǒng)功能的“抽象串”挂滓。最終形成對整個(gè)系統(tǒng)的完整抽象苦银。

（4）客戶/服務(wù)器模型與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，把傳統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核中的一些組成部分放到內(nèi)核之外作為一個(gè)獨(dú)立的服務(wù)器進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)赶站，在微內(nèi)核中只保留了操作系統(tǒng)最基本的功能幔虏。

目前微內(nèi)核的操作系統(tǒng)——是向通用方向發(fā)展，如Windows NT贝椿，另一個(gè)是嵌入式操作系統(tǒng)想括。

（5）動態(tài)可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模型，在運(yùn)行的過程中烙博，能夠動態(tài)地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)行為擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)瑟蜈，也可稱之為彈性結(jié)構(gòu)。