软件工程-基础课程-操作系统_实时操作系统.docx

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操作系统基础

1操作系统的概念与分类

在计算机科学中，操作系统（OperatingSystem，简称OS）是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序。它是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。操作系统负责管理计算机系统的全部硬件资源包括CPU、内存、输入/输出设备，以及文件系统，同时也管理着系统中的各种软件资源。

1.1操作系统的分类

操作系统可以按照不同的标准进行分类，常见的分类方式包括：

批处理操作系统：主要用于处理大量数据，如银行交易系统。它能够自动、成批地处理用户提交的作业，无需人工干预。

分时操作系统：允许多个用户通过终端同时使用计算机，操作系统将CPU时间分成很短的时间片，轮流分配给各个终端用户，使得每个用户都感觉像在独占计算机。

实时操作系统：用于控制生产过程或武器系统等，要求系统对各种操作和请求在严格的时间范围内做出响应。

网络操作系统：用于管理网络资源，提供网络通信和网络资源共享功能。

分布式操作系统：管理分布在不同地理位置的多个计算机，使得这些计算机能够像一个整体一样工作。

2操作系统的发展历程

操作系统的发展历程可以追溯到计算机诞生之初。随着计算机硬件的不断进步和软件需求的日益复杂，操作系统经历了从无到有，从简单到复杂的发展过程。

早期计算机：没有操作系统，程序员直接与硬件交互，编写机器语言程序，效率低下且难以维护。

批处理系统：引入了作业控制语言，程序员可以通过提交作业卡来控制程序的运行，提高了计算机的利用率。

分时系统：随着多道程序设计技术的出现，分时操作系统使得多个用户可以同时使用计算机，极大地提高了计算机的使用效率和便利性。

实时系统：在20世纪60年代，为了满足工业控制和军事应用的需要，实时操作系统应运而生，它能够对事件做出及时响应。

现代操作系统：包括了多任务、多线程、图形用户界面、网络支持等特性，如Windows、Linux、macOS等。

3操作系统的内核结构

操作系统的内核是操作系统的核心部分，它负责管理系统的资源和提供基本的服务。内核结构可以分为：

单体式内核：所有操作系统服务都在内核空间运行，如Linux早期版本。

微内核：只有最基本的服务在内核空间运行，如QNX。

模块化内核：内核由多个模块组成，可以根据需要动态加载或卸载模块，如WindowsNT。

层次式内核：内核服务按照层次结构组织，每一层只依赖于其下层，如4.4BSD。

4操作系统的主要功能

操作系统的主要功能包括：

进程管理：控制进程的创建、调度、同步和通信。

内存管理：管理内存的分配和回收，实现虚拟内存，提高内存的使用效率。

文件系统管理：提供文件的存储、检索和更新等服务，实现文件的共享和保护。

设备管理：控制外部设备的使用，实现设备的共享和虚拟化。

用户接口管理：提供用户与操作系统交互的界面，包括命令行界面和图形用户界面。

4.1示例：进程管理中的进程调度

在进程管理中，进程调度是一个关键环节。下面是一个简单的进程调度算法——先来先服务调度算法（First-Come,First-Served，简称FCFS）的Python实现示例：

#进程调度算法：先来先服务调度算法（FCFS）

deffcfs(processes):

FCFS调度算法实现

:paramprocesses:进程列表，每个进程是一个字典，包含进程ID、到达时间、服务时间

:return:进程的完成时间列表

#按照到达时间排序进程

processes.sort(key=lambdax:x[arrival_time])

#初始化完成时间列表

completion_times=[]

#当前时间

current_time=0

#遍历进程列表

forprocessinprocesses:

#如果当前时间小于进程的到达时间，则将当前时间更新为进程的到达时间

ifcurrent_timeprocess[arrival_time]:

current_time=process[arrival_time]

#更新当前时间，加上进程的服务时间

current_time+=process[service_time]

#将当前时间添加到完成时间列表中

completion_times.append(current_time)