操作系統(tǒng)引論

1、第一章 操作系統(tǒng)引論 第一章第一章 操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)引論1.1 1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 1.2 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程 1.3 1.3 操作系統(tǒng)的基本特性操作系統(tǒng)的基本特性 1.4 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的主要功能 1.5 1.5 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)操作系統(tǒng)的目標(biāo) 目前存在著多種類型的OS，不同類型的OS，其目標(biāo)各有所側(cè)重。通常在計(jì)算機(jī)硬件上配置的OS，其目標(biāo)有以下幾點(diǎn)： 1. 方便性 2. 有效性 3. 可擴(kuò)充性

2、4. 開放性 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.1.2 操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的作用 1.OS作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口 OS作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間接口的含義是：OS處于用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間，用戶通過(guò)OS來(lái)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?；蛘哒f(shuō)，用戶在OS幫助下，能夠方便、快捷、安全、可靠地操縱計(jì)算機(jī)硬件和運(yùn)行自己的程序。應(yīng)注意，OS是一個(gè)系統(tǒng)軟件，因而這種接口是軟件接口。 第一章 操作系統(tǒng)引論 圖 1-1 OS作為接口的示意圖 用 戶應(yīng)用程序系統(tǒng)調(diào)用 命令 圖標(biāo)、窗口操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件第一章 操作系統(tǒng)引論 (1) 命令方式。這是指由OS提供了一組聯(lián)機(jī)命令(語(yǔ)言)，

3、 用戶可通過(guò)鍵盤輸入有關(guān)命令，來(lái)直接操縱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 (2) 系統(tǒng)調(diào)用方式。OS提供了一組系統(tǒng)調(diào)用，用戶可在自己的應(yīng)用程序中通過(guò)相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用，來(lái)操縱計(jì)算機(jī)。 (3) 圖形、窗口方式。用戶通過(guò)屏幕上的窗口和圖標(biāo)來(lái)操縱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和運(yùn)行自己的程序。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. OS作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者 在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通常都含有各種各樣的硬件和軟件資源。歸納起來(lái)可將資源分為四類：處理器、存儲(chǔ)器、 I/O設(shè)備以及信息(數(shù)據(jù)和程序)。相應(yīng)地，OS的主要功能也正是針對(duì)這四類資源進(jìn)行有效的管理，即：處理機(jī)管理， 用于分配和控制處理機(jī)；存儲(chǔ)器管理，主要負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配與回收

4、；I/O設(shè)備管理，負(fù)責(zé)I/O設(shè)備的分配與操縱；文件管理，負(fù)責(zé)文件的存取、共享和保護(hù)。可見，OS確是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者。事實(shí)上，當(dāng)今世界上廣為流行的一個(gè)關(guān)于OS作用的觀點(diǎn)，正是把OS作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. OS用作擴(kuò)充機(jī)器用作擴(kuò)充機(jī)器 對(duì)于一臺(tái)完全無(wú)軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(即裸機(jī))，即使其功能再?gòu)?qiáng)，也必定是難于使用的。如果我們?cè)诼銠C(jī)上覆蓋上一層I/O設(shè)備管理軟件，用戶便可利用它所提供的I/O命令，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和打印輸出。此時(shí)用戶所看到的機(jī)器， 將是一臺(tái)比裸機(jī)功能更強(qiáng)、使用更方便的機(jī)器。通常把覆蓋了軟件的機(jī)器稱為擴(kuò)充機(jī)器或虛機(jī)器。如果我們又在第一層軟件上再覆蓋上一

5、層文件管理軟件，則用戶可利用該軟件提供的文件存取命令，來(lái)進(jìn)行文件的存取。此時(shí)，用戶所看到的是臺(tái)功能更強(qiáng)的虛機(jī)器。如果我們又在文件管理軟件上再覆蓋一層面向用戶的窗口軟件，則用戶便可在窗口環(huán)境下方便地使用計(jì)算機(jī)，形成一臺(tái)功能更強(qiáng)的虛機(jī)器。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.1.3 推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿ν苿?dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?1. 不斷提高計(jì)算機(jī)資源利用率不斷提高計(jì)算機(jī)資源利用率 2. 方便用戶方便用戶 3. 器件的不斷更新?lián)Q代器件的不斷更新?lián)Q代 4. 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程 1.2.1 無(wú)操作系統(tǒng)的計(jì)算

6、機(jī)系統(tǒng)無(wú)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1. 人工操作方式人工操作方式 從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生(1945年)到50年代中期的計(jì)算機(jī)，屬于第一代，這時(shí)還未出現(xiàn)OS。這時(shí)的計(jì)算機(jī)操作是由用戶(即程序員)采用人工操作方式直接使用計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，即由程序員將事先已穿孔(對(duì)應(yīng)于程序和數(shù)據(jù))的紙帶(或卡片)裝入紙帶輸入機(jī)(或卡片輸入機(jī))，再啟動(dòng)它們將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)， 然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行。當(dāng)程序運(yùn)行完畢并取走計(jì)算結(jié)果后， 才讓下一個(gè)用戶上機(jī)。這種人工操作方式有以下兩方面的缺點(diǎn)： (1) 用戶獨(dú)占全機(jī)。 (2) CPU等待人工操作。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 脫機(jī)輸入脫機(jī)輸入/輸出輸出(Off-Line I/O)方

7、式方式 這種脫機(jī)I/O方式的主要優(yōu)點(diǎn)如下：(1) 減少了CPU的空閑時(shí)間。 (2) 提高I/O速度。 輸入設(shè)備外圍機(jī)磁盤主機(jī)外圍機(jī)輸出設(shè)備圖 1-2 脫機(jī)I/O示意圖第一章 操作系統(tǒng)引論 1.2.2 單道批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng) 1. 單道批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)(Simple Batch Processing System)的處理過(guò)程的處理過(guò)程 圖 1-3 單道批處理系統(tǒng)的處理流程 把下一個(gè)作業(yè)的源程序轉(zhuǎn)換為目標(biāo)程序源程序有錯(cuò)嗎？否裝 配目標(biāo)程序還有下一個(gè)作業(yè)？是否停止運(yùn) 行目標(biāo)程序是開始第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 單道批處理系統(tǒng)的特征單道批處理系統(tǒng)的特征 單道批處理系統(tǒng)是最早出現(xiàn)的一種OS

8、，嚴(yán)格地說(shuō)，它只能算作是OS的前身而并非是現(xiàn)在人們所理解的OS。盡管如此，該系統(tǒng)比起人工操作方式的系統(tǒng)已有很大進(jìn)步。 該系統(tǒng)的主要特征如下： (1) 自動(dòng)性。 (2) 順序性。 (3) 單道性。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.2.3 多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng) 1. 多道程序設(shè)計(jì)的基本概念多道程序設(shè)計(jì)的基本概念 在單道批處理系統(tǒng)中，內(nèi)存中僅有一道作業(yè)，它無(wú)法充分利用系統(tǒng)中的所有資源，致使系統(tǒng)性能較差。為了進(jìn)一步提高資源的利用率和系統(tǒng)吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，由此而形成了多道批處理系統(tǒng)(Multiprogrammed Batch Processing System)。在該系統(tǒng)

9、中， 用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個(gè)隊(duì)列，稱為“后備隊(duì)列”；然后，由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊(duì)列中選擇若干個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源。第一章 操作系統(tǒng)引論 在OS中引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)可帶來(lái)以下好處：(1) 提高CPU的利用率。 當(dāng)內(nèi)存中僅有一道程序時(shí)，每逢該程序在運(yùn)行中發(fā)出I/O請(qǐng)求后，CPU空閑，必須在其I/O完成后才繼續(xù)運(yùn)行；尤其因I/O設(shè)備的低速性，更使CPU的利用率顯著降低。圖 1-4(a)示出了單道程序的運(yùn)行情況，從圖可以看出：在t2t3、 t6t7時(shí)間間隔內(nèi)CPU空閑。在引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)后， 由于同時(shí)在內(nèi)存中裝有若干道程序，并使它們交

10、替地運(yùn)行， 這樣，當(dāng)正在運(yùn)行的程序因I/O而暫停執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)可調(diào)度另一道程序運(yùn)行，從而保持了CPU處于忙碌狀態(tài)。第一章 操作系統(tǒng)引論 圖 1-4 單道和多道程序運(yùn)行情況 t1t2t3t4t5t6t7t8結(jié)束中斷I/O 完成啟動(dòng) I/OI/O 中斷請(qǐng)求I/O 完成啟動(dòng) I/OI/O 中斷請(qǐng)求用戶程序監(jiān)督程序I/O 操作(a) 單道程序運(yùn)行情況程序A程序A I/O 請(qǐng)求程序A I/O 完成程序B程序B I/O 請(qǐng)求程序C程序C I/O 請(qǐng)求程序D程序D I/O 請(qǐng)求C I/O 完成C 再被調(diào)度程序B I/O 完成程序A再被調(diào)度程序A程序B程序C程序D調(diào)度程序(b) 四道程序運(yùn)行情況A完成結(jié)束中斷第

11、一章 操作系統(tǒng)引論 (2) 可提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率。為了能運(yùn)行較大的作業(yè)，通常內(nèi)存都具有較大容量，但由于80%以上的作業(yè)都屬于中小型，因此在單道程序環(huán)境下，也必定造成內(nèi)存的浪費(fèi)。類似地，對(duì)于系統(tǒng)中所配置的多種類型的I/O設(shè)備， 在單道程序環(huán)境下也不能充分利用。如果允許在內(nèi)存中裝入多道程序， 并允許它們并發(fā)執(zhí)行，則無(wú)疑會(huì)大大提高內(nèi)存和I/O設(shè)備的利用率。 (3) 增加系統(tǒng)吞吐量。在保持CPU、I/O設(shè)備不斷忙碌的同時(shí)，也必然會(huì)大幅度地提高系統(tǒng)的吞吐量，從而降低作業(yè)加工所需的費(fèi)用。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 多道批處理系統(tǒng)的特征多道批處理系統(tǒng)的特征 (1) 多道性。多道性。 (2) 無(wú)序性

12、。無(wú)序性。 (3) 調(diào)度性。調(diào)度性。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) (1) 資源利用率高。 (2) 系統(tǒng)吞吐量大。 (3) 平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)。 (4) 無(wú)交互能力。 第一章 操作系統(tǒng)引論 4. 多道批處理系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題多道批處理系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題 (1) 處理機(jī)管理問(wèn)題。 (2) 內(nèi)存管理問(wèn)題。 (3) I/O設(shè)備管理問(wèn)題。 (4) 文件管理問(wèn)題。 (5) 作業(yè)管理問(wèn)題。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.2.4 分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng) 1. 分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)(Time-Sharing System)的產(chǎn)生的產(chǎn)生 如果說(shuō)， 推動(dòng)多道批處理系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要?jiǎng)恿?/p>

13、，是提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，那么，推動(dòng)分時(shí)系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要?jiǎng)恿Γ瑒t是用戶的需求?；蛘哒f(shuō)， 分時(shí)系統(tǒng)是為了滿足用戶需求所形成的一種新型OS。它與多道批處理系統(tǒng)之間，有著截然不同的性能差別。用戶的需求具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1) 人機(jī)交互。 (2) 共享主機(jī)。 (3) 便于用戶上機(jī)。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題 為實(shí)現(xiàn)分時(shí)系統(tǒng)，其中，最關(guān)鍵的問(wèn)題是如何使用戶能與自己的作業(yè)進(jìn)行交互，即當(dāng)用戶在自己的終端上鍵入命令時(shí)， 系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)接收并及時(shí)處理該命令，再將結(jié)果返回給用戶。 此后， 用戶可繼續(xù)鍵入下一條命令，此即人機(jī)交互。應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出，即使有

14、多個(gè)用戶同時(shí)通過(guò)自己的鍵盤鍵入命令，系統(tǒng)也應(yīng)能全部地及時(shí)接收并處理(1) 及時(shí)接收。 (2) 及時(shí)處理。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 分時(shí)系統(tǒng)的特征分時(shí)系統(tǒng)的特征 (1) 多路性。(2) 獨(dú)立性。 (3) 及時(shí)性。 (4) 交互性。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.2.5 實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng) 所謂“實(shí)時(shí)”，是表示“及時(shí)”，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Real-Time System)是指系統(tǒng)能及時(shí)(或即時(shí))響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。 1. 應(yīng)用需求應(yīng)用需求 (1) 實(shí)時(shí)控制。 (2) 實(shí)時(shí)信息處理。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 實(shí)時(shí)任務(wù)實(shí)時(shí)任務(wù) 1) 按任

15、務(wù)執(zhí)行時(shí)是否呈現(xiàn)周期性來(lái)劃分(1) 周期性實(shí)時(shí)任務(wù)。 (2) 非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)。 外部設(shè)備所發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)并無(wú)明顯的周期性，但都必須聯(lián)系著一個(gè)截止時(shí)間(Deadline)。它又可分為： 開始截止時(shí)間任務(wù)在某時(shí)間以前必須開始執(zhí)行； 完成截止時(shí)間任務(wù)在某時(shí)間以前必須完成。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2) 根據(jù)對(duì)截止時(shí)間的要求來(lái)劃分 (1) 硬實(shí)時(shí)任務(wù)(hard real-time task)。系統(tǒng)必須滿足任務(wù)對(duì)截止時(shí)間的要求，否則可能出現(xiàn)難以預(yù)測(cè)的結(jié)果。 (2) 軟實(shí)時(shí)任務(wù)(Soft real-time task)。它也聯(lián)系著一個(gè)截止時(shí)間， 但并不嚴(yán)格，若偶爾錯(cuò)過(guò)了任務(wù)的截止時(shí)間， 對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也

16、不會(huì)太大。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)特征的比較實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)特征的比較 (1) 多路性。 (2) 獨(dú)立性。 (3) 及時(shí)性。 (4) 交互性。 (5) 可靠性。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.3 操作系統(tǒng)的基本特性操作系統(tǒng)的基本特性 1.3.1 并發(fā)并發(fā)(Concurrence) 并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個(gè)概念，并行性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生；而并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時(shí)間內(nèi)，宏觀上有多個(gè)程序在同時(shí)運(yùn)行，但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一時(shí)刻卻僅能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分時(shí)地交替執(zhí)行。倘若在計(jì)

17、算機(jī)系統(tǒng)中有多個(gè)處理機(jī)，則這些可以并發(fā)執(zhí)行的程序便可被分配到多個(gè)處理機(jī)上，實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行，即利用每個(gè)處理機(jī)來(lái)處理一個(gè)可并發(fā)執(zhí)行的程序，這樣，多個(gè)程序便可同時(shí)執(zhí)行。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.3.2 共享共享(Sharing) 在操作系統(tǒng)環(huán)境下，所謂共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程(線程)共同使用。由于資源屬性的不同，進(jìn)程對(duì)資源共享的方式也不同，目前主要有以下兩種資源共享方式。第一章 操作系統(tǒng)引論 1. 互斥共享方式互斥共享方式 系統(tǒng)中的某些資源，如打印機(jī)、磁帶機(jī)，雖然它們可以提供給多個(gè)進(jìn)程(線程)使用，但為使所打印或記錄的結(jié)果不致造成混淆，應(yīng)規(guī)定在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程(線程)

18、訪問(wèn)該資源。為此，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程A要訪問(wèn)某資源時(shí)，必須先提出請(qǐng)求， 如果此時(shí)該資源空閑，系統(tǒng)便可將之分配給請(qǐng)求進(jìn)程A使用， 此后若再有其它進(jìn)程也要訪問(wèn)該資源時(shí)(只要A未用完)則必須等待。 僅當(dāng)A進(jìn)程訪問(wèn)完并釋放該資源后， 才允許另一進(jìn)程對(duì)該資源進(jìn)行訪問(wèn)。我們把這種資源共享方式稱為互斥式共享，而把在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)的資源稱為臨界資源或獨(dú)占資源。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設(shè)備，以及某些軟件中所用的棧、變量和表格，都屬于臨界資源，它們要求被互斥地共享。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 同時(shí)訪問(wèn)方式同時(shí)訪問(wèn)方式 系統(tǒng)中還有另一類資源，允許在一段時(shí)間內(nèi)由多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)”對(duì)它們進(jìn)行訪問(wèn)。這里所謂的“同

19、時(shí)”往往是宏觀上的，而在微觀上，這些進(jìn)程可能是交替地對(duì)該資源進(jìn)行訪問(wèn)。典型的可供多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)”訪問(wèn)的資源是磁盤設(shè)備，一些用重入碼編寫的文件，也可以被“同時(shí)”共享，即若干個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)該文件。 并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個(gè)最基本的特征，它們又是互為存在的條件。一方面，資源共享是以程序(進(jìn)程)的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享問(wèn)題；另一方面，若系統(tǒng)不能對(duì)資源共享實(shí)施有效管理， 協(xié)調(diào)好諸進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問(wèn)，也必然影響到程序并發(fā)執(zhí)行的程度，甚至根本無(wú)法并發(fā)執(zhí)行。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.3.3 虛擬虛擬(Virtual) 操作系統(tǒng)中的所謂“虛擬”，是指通過(guò)某種技術(shù)把一

20、個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物。物理實(shí)體(前者)是實(shí)的， 即實(shí)際存在的；而后者是虛的，是用戶感覺(jué)上的東西。相應(yīng)地，用于實(shí)現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。在OS中利用了多種虛擬技術(shù)，分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬處理機(jī)、虛擬內(nèi)存、 虛擬外部設(shè)備和虛擬信道等。第一章 操作系統(tǒng)引論 在虛擬處理機(jī)技術(shù)中，是通過(guò)多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，讓多道程序并發(fā)執(zhí)行的方法，來(lái)分時(shí)使用一臺(tái)處理機(jī)的。此時(shí)， 雖然只有一臺(tái)處理機(jī)，但它能同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)，使每個(gè)終端用戶都認(rèn)為是有一個(gè)CPU在專門為他服務(wù)。亦即， 利用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，把一臺(tái)物理上的CPU虛擬為多臺(tái)邏輯上的CPU，也稱為虛擬處理機(jī)，我們把用戶所感覺(jué)到的CPU稱為虛擬處理器。

21、第一章 操作系統(tǒng)引論 類似地，可以通過(guò)虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)，將一臺(tái)機(jī)器的物理存儲(chǔ)器變?yōu)樘摂M存儲(chǔ)器，以便從邏輯上來(lái)擴(kuò)充存儲(chǔ)器的容量。此時(shí)，雖然物理內(nèi)存的容量可能不大(如32 MB)， 但它可以運(yùn)行比它大得多的用戶程序(如128 MB)。這使用戶所感覺(jué)到的內(nèi)存容量比實(shí)際內(nèi)存容量大得多，認(rèn)為該機(jī)器的內(nèi)存至少也有128 MB。當(dāng)然這時(shí)用戶所感覺(jué)到的內(nèi)存容量是虛的。我們把用戶所感覺(jué)到的存儲(chǔ)器稱為虛擬存儲(chǔ)器。 第一章 操作系統(tǒng)引論 我們還可以通過(guò)虛擬設(shè)備技術(shù)，將一臺(tái)物理I/O設(shè)備虛擬為多臺(tái)邏輯上的I/O設(shè)備，并允許每個(gè)用戶占用一臺(tái)邏輯上的I/O設(shè)備，這樣便可使原來(lái)僅允許在一段時(shí)間內(nèi)由一個(gè)用戶訪問(wèn)的設(shè)備(即臨界資

22、源)，變?yōu)樵谝欢螘r(shí)間內(nèi)允許多個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)的共享設(shè)備。例如，原來(lái)的打印機(jī)屬于臨界資源，而通過(guò)虛擬設(shè)備技術(shù)，可以把它變?yōu)槎嗯_(tái)邏輯上的打印機(jī)，供多個(gè)用戶“同時(shí)”打印。此外，也可以把一條物理信道虛擬為多條邏輯信道(虛信道)。在操作系統(tǒng)中，虛擬的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)分時(shí)使用的方法。顯然，如果n是某物理設(shè)備所對(duì)應(yīng)的虛擬的邏輯設(shè)備數(shù)，則虛擬設(shè)備的平均速度必然是物理設(shè)備速度的1/n。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.3.4 異步性異步性(Asynchronism) 在多道程序環(huán)境下，允許多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行， 但只有進(jìn)程在獲得所需的資源后方能執(zhí)行。在單處理機(jī)環(huán)境下，由于系統(tǒng)中只有一個(gè)處理機(jī)，因而每次只允許一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行，其余

23、進(jìn)程只能等待。當(dāng)正在執(zhí)行的進(jìn)程提出某種資源要求時(shí)，如打印請(qǐng)求，而此時(shí)打印機(jī)正在為其它某進(jìn)程打印，由于打印機(jī)屬于臨界資源，因此正在執(zhí)行的進(jìn)程必須等待，且放棄處理機(jī)，直到打印機(jī)空閑，并再次把處理機(jī)分配給該進(jìn)程時(shí)，該進(jìn)程方能繼續(xù)執(zhí)行?？梢姡捎谫Y源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行通常都不是“一氣呵成”，而是以“停停走走”的方式運(yùn)行。 第一章 操作系統(tǒng)引論 內(nèi)存中的每個(gè)進(jìn)程在何時(shí)能獲得處理機(jī)運(yùn)行，何時(shí)又因提出某種資源請(qǐng)求而暫停，以及進(jìn)程以怎樣的速度向前推進(jìn)，每道程序總共需多少時(shí)間才能完成，等等，都是不可預(yù)知的。由于各用戶程序性能的不同，比如，有的側(cè)重于計(jì)算而較少需要I/O；而又有的程序其計(jì)算少而I/O多，這

24、樣，很可能是先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)后完成； 而后進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)先完成。或者說(shuō)，進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，此即進(jìn)程的異步性。盡管如此，但只要運(yùn)行環(huán)境相同，作業(yè)經(jīng)多次運(yùn)行，都會(huì)獲得完全相同的結(jié)果。因此，異步運(yùn)行方式是允許的，是操作系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的主要功能 1.4.1 處理機(jī)管理功能處理機(jī)管理功能 1. 進(jìn)程控制進(jìn)程控制 在傳統(tǒng)的多道程序環(huán)境下，要使作業(yè)運(yùn)行，必須先為它創(chuàng)建一個(gè)或幾個(gè)進(jìn)程，并為之分配必要的資源。當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行結(jié)束時(shí)，立即撤消該進(jìn)程，以便能及時(shí)回收該進(jìn)程所占用的各類資源。進(jìn)程控制的主要功能是為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程、撤消已結(jié)束的進(jìn)程

25、，以及控制進(jìn)程在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。 在現(xiàn)代OS中，進(jìn)程控制還應(yīng)具有為一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建若干個(gè)線程的功能和撤消(終止)已完成任務(wù)的線程的功能。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 進(jìn)程同步進(jìn)程同步 為使多個(gè)進(jìn)程能有條不紊地運(yùn)行，系統(tǒng)中必須設(shè)置進(jìn)程同步機(jī)制。進(jìn)程同步的主要任務(wù)是為多個(gè)進(jìn)程(含線程)的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)。有兩種協(xié)調(diào)方式： 進(jìn)程互斥方式， 這是指諸進(jìn)程(線程)在對(duì)臨界資源進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)， 應(yīng)采用互斥方式； 進(jìn)程同步方式，指在相互合作去完成共同任務(wù)的諸進(jìn)程(線程)間，由同步機(jī)構(gòu)對(duì)它們的執(zhí)行次序加以協(xié)調(diào)。 為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步，系統(tǒng)中必須設(shè)置進(jìn)程同步機(jī)制。最簡(jiǎn)單的用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥的機(jī)制，是為每一個(gè)臨界資源配置一把

26、鎖W，當(dāng)鎖打開時(shí)，進(jìn)程(線程)可以對(duì)該臨界資源進(jìn)行訪問(wèn)；而當(dāng)鎖關(guān)上時(shí)，則禁止進(jìn)程(線程)訪問(wèn)該臨界資源。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 進(jìn)程通信進(jìn)程通信 在多道程序環(huán)境下，為了加速應(yīng)用程序的運(yùn)行，應(yīng)在系統(tǒng)中建立多個(gè)進(jìn)程，并且再為一個(gè)進(jìn)程建立若干個(gè)線程，由這些進(jìn)程(線程)相互合作去完成一個(gè)共同的任務(wù)。而在這些進(jìn)程(線程)之間，又往往需要交換信息。例如，有三個(gè)相互合作的進(jìn)程， 它們是輸入進(jìn)程、計(jì)算進(jìn)程和打印進(jìn)程。輸入進(jìn)程負(fù)責(zé)將所輸入的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算進(jìn)程；計(jì)算進(jìn)程利用輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算， 并把計(jì)算結(jié)果傳送給打印進(jìn)程；最后，由打印進(jìn)程把計(jì)算結(jié)果打印出來(lái)。進(jìn)程通信的任務(wù)就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)在相互合作的進(jìn)程之間的信息

27、交換。 當(dāng)相互合作的進(jìn)程(線程)處于同一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，通常在它們之前是采用直接通信方式，即由源進(jìn)程利用發(fā)送命令直接將消息(message)掛到目標(biāo)進(jìn)程的消息隊(duì)列上，以后由目標(biāo)進(jìn)程利用接收命令從其消息隊(duì)列中取出消息。 第一章 操作系統(tǒng)引論 4. 調(diào)度調(diào)度 在后備隊(duì)列上等待的每個(gè)作業(yè)，通常都要經(jīng)過(guò)調(diào)度才能執(zhí)行。在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，包括作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度兩步。作業(yè)調(diào)度的基本任務(wù)，是從后備隊(duì)列中按照一定的算法，選擇出若干個(gè)作業(yè)，為它們分配其必需的資源(首先是分配內(nèi)存)。 在將它們調(diào)入內(nèi)存后，便分別為它們建立進(jìn)程，使它們都成為可能獲得處理機(jī)的就緒進(jìn)程，并按照一定的算法將它們插入就緒隊(duì)列。而進(jìn)程調(diào)度的任務(wù)

28、，則是從進(jìn)程的就緒隊(duì)列中選出一新進(jìn)程，把處理機(jī)分配給它，并為它設(shè)置運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)， 使進(jìn)程投入執(zhí)行。值得提出的是，在多線程OS中，通常是把線程作為獨(dú)立運(yùn)行和分配處理機(jī)的基本單位，為此，須把就緒線程排成一個(gè)隊(duì)列，每次調(diào)度時(shí)，是從就緒線程隊(duì)列中選出一個(gè)線程，把處理機(jī)分配給它。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.4.2 存儲(chǔ)器管理功能存儲(chǔ)器管理功能 1. 內(nèi)存分配內(nèi)存分配 OS在實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配時(shí)，可采取靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式。在靜態(tài)分配方式中，每個(gè)作業(yè)的內(nèi)存空間是在作業(yè)裝入時(shí)確定的；在作業(yè)裝入后的整個(gè)運(yùn)行期間， 不允許該作業(yè)再申請(qǐng)新的內(nèi)存空間，也不允許作業(yè)在內(nèi)存中“移動(dòng)”； 在動(dòng)態(tài)分配方式中，每個(gè)作業(yè)所要求的基本內(nèi)存空

29、間， 也是在裝入時(shí)確定的，但允許作業(yè)在運(yùn)行過(guò)程中，繼續(xù)申請(qǐng)新的附加內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)增漲，也允許作業(yè)在內(nèi)存中“移動(dòng)”。 第一章 操作系統(tǒng)引論 為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配，在內(nèi)存分配的機(jī)制中應(yīng)具有這樣的結(jié)構(gòu)和功能： 內(nèi)存分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)用于記錄內(nèi)存空間的使用情況， 作為內(nèi)存分配的依據(jù)； 內(nèi)存分配功能，系統(tǒng)按照一定的內(nèi)存分配算法， 為用戶程序分配內(nèi)存空間； 內(nèi)存回收功能，系統(tǒng)對(duì)于用戶不再需要的內(nèi)存，通過(guò)用戶的釋放請(qǐng)求，去完成系統(tǒng)的回收功能。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù) 內(nèi)存保護(hù)的主要任務(wù)，是確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運(yùn)行，彼此互不干擾。 為了確保每道程序都只

30、在自己的內(nèi)存區(qū)中運(yùn)行，必須設(shè)置內(nèi)存保護(hù)機(jī)制。一種比較簡(jiǎn)單的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，是設(shè)置兩個(gè)界限寄存器，分別用于存放正在執(zhí)行程序的上界和下界。系統(tǒng)須對(duì)每條指令所要訪問(wèn)的地址進(jìn)行檢查，如果發(fā)生越界，便發(fā)出越界中斷請(qǐng)求，以停止該程序的執(zhí)行。如果這種檢查完全用軟件實(shí)現(xiàn)，則每執(zhí)行一條指令，便須增加若干條指令去進(jìn)行越界檢查，這將顯著降低程序的運(yùn)行速度。因此，越界檢查都由硬件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然， 對(duì)發(fā)生越界后的處理， 還須與軟件配合來(lái)完成。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 地址映射地址映射 一個(gè)應(yīng)用程序(源程序)經(jīng)編譯后，通常會(huì)形成若干個(gè)目標(biāo)程序；這些目標(biāo)程序再經(jīng)過(guò)鏈接便形成了可裝入程序。這些程序的地址都是從“0”開始的，程序

31、中的其它地址都是相對(duì)于起始地址計(jì)算的； 由這些地址所形成的地址范圍稱為“地址空間”， 其中的地址稱為“邏輯地址”或“相對(duì)地址”。此外，由內(nèi)存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為“內(nèi)存空間”， 其中的地址稱為“物理地址”。 在多道程序環(huán)境下，每道程序不可能都從“0”地址開始裝入(內(nèi)存)， 這就致使地址空間內(nèi)的邏輯地址和內(nèi)存空間中的物理地址不相一致。使程序能正確運(yùn)行，存儲(chǔ)器管理必須提供地址映射功能，以將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中與之對(duì)應(yīng)的物理地址。該功能應(yīng)在硬件的支持下完成。 第一章 操作系統(tǒng)引論 4. 內(nèi)存擴(kuò)充內(nèi)存擴(kuò)充 存儲(chǔ)器管理中的內(nèi)存擴(kuò)充任務(wù)，并非是去擴(kuò)大物理內(nèi)存的容量，而是借助于虛

32、擬存儲(chǔ)技術(shù)，從邏輯上去擴(kuò)充內(nèi)存容量，使用戶所感覺(jué)到的內(nèi)存容量比實(shí)際內(nèi)存容量大得多； 或者是讓更多的用戶程序能并發(fā)運(yùn)行。這樣，既滿足了用戶的需要，改善了系統(tǒng)的性能，又基本上不增加硬件投資。 為了能在邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存，系統(tǒng)必須具有內(nèi)存擴(kuò)充機(jī)制， 用于實(shí)現(xiàn)下述各功能： (1) 請(qǐng)求調(diào)入功能。 (2) 置換功能。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.4.3 設(shè)備管理功能設(shè)備管理功能 設(shè)備管理用于管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有的外圍設(shè)備， 而設(shè)備管理的主要任務(wù)是，完成用戶進(jìn)程提出的I/O請(qǐng)求； 為用戶進(jìn)程分配其所需的I/O設(shè)備；提高CPU和I/O設(shè)備的利用率；提高I/O速度；方便用戶使用I/O設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，設(shè)備管理應(yīng)

33、具有緩沖管理、設(shè)備分配和設(shè)備處理，以及虛擬設(shè)備等功能。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1. 緩沖管理緩沖管理 CPU運(yùn)行的高速性和I/O低速性間的矛盾自計(jì)算機(jī)誕生時(shí)起便已存在。 而隨著CPU速度迅速、大幅度的提高，使得此矛盾更為突出，嚴(yán)重降低了CPU的利用率。如果在I/O設(shè)備和CPU之間引入緩沖，則可有效地緩和CPU和I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)吞吐量。 因此，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中， 都毫無(wú)例外地在內(nèi)存中設(shè)置了緩沖區(qū)，而且還可通過(guò)增加緩沖區(qū)容量的方法，來(lái)改善系統(tǒng)的性能。 最常見的緩沖區(qū)機(jī)制有單緩沖機(jī)制、能實(shí)現(xiàn)雙向同時(shí)傳送數(shù)據(jù)的雙緩沖機(jī)制，以及能供多個(gè)設(shè)備同時(shí)使用的公用緩沖

34、池機(jī)制。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 設(shè)備分配設(shè)備分配 設(shè)備分配的基本任務(wù)，是根據(jù)用戶進(jìn)程的I/O請(qǐng)求、系統(tǒng)的現(xiàn)有資源情況以及按照某種設(shè)備分配策略，為之分配其所需的設(shè)備。如果在I/O設(shè)備和CPU之間，還存在著設(shè)備控制器和I/O通道時(shí)，還須為分配出去的設(shè)備分配相應(yīng)的控制器和通道。 為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備分配，系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置設(shè)備控制表、控制器控制表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄設(shè)備及控制器的標(biāo)識(shí)符和狀態(tài)。據(jù)這些表格可以了解指定設(shè)備當(dāng)前是否可用，是否忙碌，以供進(jìn)行設(shè)備分配時(shí)參考。在進(jìn)行設(shè)備分配時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同的設(shè)備類型而采用不同的設(shè)備分配方式。對(duì)于獨(dú)占設(shè)備(臨界資源)的分配，還應(yīng)考慮到該設(shè)備被分配出去后，系統(tǒng)是否安全。 設(shè)

35、備使用完后，還應(yīng)立即由系統(tǒng)回收。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 設(shè)備處理設(shè)備處理 設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其基本任務(wù)是用于實(shí)現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信，即由CPU向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，要求它完成指定的I/O操作；反之由CPU接收從控制器發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求，并給予迅速的響應(yīng)和相應(yīng)的處理。 處理過(guò)程是：設(shè)備處理程序首先檢查I/O請(qǐng)求的合法性，了解設(shè)備狀態(tài)是否是空閑的，了解有關(guān)的傳遞參數(shù)及設(shè)置設(shè)備的工作方式。然后，便向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，啟動(dòng)I/O設(shè)備去完成指定的I/O操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)能及時(shí)響應(yīng)由控制器發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)該中斷請(qǐng)求的類型，調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。對(duì)

36、于設(shè)置了通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 設(shè)備處理程序還應(yīng)能根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求，自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.4.4 文件管理功能文件管理功能 1. 文件存儲(chǔ)空間的管理文件存儲(chǔ)空間的管理 由文件系統(tǒng)對(duì)諸多文件及文件的存儲(chǔ)空間，實(shí)施統(tǒng)一的管理。其主要任務(wù)是為每個(gè)文件分配必要的外存空間，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系統(tǒng)的運(yùn)行速度。 為此，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄文件存儲(chǔ)空間的使用情況，以供分配存儲(chǔ)空間時(shí)參考；系統(tǒng)還應(yīng)具有對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行分配和回收的功能。為了提高存儲(chǔ)空間的利用率，對(duì)存儲(chǔ)空間的分配，通常是采用離散分配方式，以減少外存零頭，并以盤塊為基本分配單位。盤塊的大小通常為

37、512 B8 KB。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 目錄管理目錄管理 為了使用戶能方便地在外存上找到自己所需的文件，通常由系統(tǒng)為每個(gè)文件建立一個(gè)目錄項(xiàng)。目錄項(xiàng)包括文件名、文件屬性、文件在磁盤上的物理位置等。由若干個(gè)目錄項(xiàng)又可構(gòu)成一個(gè)目錄文件。目錄管理的主要任務(wù)， 是為每個(gè)文件建立其目錄項(xiàng)，并對(duì)眾多的目錄項(xiàng)加以有效的組織，以實(shí)現(xiàn)方便的按名存取。即用戶只須提供文件名， 即可對(duì)該文件進(jìn)行存取。其次，目錄管理還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)文件共享，這樣，只須在外存上保留一份該共享文件的副本。此外，還應(yīng)能提供快速的目錄查詢手段，以提高對(duì)文件的檢索速度。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 文件的讀文件的讀/寫管理和保護(hù)寫管理和保護(hù)

38、(1) 文件的讀文件的讀/寫管理。寫管理。該功能是根據(jù)用戶的請(qǐng)求，從外存中讀取數(shù)據(jù)；或?qū)?shù)據(jù)寫入外存。在進(jìn)行文件讀(寫)時(shí)，系統(tǒng)先根據(jù)用戶給出的文件名，去檢索文件目錄，從中獲得文件在外存中的位置。然后，利用文件讀(寫)指針，對(duì)文件進(jìn)行讀(寫)。一旦讀(寫)完成，便修改讀(寫)指針，為下一次讀(寫)做好準(zhǔn)備。由于讀和寫操作不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，故可合用一個(gè)讀/寫指針。 (2) 文件保護(hù)。文件保護(hù)。 防止未經(jīng)核準(zhǔn)的用戶存取文件； 防止冒名頂替存取文件； 防止以不正確的方式使用文件。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.4.5 用戶接口用戶接口1. 命令接口命令接口 (1) 聯(lián)機(jī)用戶接口。這是為聯(lián)機(jī)用戶提供的，它由一

39、組鍵盤操作命令及命令解釋程序所組成。當(dāng)用戶在終端或控制臺(tái)上每鍵入一條命令后，系統(tǒng)便立即轉(zhuǎn)入命令解釋程序，對(duì)該命令加以解釋并執(zhí)行該命令。在完成指定功能后，控制又返回到終端或控制臺(tái)上，等待用戶鍵入下一條命令。這樣，用戶可通過(guò)先后鍵入不同命令的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)的控制，直至作業(yè)完成。 第一章 操作系統(tǒng)引論 (2) 脫機(jī)用戶接口。該接口是為批處理作業(yè)的用戶提供的，故也稱為批處理用戶接口。該接口由一組作業(yè)控制語(yǔ)言JCL組成。批處理作業(yè)的用戶不能直接與自己的作業(yè)交互作用，只能委托系統(tǒng)代替用戶對(duì)作業(yè)進(jìn)行控制和干預(yù)。這里的作業(yè)控制語(yǔ)言JCL便是提供給批處理作業(yè)用戶的、為實(shí)現(xiàn)所需功能而委托系統(tǒng)代為控制的一種語(yǔ)言

40、。用戶用JCL把需要對(duì)作業(yè)進(jìn)行的控制和干預(yù)，事先寫在作業(yè)說(shuō)明書上，然后將作業(yè)連同作業(yè)說(shuō)明書一起提供給系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度到該作業(yè)運(yùn)行時(shí)，又調(diào)用命令解釋程序，對(duì)作業(yè)說(shuō)明書上的命令，逐條地解釋執(zhí)行。如果作業(yè)在執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)異常現(xiàn)象，系統(tǒng)也將根據(jù)作業(yè)說(shuō)明書上的指示進(jìn)行干預(yù)。這樣，作業(yè)一直在作業(yè)說(shuō)明書的控制下運(yùn)行，直至遇到作業(yè)結(jié)束語(yǔ)句時(shí)，系統(tǒng)才停止該作業(yè)的運(yùn)行。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 程序接口程序接口 該接口是為用戶程序在執(zhí)行中訪問(wèn)系統(tǒng)資源而設(shè)置的，是用戶程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的惟一途徑。它是由一組系統(tǒng)調(diào)用組成，每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都是一個(gè)能完成特定功能的子程序，每當(dāng)應(yīng)用程序要求OS提供某種服務(wù)(功能)時(shí)，

41、便調(diào)用具有相應(yīng)功能的系統(tǒng)調(diào)用。早期的系統(tǒng)調(diào)用都是用匯編語(yǔ)言提供的，只有在用匯編語(yǔ)言書寫的程序中，才能直接使用系統(tǒng)調(diào)用；但在高級(jí)語(yǔ)言以及C語(yǔ)言中，往往提供了與各系統(tǒng)調(diào)用一一對(duì)應(yīng)的庫(kù)函數(shù)，這樣，應(yīng)用程序便可通過(guò)調(diào)用對(duì)應(yīng)的庫(kù)函數(shù)來(lái)使用系統(tǒng)調(diào)用。但在近幾年所推出的操作系統(tǒng)中，如UNIX、OS/2版本中，其系統(tǒng)調(diào)用本身已經(jīng)采用C語(yǔ)言編寫，并以函數(shù)形式提供，故在用C語(yǔ)言編制的程序中， 可直接使用系統(tǒng)調(diào)用。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 圖形接口圖形接口 用戶雖然可以通過(guò)聯(lián)機(jī)用戶接口來(lái)取得OS的服務(wù)，但這時(shí)要求用戶能熟記各種命令的名字和格式，并嚴(yán)格按照規(guī)定的格式輸入命令，這既不方便又花時(shí)間，于是，圖形用戶接口

42、便應(yīng)運(yùn)而生。圖形用戶接口采用了圖形化的操作界面， 用非常容易識(shí)別的各種圖標(biāo)(icon)來(lái)將系統(tǒng)的各項(xiàng)功能、各種應(yīng)用程序和文件，直觀、逼真地表示出來(lái)。用戶可用鼠標(biāo)或通過(guò)菜單和對(duì)話框，來(lái)完成對(duì)應(yīng)用程序和文件的操作。此時(shí)用戶已完全不必像使用命令接口那樣去記住命令名及格式，從而把用戶從繁瑣且單調(diào)的操作中解脫出來(lái)。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.5 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.5.1 軟件工程的基本概念軟件工程的基本概念 1. 軟件的含義 所謂軟件，是指當(dāng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，能提供所要求的功能和性能的指令和程序的集合，該程序能夠正確地處理信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；作為規(guī)范軟件，還應(yīng)具有描述程序功能需求以及程序

43、如何操作使用的文檔。如果說(shuō)，硬件是物理部件， 那么，軟件則是一種邏輯部件，它具有與硬件完全不同的特點(diǎn)。第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 軟件工程的含義軟件工程的含義 軟件工程是指運(yùn)用系統(tǒng)的、規(guī)范的和可定量的方法，來(lái)開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)軟件；或者說(shuō)，是采用工程的概念、 原理、 技術(shù)和方法，來(lái)開發(fā)與維護(hù)軟件， 其目的是為了解決在軟件開發(fā)中所出現(xiàn)的編程隨意、軟件質(zhì)量不可保證以及維護(hù)困難等問(wèn)題。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1.5.2 傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的大型軟件。為了控制該軟件的復(fù)雜性，在開發(fā)OS時(shí)，先后引入了分解、模塊化、 抽象和隱蔽等方法。開發(fā)方法的不斷發(fā)展，促進(jìn)了OS

44、結(jié)構(gòu)的更新?lián)Q代。這里，我們把第一代至第三代的OS結(jié)構(gòu)， 稱為傳統(tǒng)的OS結(jié)構(gòu)，而把微內(nèi)核的OS結(jié)構(gòu)稱為現(xiàn)代OS結(jié)構(gòu)。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1. 無(wú)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)無(wú)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng) 在早期開發(fā)操作系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者只是把他的注意力放在功能的實(shí)現(xiàn)和獲得高的效率上，缺乏首尾一致的設(shè)計(jì)思想。 此時(shí)的OS是為數(shù)眾多的一組過(guò)程的集合，各過(guò)程之間可以相互調(diào)用，在操作系統(tǒng)內(nèi)部不存在任何結(jié)構(gòu)，因此，這種OS是無(wú)結(jié)構(gòu)的，也有人把它稱為整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 此時(shí)程序設(shè)計(jì)的技巧，只是如何編制緊湊的程序，以便于有效地利用內(nèi)存、對(duì)GOTO語(yǔ)句的使用不加任何限制，所設(shè)計(jì)出的操作系統(tǒng)既龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結(jié)構(gòu)。這一方面會(huì)使所編制出的程

45、序錯(cuò)誤很多，給調(diào)試工作帶來(lái)很多困難；另一方面也使程序難以閱讀和理解，增加了維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 模塊化模塊化OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 1) 模塊化結(jié)構(gòu) 模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，是最早(20世紀(jì)60年代)出現(xiàn)的一種程序設(shè)計(jì)技術(shù)。該技術(shù)是基于“分解”和“模塊化”原則來(lái)控制大型軟件的復(fù)雜度的。為使OS具有較清晰的結(jié)構(gòu)，OS不再是由眾多的過(guò)程直接構(gòu)成，而是將OS按其功能劃分為若干個(gè)具有一定獨(dú)立性和大小的模塊。每個(gè)模塊具有某方面的管理功能，如進(jìn)程管理模塊、存儲(chǔ)器管理模塊、I/O設(shè)備管理模塊和文件管理模塊等，并規(guī)定好各模塊間的接口， 使各模塊之間能通過(guò)該接口實(shí)現(xiàn)交互，然后再進(jìn)一步將各模塊細(xì)分為若干

46、個(gè)具有一定管理功能的子模塊，如把進(jìn)程管理模塊又分為進(jìn)程控制、 進(jìn)程同步、 進(jìn)程通信和進(jìn)程調(diào)度等子模塊， 同樣也要規(guī)定各子模塊之間的接口。若子模塊較大時(shí)，再進(jìn)一步將它細(xì)分。圖 1-5 示出了由模塊、子模塊等組成的模塊化OS結(jié)構(gòu)。 第一章 操作系統(tǒng)引論 圖 1-5 模塊化操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 進(jìn)程控制進(jìn)程調(diào)度內(nèi)存分配內(nèi)存保護(hù)磁盤管理目錄管理進(jìn)程管理存儲(chǔ)器管理文件管理操作系統(tǒng)模塊子模塊第一章 操作系統(tǒng)引論 2) 模塊化OS的優(yōu)缺點(diǎn)(1) 提高了OS設(shè)計(jì)的正確性、 可理解性和可維護(hù)性。 (2) 增強(qiáng)了OS的可適應(yīng)性。 (3) 加速了OS的開發(fā)過(guò)程。 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)有二。首先，在開始設(shè)計(jì)OS時(shí)，對(duì)模塊的劃

47、分及對(duì)接口的規(guī)定并不精確， 而且還可能存在錯(cuò)誤，因而很難保證按此規(guī)定所設(shè)計(jì)出的模塊會(huì)完全正確， 這將使在把這些模塊裝配成OS時(shí)發(fā)生困難；其次，從功能觀點(diǎn)來(lái)劃分模塊時(shí)，未能將共享資源和獨(dú)占資源加以區(qū)別； 由于管理上的差異，又會(huì)使模塊間存在著復(fù)雜的依賴關(guān)系使OS結(jié)構(gòu)變得不清晰。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 分層式分層式OS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 1) 有序分層的基本概念 從改進(jìn)設(shè)計(jì)方式上說(shuō)，應(yīng)使我們的每一步設(shè)計(jì)都是建立在可靠的基礎(chǔ)上。我們可以從物理機(jī)器開始， 在其上面先添加一層具有一定功能的軟件A1, 由于A1是建立在完全確定的物理機(jī)器上的，在經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和幾乎是窮盡無(wú)遺的測(cè)試后，可以認(rèn)為A1是正確的；然后再在

48、A1上添加一層新軟件A2，如此一層一層地自底向上增添軟件層，每一層都實(shí)現(xiàn)若干功能，最后總能構(gòu)成一個(gè)能滿足需要的OS。 第一章 操作系統(tǒng)引論 分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則是：每一層都僅使用其底層所提供的功能和服務(wù)，這樣可使系統(tǒng)的調(diào)試和驗(yàn)證都變得容易， 例如，在調(diào)試第一層軟件A1時(shí)，由于它只使用了物理機(jī)器提供的功能，因此它將與其所有的高層軟件A2，An無(wú)關(guān)； 同樣在調(diào)試A2時(shí)，它也只使用了A1和物理機(jī)器所提供的功能， 而與其高層軟件A3, ，An無(wú)關(guān)，這樣，一旦發(fā)現(xiàn)Ai出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，通常該錯(cuò)誤只會(huì)局限于Ai，因?yàn)樗c所有其高層的軟件無(wú)關(guān)，而Ai層以下的各層軟件，又都經(jīng)過(guò)仔細(xì)的調(diào)試。 第一章 操作系統(tǒng)引論

49、 2) 層次的設(shè)置 (1) 程序嵌套。 通常OS的每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)， 并非是只用一個(gè)程序便能完成的，而是要經(jīng)由若干個(gè)軟件層才有可能完成。因此在劃分OS層次時(shí)，首先要考慮在實(shí)現(xiàn)OS 的每個(gè)功能時(shí)所形成的程序嵌套。例如，作業(yè)調(diào)度模塊須調(diào)用進(jìn)程控制模塊；在為某作業(yè)創(chuàng)建一進(jìn)程時(shí)，進(jìn)程控制模塊又須調(diào)用內(nèi)存管理模塊為新進(jìn)程分配內(nèi)存空間，可見，進(jìn)程控制模塊應(yīng)在內(nèi)存管理模塊之上； 而作業(yè)調(diào)度模塊又應(yīng)在更高層。 第一章 操作系統(tǒng)引論 (2) 運(yùn)行頻率。在分層結(jié)構(gòu)中，各層次軟件的運(yùn)行速度是不同的，因?yàn)锳1層軟件能直接在物理機(jī)器上運(yùn)行， 故它有最高的運(yùn)行速度。隨著層次的增高，其相應(yīng)軟件的運(yùn)行速度就隨之下降，因而An層軟件的運(yùn)行速度最低。 為了提高OS的運(yùn)行效率，應(yīng)該將那些經(jīng)常活躍的模塊放在最接近硬件的A1層，如時(shí)鐘管理、進(jìn)程調(diào)度，通常都放在A1層。