Question

操作系统的作用和目标

Answer 1

操作系统的功能是进行处理机管理、( 存储器 )管理、设备管理及文件管理。

操作系统是一组( 资源管理  )程序。

操作系统的目标：

1、方便性（用户的观点）：

      使计算机系统更容易使用。

2、有效性（系统管理人员的观点）：

      提高资源利用率，提高系统吞吐量。

3、可扩充性（开放的观点）：

      便于增加新的功能和模块

4、开放性 ：系统能支持世界标准规范。

CPU、存储器、I/O设备、文件（数据和软件）；

管理的内容：

资源的当前状态（数量和使用情况）、

资源的分配、回收和访问操作，

相应的管理策略（包括用户权限）。

在裸机上添加：处理机管理（针对CPU） 、存储管理（针对内存和外存） 、设备管理、文件管理；

把覆盖了软件的机器称为扩充机或虚拟机。

合理组织工作流程：作业管理、进程管理

程序接口是程序员在编写程序时利用操作系统所提供功能的方法，可以在高级语言和汇编语言中使用。

软件的开发依赖于操作系统。开发软件必需在一定的操作系统环境下进行，操作系统所能提供的功能支持在一定程度上决定软件开发的难易程度。

单道批处理系统的处理过程：

利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，

每批作业由一个专门的监督程序（Monitor）自动依次处理。

可使用汇编语言开发。

在计算机系统中安装一个监控程序Monitor,特点：自动性、顺序性、单道性。

监督程序（monitor），它负责完成用户程序的调入、启动运行、输出运行结果等工作。核心内容是给作业分配运行控制权（即CPU的使用权）。

批处理是指系统对作业的处理都是成批进行的。若内存中始终只保持一道作业，称为单道批处理系统（simple batch system）

多道批处理系统概念

内存中同时存放多道程序，交替执行，共享软硬件资源，提高CPU的利用率。

多道批处理系统的特征：用户脱机使用计算机，成批处理，多道程序处理

多道性：内存存放多个作业、宏观上并行，微观上串行；共享资源

调度性：作业调度（后备队列）、进程调度

无序性：作业先进入内存未必先执行结束

优点：

资源利用率高：CPU和内存及io利用率较高；

系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；

缺点：

平均周转时间长：作业的周转时间显著增长；

无交互能力。用户一旦把作业提交给系统，直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，修改和调试程序极不方便。

多道批处理系统需要解决的问题：处理机管理、内存管理、I/O管理、文件管理、作业管理、接口问题

时间片，各个程序在CPU上执行的轮换时间

分时是指多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。

交互式作业直接进入内存

以分配时间片方式实现

人机交互性好：

共享主机：

用户独立性：

多路性：多用户宏观上同时使用，微观上轮转

独立性：用户感觉到自己独占计算机

及时性：快速处理

交互性：用户与计算机之间可进行“会话”

要求：响应时间短，在一定范围之内；系统可靠性高。

实时系统指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致的运行。

实时系统的类型

　　(1) 工业(武器)控制系统。　　(2) 信息查询系统。　　(3) 多媒体系统。　　(4) 嵌入式系统。

实时任务类型

按任务执行是否呈现周期性来划分

周期性的和非周期性的

根据对截止时间的要求来划分

硬实时任务和软实时任务

CP/M

MS-DOS

单用户多任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。

允许多个用户通过各自的终端，使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。

多任务是指用户可以在同一时间内运行多个应用程序,每个应用程序被称作一个任务。

并行：两或多个事件在同一时刻发生。

并发：两或多个事件在同一时间间隔内发生。

进程：系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。

进程的并发：

  宏观上多个任务同时运行；微观上多个任务在单个处理机上交替运行；

共享：系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用

互斥共享：

    一段时间只允许一个进程访问该资源

同时访问：

资源共享性：

宏观上，指多个任务可以同时使用资源；

微观上，指多个任务可以交替互斥地使用系统中的某个资源。

虚拟:多道程序设计使每个用户感觉是独占计算机

通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物(分时或分空间)。

若n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速度必然是物理设备速度的1/n。

虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。

虚拟处理机 ：每个用户（进程）的"虚处理机"

虚拟设备：一台物理设备可以虚拟为多台逻辑设备

空分复用技术---以空间为代价

存储器虚拟

    小内存运行大进程。

    虚拟内存

多道程序系统中，多个进程并发执行，“时走时停”，

不可预知每个进程的运行推进速度和花费时间

正常系统的判段依据：

无论进程快慢，同样运行环境应该结果相同

－－通过进程互斥和同步手段来保证

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征,两者之间互为存在条件。

操作系统的·主要功能：处理机管理功能、存储器管理功能、设备管理功能、文件管理功能。

【处理机管理要解决处理机分配调度策略、分配实施和资源回收等问题。】

【 多道环境下，处理机的分配及回收都是以进程为单位，因此处理机管理可归结为进程管理 。】

进程的控制：创建、撤销、状态转换。一般由进程的控制 原语 （原语：执行的过程不能被打断）完成。

进程同步:协调系统中并发执行的进程

控制它们以互斥方式访问共享资源

协调合作完成同一作业

进程通信：负责完成进程间的信息交换。

类型：直接通信、间接通信

调度：按照一定的算法进行cpu分配

作业调度：从后备队列挑选合适的作业，为其分配必要资源，调入内存建立进程，并进入就绪队列。

进程调度：从就绪队列中选出进程，分配cpu，使之运行。

处理机管理功能：进程控制、进程同步、进程通信、调度。

            内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充

[

 将逻辑地址转换为物理地址

 程序中，逻辑空间-》逻辑地址（相对地址）

 内存中，物理空间-》物理地址（绝对地址）

]

{

 将内、外存结合起来管理。利用虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量

 系统应有：请求调入功能、置换功能以支持虚存技术

}

设备管理 ：

操作系统与用户之间的接口

用户接口：联机用户接口、脱机用户接口、图形用户接口

程序接口：OS提供一组系统调用供用户程序和其它系统程序调用，完成数据传输，文件操作，资源分配等操作。

表现为低级汇编指令和高级语言的库函数

当前比较流行的微内核的操作系统结构，是建立在层次化结构的基础上的，而且还釆用了客户机/服务器模式和面向对象程序设计技术

GUI:图形用户界面

操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它是这样一些程序模块的集合——它们管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作用。

进程是指，程序的一次执行，包括可执行的程序、程序所需的数据和相关状态信息。进程是资源分配的最小实体，在传统的OS中，进程同时也是系统调度的最小单位。

线程是指，程序的一次相对独立的运行过程；在现代OS中，线程是系统调度的最小单位。

多道批处理系统中，为了充分利用各类资源，系统总是优先选择 计算量和IO量均衡 的多个作业投入运行，为了提高吞吐量，系统总是想方法缩短用户作业的周转时间。

推动批处理系统形成和发展的动力是提高系统资源利用率，推动分时系统形成和发展的动力是方便用户。推动微机系统发展的主要动力是计算机硬件不断更新换代。

操作系统是一种系统软件，它负责为用户和用户程序完成所有的与硬件相关与应用无关的工作。

高级语言的编译不是操作系统关心的主要问题。

在操作系统中采用多道程序设计技术，能有效提高cpu、内存、和IO设备的利用率。为了实现多道程序设计需要更大的内存。

在设计分时系统时，首先要考虑的是交互性和响应时间，设计批处理系统时，首先要考虑的时周转时间和系统吞吐量，设计实时系统时，要考虑的是实时性和可靠性。

分时系统的响应时间主要是根据用户所能接受的等待时间，而实时系统响应时间是由控制对象所能接受的时延确定的。

对于批处理作业，必须提供相应的作业控制信息。

在分时系统中，为方便多个用户能够同时与系统交互，系统必须能及时接受多个用户的输入。

1什么是操作系统？它有什么基本特征？

答：操作系统是为了达到方便用户和提高资源利用率的目的而设计的，控制和管理计算机硬件和软件资源，合理的组织计算机工作流程的软件集合。

它具有并发、共享、虚拟、异步性四个基本特征。

2  什么是操作系统的异步性（不确定性）？

不确定性指在操作系统控制下多道程序的执行次序和每道程序的执行时间是不确定的。

3.影响计算机系统性能的主要因素是什么?

  影响计算机系统性能的主要因素分为软件和硬件两个方面:

    (1)硬件方面主要是指构成计算机系统器件的性能和硬件的体系结构，如存储器的速度和容量、多处理机结构、总线结构等。

    (2)软件方面主要是指操作系统，因为操作系统决定了硬件是否能被用户使用、硬件的功能是否能发挥出来、其他软件能否在计算机系统上运行。

4.一个操作系统能否管理任何种类的计算机?

操作系统是与计算机硬件关系最密切的软件，负责管理计算机系统的硬件资源。

不同种类的计算机有不同的体系结构、处理器、指令系统及不同的硬件配置，操作系统能够管理的软硬件资源受到一定的限制。

一种操作系统只能安装到特定种类的计算机上

5.分别阐述操作系统与硬件和软件的关系

1、操作系统是每台计算机必配的系统软件。

2、OS是软件运行的基础，软件需OS进行有效的管理。

3、软件的开发依赖于操作系统。

4、操作系统影响软件的生命周期。

5、应用软件是操作系统上的可用资源，是OS的基础。

     OS的运行需要硬件的支持;OS性能的发挥受硬件影响

     OS决定硬件是否能被用户使用，功能能否发挥。

     OS与硬件的发展是相互促进的

6实现多道程序系统的最主要硬件支持是什么?

    解:中断系统和通道技术。

    (1)很多进程的切换是由时钟中断引起的，尤其是分时系统。用户程序进行系统调用时通过软中断来实现，如通道和外设的操作也要向操作系统发送中断。

    (2)在多道程序系统中，当CPU要求在主存和外设间传输数据时，通过发出I/0指令命令通道工作，通道独立地在内存和外设问进行数据传输,IO操作完成后，通道以中断方式通知CPU，从而实现了CPU计算与I/0操作的并行。

7、操作系统的什么用户接口，一般用户使用的比较少?为什么？

    解:一般用户主要通过交互操作界面控制和管理计算机，使用程序接口较少。程序接口是程序员在编写程序时利用操作系统所提供功能的方法，可以在高级语言和汇编语言中使用。日前大多数软件使用高级语言开发，大多数功能可以通过高级语言的语句实现，不需要直接使用程序接口来完成。只有一些特殊功能才需要在高级语言中使用操作系统的程序接门。因此大多数用户使用的是操作系统的用户接口。

8.处理机为何要区分系统态和用户态,什么情况下实现两者的转换?

答:区分两种状态是为了保护操作系统程序。

发生中断时，会从用户态转入系统态，中断结束时，会从系统态转会用户态。