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计算机操作系统概述

云烟驻2025/1/1大约 7 分钟

计算机操作系统概述

  • 用户与计算机硬件系统之间的接口
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  • 计算机系统资源的管理者
  • 实现对计算机资源的抽象

发展与分类

人工操作

通过纸袋打孔编写程序

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缺点：

  1. 用户独占全机
  2. 人机速度矛盾导致资源利用率极低

单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术，由监督程序控制，按顺序连续处理程序

脱机输入/输出：将纸带上数据输入到磁带上，CPU需要时高速调用，输出时再高速输送至磁带

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改善：

  1. 减少了CPU空闲时间
  2. 提高了I/O速度

缺点：

  1. CPU利用率较低

多道批处理系统

多道程序并发执行

非抢占式：完整执行进程某一阶段

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抢占式：按绝对次序执行

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改善：

  1. 资源利用率提高
  2. 系统吞吐量大

缺点：

  1. 平均周转时间较长
  2. 无交互能力

分时操作系统

以时间片为单位轮流为用户服务

特点：

  1. 多路性：允许多个用户共享一台计算机
  2. 独立性：每个用户之间互不干扰
  3. 及时性：在极短时间内获得响应
  4. 交互性：人机交互

缺点：

  1. 不能优先处理紧急任务

实时操作系统

对接受到的信号及时处理，并在时限内完成

  • 周期性实时任务：外部设备周期性的发出信号给计算机，要求按指定周期循环执行

  • 非周期性实时任务：带有截止时间

    • 开始截止时间：在指定时间之前开始
    • 完成截止时间：在指定时间之前完成

  • 硬实时任务：必须满足截止时间要求

    工业、武器控制、自动驾驶

  • 软实时任务：对截止时间要求不严格

    查询系统、多媒体

优点：

  1. 及时性：优先响应紧急任务
  2. 可靠性：采取多级容错措施

特性

并发

  • 并发：在一时间间隔内，单核执行多项任务
  • 并行：在同一时间，多核同时执行不同任务

共享

  • 互斥访问：一段时间内只允许一个进程访问资源

    摄像头、麦克风

  • 同时访问：一段时间内允许多个进程并发访问资源

    文件下载上传

虚拟

  • 时分复用：多进程并发执行

  • 空分复用：根据程序运行情况，只将部分调入内存

异步

  • 多道程序并发执行争抢有限系统资源，导致进程以不可预知的速度推进

功能

处理机管理

  • 进程控制：为作业创建进程，撤销已经完成的进程，控制进程在运行中的状态转换

  • 进程同步：为多个进程的运行进行协调

  • 进程通信：一组相互合作的进程去完成同一个任务时交换信息

  • 调度：

    • 作业调度：从后备队列中按一定算法选出若干作业，并为其分配资源后插入就绪队列
    • 内存调度：将挂起状态的进程由外存调入到内存
    • 进程调度：按一定算法从就绪队列选出一个进程，分配处理机运行

存储器管理

  • 内存分配：为每道程序分配内存空间、提高存储器利用率、允许运行的程序申请附加内存空间

  • 内存保护：确保用户程序只在自己的内存空间运行，不允许访问操作系统程序和数据以及转移到非共享用户程序中执行

  • 地址映射：程序的逻辑地址与内存空间对应物理地址的映射

  • 内存扩充：从逻辑上扩充内存容量

文件管理

  • 文件存储空间管理：文件所需空间的分配与回收，同时记录文件存储空间的使用情况
  • 目录管理：为每个文件建立目录项；文件共享；目录查询
  • 文件读/写管理：根据文件名检索文件位置，再利用读/写指针对文件进行操作
  • 文件保护：防止未验证用户存取文件；防止冒名顶替存取文件；防止不正确方式使用文件

设备管理

  • 缓冲管理：缓解CPU与I/O设备速度不匹配问题

    • 单缓冲机制

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    • 双缓冲机制

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    • 公共缓冲池机制

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  • 设备分配：设备的分配与回收

  • 设备处理：CPU与设备控制器的通信

接口类型

  • 用户接口

    • 图形用户接口：使用户方便快捷的对程序和文件进行操作
    • 联机用户接口：交互式
    • 脱机用户接口：批处理

  • 程序接口：通过系统调用使用程序接口，用户不能直接使用，只能通过程序代码间接使用

运行机制

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用户态=目态、核心态=内核态=管态

程序状态字PSW：用一个二进制位区分用户态和核心态

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陷入指令=trap指令=访管指令

中断机制

内核夺回CPU控制权的唯一途径

异常

  1. 用户态下执行特权指令
  2. 输入非法参数
  3. 执行陷入指令进行系统调用
  4. 故障

中断

  1. 时钟中断：时钟部件的并发控制
  2. I/O中断：设备任务完成

系统调用

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体系结构

分层结构

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优点：易于调试和验证，扩展方便

缺点：无法夸层调用效率低；无法明确定义每层边界

模块化

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优点：各模块结构清晰；可动态加入新模块；模块间可直接调用效率高

缺点：模块接口定义未必合理实用；模块间相互依赖不易维护

内核

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  • 大内核：将系统主要功能模块运行在内核态
    • 优点：系统调用时CPU无需频繁切换状态，效率高
    • 缺点：内核复杂不利维护和扩展，某一模块出问题可能影响整个系统，可靠性低
  • 微内核：将系统基本功能模块运行在内核态
    • 优点：内核较小利于维护和扩展；可靠性高
    • 缺点：系统调用CPU需频繁切换状态，效率低
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外核

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优点：可为进程分配未经抽象的硬件资源，使用更加灵活

缺点：增加了系统复杂性

操作系统引导

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虚拟机

  • 第一类虚拟机管理程序（裸金属架构）

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    • 直接运行在硬件之上，拥有最高权限，性能好
    • 直接分配硬件资源

  • 第二类虚拟机管理程序（寄居架构）

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    • 运行在宿主操作系统之上，性能差
    • 分配的资源实际是宿主操作系统上的文件
    • 方便移植，只需将操作系统导出为iso文件

贡献者

云影
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