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计算机系统基础,计算机系统概念

张世龙 05-05 16:13 41次浏览

文章目录5 .操作系统的目标和作用5 .操作系统的发展历程5 .操作系统的基本特性5 .操作系统的主要功能5 .操作系统结构设计

1 .操作系统的目标和作用

操作系统用作用户和计算机硬件之间的接口。

操作系统位于用户和计算机硬件系统之间,用户通过操作系统使用计算机系统

用户可以通过命令方式、系统调用方式和图标-窗口方式使用计算机

操作系统是计算机系统的资源管理员

操作系统实现了计算机资源的抽象

操作系统是现代计算机系统中不可缺少的组成部分,是计算机的利用率和为方便用户使用计算机而部署的系统软件

操作系统是管理计算机资源的软件

操作系统为系统软件

如果将操作系统视为计算机系统资源的管理员,则程序,内存,CPU都属于操作系统所管理的资源中断不是操作系统管理的资源

操作系统的基本功能是处理机管理, 存储器管理, 外设管理, 文件管理

2 .操作系统发展过程无操作系统的计算机系统

1946年,第一台通用计算机ENIAC诞生。

这个阶段是人工操作阶段用户接口

没有软件

特点:

用户独占所有机器

CPU等待人工操作。 手动操作中,CPU和内存空闲

以及离线输入输出方式缺点:

减少了CPU的空闲时间。 缓解了人机矛盾

I/O速度提高了。 如果CPU在运行时需要数据,则数据直接从高速磁带或磁盘进入内存,而不是来自低级I/O设备的输入,大大提高了I/O速度,减少了CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾,也减少了CPU核心

单批处理系统

工作方法:将多项工作脱机输入磁带,在系统中嵌入监控程序,以便在该控制下连续处理这些工作

工作可以自动逐个依次执行,优点:

各路工作的完成顺序与进入内存的顺序相同自动性:

内存中只有一个程序运行

多个批处理系统

采用多种编程技术的批处理系统成为多个批处理系统

提高了CPU利用率

提高了内存和I/O设备的利用率

系统吞吐量http://www.Sina.com/http://www.Sina.com /

因为内存中的多个程序可以共享资源,所以资源为顺序性:

由于CPU和其他资源繁忙、切换少、系统开销小,系统在单位时间内的总工作量为http://www.Sina.com/3358 www.Sina.com /

工作需要排队,因此依次处理,旋转时间长的单道性:

用户将作业提交到系统后,将无法与自己的作业进行交互,从而不便修改和调试程序

http://www.Sina.com/http://www.Sina.com /

内存中有多个程序优点:

完成多个工作的优先级和他们进入内存的顺序之间没有严格的对应关系资源利用率高

从作业提交到系统到完成,需要作业时间表和进程时间表

3358www.Sina.com/和系统吞吐量大缺点::

多个程序系统值多个程序同时保存在内存中平均周转时间长

多处理器系统是指多个处理器

操作系统采用多种编程技术实现CPU和外部设备的无交互能力

特征:是指将一个或多个工作放入主内存,同时进入运行状态。 使用这些作业共享处理器的时间和其他资源(如外围设备),用户可以将一些作业提交给计算机用户

采用多种编程技术,可以充分发挥多道性无序性的并行工作能力

在主机控制下执行输入/输出操作调度性

引入多进程技术的前提条件之一是:系统要求多道程序系统:多进程技术意味着进程并发,程序并发的实现取决于中断功能

批处理系统的主要缺点是

strong>缺乏交互性
多道程序设计是指在一台处理机上并发运行多个程序
操作系统的基本类型主要有实时操作系统,批处理操作系统及分时操作系统

分时系统
推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是:提高资源利用率和吞吐量
推动分时系统性形成和发展的主要动力是:满足用户对人-机交互的需求

特点:
多路性: 多用户同时操作,使用计算机
独立性: 各终端用户感觉到自己独占了计算机
及时性: 用户的请求能在较短时间内响应
交互性: 用户能与计算机进行广泛的人-机对话 广泛:用户可以请求系统提供多方面的服务,如进行文件编辑和数据处理,访问系统中的文件系统和数据库系统,请求打印服务等等

实时系统
实时操作系统是指当外接事件或数据产生时,能够接受并以足够快的速度予以处理,其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统做出快速响应,并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统

特点:
及时响应
高可靠性
实时系统又分为硬实时系统和软实时系统,硬实时系统要求在规定的时间内必须完成操作,这是在操作系统设计时保证的,如航空航天,军事,核工业等领域;软实时则只要按照任务的优先级,尽可能快地完成操作即可,如信息采集系统,视频点播系统等等

如果操作系统具有很强的交互性,可同时供多个用户使用,但时间响应不太及时,则属于分时系统,如果操作系统可靠,时间响应及时但仅有简单的交互能力则属于实时类型;如果操作系统在用户提交作业后,不提供交互能力,它所追求的是计算机资源的高利用率,大吞吐量和作业流程的自动化,则属于多道批处理类型

按内存中同时运行程序的数目可以将批处理系统分为两类:单道批处理系统多道批处理系统

设计实时操作系统时,应首先考虑操作系统的可靠性和实时性

分时操作系统主要有四个特征: 多路性, 独立性, 及时性, 交互性

3. 操作系统的基本特性

操作系统是一组能有效组织和管理计算机硬件和软件资源,合理地对各类作业进行调度,以及方便用户使用的程序集合

进程: 在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位

共享
多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用,资源在一个时间段内交替被多个进程所用
互斥共享: 如打印机,资源分配后到释放前,不能被其他进程所用
同时访问: 如可重入代码, 磁盘文件并发
两个或多个事件在同一时间间隔发生。与并行不同,并行是指两个或多个事件在同一时刻发生

并发和共享是多用户(多任务)操作系统的两个最基本特征

虚拟
空分复用: 利用存储器的空闲空间分区域地存放和运行其他的多道程序,来提高内存的利用率
时分复用: 利用处理机的空闲时间运行其他程序,提高处理机的利用率

单纯的空分复用存储器能提高内存的利用率,如果要实现在逻辑上扩大存储器容量的功能,还需要引入虚拟存储技术
虚拟存储技术: 本质上是实现内存的分时复用,用过分时复用内存的方式,使一道程序仅在远小于它的内存空间中运行

设N是某物理设备所对应的虚拟逻辑设备数,则:采用时分复用时,每台虚拟设备的平均速度必然等于或低于物理设备速度的1 / N
采用空分复用时,每台虚拟设备平均占用的空间必然也等于或低于物里设备所拥有空间的1 / N

异步

异步性也称不确定性,指进程的执行顺序和执行时间的不确定性
多道程序设计环境下,程序按异步方式运行,每个进程的运行时间,执行顺序不确定
如果没有很好的同步机制,可能会导致程序的执行结果的不确定性,不可再现

4. 操作系统的主要功能

处理机管理
处理机管理可以归结为进程管理,包括一下方面:
进程控制
进程同步
进程通信
调度
作业调度
进程调度

存储器管理
存储器管理的主要任务,是为多道程序的运行提供良好的环境,提高存储器的利用率,方便用户使用,并能从逻辑上扩充内存。为此,存储器管理应具有内存分配和回收,内存保护,地址映射和内存扩充等功能
内存分配
内存保护
地址映射
内存扩充

设备管理
设备管理的主要任务是:完成用户进程提出的I / O请求,为用户分配其所需的 I / O设备,提高CPU与I / O设备利用率,提高I / O速度,方便用户使用I / O设备
缓冲管理 设立 I / O 缓冲区,并对缓冲区进行有效的管理。可有效缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾,提高CPU的利用率和吞吐量
设备分配 按一定策略和设备使用情况,分配并回收设备
设备处理 即设备驱动程序,实现CPU和设备控制器之间的通讯等

文件管理
对用户文件和系统文件进行管理,解决文件资源的存储,共享,保密和保护
文件存储空间管理
目录管理
文件的读写管理和保护
文件保护

用户接口
提供用户使用的接口
联机用户接口: 为联机用户提供,由一组键盘操作命令和命令解释程序组成
脱机用户接口: 为批处理作业用户提供。有一组作业控制语言(JCL)组成,委托系统代替用户对作业进行控制和干预
图形控制接口: 图形化的操作界面
程序接口: 提供给程序员在编程时使用的接口

5. OS结构设计


模块化OS的优点:
提高OS设计的正确性,可理解性,可维护性
增强OS的可适应性
加速OS开发过程
缺点:
在OS设计时,对各模块间的接口规定很难满足在模块设计完成后对接口的实际需求
在OS设计阶段,设计者必须做出一系列决定,但很难做到设计的每一步都建立在可靠的基础之上
这种模块-接口法是一种无序模块法

分层OS
使的模块-接口法的无序性变为有序性
优点:
易保证系统的正确性
易扩充和易维护性
缺点:
层次结构是分层单向依赖,必须在每层之间建立层次间的通信机制,OS每执行一个功能,通常要自上而下的穿越多个层次,会增加系统的通信开销,降低系统效率

进程的并发执行是指若干进程 在执行时间上是重叠的

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