操作系统概述（3）

批处理系统

1.单道批处理系统

• 单道批处理系统是成批地处理作用，并且始终只有一道作业在内存中的系统。
• 优点：提高系统资源的利用率和系统吞吐量。
• 缺点：系统中的资源得不到充分利用。

2.多道批处理系统

• 引入多道程序设计技术，是为了进一步提高系统资源的利用率和系统吞吐量。
• 优点：系统资源利用率高，系统吞吐量大。
• 缺点：平均周转时间长，无交互能力。

分时系统

• 分时系统是指在一台主机上连续若干个配有显示器和键盘的终端，并由此组成的系统。
• 分时系统允许若干个用户同时通自己的终端以交互方式使用主机，共享主机中的资源。

分时系统的特性：

1.多路性：系统按分时原则为每个用户服务，宏观上若干个用户是同时工作的，微观上每个作业轮流执行一个时间片。

2.独立性：每个用户都是独立操作的，互不干扰。

3.及时性：用户的请求能在很短的时间内获得响应。

4.交互性：用户可以通过自己的终端与系统进行交互。

实时系统

• 实时系统是指能够及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成相应的处理，并且控制所有实时任务协调一致地运行的系统。
• 实时系统的特征是将时间作为关键参数，具有多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性。
• 常见的实时系统有工业控制系统、武器控制系统、信息查询系统、多媒体系统、嵌入式系统。

微机操作系统

• 微机操作系统是指配置在微型机上的操作系统。分为单用户单任务操作系统、单用户多任务操作系统、多用户多任务操作系统。

网络操作系统

• 网络操作系统是指在计算机网络环境下，管理和控制网络资源，实现数据通信，共享网络资源，为用户提供与网络资源之间接口的一组软件和规程的集合。
• 由于现代操作系统通常具有上网功能，所以如今一般不再特指某个操作系统为网络操作系统。

微内核结构的操作系统

微内核操作系统的主要特点：

1. 足够小的内核
2. 基于客户/服务器模式
3. 利用“机制与策略分离”的原理，将控制放在操作系统的微内核中
4. 采用面向对象技术

优点 ：可扩展性高、可靠性高、可移植性强、支持分布式系统、采用面向对象技术、提高了系统性能、减少了开发系统的开销。

操作系统的基本特征

1.并发性：并发性是指两个或多个时间在同一时间间隔内发生。

2.共享性：共享性是指内存中并发执行的若干个进程共享系统中的各种系统。

3.虚拟性：虚拟是将一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。

4.异步性：异步性是指在多道程序环境下，每个进程何时进行、何时暂停未知，并以不可预知的速度向前推进。

• 并发性和共享性是多用户多任务操作系统的两个基本特征。
• 因为操作系统具有并发性，所以能极大地提高系统资源利用率并增大系统的吞吐量。

并发性和并行性的区别

• 并发性：两个或多个事件在同一时间间隔发生。
• 并行性：两个或多个事件在同一时刻发生。

操作系统的主要功能

操作系统的主要功能有：

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、操作系统与用户之间的接口、现代操作系统的新功能。

1.  处理机管理： 对进程进行管理、包括进程控制、进程同步、进程通信、调度（包括作业调度、进程调度等）。对于引入了线程的操作系统，处理机管理也包含对线程进行管理。
2. 存储器管理：包括内存分配与回收、内存保护、地址映射、内存扩充等。存储器管理功能可以为多道程序提供良好的运行环境，提高存储器的利用率，减少内存碎片，便于用户使用，从逻辑上扩充内存。
3. 设备管理：包括缓冲管理、设备分配、设备处理、虚拟设备等。设备管理功能可以完成用户进程的I/O请求，提高I/O速度，提高CPU与I/O设备的利用率，让用户更方便地使用I/O设备。
4. 文件管理：包括文件存储空间管理、目录管理、文件读/写管理、文件共享、文件保护等。文件管理功能可以方便用户管理用户文件和系统文件，并提供了有效的存取控制功能，保证了文件的安全性。
5. 操作系统与用户之间的接口：操作系统向用户提供了“操作系统与用户之间的接口”，接口分为用户接口和程序接口两种类型。操作系统由于用户之间的接口便于用户使用操作子系统。

裸机应用编程

1.什么是裸机?

• 无软件的计算机硬件系统。

2.什么是裸机应用编程？

• 编写语言：直接使用CPU指令集。
• 开发环境：基于硬件电路上的硬件接口。

3.所有台式机，CPU一样吗？

• 台式计算机和手机的CPU就不同。
• 即使家用电器里面都有不同的CPU。

4.不同类型CPU,指令集一样吗？

• 指令集一样，就不能叫不同类型CPU，即使同类型，也会有变化。

5.为什么计算机CPU不做成一样？

• 技术发展的差异：半导体技术水平导致制造过程的差异。
• 应用发展的需求：成本控制和电路设计，例如家用电器、早期的手机。

裸机上机器语言编程

• 裸机编程最早基于指令集结构(Instruction Set Architecture, ISA)编写应用程序，即机器语言源程序。
• 提问：上面两种机器语言代码为什么不同，有哪些不同？这样的编程你有什么感觉？
• x-86指令长度可变，而MIPS定长，数据好像一样，但字节顺序颠倒。能不能让编程更轻松？

两种机器语言代码不同的原因及不同点

1. 根本原因：X86 与 MIPS 属于不同的指令集架构（ISA），ISA 定义了指令格式、操作码、寄存器使用等底层规则，导致机器语言代码的编码规则不同。

2. 具体不同点：

   • 指令长度：X86 指令长度可变（如不同指令码字节数不同），MIPS 指令定长（通常为 4 字节）。
   • 字节顺序：存在大端 / 小端存储差异，如数据相同但字节顺序颠倒。
   • 指令编码规则：两者操作码、寻址方式的机器码表示不同，反映了各自架构的硬件设计逻辑。

3. 编程感受：直接使用机器语言编程繁琐易错，需记忆复杂的二进制 / 十六进制编码，开发效率低，代码可读性、可维护性差。

让编程更轻松的方法

可通过抽象层简化编程：

• 使用汇编语言：用助记符（如 ADD、MOV）替代机器码，降低记忆成本，再通过汇编器转换为机器语言。
• 高级编程语言：利用 C、Python 等高级语言，通过编译器 / 解释器将代码转换为机器语言，程序员无需关注底层细节，聚焦逻辑实现，提升开发效率。

 裸机上汇编语言编程

• 裸机编程基于汇编语言格式编写应用程序，即汇编语言源程序代码，即汇编程序自动转换汇编指令成机器指令代码。
• 通过机器语言与汇编语言代码相比，其语言符号易于理解指令功能，而且汇编数据以10进制和字符为主，而机器语言以16进制编码为主，CPU不一样指令也不一样，可能字节顺序不同。
• 能否通过C语言源程序追踪发现逻辑编程中的指令处理的信息？

借助 C 语言源程序追踪逻辑编程中的指令处理信息：

1. 编译生成汇编代码：使用编译工具（如gcc -S）将 C 语言源程序编译为汇编语言代码。汇编代码中会直接呈现底层指令（如mov、add、jmp等），清晰展示指令处理逻辑，包括寄存器操作、内存访问、运算指令等裸机编程层面的指令处理细节。
2. 反汇编可执行文件：将 C 语言编译生成的可执行文件（机器码），通过反汇编工具（如objdump -d）还原为汇编代码。反汇编结果会暴露机器码对应的指令处理信息，包括指令类型、操作数、执行顺序等，从而追踪到底层指令处理逻辑。

尽管 C 语言源程序本身未直接书写指令，但通过编译生成的汇编代码或反汇编可执行文件，能够间接追踪到指令处理的具体信息，建立高级语言与底层指令处理的关联。

裸机编程特性

1. 问：如果换 CPU，CPU 指令集变了，基于 CPU 指令集的程序还能用？
   答：通常无法直接使用。程序执行依赖特定 CPU 指令集的操作支持，指令集变更后，原程序失去运行基础。

2. 问：如果接口硬件（类型、规模）扩充，包含原硬件接口程序能选择使用？
   答：若扩充的硬件接口仍保留原接口，原程序可选择继续使用；若完全替换原接口，程序需重新适配新接口才能用。

3. 问：如果硬件设计未变但应用功能添加，以前的程序还可选择使用？
   答：若原程序不依赖新增功能，可继续使用；若程序逻辑与新增功能有关联或依赖，则需修改调整后才能用。

4. 问：如果基于 CPU 指令集编写的程序，在哪调试？怎么调试？CPU 变了怎么办？
   答：需在专门的开发板或开发设备上调试。若 CPU 变更，需更换适配新 CPU 的开发板 / 设备，重新搭建调试环境。

5. 问：程序设计要考虑哪些？
   答：需考虑：满足应用业务功能需求；CPU 指令集提供的操作能力；CPU 寄存器数量限制；硬件中断支持机制；内存单元布局；外部设备接口类型、规模及操作逻辑。

 操作系统上编程：算法语言编程

• 软件层抽象隐藏硬件接口，算法语言语句抽象为虚拟CPU指令，不与具体的CPU指令集、内存和外部硬件接口对应。
• 算法语言源程序代码通过一种自动化的工具，即编译程序翻译成为针对一种CPU可识别的CPU指令集的汇编语言符号，再转换为二进制编码的机器语言指令格式。

OS 上应用编程问题

1. 算法设计：

   • 无需重点关注编码、类型、字节顺序、运算溢出及精度等限制，也可不细究运算和存贮访问次数对程序效率的影响。
   • 依据问题特性选择迭代或递归算法，部分算法可能突破 OS 极限。

2. 语句组织：

   • 忽略命名唯一性（全局 / 局部变量、函数）、语句编译或解释后机器指令的差异对程序运行效率的影响。
   • 未注意相同运算因参与类型不同，可能导致机器指令实现功能错误。

3. 运行访问：

   • 变量按类型和大小分配字节，地址连续编址，需先分配后访问，避免使用失效、超量或跨区地址，防止污染函数地址或返回地址，引发程序失控、效率低等问题。
   • 中断处理可能插入语句（机器指令组）中，引发主程序运行状态保护问题。