一、操作系统分类

1. 批处理操作系统

1.1 基本工作方式

• 作业提交方式：用户将作业交给系统操作员，操作员累积到一定数量后批量输入计算机系统

• 执行过程：系统自动依次执行每个作业，执行完毕后将结果统一交给用户

• 关键特征：采用”累积-批量处理”机制，作业处理过程是连续的、自动转接的，无法中途暂停或干预

• 错误处理：若作业执行出错，必须整批重新提交处理，无法单独修正某个作业

1.2 特点、优点及缺点

• 核心特点：

  • 成批处理：作业累积到一定数量后批量处理

  • 无交互性：用户不能干预作业执行过程

  • 适用场景：特别适合处理成熟的、调试完成的程序

• 主要优点：

  • 高自动化：作业自动连续执行

  • 高效资源利用：CPU和内存资源利用率高

  • 大吞吐量：单位时间内可处理大量作业（吞吐量指每小时处理的作业数量）

• 显著缺点：

  • 调试困难：不适合需要交互调试的程序

  • 开发周期长：延长了软件开发时间

1.3 设计思想

• 作业准备阶段：操作员有选择地将多个作业合并为一批，安装在输入设备上

• 执行控制机制：启动监控程序后，系统自动控制整批作业的执行流程

• 作业流转过程：

  • 将第一个作业调入内存并运行

  • 完成后自动调入下一个作业

  • 循环直至整批作业全部处理完毕

• 效率提升关键：作业运行和衔接完全由监控程序控制，大幅提高处理效率

1.4 作业控制说明书

• 控制载体：作业运行步骤由作业控制说明书传递给监控程序

• 技术实现：

  • 使用作业控制语言(JCL)编写的程序段

  • 通常存放在被处理作业的前面（头部）

• 错误处理局限：若说明书编写错误，作业无法中途停止，必须重新运行整批作业

1.5 一般指令和特权指令

• 模式划分目的：防止用户错误导致系统崩溃，对CPU运行状态进行分级控制

• 用户模式（目态）：

  • 执行一般指令

  • 用户程序运行环境

• 特权模式（管态）：

  • 执行特权指令（如I/O指令、停机指令）

  • 监控程序/操作系统专用

• 权限控制机制：

  • 用户无法直接使用特权指令

  • 需通过系统调用向操作系统请求特权功能

• 典型特权指令：输入/输出指令、停机指令等

1.6 SPOOLing技术

• 技术本质：低速I/O设备与主机交换数据的技术

• 核心思想：通过联机方式实现脱机效果（故称”假脱机”）

• 实现方式：

  • 使用磁盘作为输入设备（输入井）和输出设备（输出井）

  • 主机直接从磁盘选取作业执行，结果也暂存磁盘

• 通道作用：

  • 负责作业从输入装置动态写入磁盘

  • 将执行结果从磁盘输出到输出装置

  • 与主机并行工作，通过中断机制通信

• 优势体现：

  • 实现主机与I/O设备的并行操作

  • 提高系统整体吞吐量

  • 缓解低速I/O设备与高速CPU的速度不匹配问题

2. 分时系统

2.1 基本工作方式

• 弥补缺陷: 为解决批处理系统无法提供交互式服务的不足，用户可直接干预作业执行

• 终端架构: 一台主机连接多个终端（如终端1-5），每个终端由一组用户使用

• 请求处理: 采用时间片轮转方式处理多终端并发请求，时间片极短（用户感知不到切换）

• 交互显示: 处理结果通过终端交互式显示，用户感觉主机始终为自己服务

2.2 设计思想

• 核心机制: 将CPU时间划分为若干时间片（Time Slice1-4），按轮转方式为终端服务

• 用户感知: 因计算机处理速度远超人反应速度（时间片极短+快速轮转），用户产生”独占”错觉

• 技术实现: 时间片轮回速度超过用户敲击键盘速度，确保交互流畅性

2.3 特点

• 多路性:

  • 宏观：多用户同时使用计算机

  • 微观：通过时间片实现分时复用

• 交互性: 用户可基于系统响应结果连续提出请求（支持直接干预）

• 独占性: 时间片机制使每个用户感觉独占系统资源

• 及时性: 系统能快速响应用户请求（典型响应时间约0.01秒）

3. 实时操作系统

3.1 实时时钟管理

• 核心要求: 在严格时限内完成事件响应与处理

• 任务类型:

  • 定时任务：严格周期执行（如闹钟重复提醒）

  • 延时任务：允许延迟但需守时（如领导布置的限期任务）

• 系统分类:

  • 硬实时：火箭/导弹控制（响应误差不可接受）

  • 软实时：银行系统（允许秒级响应延迟）

3.2 过载防护

• 核心能力: 突发过载时快速识别关键任务（类似紧急工作优先级排序）

• 处理策略:

  • 抛弃/延后次要任务（如放弃非核心系统功能）

  • 保障关键任务执行（确保飞行控制等核心功能）

3.3 高可靠性

• 特殊要求:

  • 硬实时系统需具备灾难容错能力（如核反应堆控制）

  • 系统健壮性直接影响人身/环境安全

• 设计标准: 故障发生率需远低于常规系统（如航空控制系统）

4. 嵌入式操作系统

• 定义：运行在嵌入式芯片环境中，对整个芯片及所控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。

• 特点：

  • 运行环境：嵌入在芯片环境中工作

  • 管理范围：协调控制芯片及所有连接部件

  • 软件性质：属于系统级软件

• 优势：

  • 高可靠性和实时性

  • 资源占用少

  • 智能化能源管理

  • 易于设备连接

  • 低成本解决方案

• 典型应用：

  • 工业监控系统

  • 智能家居（洗衣机、电冰箱等家电）

  • 智能建筑管理系统

  • 通信设备

  • 导航系统

• 现实意义：虽然考试中考查不多，但在实际生活中应用广泛，特别是智能家居领域。

5. 个人计算机操作系统

• 基本定义：单用户多任务的操作系统

• 典型代表：Windows系列操作系统

• 核心特点：

  • 用户模式：同一时间只为单个用户服务

  • 交互方式：采用图形界面人机交互

  • 使用体验：

    • 界面友好直观

    • 操作简便易学

    • 无需专业知识即可使用

• 入门难度：学习门槛低，即使没有计算机基础的用户也能通过系统提示完成基本操作

• 适用场景：个人日常使用的电脑设备

6. 网络操作系统

• 定义: 基于计算机网络的，在各种计算机操作系统之上按网络体系结构、协议标准设计开发的软件

• 组成要素:

  • 网络管理

  • 通信功能

  • 安全机制

  • 资源共享

  • 各种网络应用

• 设计目标:

  • 实现设备间相互通信

  • 提供资源共享能力（如百度搜索内容的多用户共享）

• 计算机网络模式

  • 集中式架构:

    • 运算处理: 完全由主计算机承担

    • 终端角色: 仅作为I/O设备使用（输入/输出设备）

    • 组网方式: 通过连接两台或更多主机构成网络

    • 特点: 所有计算资源集中在主计算机中处理

  • 分布式架构:

    • 运算能力: 每台计算机都具有独立处理能力

    • 数据交换: 通过网络进行数据传输

    • 资源共享: 多台计算机共享资源和服务

    • 典型示例: 现代互联网的运作模式

7. 分布式操作系统

• 定义：网络操作系统的更高级形式，通过将大量计算机联网连接，获得极高运算能力和广泛数据共享

• 核心特征：

  • 统一性：呈现为单一操作系统形态

  • 资源共享：实现计算资源与数据的深度共享

  • 透明性：用户无需知晓网络规模与主机位置

  • 自治性：各主机地位平等，无主从之分

• 技术优势：

  • 成本效益：通过普通网络连接即可组建，布线成本低

  • 可靠性：采用集群技术实现冗余容错，单机故障不影响整体运行

  • 性能扩展：以较低成本获得高性能计算能力

8. 智能卡操作系统

• 别称：片内操作系统(COS)

• 硬件限制：功能受限于微处理器性能及内存容量（典型配置：ROM 96KB，EEPROM 64KB，CPU RAM 3KB）

• 应用特性：

  • 专用性：针对特定应用场景设计（如公交卡仅适用于交通系统）

  • 指令分类：数据管理类、通信控制类、安全控制类

• 核心功能：

  • 资源管理

  • 通信管理（通过I/O异步通信与读卡器交互）

  • 安全管理（密码验证等）

  • 应用管理

二、知识小结