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计算机操作系统的基本概念与特征

2017-07-28 网络技术

  Internet的应用范围由最早的军事、国防,扩展到美国国内的学术机构,进而迅速覆盖了全球的各个领域,运营性质也由科研、教育为主逐渐转向商业化。以下是小编整理的关于计算机操作系统的基本概念与特征,希望大家认真阅读!

  一、基本概念

  在信息化时代,软件被称为计算机系统的灵魂。而作为软件核心的操作系统,已经与现代计算机系统密不可分、融为一体。计算机系统自下而上可粗分为四个部分:硬件、操作系统、应用程序和用户(这里的划分与计算机组成原理的分层不同)。操作系统管理各种计算机硬件,为应用程序提供基础,并充当计算机硬件与用户之间的中介。硬件,如中央处理器、内存、输入/输出设备等,提供了基本的计算资源。应用程序,如字处理程序、电子制表软件、编译器、网络浏览器等,规定了按何种方式使用这些资源来解决用户的计算问题。操作系统控制和协调各用户的应用程序对硬件的分配与使用。在计算机系统的运行过程中,操作系统提供了正确使用这些资源的方法。

  综上所述,操作系统(Operating System, OS)是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源,并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配,以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。计算机操作系统是随着计算机研究和应用的发展逐步形成并发展起来的,它是计算机系统中最基本的系统软件。

  二、特征

  操作系统是一种系统软件,但与其他的系统软件和应用软件有很大的不同,它有自己的特殊性即基本特征。操作系统的基本特征包括并发、共享、虚拟和异步。这些概念对理解和掌握操作系统的核心至关重要,将一直贯穿于各个章节中。

  并发(Concurrence)

  并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在多个运行着的程序,因此它具有处理和调度多个程序同时执行的能力。在操作系统中,引入进程的目的是使程序能并发执行。

  注意同一时间间隔(并发)和同一时刻(并行)的区别。在多道程序环境下,一段时间内,宏观上有多道程序在同时执行,而在每一时刻,单处理机环境下实际仅能有一道程序执行,故微观上这些程序还是在分时地交替执行。橾作系统的并发性是通过分时得以实现的。

  注意,并行性是指系统具有可以同时进行运算或操作的特性,在同一时刻完成两种或两种以上的工作。并行性需要有相关硬件的支持,如多流水线或多处理机硬件环境。

  共享(Sharing)

  资源共享即共享,是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。共享可分为以下两种资源共享方式:

  1) 互斥共享方式

  系统中的某些资源,如打印机、磁带机,虽然它们可以提供给多个进程使用,但为使所打印或记录的结果不致造成混淆,应规定在一段时间内只允许一个进程访问该资源。

  为此,当进程A访问某资源时,必须先提出请求,如果此时该资源空闲,系统便可将之分配给进程A使用,此后若再有其他进程也要访问该资源时(只要A未用完)则必须等待。仅当进程A访问完并释放该资源后,才允许另一进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享,而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。计算机系统中的大多数物理设备,以及某些软件中所用的栈、变量和表格,都属于临界资源,它们都要求被互斥地共享。

  2) 同时访问方式

  系统中还有另一类资源,允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”往往是宏观上的,而在微观上,这些进程可能是交替地对该资源进行访问即“分时共享”。典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备,一些用重入码编写的文件也可以被“同时”共享,即若干个用户同时访问该文件。

  并发和共享是操作系统两个最基本的特征,这两者之间又是互为存在条件的:

  资源共享是以程序的并发为条件的,若系统不允许程序并发执行,则自然不存在资源共享问题;

  若系统不能对资源共享实施有效的管理,也必将影响到程序的并发执行,甚至根本无法并发执行。

  3) 虛拟(Virtual)

  虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的,即实际存在的;而后者是虚的,是用户感觉上的事物。用于实现虚拟的技术,称为虚拟技术。在操作系统中利用了多种虚拟技术,分别用来实现虚拟处理器、虚拟内存和虚拟外部设备等。

  在虚拟处理器技术中,是通过多道程序设计技术,让多道程序并发执行的方法,来分时使用一个处理器的。此时,虽然只有一个处理器,但它能同时为多个用户服务,使每个终端用户都感觉有一个中央处理器(CPU)在专门为它服务。利用多道程序设计技术,把一个物理上的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU,称为虚拟处理器。

  类似地,可以通过虚拟存储器技术,将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器,以便从逻辑上来扩充存储器的容量。当然,这时用户所感觉到的内存容量是虚的。我们把用户所感觉到的存储器(实际是不存在的)称为虚拟存储器。

  还可以通过虚拟设备技术,将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备,并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备,这样便可以使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备(即临界资源),变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。

  因此,操作系统的虚拟技术可归纳为:时分复用技术,如处理器的分时共享;空分复用技术,如虚拟存储器(注:学到后续内容再慢慢领悟)。

  4) 异步(Asynchronism)

  在多道程序环境下,允许多个程序并发执行,但由于资源有限,进程的执行不是一贯到底,而是走走停停,以不可预知的速度向前推进,这就是进程的异步性。

  异步性使得操作系统运行在一种随机的环境下,可能导致进程产生与时间有关的错误 (就像对全局变量的访问顺序不当会导致程序出错一样)。但是只要运行环境相同,操作系统必须保证多次运行进程,都获得相同的结果。

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