2010年软考软件设计师辅导讲义：操作系统知识

　　操作系统知识

　　1、操作系统知识：

　　1.1基本概述

　　操作系统是一个大型的软件系统，是为了提高计算机系统资源(硬件和软件资源)的利用效率并方便用户使用的一组程序，这些程序可以用软件实现，也可以用固件(微程序设计)实现。操作系统的基本特征是并发与共享。

　　操作系统是运行在计算机硬件上的最基本的系统软件，位于所有的软件的最底层，为计算机使用者提供了一种良好的操作环境，也为各种应用系统提供了基本的支持环境。它在计算机系统中占据了特殊重要的地位，其它所有的软件如汇编程序、编译程序、数据库管理系统等系统软件以及大量的应用软件，都将依赖于操作系统的支持，取得它的服务。

　　操作系统通过多任务并行的手段来达到多用户资源共享的目的。

　　我们通常主要采用几种不同的方法来考察操作系统。

　　Ø 用户观点：可以把操作系统看作是用户与计算机硬件系统之间的接口(系统调用和联机命令);

　　Ø 资源管理观点：把操作系统看成计算机系统资源的管理者;

　　Ø 进程角度：管理核心，对用户进程和系统进程进行控制和协调;

　　Ø 分层角度：从系统构造的角度出发，将系统分为若干个层，彼此依赖;

　　操作系统的硬件基础是：中断和通道，中断处理一般都在核心内完成。

　　操作系统的类型与功能：

　　根据使用环境和对用户作业处理方式，操作系统的基本类型可以分为3大类：

　　◆批处理操作系统：其特点是先将作业脱机输入到外围输入设备，再由监督程序将作业成批调入系统中进行处理。在早期的计算机中往往使用这种类型的操作系统。

　　◆分时操作系统：多个用户同时以会话方式控制自己程序的运行，每个用户都感到似乎各自有一台独立的、支持自己请求服务的系统。其特点是将CPU时间轮流分配给内存各道作业使用，直至每个作业结束，这就保证了多个用户能在较短时间内与作业进行交互。

　　◆实时操作系统：系统往往是专用，系统与应用很难分离。其特点是能及时响应外部时间的请求，并迅速完成对事件的处理。其设计原则是响应时间优先于资源利用率。实时系统又分成实时过程控制和实时信息处理两类。

　　除了上述这几类基本系统外，随着计算机体系结构的发展，又出现了多处理机操作系统、分布式操作系统和网络操作系统等等。

　　操作系统的职能是管理和控制计算机系统中的全部硬件、软件资源，合理组织计算机工作流程，并为用户提供一个良好的工作环境和友好的接口，系统资源管理和提供用户界面是操作操作系统的功能模块：

　　◆处理器(机)管理：其主要任务，是对处理机进行分配，并对其进行有效的控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配以线程为基本单位，因此对处理机的管理可归结为对线程的管理。

　　◆存储管理：其主要任务，是为程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充内存。所以存储管理应具有以下功能：内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充等。

　　◆设备管理：其主要任务，是完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备;提高CPU和I/O设备的利用率;提高I/O速度;以及方便用户使用I/O设备。为实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理，以及虚拟设备等功能。采用通道、控制器和设备三级控制方法管理这些设备;

　　◆文件管理：其主要任务，是对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。为此，文件管理应具有文件存储空间的管理，目录管理，文件的读、写管理以及文件的共享与保护等功能。

　　◆用户接口：为了方便用户使用操作系统，操作系统向用户提供命令接口和系统调用接口，在较晚出现操作系统中又向用户提供了图形接口。

　　1.2 处理机管理

　　处理器是计算机的心脏，在单用户系统中或单道系统中，处理器为一个用户或一个作业服务，管理简单。为了提高系统资源的利用率，引入了多道程序技术，即多个程序或作业同时运行，争用处理器，要解决处理器的分配调度的策略。因此引入了作业、进程和线程的概念，基于操作系统对处理器的管理策略不同，其提供的作业处理方式也不同，又批处理方式、分时处理方式、实时处理方式、多道成批处理方式和网络环境下的处理方式等。

　　操作系统的核心位于硬件上，核心的目的是提供一种进程赖以生存的环境，其主要任务就是接受中断并做基本的处理，在进程之间切换处理器，处理进程之间的通信。

　　基本的硬件结构是：

　　(1) 中断结构：为了使输入输出活动与处理器的活动并行，提出了中断处理程序;

　　(2) 特权指令：仅供操作系统使用的指令集合;

　　(3) 主存保护：多道程序系统中，必须对各进程使用的主存加以保护，以防止其他进程的非法操作;

　　(4) 时钟：硬件时钟以固定的时间间隔产生中断信号，这对于实现处理器的调度以及实现与时间有关的任务不可或缺;

　　1.3进程概念：

　　进程在操作系统中是一个十分重要的概念。进程是可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。可以说，进程是运行中的程序，是程序的一次运行活动。相对于程序，进程是一个动态的概念，而程序是静态的概念。

　　进程具有5个基本特征：

　　Ø 动态性：

　　Ø 并发性：

　　Ø 独立性：

　　Ø 异步性：

　　Ø 结构特征：

　　在操作系统中，进程是进行系统资源分配、调度和管理的最小单位。另外需要注意的是，现代操作系统中还引入了线程(Thread)概念，它是处理器分配的最小单位。

　　进程的状态：

　　进程在运行中不断地改变其运行状态。通常，具有3种最基本的状态。

　　Ø 运行：正占用处理器

　　Ø 就绪：只要获得处理器即可运行。

　　Ø 阻塞：正等待某个事件(如I/O完成)的发生。

　　在不少系统中，还增加了两种基本状态：

　　Ø 新状态：一个进程刚刚建立，但还未将它送入就绪队列时的状态。

　　Ø 终止状态：当一个进程已经正常结束或异常结束，系统已将它从就绪队列中移出，但尚未将它撤消时的状态。

　　下图显示了具有5种基本状态的进程状态图

　　另外，现在操作系统中有的还有挂起状态。