操作系統(tǒng)-第一章 緒論

1、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程(第2版)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材張堯?qū)W 史美林 編著目標(biāo)與方向考研考博從事專業(yè)工作從事其它工作高數(shù)，離散數(shù)學(xué)，英語(yǔ)C程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理，操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)其它計(jì)算機(jī)課程程序設(shè)計(jì)（C等），數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，算法設(shè)計(jì)，軟件工程，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)+主流開(kāi)發(fā)平臺(tái) 高數(shù)，離散數(shù)學(xué)其它計(jì)算機(jī)課程使用各種軟件使用各種軟件其它計(jì)算機(jī)課程1學(xué)習(xí)態(tài)度：“有用” “無(wú)用”？ 十二年中小學(xué)學(xué)習(xí) 直接 用多少 ？ % 潛移默化、 底線：考試及格，對(duì)的起父母！ 2做 最 好 的 自 己！3提問(wèn)式教學(xué)為主: 考勤、考查、（促進(jìn)）考慮 三次曠課不得參與考試！ 教 與 學(xué)你知道那些操作系統(tǒng)（Operatin

2、g System,OS）？你認(rèn)為什么是OS或OS的功能是什么？學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)有什么用？ 從事其它工作的：管理學(xué)，全方位思考問(wèn)題的習(xí)慣 從軟件開(kāi)發(fā)的：軟件需求，全方位思考功能和性能 考研：記憶理解：功能需求、實(shí)現(xiàn)及高效 技術(shù)第1章 緒論1.1 操作系統(tǒng)概念1.2 操作系統(tǒng)的歷史1.3 操作系統(tǒng)的基本類型1.4 操作系統(tǒng)功能1.5 計(jì)算機(jī)硬件簡(jiǎn)介1.6 算法的描述1.7 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)習(xí)題 計(jì)算機(jī)發(fā)展到今天，從個(gè)人計(jì)算機(jī)到巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，毫無(wú)例外都配置一種或多種操作系統(tǒng)。 什么是操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位，它具有什么樣的功能等，我們將在這一章作一簡(jiǎn)要闡述。 為便于今后的學(xué)習(xí)，我們

3、要介紹一下操作系統(tǒng)的類型及其特點(diǎn)，研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)。最后，介紹幾種常用操作系統(tǒng)。1.1 操作系統(tǒng)概念1.1.1 什么是操作系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成？ 任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是由兩部分組成：計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)軟件。 計(jì)算機(jī)硬件通常是由中央處理機(jī)（運(yùn)算器和控制器）、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等部件組成。 計(jì)算機(jī)軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件如操作系統(tǒng)、多種語(yǔ)言處理程序( 匯編和編譯程序等 )、連接裝配程序、系統(tǒng)實(shí)用程序、多種工具軟件等; 應(yīng)用軟件為多種應(yīng)用目的而編制的程序。圖1.1 操作系統(tǒng)與硬件軟件的關(guān)系 沒(méi)有任何軟件支持的計(jì)算機(jī)稱為裸機(jī)，它僅僅構(gòu)成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而實(shí)際呈現(xiàn)在用

4、戶面前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)若干層軟件改造的計(jì)算機(jī)。圖1.1展示了這種情形。 因此，引入操作系統(tǒng)的目的可從三方面來(lái)考察: (1) 從系統(tǒng)管理人員的觀點(diǎn)來(lái)看： 引入操作系統(tǒng)是為了合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，管理和分配計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件及軟件資源，使之能為多個(gè)用戶高效率地共享。因此，操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)資源的管理者。 (2) 從用戶的觀點(diǎn)來(lái)看： 引入操作系統(tǒng)是為了給用戶使用計(jì)算機(jī)提供一個(gè)良好的界面，以使用戶無(wú)需了解許多有關(guān)硬件和系統(tǒng)軟件的細(xì)節(jié)，就能方便靈活地使用計(jì)算機(jī)。 (3) 從發(fā)展的觀點(diǎn)看： 引入操作系統(tǒng)是為了給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展提供支撐平臺(tái)，使之在追加新的服務(wù)和功能時(shí)更加容易和不影響原有的服務(wù)與功能。

5、綜上所述，非形式地把操作系統(tǒng)定義為: 操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)系統(tǒng)軟件，它是這樣一些程序模塊的集合它們管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，以便有效地利用這些資源為用戶提供一個(gè)功能強(qiáng)大、使用方便和可擴(kuò)展的工作環(huán)境，從而在計(jì)算機(jī)與其用戶之間起到接口的作用。1.2 操作系統(tǒng)的歷史(1.3操作系統(tǒng)的類型) 由于操作系統(tǒng)歷來(lái)跟運(yùn)行其上的計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)休戚與共，因此我們考察各代計(jì)算機(jī)，看看它們的操作系統(tǒng)是什么樣子，具有哪些功能和特征。人們通常按照器件工藝的演變把計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程分為四個(gè)階段。?1946年50年代末：第一代，電子管時(shí)代，無(wú)操作系統(tǒng)。50年代末60年代中期

6、：第二代，晶體管時(shí)代，批處理系統(tǒng)。60年代中期70年代中期：第三代，集成電路時(shí)代，多道程序設(shè)計(jì)。70年代中期至今：第四代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時(shí)代，分時(shí)系統(tǒng)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)正向著巨型、微型、并行、分布、網(wǎng)絡(luò)化和智能化幾個(gè)方面發(fā)展著。 適應(yīng)上述計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程，操作系統(tǒng)經(jīng)歷了如下的發(fā)展過(guò)程： 手工操作階段(無(wú)操作系統(tǒng))、 批處理、執(zhí)行系統(tǒng)、多道程序系統(tǒng)、 分時(shí)系統(tǒng)、 實(shí)時(shí)系統(tǒng)、 通用操作系統(tǒng)、 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、 分布式操作系統(tǒng)等。操作系統(tǒng)的基本類型 根據(jù)其使用環(huán)境和對(duì)作業(yè)處理方式，操作系統(tǒng)的基本類型有：(1) 批處理操作系統(tǒng)(batch processing operating system)(2)

7、 分時(shí)操作系統(tǒng)(time sharing operating system)(3) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(real time operating system)(4) 個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)(personal computer operating system)(5) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(network operating system)(6) 分布式操作系統(tǒng)(distributed operating system)1.2.1 手工操作階段 在第一代計(jì)算機(jī)時(shí)期，構(gòu)成計(jì)算機(jī)的主要元器件是電子管，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度慢，沒(méi)有操作系統(tǒng)，甚至沒(méi)有任何軟件。 用戶直接用機(jī)器語(yǔ)言編制程序，并在上機(jī)時(shí)獨(dú)占全部計(jì)算機(jī)資源。上機(jī)完全

8、是手工操作：先把程序紙帶(或卡片)裝上輸入機(jī)，然后啟動(dòng)輸入機(jī)把程序和數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，接著通過(guò)控制臺(tái)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)程序運(yùn)行。計(jì)算完畢，打印機(jī)輸出計(jì)算結(jié)果，用戶取走并卸下紙帶(或卡片)。1.2.2 早期批處理(batch processing)單道批處理 50年代，計(jì)算機(jī)極其昂貴，計(jì)算機(jī)(CPU)的時(shí)間非常寶貴，盡可能提高CPU的利用率成為十分迫切的任務(wù)。 解決的途徑有兩個(gè)： 首先配備專門的計(jì)算機(jī)操作員，程序員不再直接操作機(jī)器，減少操作機(jī)器的錯(cuò)誤。 另一個(gè)重要措施是進(jìn)行批處理，操作員把用戶提交的作業(yè)分類，把一批中的作業(yè)編成一個(gè)作業(yè)執(zhí)行序列。每一批作業(yè)將有專門編制的監(jiān)督程序(monitor)自動(dòng)依次處理。

9、 早期的批處理可分為兩種方式。1. 聯(lián)機(jī)批處理 慢速的輸入輸出(I/O)設(shè)備是和主機(jī)直接相連。作業(yè)的執(zhí)行過(guò)程為:(1) 用戶提交作業(yè)： (2作業(yè)被作成穿孔紙帶或卡片);(3) 操作員有選擇地把若干作業(yè)合成一批，通過(guò)輸入設(shè)備(紙帶輸入機(jī)或讀卡機(jī)) 把它們存入磁帶;(4) 監(jiān)督程序讀入一個(gè)作業(yè)(若系統(tǒng)資源能滿足該作業(yè)要求);(5) 從磁帶調(diào)入?yún)R編程序或編譯程序，將用戶作業(yè)源程序翻譯成目標(biāo)代碼;(6) 連接裝配程序把編譯后的目標(biāo)代碼及所需的子程序裝配成一個(gè)可執(zhí)行程序;(7) 啟動(dòng)執(zhí)行;(8) 執(zhí)行完畢，由善后處理程序輸出計(jì)算結(jié)果;(9) 再讀入一個(gè)作業(yè)，重復(fù)(5)(9)各步；(10) 一批作業(yè)完成，

10、返回到(3)，處理下一批作業(yè)。 問(wèn)題:輸入輸出設(shè)備工作時(shí),主機(jī)CPU仍處在停止等待狀態(tài)。這樣慢速的輸入輸出設(shè)備和快速主機(jī)之間仍處于串行工作，CPU的時(shí)間仍有很大的浪費(fèi)。2. 脫機(jī)批處理 這種方式的顯著特征是增加一臺(tái)不與主機(jī)直接相連而專門用于與輸入輸出設(shè)備打交道的衛(wèi)星機(jī)。如圖1.2所示。圖1.2 早期脫機(jī)批處理模型 批處理仍有些缺點(diǎn)： 磁帶需人工拆裝，既麻煩又易出錯(cuò)； 不能進(jìn)行人機(jī)交互； 而另一個(gè)更重要的問(wèn)題是系統(tǒng)的保護(hù)。 誰(shuí)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的保護(hù)？ 單道批處理系統(tǒng)中有OS嗎？在監(jiān)督程序管理下的解題過(guò)程，如圖1.3所示。圖1.3 監(jiān)督程序管理下的解題過(guò)程 這時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的特征是單道順序地處理作業(yè)，

11、即用戶作業(yè)仍然是一道一道作業(yè)順序處理。 問(wèn)題： 那么可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況: 對(duì)于以計(jì)算為主的作業(yè)，輸入輸出量少，外圍設(shè)備空閑; 然而對(duì)于以輸入輸出為主的作業(yè)，又會(huì)造成主機(jī)空閑。 這樣總的來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)資源使用效率仍然不高。因此操作系統(tǒng)進(jìn)入了多道程序階段:多道程序合理搭配交替運(yùn)行，充分利用資源，提高效率。 20世紀(jì)60年代初期，硬件獲得了兩方面(即通道和中斷技術(shù))的進(jìn)展，導(dǎo)致操作系統(tǒng)進(jìn)入執(zhí)行系統(tǒng)階段。 通道是一種專用處理部件，它能控制一臺(tái)或多臺(tái)輸入輸出設(shè)備工作，負(fù)責(zé)輸入輸出設(shè)備與主存之間的信息傳輸。它一旦被啟動(dòng)就能獨(dú)立于CPU運(yùn)行，這樣可使CPU和通道并行操作，而且CPU和多種輸入輸出設(shè)備也能并行操

12、作。 中斷是指當(dāng)主機(jī)接到外部信號(hào)(如輸入輸出設(shè)備完成信號(hào))時(shí)，馬上停止原來(lái)工作，轉(zhuǎn)去處理這一事件，處理完畢后，主機(jī)回到原來(lái)的斷點(diǎn)繼續(xù)工作。 硬件這兩方面的進(jìn)展，促使監(jiān)督程序常駐內(nèi)存，稱為執(zhí)行系統(tǒng)。 執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的也是輸入輸出聯(lián)機(jī)操作，和早期批處理系統(tǒng)不同的是：輸入輸出工作是由在主機(jī)控制下的通道完成的。主機(jī)和通道、主機(jī)和輸入輸出設(shè)備都可以并行操作。 用戶程序的輸入輸出工作都是由系統(tǒng)執(zhí)行而沒(méi)有人工干預(yù)，由系統(tǒng)檢查其命令的合法性，以避免不合法的輸入輸出命令造成對(duì)系統(tǒng)的影響，從而提高系統(tǒng)的安全性。1.2.3 多道程序系統(tǒng) 上述批處理系統(tǒng)，每次只調(diào)用一個(gè)用戶作業(yè)程序進(jìn)入內(nèi)存并運(yùn)行，稱為單道運(yùn)行。 圖1.

13、4(a)給出了單道程序工作示例。 圖1.4(b)給出了多道程序工作示例。 在單處理機(jī)系統(tǒng)中，多道程序運(yùn)行的特點(diǎn)是:(1) 多道：計(jì)算機(jī)內(nèi)存中同時(shí)存放幾道相互獨(dú)立的程序。(2) 宏觀上并行：同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的幾道程序都處于運(yùn)行過(guò)程中，即它們先后開(kāi)始了各自的運(yùn)行，但都未運(yùn)行完畢。(3) 微觀上串行：實(shí)際上，各道程序輪流使用CPU，交替執(zhí)行。(a) 單道程序工作示例 (b) 多道程序工作示例 圖 1.4 多道程序系統(tǒng)中，要解決這樣一些技術(shù)問(wèn)題： (1) 并行運(yùn)行的程序要共享計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源，既有對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)，但又須相互同步。因此同步與互斥機(jī)制成為操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。 (2) 隨著多道程序

14、的增加，出現(xiàn)了內(nèi)存不夠用的問(wèn)題，提高內(nèi)存的使用效率也成為關(guān)鍵。因此出現(xiàn)了諸如覆蓋技術(shù)、對(duì)換技術(shù)和虛擬存儲(chǔ)技術(shù)等內(nèi)存管理技術(shù)。 (3) 由于多道程序存在于內(nèi)存，為了保證系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)和各用戶程序存儲(chǔ)區(qū)的安全可靠，提出了內(nèi)存保護(hù)的要求。 多道程序系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著在操作系統(tǒng)漸趨成熟的階段先后出現(xiàn)了作業(yè)調(diào)度管理、處理機(jī)管理、存儲(chǔ)器管理、外部設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理等功能。1.3.1 批處理操作系統(tǒng) 現(xiàn)代操作系統(tǒng)大都具有批處理功能。圖1.5給出了批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理步驟及狀態(tài)。圖1.5 批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理及狀態(tài)批處理系統(tǒng)的主要特征是：(1) 用戶脫機(jī)使用計(jì)算機(jī)。用戶提交作業(yè)之后直到獲得結(jié)果之前就不再和計(jì)

15、算機(jī)打交道。作業(yè)提交的方式可以是直接交給計(jì)算中心的管理操作員，也可以是通過(guò)遠(yuǎn)程通訊線路提交。提交的作業(yè)由系統(tǒng)外存收容成為后備作業(yè)。(2) 成批處理。操作員把用戶提交的作業(yè)分批進(jìn)行處理。每批中的作業(yè)將由操作系統(tǒng)或監(jiān)督程序負(fù)責(zé)作業(yè)間自動(dòng)調(diào)度執(zhí)行。(3) 多道程序運(yùn)行。按多道程序設(shè)計(jì)的調(diào)度原則，從一批后備作業(yè)中選取多道作業(yè)調(diào)入內(nèi)存并組織它們運(yùn)行，成為多道批處理。 不要把多道程序系統(tǒng)和多重處理系統(tǒng)相混淆。一般講，多重處理系統(tǒng)配制多個(gè)CPU，因而能真正同時(shí)執(zhí)行多道程序。當(dāng)然，要想有效地使用多重處理系統(tǒng)，必須采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)。反之不然，多道程序設(shè)計(jì)原則不一定要求有多重處理系統(tǒng)的支持。多重處理系統(tǒng)比起單

16、處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，雖增加了硬件設(shè)施，卻換來(lái)了提高系統(tǒng)吞吐量、可靠性、計(jì)算能力和并行處理能力等好處。1.2.4 分時(shí)操作系統(tǒng) 批處理方式下，用戶以脫機(jī)操作方式使用計(jì)算機(jī)，只有等該批作業(yè)處理結(jié)束，用戶才能得到計(jì)算結(jié)果。根據(jù)結(jié)果再作下一步處理。它的好處是計(jì)算機(jī)效率高，但缺點(diǎn)是交互性差。 20世紀(jì)60年代中期，計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展使這種追求成為可能。由于CPU速度不斷提高和采用分時(shí)技術(shù)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可同時(shí)連接多個(gè)用戶終端，而每個(gè)用戶可在自己的終端上聯(lián)機(jī)使用計(jì)算機(jī)，好像自己獨(dú)占機(jī)器一樣。 所謂分時(shí)技術(shù)，就是把處理機(jī)的運(yùn)行時(shí)間分成很短的時(shí)間片，按時(shí)間片輪流把處理機(jī)分配給各聯(lián)機(jī)作業(yè)使用。若某個(gè)作業(yè)在分配給它

17、的時(shí)間片內(nèi)不能完成其計(jì)算，則該作業(yè)暫時(shí)中斷，把處理機(jī)讓給另一作業(yè)使用，等待下一輪時(shí)再繼續(xù)其運(yùn)行。 由于計(jì)算機(jī)速度很快，作業(yè)運(yùn)行輪轉(zhuǎn)得很快，給每個(gè)用戶的印象是好像他獨(dú)占了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。而每個(gè)用戶可以通過(guò)自己終端向系統(tǒng)發(fā)出各種操作控制命令，完成作業(yè)的運(yùn)行。 多用戶分時(shí)操作系統(tǒng)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中最普遍使用的一類操作系統(tǒng)。1.3.2 分時(shí)系統(tǒng) 分時(shí)系統(tǒng)一般采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式，使一臺(tái)計(jì)算機(jī)為多個(gè)終端用戶服務(wù)。對(duì)每個(gè)用戶能保證足夠快的響應(yīng)時(shí)間，并提供交互會(huì)話能力。具有下述特點(diǎn)。(1) 交互性：(2) 多用戶同時(shí)性：多個(gè)用戶同時(shí)在自己的終端上上機(jī)，共享CPU和其他資源，充分發(fā)揮系統(tǒng)的效率。(3) 獨(dú)立性

18、：客觀效果上用戶彼此間感覺(jué)不到有別人也在使用該臺(tái)計(jì)算機(jī)，如同自己獨(dú)占計(jì)算機(jī)一樣。 分時(shí)操作系統(tǒng)是一個(gè)聯(lián)機(jī)的多用戶交互式的操作系統(tǒng)。UNIX是最流行的一種多用戶分時(shí)操作系統(tǒng)。1.2.5 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 20世紀(jì)60年代中期計(jì)算機(jī)進(jìn)入第三代，計(jì)算機(jī)的性能和可靠性有了很大提高，造價(jià)亦大幅度下降，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 計(jì)算機(jī)由于用于工業(yè)過(guò)程控制、軍事實(shí)時(shí)控制等形成了各種實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。針對(duì)實(shí)時(shí)處理的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是以在允許時(shí)間范圍之內(nèi)做出響應(yīng)為特征的。其響應(yīng)時(shí)間要求在秒級(jí)、毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)或更小。1.3.3 實(shí)時(shí)系統(tǒng) 實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)信息處理領(lǐng)域中而發(fā)展起來(lái)。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要

19、特點(diǎn)是提供即時(shí)響應(yīng)和高可靠性。系統(tǒng)必須保證對(duì)實(shí)時(shí)信息的分析和處理的速度比其進(jìn)入系統(tǒng)的速度要快，而且系統(tǒng)本身要安全可靠。實(shí)時(shí)系統(tǒng)往往具有一定的專用性。與批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)相比，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的資源利用率可能較低。設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)要考慮這樣一些因素：(1) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理(定時(shí)處理和延時(shí)處理)。(2) 連續(xù)的人-機(jī)對(duì)話，這對(duì)實(shí)時(shí)控制往往是必須的。(3) 要求采取過(guò)載保護(hù)措施。例如對(duì)于短期過(guò)載，把輸入任務(wù)按一定的策略在緩沖區(qū)排隊(duì)，等待調(diào)度; 對(duì)于持續(xù)性過(guò)載，可能要拒絕某些任務(wù)的輸入; 在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，則及時(shí)處理某些任務(wù)，放棄某些任務(wù)或降低對(duì)某些任務(wù)的服務(wù)頻率。(4) 高度可靠性和安全性需采取冗余措施。雙

20、機(jī)系統(tǒng)前后臺(tái)工作，包括必要的保密措施等。 多道批處理系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)的不斷改進(jìn)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)及其應(yīng)用日益廣泛，致使操作系統(tǒng)日益完善。 在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了通用操作系統(tǒng)。它可以同時(shí)兼有多道批處理、分時(shí)、實(shí)時(shí)處理的功能，或其中兩種以上的功能。 通常把實(shí)時(shí)任務(wù)稱為前臺(tái)作業(yè)，批作業(yè)稱為后臺(tái)作業(yè)。在保證分時(shí)用戶的前提下，沒(méi)有分時(shí)用戶時(shí)可進(jìn)行批量作業(yè)的處理。1.2.6 通用操作系統(tǒng)請(qǐng)思考Windows是那一類？ 20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始，國(guó)際上開(kāi)始研制大型通用操作系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在解決其可靠性、可維護(hù)性、可理解性和開(kāi)放性等方面都遇到很大的困難。相比之下UNIX操作系統(tǒng)卻是一個(gè)例外。這是一個(gè)通用的多用戶分時(shí)交互

21、型的操作系統(tǒng)。 目前廣泛使用的各種工作站級(jí)的操作系統(tǒng)如SUN公司的Solaris，IBM公司的AIX等都是基于UNIX的操作系統(tǒng)。Windows系列操作系統(tǒng)，其主要原理也是基于UNIX系統(tǒng)的。linux系統(tǒng)也是從UNIX演變而成的。1.3.4 通用操作系統(tǒng) 批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的三種基本類型，在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了具有多種類型操作特征的操作系統(tǒng)，稱為通用操作系統(tǒng)。它可以同時(shí)兼有批處理、分時(shí)、實(shí)時(shí)處理和多重處理的功能，或其中兩種以上的功能。1.2.7 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展 進(jìn)入20世紀(jì)80年代，一方面迎來(lái)了個(gè)人計(jì)算機(jī)的時(shí)代，同時(shí)又向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式處理、巨型計(jì)算機(jī)和智能化方向發(fā)

22、展。操作系統(tǒng)有了進(jìn)一步的發(fā)展： 個(gè)人計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)，例如DOS系統(tǒng)。 嵌入式操作系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。 分布式操作系統(tǒng)。 智能化操作系統(tǒng)。 20世紀(jì)90年代后期，由于個(gè)人計(jì)算機(jī)硬件功能的急劇增加和用戶對(duì)安全性、網(wǎng)絡(luò)功能的要求增強(qiáng)，個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)也從DOS轉(zhuǎn)向了通用操作系統(tǒng)Windows系列和linux系列。1.3.5 個(gè)人計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng) 個(gè)人計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)是一聯(lián)機(jī)的交互式的單用戶操作系統(tǒng)。它提供的聯(lián)機(jī)交互功能與通用分時(shí)系統(tǒng)所提供的很相似。 多媒體技術(shù)已迅速進(jìn)入微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它要求計(jì)算機(jī)具有高速信號(hào)處理、大容量的內(nèi)存和外存、大數(shù)據(jù)量寬頻帶傳輸?shù)饶芰?，能同時(shí)處理多個(gè)實(shí)時(shí)事件。單用

23、戶的程序稱為任務(wù)，現(xiàn)代OS要求有一個(gè)具有高速數(shù)據(jù)處理能力的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。 目前在個(gè)人計(jì)算機(jī)上使用的操作系統(tǒng)以Windows系列和linux系統(tǒng)為主。1.3.6 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)通信設(shè)施將物理上分散的具有自治功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連起來(lái)的，實(shí)現(xiàn)信息交換、資源共享、可互操作和協(xié)作處理的系統(tǒng)。它具有這樣的特征：(1) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)互連的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的群體。(2) 這些計(jì)算機(jī)是自治的，每臺(tái)計(jì)算機(jī)有自己的操作系統(tǒng)，各自獨(dú)立工作，它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制下協(xié)同工作。(3) 系統(tǒng)互連要通過(guò)通信設(shè)施(硬件、軟件)來(lái)實(shí)現(xiàn)。(4) 系統(tǒng)通過(guò)通信設(shè)施執(zhí)行信息交換、資源共享、互操作和協(xié)作處理， 實(shí)現(xiàn)多

24、種應(yīng)用要求。1.3.7 分布式操作系統(tǒng) 分布系統(tǒng)定義為通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將物理上分布的具有自治功能的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息交換和資源共享，協(xié)作完成任務(wù)。 其與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)明顯的區(qū)別應(yīng)予考慮：(1) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)都遵循協(xié)議，而對(duì)于各種分布式系統(tǒng)并沒(méi)有制定標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也可認(rèn)為是一種分布式系統(tǒng)。(2) 分布式系統(tǒng)要求一個(gè)統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作的統(tǒng)一性。(3) 分布式操作系統(tǒng)對(duì)用戶是透明的。但對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，若一個(gè)計(jì)算機(jī)上的用戶希望使用另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的資源，則必須明確指明是哪臺(tái)計(jì)算機(jī)。(4) 分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)。分布式系統(tǒng)已不僅是一個(gè)物理上的松散耦合系統(tǒng)，同時(shí)

25、還是一個(gè)邏輯上緊密耦合的系統(tǒng)。(5) 分布式系統(tǒng)還處在研究階段。而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 另外，軟件構(gòu)件技術(shù)的發(fā)展也將加快分布式操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)+分布式 網(wǎng)格計(jì)算、集群計(jì)算和云計(jì)算等新型技術(shù)，請(qǐng)大家關(guān)注！ 1.4 操作系統(tǒng)功能 下面我們從資源管理和用戶接口的觀點(diǎn)分五個(gè)方面來(lái)說(shuō)明操作系統(tǒng)的基本功能。總 目 錄第1章 緒論第2章 操作系統(tǒng)用戶界面第3章 進(jìn)程管理第4章 處理機(jī)調(diào)度第5章 存儲(chǔ)管理第6章 進(jìn)程與存儲(chǔ)管理示例第7章 文件系統(tǒng)第8章 設(shè)備管理第9章 文件和設(shè)備管理示例第10章 面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)的設(shè)計(jì)1.4.1 處理機(jī)管理 在多道程序或多用戶的情況下，要組織多

26、個(gè)作業(yè)同時(shí)運(yùn)行，就要解決對(duì)處理機(jī)分配調(diào)度策略、分配實(shí)施和資源回收等問(wèn)題。這就是處理機(jī)管理功能。正是由于操作系統(tǒng)對(duì)處理機(jī)管理策略的不同，其提供的作業(yè)處理方式也就不同，例如成批處理方式、分時(shí)處理方式和實(shí)時(shí)處理方式。從而呈現(xiàn)在用戶面前，成為具有不同性質(zhì)功能的操作系統(tǒng)。1.4.2 存儲(chǔ)管理 存儲(chǔ)管理的主要工作是對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行分配、保護(hù)和擴(kuò)充。(1) 內(nèi)存分配。如何分配內(nèi)存，以保證系統(tǒng)及各用戶程序的存儲(chǔ)區(qū)互不沖突。(2) 存儲(chǔ)保護(hù)。保證一道程序在執(zhí)行過(guò)程中不會(huì)有意或無(wú)意地破壞另一道程序，保證用戶程序不會(huì)破壞系統(tǒng)程序。(3) 內(nèi)存擴(kuò)充。當(dāng)用戶作業(yè)所需要的內(nèi)存量超過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所提供的內(nèi)存容量時(shí)，把內(nèi)部存儲(chǔ)

27、器和外部存儲(chǔ)器結(jié)合起來(lái)管理，為用戶提供一個(gè)容量比實(shí)際內(nèi)存大得多的虛擬存儲(chǔ)器。1.4.3 設(shè)備管理(1) 通道、控制器、輸入輸出設(shè)備的分配和管理。設(shè)備管理的任務(wù)就是根據(jù)一定的分配策略，把通道、控制器和輸入輸出設(shè)備分配給請(qǐng)求輸入輸出操作的程序，并啟動(dòng)設(shè)備完成實(shí)際的輸入輸出操作。為了盡可能發(fā)揮設(shè)備和主機(jī)的并行工作能力，常需要采用虛擬技術(shù)和緩沖技術(shù)。(2) 設(shè)備獨(dú)立性。輸入輸出設(shè)備種類很多，使用方法各不相同。設(shè)備管理應(yīng)為用戶提供一個(gè)良好的界面，而不必去涉及具體的設(shè)備特性，以使用戶能方便、靈活地使用這些設(shè)備。1.4.4 信息管理(文件系統(tǒng)管理) 上述三種管理是針對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件資源的管理。信息管理(文件系

28、統(tǒng)管理) 是對(duì)系統(tǒng)的軟件資源的管理。 文件如不能很好管理，就會(huì)引起混亂，甚至遭受破壞。這就是管理信息文件需要解決的問(wèn)題。 信息的共享、保密和保護(hù)，也是文件系統(tǒng)所要解決的。如果系統(tǒng)允許多個(gè)用戶協(xié)同工作，那么就應(yīng)該允許用戶共享信息文件。但這種共享應(yīng)該是受控制的，應(yīng)該有授權(quán)和保密機(jī)制。還要有一定的保護(hù)機(jī)制以免文件被非授權(quán)用戶調(diào)用和修改，即使在意外情況下，如系統(tǒng)失效、用戶對(duì)文件使用不當(dāng)，也能盡量保護(hù)信息免遭破壞。也就是說(shuō)，系統(tǒng)是安全可靠的。1.4.5 用戶接口 前述的四項(xiàng)功能是操作系統(tǒng)對(duì)資源的管理。操作系統(tǒng)還為用戶提供一個(gè)友好的用戶接口。一般來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)提供兩種方式的接口來(lái)為用戶服務(wù)。 一種用戶接口

29、是程序一級(jí)的接口，即提供一組廣義指令(或稱系統(tǒng)調(diào)用、程序請(qǐng)求)供用戶程序和其他系統(tǒng)程序調(diào)用。當(dāng)這些程序要求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、文件操作或有其他資源要求時(shí)，通過(guò)這些廣義指令向操作系統(tǒng)提出申請(qǐng)，并由操作系統(tǒng)代為完成。 另一種接口是作業(yè)一級(jí)的接口，提供一組控制操作命令(或稱作業(yè)控制語(yǔ)言，或像UNIX中的Shell命令語(yǔ)言)供用戶去組織和控制自己作業(yè)的運(yùn)行。作業(yè)控制方式分兩大類：脫機(jī)控制和聯(lián)機(jī)控制。操作系統(tǒng)提供脫機(jī)控制作業(yè)語(yǔ)言和聯(lián)機(jī)控制作業(yè)控制語(yǔ)言。1.5 計(jì)算機(jī)硬件簡(jiǎn)介 如前所述，操作系統(tǒng)管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有軟硬件資源。同時(shí)，因操作系統(tǒng)是一個(gè)運(yùn)行于硬件之上的系統(tǒng)軟件，我們還必須對(duì)操作系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)

30、境有所了解。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。1.5.1 計(jì)算機(jī)的基本硬件元素 構(gòu)成計(jì)算機(jī)的基本硬件元素有以下4種：處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出控制與總線、外部設(shè)備等。這些基本元素的邏輯關(guān)系如圖1.6所示。圖1.6 計(jì)算機(jī)的基本硬件元素 處理器控制和執(zhí)行計(jì)算機(jī)的指令操作。一臺(tái)計(jì)算機(jī)中可以有多個(gè)處理器或單個(gè)處理器。本書主要討論單處理器的操作系統(tǒng)。單處理器也稱CPU。 存儲(chǔ)器用來(lái)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)和程序。存儲(chǔ)器可分為內(nèi)存與外存，以及用于數(shù)據(jù)和程序暫時(shí)存儲(chǔ)用的緩沖器與高速緩存（cache）等。 輸入輸出控制器與緩沖主要用來(lái)控制和暫時(shí)存儲(chǔ)外部設(shè)備與計(jì)算機(jī)內(nèi)存之間交換的數(shù)據(jù)和程序。 外部設(shè)備范圍很廣。它們是獲取和輸出數(shù)據(jù)與

31、程序的基本單位，包括數(shù)字式設(shè)備和模擬式設(shè)備。不過(guò)，模擬式設(shè)備要通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后才能把模擬信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)，而計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)則要通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換之后才能在模擬設(shè)備上顯示或輸出。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種設(shè)備通過(guò)總線互相連接。總線是連接計(jì)算機(jī)各部件的通信線路。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總線有單總線和多總線之分。 單總線是指處理機(jī)、外部設(shè)備、存儲(chǔ)器等都連接在一起的總線結(jié)構(gòu)，而多總線則指把系統(tǒng)的CPU和內(nèi)存分開(kāi)連接，外部設(shè)備和外存等也用其他總線分開(kāi)連接進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)傳送的總線結(jié)構(gòu)。顯然，不同的總線結(jié)構(gòu)對(duì)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能有不同的影響。1.5.2 與操作系統(tǒng)相關(guān)的幾種主要寄存器 寄存器與操作系統(tǒng)密切相關(guān)，因?yàn)樗鼈兪窃谔?/p>

32、理機(jī)中交換數(shù)據(jù)的速度比內(nèi)存更快、體積也更小，而價(jià)格又更貴的暫存器件。 處理機(jī)中寄存的功能分為二類，即用戶可編程的寄存器以及控制與狀態(tài)寄存器。 機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言的程序員可對(duì)用戶可編程寄存器進(jìn)行操作，以獲得更高的執(zhí)行效率等。 而控制與狀態(tài)寄存器則被用來(lái)對(duì)處理機(jī)的優(yōu)先級(jí)、保護(hù)模式或用戶程序執(zhí)行時(shí)的調(diào)用關(guān)系等進(jìn)行控制和操作。 一般來(lái)說(shuō)，用戶可編程寄存器和控制與狀態(tài)寄存器之間沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)分和限制，在不同的系統(tǒng)中，寄存器的功能和作用可能不完全相同。典型的用戶可編程寄存器包括以下幾種：1. 數(shù)據(jù)寄存器 編程人員可以通過(guò)程序賦予數(shù)據(jù)寄存器眾多的功能。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的任何機(jī)器指令都被允許訪問(wèn)數(shù)據(jù)寄存

33、器。不過(guò)，根據(jù)硬件設(shè)置的規(guī)定，這些寄存器也可能只被允許進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算或被其他某些規(guī)定所限制。2. 地址寄存器 地址寄存器一般用來(lái)存放內(nèi)存中某個(gè)數(shù)據(jù)或指令的地址，或者存放某段數(shù)據(jù)與指令的入口地址以及被用來(lái)進(jìn)行更復(fù)雜的地址計(jì)算。下面幾種寄存器都可被認(rèn)為是地址寄存器：(1） 地址標(biāo)識(shí)位寄存器；(2） 內(nèi)存管理用各種始地址寄存器；(3） 堆棧指針；(4） 設(shè)備地址寄存器等。3. 條件碼寄存器 條件碼寄存器也稱標(biāo)志寄存器。條件碼寄存器的比特位由處理機(jī)硬件設(shè)置。典型的控制與狀態(tài)寄存器包括以下幾種：4. 程序計(jì)數(shù)器PC 程序計(jì)數(shù)器內(nèi)裝有下一周期被執(zhí)行指令的地址。5. 指令寄存器IR 指令寄存器內(nèi)裝有待執(zhí)行指令

34、。6. 程序狀態(tài)字PSW 程序狀態(tài)字寄存器的各個(gè)比特位代表系統(tǒng)中當(dāng)前的各種不同狀態(tài)與信息。如執(zhí)行模式是否允許中斷等。7. 中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)寄存器 如果系統(tǒng)允許不同類型的中斷存在，則會(huì)設(shè)置一組中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)寄存器以便保存被中斷程序的現(xiàn)場(chǎng)和鏈接中斷恢復(fù)處。8. 過(guò)程調(diào)用用堆棧 堆棧被用來(lái)存放過(guò)程調(diào)用時(shí)的調(diào)用名、調(diào)用參數(shù)、以及返回地址等。1.5.3 存儲(chǔ)器的訪問(wèn)速度 硬件廠商提供有不同種類的存儲(chǔ)器件，這些存儲(chǔ)器件包括：可移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)，例如光盤、磁盤和磁帶等；硬盤，磁盤緩存內(nèi)存，高速緩存以及寄存器等。 一般來(lái)說(shuō)，容量越大的存儲(chǔ)介質(zhì)，訪問(wèn)速度會(huì)越慢，但單位存儲(chǔ)的成本越低。例如，光盤和磁盤。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果存儲(chǔ)介

35、質(zhì)的訪問(wèn)速度越高，則它的成本也會(huì)越高，例如寄存器。 存儲(chǔ)器件的訪問(wèn)速度與存儲(chǔ)量的大小的關(guān)系如圖1.7所示。 除了上述的寄存器與存儲(chǔ)介質(zhì)之外，與操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的硬件器件還有中斷機(jī)構(gòu)、輸入輸出設(shè)備控制部分，例如通道和DMA器件等。圖1.7 存儲(chǔ)介質(zhì)的訪問(wèn)速度1.5.4 指令的執(zhí)行與中斷 計(jì)算機(jī)提供的最基本功能是執(zhí)行指令。任何應(yīng)用程序都只有通過(guò)指令的執(zhí)行才能得以完成。執(zhí)行指令的基本過(guò)程分為兩步，即處理機(jī)從內(nèi)存把指令讀入的過(guò)程和執(zhí)行的過(guò)程。其中，讀指令是根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC所指的地址讀入，而執(zhí)行的指令則是指令寄存器IR中的指令。 把指令的讀入和執(zhí)行過(guò)程稱為一個(gè)執(zhí)行周期。如圖1.8所示。圖1.8 指令的

36、執(zhí)行周期 指令的執(zhí)行涉及到處理機(jī)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸，或者是處理機(jī)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｖ噶畹膱?zhí)行也涉及到數(shù)據(jù)處理，例如算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算。另外，指令的執(zhí)行還可以是對(duì)其他指令的控制過(guò)程。 一條指令的執(zhí)行可以是上述幾種情況的組合。 另外，在指令的執(zhí)行過(guò)程中或一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，盡管指令地址計(jì)數(shù)器中已指明了下一條被訪問(wèn)指令的地址，但是，外部設(shè)備或計(jì)算機(jī)內(nèi)部可能會(huì)發(fā)來(lái)亟須處理的數(shù)據(jù)或其他緊急事件處理信號(hào)。這就需要處理機(jī)暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)的緊急事件，待處理完畢后再返回原處繼續(xù)執(zhí)行，這一過(guò)程稱為中斷，如圖1.9所示。 中斷給操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)許多好處，首先使得實(shí)時(shí)處理許多緊急事件成為可

37、能；再者，中斷可以增加處理機(jī)的執(zhí)行效率；另外，中斷還可以簡(jiǎn)化操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。圖1.9 中斷執(zhí)行過(guò)程具有中斷處理時(shí)的指令執(zhí)行過(guò)程如圖1.10所示。圖1.10 中斷處理時(shí)的指令執(zhí)行周期 系統(tǒng)發(fā)生中斷時(shí)，處理機(jī)收到中斷信號(hào)，從而不能繼續(xù)執(zhí)行程序計(jì)數(shù)器中所指的原程序。這時(shí)處理機(jī)將保存當(dāng)前的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)（也就是各寄存器中的值）并調(diào)用新的程序到處理機(jī)上執(zhí)行。1.6 算法的描述 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)和原理描述中涉及到許多算法。為了描述簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本書定義下述關(guān)鍵詞描述算法中有關(guān)過(guò)程。beginend 分別表示算法的開(kāi)頭和結(jié)束。Repeat操作Until 條件表示當(dāng)“條件”未被滿足時(shí)重復(fù)所描述的“操作”。While 條件do操作od表示當(dāng)“條件”滿足時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的“操作”。關(guān)鍵詞“ do” 和“od”分別表示“操作”的開(kāi)始和結(jié)束。If 條件Then操作Else操作fi表示滿足“if”所指的“