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持久性与参考

操作系统（02323）：概念与资源管理笔记 · 操作系统概论至概念与资源 ​

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操作系统（02323）：概念与资源管理笔记 ​

操作系统概论 ​

本页整理原 2022–2023 年的 02323 课程摘录，并补充地址转换、调度和 I/O 的教学推演；不是完整教材或特定内核实现手册。按五个主题定位：

概念与资源 ​

1、什么是操作系统 ​

操作系统（Operating System，OS）是一种管理计算机资源、为应用提供运行环境的软件系统。

  • 用户与硬件之间的接口

    • 计算机硬件：处理器、内存储器、输入/输出模块
    • 计算机软件：系统软件、应用软件
    • 在裸机上加载的第一层软件
    • 把操作系统定义为：操作系统控制和管理计算机的硬件与软件资源，并提供用户和应用访问资源的接口

  • 资源的管理者

    • 处理机管理
      • CPU 分配（调度）
      • 提高利用率
    • 作业管理的功能
    • 存储器管理
    • 设备管理

  • 总结

    • 功能
      • 管理计算机硬件和软件资源
      • 提供计算机用户与计算机硬件之间的接口
      • 为应用程序的运行提供环境

2、操作系统的发展 ​

  • 无操作系统

    • 早期电子管计算机（历史阶段示意）
    • 电子管

  • 单道处理操作系统

    • 第二代（1955-1965）
    • 晶体管使用磁性存储设备

  • 多道程序系统

    • 集成电路
    • 1962 年 分时系统 IBM7094

  • 微机操作系统

    • 磁盘操作系统
    • 芯片（Intel8080）

  • 批量处理系统、分时系统、实时系统的特点

    • 单道批处理系统特点
      • 自动性、顺序性、单道性
      • 优点：减少人工操作时间
      • 缺点：CPU 资源不能得到充分利用
    • 多道批处理的特点
      • 多道性、无序性、调度性、复杂性
      • 优点：提高 CPU、内存和 I/O 设备的利用率和系统吞吐量
      • 缺点：系统平均周转时间长、缺乏交互能力
    • 分时系统的特点
      • 多路性、独立性、及时性、交互性
      • 优点：向用户提供了人机交互的方便性
      • 限制：负载过高时响应变慢，不保证硬实时截止时间
    • 实时系统的特点（用户实时控制和实时信息处理）
      • 应用：工业现场的自动控制、海底探测、智能机器人和航空航天...
      • 多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性
      • 优点：往往采取多级容错来实施系统安全和数据安全
      • 缺点：系统错误会带来大量损失

  • 系统分类

    • 主机操作系统

      运行在大型机上的操作系统，主要是提供三种服务：批处理、事务处理、分时处理

    • 服务器操作系统

      运行在网络服务器上的操作系统，通过网络同时为众多用户服务、允许用户共享硬件和软件资源

      • 可以提供打印服务、文件服务、web 服务

    • 微机操作系统

      • 个人操作系统
      • 单个用户提供良好的应用环境和应用软件开发环境

    • 嵌入式操作系统

      • 允许于嵌入式设备中（20 世纪 70 年代）

3、操作系统的特征 ​

并发与共享互相依赖；虚拟映射关系

  • 并发：两个以上事件在同一时间间隔内发生
  • 共享：系统在资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
    • 资源共享方式
      • 互斥共享：例如：访问同一个数据是顺序执行
      • 同时共享：例如：可以同时访问允许共享的数据
  • 虚拟：通过某种技术把一个物理实体变成若干逻辑上的对应物
  • 异步性：进程以不可预知的速度向前推进

4、操作系统的功能 ​

  • 内存管理

    • 内存分配方式
      • 静态分配：每个作业运行之前分配好内存空间，在作业整个运行期间不再改变
      • 动态分配：每个作业运行前或者运行中，均可申请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增涨
    • 内存保护
      • 内存主要任务；确保每道用户程序都只在自己内存空间运行，互不干扰
      • 内存保护机制：基址与界限寄存器是教学模型之一；分页系统还通过页表权限等机制由硬件与内核协作检查访问
    • 地址映射：运行时，将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间
      • 地址空间（虚拟地址）：目标程序或装入程序限定的空间，称为"地址空间"单元的编号称之为逻辑地址，又称为相对地址
      • 内存空间（存储地址）：由内存中的一系列单元所限定的地址范围称之为"内存空间"，其中地址称之为物理地址
    • 内存的扩充：借助于虚拟存储技术，从逻辑上扩充容量，使用的用到的内存容量比实际内存容量大的多，扩充内存必须具有内存扩充机制

  • 进程管理

    • 进程表述与组织
    • 进程控制
    • 进程同步
    • 进程通信与进程调度

  • 设备管理（I/O 请求、分配）

    • 缓冲管理
    • 设备分配
    • 设备处理
    • 设备独立性与虚拟设备

  • 文件管理

    • 文件存储空间的管理
    • 目录管理
    • 文件的读写、和存储控制

  • 接口用户管理

    • 命令接口
    • 图像用户接口
    • 程序接口

5、操作系统的体系结构 ​

  • 软件体系结构

    一个复杂软件系统高层结构、为软件提供一个结构、行为和属性的高级抽象，包括元素的结构、元素间关系、知道元素集成模型和约束

    • 简单的监控程序模型
      • 典型代表：FMS / IB-SYS
      • 单体结构模型
      • 层次结构模型
        • 基本思想
      • 客户/服务器模型与微内核
      • 动态可扩展结构模型

6、指令的执行 ​

概念上的指令周期包括取指、译码、执行和更新可观察状态。PC给出取指位置；普通顺序指令推进到下一条，分支指令则根据条件选择目标。流水线可以重叠执行多个阶段，因此图不是现代处理器逐时钟的精确时序。系统调用与中断通过受控入口进入内核，也不意味着每次都切换进程。

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