电子科技大学操作系统期末复习笔记（一）：操作系统概述

目录

前言

操作系统概述

操作系统的目标与功能

操作系统的定义

目标

功能

操作系统的历史

单用户系统

简单批处理系统

多道批处理系统

分时系统

个人电脑 → 分布式系统 → 互联网时代 → 移动计算时代 → ......

实时系统

操作系统的基本特征

并发

共享

虚拟

不确定性

操作系统的体系结构

无结构操作系统

模块化系统结构

分层式系统结构

操作系统安全

内存

信息保护和安全

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前言

本复习笔记基于电子科技大学计算机操作系统-教学大纲（2022）中的课程模块部分，分为五大章节，分别是：

• CM1：操作系统概念。操作系统基本功能、操作系统发展历史及趋势、操作系统主流架构、常见操作系统特点、操作系统安全机制。
• CM2：进程管理。进程概念、线程概念、进程生命周期、进程调度算法、进程同步互斥、进程间通信和死锁。
• CM3：内存管理。内存空间的概念、连续分配、离散分配（分页管理、分段管理、段页式管理）、虚拟存储管理和页面置换算法。
• CM4：设备管理。I/O 系统结构、缓冲管理、磁盘结构和磁盘调度算法。
• CM5：文件管理。文件系统的作用、逻辑结构、物理结构、目录、文件共享和文件系统的一致性。

本节要点在CM1，大致内容如下：

第一章 计算机操作系统概论（6 学时，多媒体课件结合板书面授）CM1

1、主要内容

批处理技术、多道程序设计技术、操作系统的概念、操作系统的发展、操作系统的基本类型、 操作系统相关的基本概念和特点、操作系统的特征、理解操作系统的服务、操作系统的功能模块、 操作系统的体系结构、系统调用、命令接口、程序接口、虚拟机、客户机/服务器等。

2、应达到的要求

记忆：操作系统的体系结构、操作系统的发展及主要类型。

理解: 操作系统中的基本概念、操作系统的目标和作用、理解用户接口与系统调用的意义和

类型。

应用：批处理技术、多道程序设计技术。

分析：操作系统的基本类型、特征、操作系统的功能模块。

第六章 操作系统安全（2 学时，多媒体课件结合板书面授）CM1

1、主要内容

操作系统安全的概念、安全机制的实施：文件保护机制、身份认证、访问矩阵、访问矩阵的

实现。

2、应达到的要求

记忆：安全系统的模型、设计、可信度验证。

理解：操作系统安全的概念、安全机制的实施

应用：文件保护、身份认证、访问矩阵、访问矩阵的实现。

 

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操作系统概述

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操作系统的目标与功能

操作系统的定义

操作系统是一组控制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的集合。

目标

• 方便性：使计算机更易于使用
• 有效性：使用计算机资源更加有效
• 扩展性：可开发、测试引入新功能
• 开放性：应用程序的可移植和互操作

功能

• 处理机管理：按照一定的算法把处理机分配给进程（线程），并对其进行有效的管理和控制。
• 存储器管理：为多道程序提供运行环境，方便使用，提高存储器利用率以及能从逻辑上扩充内存。
• 设备管理：完成用户提出的I/O请求；为用户分配其所需的I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。
• 文件管理：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。
• 用户接口：OS提供给用户交互的命令集合

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操作系统的历史

单用户系统

处理机制：

• 人工操作方式，所有资源用户独占
• 脱机输入输出（与外围计算机进行I/O）(→优化为简单批处理系统)

简单批处理系统

处理机制: 对一批作业进行自动处理，内存中只能存放一道作业，运行结束/出错→自动调用另一道作业（自动续接）

 

主要特征: 自动性, 顺序性, 单道性

 

优点: 减少了人工操作, 解决了作业自动续接问题

 

缺点: 平均周转时间太长(处理器一次只能运行一道程序，在进行I/O操作时会让处理器陷入等待，利用率仍较低), 没有交互能力(→优化为多道批处理系统)

多道批处理系统

在单道批处理上加以改进：

• 内存中同时存放多个作业
• 当一个作业需要等待I/O或运行结束/出错时，处理器可以切换到另一个作业(自动调度)
• 多个程序可并发执行
• 作业调度程序负责作业的调度

主要特征: 多道性, 无序性, 调度性

 

优点: 提高了资源利用率和吞吐能力

 

缺点: 没有交互能力(→优化为分时系统)

分时系统

处理机制: 时钟中断: 时间片

 

产生原因: 人机交互、共享主机、方便上机

 

主要特征: 多路性, 独立性, 及时性, 交互性

[与多道批处理系统的比较]

主要表现在用户交互层面, 用户可以在终端输入指令控制计算机, 而侧重点也有所不同: 多道批处理系统侧重于充分利用处理器, 而分时系统更注重作业效率

个人电脑 → 分布式系统 → 互联网时代 → 移动计算时代 → ......

了解即可, 略

实时系统

定义：

系统能实时（及时） 相应外部事件的请求，在规定的时间内开始或完成该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致的运行

应用领域：

航空航天、军事、工业控制、实时控制系统、实时信息系统

特性:

多路性、独立性、交互性、可靠性、及时性

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操作系统的基本特征

• 并发（最重要的特征）
• 共享
• 虚拟
• 不确定性

并发

并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。（单处理机系统）

并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。（多处理机系统）

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。

• 互斥共享方式：
  • 临界资源是在一段时间内只允许一个进程访问的资源
  • 系统中的临界资源可以提供给多个进程使用，但一次仅允许一个进程使用
• 同时访问方式：
  • 宏观上，资源共享指多个任务可以同时使用系统的软硬件资源
  • 微观上，资源共享指多个任务可以交替互斥的使用系统中的某个资源（例如磁盘）

虚拟

将物理实体抽象成逻辑产物。（时分[虚拟处理机/虚拟设备]、空分[虚拟内存]...）

不确定性

同样的程序，同样的输入，输出结果可能不同。

• 异步：进程使用异步方式执行，运行速度与结果不可预知。
• 随机函数：random(); gettimeofday()...... 

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操作系统的体系结构

操作系统的四代变革：

• 第一代：无结构操作系统
• 第二代：模块式结构
• 第三代：层次式结构
• 第四代：工程学+软件开发→软件工程学

常见OS整体结构：

无结构操作系统

OS是众多过程的集合，各过程之间可以相互调用，在操作系统内部不存在任何结构，既庞大又杂乱，因此也叫它整体系统结构。

这样编织出的程序错误很多，调试与维护的成本很高，负担很大。

模块化系统结构

OS包含若干模块，每一模块实现一组基本概念及相关基本属性

模块之间均可以引用任意其他各块的概念以及属性

• 优点：
  • 提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性。
  • 增强了OS的可适应性。 加速了OS的开发过程。
• 缺点：
  • 对模块的划分及对接口的规定要精确描述很困难。
  • 从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别；

分层式系统结构

OS包含若干层，每一层实现一组基本概念及相关基本属性

各层的实现只依赖其直接下层所提供的概念以及属性，并对其上各层隐藏其下各层的存在

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操作系统安全

内存

虚拟存储：

•  以逻辑方式访问储存器，不考虑物理内存可用的空间数量
• 满足多个作业同时驻留内存的需求
• 换入换出机制
• 分页机制：每个进程的大小可能不同，整体换入换出时大小不匹配
• 每个作业部分驻留：硬件检测到缺页时，安排载入‘

分页机制：

• 进程由若干个固定大小的块组成，每一块大小相同
• 虚地址由页号和内页偏移量组成
• 进程中每一页均可置于内存中任何位置
• 提供了虚地址和内存中实地址（物理地址）之间的动态映射机制

信息保护和安全

• 可用性：保护系统不被中断
• 保密性：保证用户不能读取未授权访问的数据
• 数据完整性：保护数据不被未授权修改
• 认证：涉及用户身份的正确认证和消息或数据的合法