操作系統(tǒng)第一章

2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院1第一章操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)授課人：

李朔

@2016春季2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院2引言課程學(xué)習(xí)目的:基礎(chǔ)核心課、有利于對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理解和軟件開發(fā)。課程特點(diǎn)：概念多、涉及面廣、較抽象。課程學(xué)習(xí)方法:以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)、理論聯(lián)系實(shí)際、前后貫通。課程學(xué)習(xí)難點(diǎn):概念、原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院3課程安排理論講授：操作系統(tǒng)概述（第一章）操作系統(tǒng)的目標(biāo)、作用、發(fā)展過(guò)程、特征操作系統(tǒng)的主要功能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)程管理（第二章）進(jìn)程的描述和控制進(jìn)程同步的基本概念、信號(hào)量機(jī)制經(jīng)典進(jìn)程同步問(wèn)題：生產(chǎn)者~消費(fèi)者問(wèn)題等處理機(jī)調(diào)度（第三章）處理機(jī)調(diào)度的類型與算法死鎖的基本概念、死鎖的預(yù)防和避免2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院4存儲(chǔ)器管理（第四章）存儲(chǔ)器管理的任務(wù)連續(xù)分配存儲(chǔ)管理方式、分頁(yè)/分段存儲(chǔ)管理方式虛擬存儲(chǔ)器（第五章）虛存的基本概念、請(qǐng)求分頁(yè)存儲(chǔ)管理;頁(yè)面置換算法輸入輸出系統(tǒng)（第六章）I/O系統(tǒng)的組成、控制方式設(shè)備分配和設(shè)備處理;磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)

文件管理（第七章）文件系統(tǒng)概念、文件保護(hù)與安全

2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院5實(shí)驗(yàn)安排：掌握的高級(jí)語(yǔ)言C、C++、JAVA、C#相關(guān)內(nèi)容系統(tǒng)API進(jìn)程結(jié)構(gòu)進(jìn)度調(diào)度存儲(chǔ)管理…2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院6推薦參考書孫鐘秀主編，費(fèi)翔林駱斌編著，《操作系統(tǒng)教程（第4版）》，高等教育出版社鄒恒明著，《操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理》，機(jī)械工業(yè)出版社

2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院7課程時(shí)間安排：1－14周，第八周開始，每周2+2（理論+實(shí)驗(yàn)），實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度較大考試安排：專業(yè)主干，教考分離，周次待定，態(tài)度2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院8思考什么是操作系統(tǒng)（OS，OperatingSystem）?軟件、系統(tǒng)軟件功能？管理系統(tǒng)資源、方便用戶使用系統(tǒng)資源有哪些？怎樣管理、怎樣服務(wù)？……2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院9第一章引論1.1什么是操作系統(tǒng)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.3操作系統(tǒng)的分類1.4操作系統(tǒng)的特征1.5操作系統(tǒng)的功能1.6常用的操作系統(tǒng)返回目錄2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院101.1什么是操作系統(tǒng)1.1.1操作系統(tǒng)的地位和目標(biāo)1.1.2操作系統(tǒng)的作用和組成1.1.3操作系統(tǒng)舉例返回2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院11歷史上的操作系統(tǒng)(一般了解）隨歷史線索，介紹一些重要的操作系統(tǒng)真空管時(shí)代(1946年-1955年)晶體管時(shí)代(1955年-1965年)集成電路時(shí)代(1965年-1980年)大規(guī)模集成電路時(shí)代(1980年-至今)2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院12第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)英國(guó)數(shù)學(xué)家CharlesBabbage（1792-1871）設(shè)計(jì)Babbage投入了畢生精力但卻沒(méi)能讓它成功地運(yùn)行起來(lái)因?yàn)楫?dāng)時(shí)的技術(shù)不可能達(dá)到需要的精度當(dāng)然，這個(gè)分析機(jī)沒(méi)有操作系統(tǒng)2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院13二戰(zhàn)對(duì)武器設(shè)計(jì)的需要美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)等國(guó)家開始了電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的研究工作哈佛大學(xué)的HowardAiken普林斯頓高等研究院的JohnNeumann（馮·諾依曼）賓夕法尼亞大學(xué)的J.PresperEckert和WilliamMauchley德國(guó)電話公司的KonraadZuse以及其他一些人都使用真空管成功地建造了運(yùn)算機(jī)器真空管計(jì)算機(jī)（1945年-1955年）時(shí)期2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院14沒(méi)有程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（甚至沒(méi)有匯編），更談不上操作系統(tǒng)程序員提前預(yù)約一段時(shí)間,然后到機(jī)房將他的插件板插到計(jì)算機(jī)里期盼著在接下來(lái)的時(shí)間中幾萬(wàn)個(gè)真空管不會(huì)燒斷從而可以計(jì)算自己的題目ENIAC中文名:埃尼阿克

（美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)）運(yùn)算速度：5000次/秒,18000個(gè)真空管,占地182平方米，重量130噸，功耗140kW2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院151.2.2手工操作工作方式用戶：用戶既是程序員，又是操作員；用戶是計(jì)算機(jī)專業(yè)人員；編程語(yǔ)言：機(jī)器語(yǔ)言；輸入輸出：紙帶或卡片；計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn)（即主要矛盾）用戶獨(dú)占全機(jī)：不會(huì)出現(xiàn)資源被其他用戶占用的情況，資源利用率低；CPU等待用戶：計(jì)算前，手工裝入紙帶或卡片；計(jì)算完成后，手工卸取紙帶或卡片；CPU利用率低；1946~50年代（電子管），集中計(jì)算（計(jì)算中心），計(jì)算機(jī)資源昂貴；2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院1650年代早期出現(xiàn)了穿孔卡片程序?qū)懺诳ㄆ先缓笞x入計(jì)算機(jī)但計(jì)算過(guò)程則依然如舊2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院17上世紀(jì)60年代前以至更早期-穿孔卡片一種穿孔機(jī)與穿孔卡片2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院1820世紀(jì)60年代計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)管理磁介質(zhì)存儲(chǔ)器引發(fā)數(shù)據(jù)管理革命1951年雷明頓蘭德公司（RemingtonRandInc）的一種叫做UnivacI的計(jì)算機(jī)推出了一種一秒鐘可以輸入數(shù)百條記錄的磁帶驅(qū)動(dòng)器，從而引發(fā)了數(shù)據(jù)管理的革命。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院191956年IBM生產(chǎn)出第一個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器——theModel305RAMAC(第一塊硬盤)。此驅(qū)動(dòng)器有50個(gè)盤片，每個(gè)盤片直徑是2英尺，可以儲(chǔ)存5MB的數(shù)據(jù)。使用磁盤最大的好處是可以隨機(jī)地存取數(shù)據(jù)，而穿孔卡片和磁帶只能順序存取數(shù)據(jù)。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院201.2.1推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?1)提高資源的利用率和系統(tǒng)性能：計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)昂貴，用作集中計(jì)算(2)方便用戶：用戶上機(jī)、調(diào)試程序，分散計(jì)算時(shí)的事務(wù)處理和非專業(yè)用戶（商業(yè)和辦公、家庭）(3)器件的發(fā)展：CPU的位寬度（指令和數(shù)據(jù)）、快速外存(4)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展需求推動(dòng)發(fā)展2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院21起源：1969，AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室，Multics項(xiàng)目,GE645大型主機(jī)-太空旅行游戲$75/once->PDP-7匯編語(yǔ)言重寫,KenThompson,DennisRichie多用戶，多任務(wù)操作系統(tǒng)UNICS(系統(tǒng)使用匯編編制,一些應(yīng)用使用了B語(yǔ)言與匯編)第三版本開始，為UNIX專門開發(fā)/發(fā)明了一種嶄新的編程語(yǔ)言-C，可移植性和開發(fā)效率(來(lái)自B語(yǔ)言的FortranCompiler)1973C重寫全部UNIX原始程序-UNIX首度出現(xiàn)正式版本V5早期代碼公開，開發(fā)文檔詳細(xì)，便于研究操作系統(tǒng)鼻祖UNIX2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院22校園最流行版本，加州大學(xué)伯克利分校-鼎鼎大名的BSD(BillJoy<sunmicrosystem>-BerkeleysoftwareDistribution,vi)FreeBSD，OpenBSD和NetBSDBSD對(duì)UNIX最重要的貢獻(xiàn)之一是TCP/IP,發(fā)布版中的TCP/IP代碼幾乎是現(xiàn)在所有系統(tǒng)中TCP/IP實(shí)現(xiàn)的前輩UNIXVersion7(1978)-fortran77compile,BourneShell等,AT&T將UNIX商業(yè)化，更換了許可協(xié)議，不再允許先前自由開放的做法。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院23幾十年中，Unix仍在不斷變化，其版權(quán)所有者不斷變更，授權(quán)者的數(shù)量也在增加。Unix的版權(quán)曾經(jīng)為AT&T所有，之后Novell擁有了Unix，再之后Novell又將版權(quán)出售給了SCO（這一事實(shí)雙方尚存在爭(zhēng)議）。有很多大公司在取得了Unix的授權(quán)之后，開發(fā)了自己的Unix產(chǎn)品，比如IBM的AIX，HP的HPUX，SUN的Solaris和SGI的IRIX。

2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院24MINIX為方便教學(xué)與研究，AndrewTanenbaum(1997年圖靈獎(jiǎng)得主）基于Version7開發(fā)了Minix（基于IntelX86平臺(tái)）與Version7在系統(tǒng)調(diào)用級(jí)兼容，便無(wú)任何UNIX代碼不受AT&T許可協(xié)議約束核心代碼只有4000余行，支持POSIX、TCP/IP、X-Window及C/C++及多用戶、多進(jìn)程等高級(jí)特性公開源代碼，允許用于教學(xué)科研目的MINIXLogo2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院25Linus&Linus’sUNIX-Linux芬蘭赫爾辛基大學(xué)學(xué)生-LinusTorvalds（AndrewTanenbaun的學(xué)生)簡(jiǎn)單問(wèn)題：UNIX十分昂貴，但希望在個(gè)人電腦上使用類似UNIX的系統(tǒng)，不喜歡386上的DOSLinus大學(xué)時(shí)主要使用MINIX,但不滿意，受MINIX協(xié)議的限制，無(wú)法修改和完善以其熟悉的Minix和Unix為原型，在一臺(tái)Intel386PC上開始工作2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院26Oct,1991USNET新聞組—comp.us.minix上發(fā)表消息：Helloeverybodyoutthereusingminix-I’mdoinga(free)operatingsystem(justahobby,won’tbebigandprofessionallikegnu)for386(486)ATclones.

Thishasbeenbrewingsinceapril,andisstartingtogetready.

I’dlikeanyfeedbackonthingspeoplelike/dislikeinminix,asmyOSresemblesitsomewhat(samephysicallayoutofthefile-system(duetopracticalreasons)amongotherthings……)。（PCWORLD專欄作家HarryMcCracken評(píng)出的歷史上Top25被引用的精典語(yǔ)錄之一。）此時(shí)發(fā)表的版本是第一個(gè)Linux內(nèi)核的Release(正式版本)-Linuxkernel0.0.2,以此為開端，Linux開始了快速發(fā)展2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院27目前Linux支持的所有主流硬件平臺(tái)IntelX86系列AMD64系列IBMPowerPCSunSPARC系列Linux與Unix有很大淵源，不含標(biāo)準(zhǔn)Unix源代碼，按POSIX標(biāo)準(zhǔn)重新編寫，使用大量GNU軟件自91年發(fā)布至因特網(wǎng)后，無(wú)數(shù)的黑客、程序員無(wú)私地為人類奉獻(xiàn)自己的智慧，積極推動(dòng)了Linux的高速發(fā)展，成就了一個(gè)自由軟件世界，Linux在可用性與功能上基本成熟，與UNIX、Windows三分天下。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院28Linux由Linus開發(fā)，所以這個(gè)操作系統(tǒng)以Linus’sUnix命名。發(fā)音Linux與GNU所有Linux發(fā)行版本的核心部分都是內(nèi)核(kernel),靈魂。主要負(fù)責(zé)管理、分配計(jì)算機(jī)軟硬件資源。（底層原始）但內(nèi)核并不包含常用的應(yīng)用程序，如瀏覽器，Office辦公，多媒體播放制作等軟件GNU項(xiàng)目數(shù)量巨大、功能豐富的應(yīng)用程序，結(jié)合寬松授權(quán)的Linux免費(fèi)內(nèi)核，很多廠商和個(gè)人紛紛推出自己的定制和組合方案，構(gòu)成了豐富多彩的Linux發(fā)行版本。（不管這些發(fā)行版本的名稱或開發(fā)廠商是什么，它們都同屬于Linux范疇，因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤膬?nèi)核，這個(gè)內(nèi)核源自LinusTorvalds維護(hù)的LinuxKernel項(xiàng)目，區(qū)別僅在所包含軟件數(shù)量種類及功能側(cè)重點(diǎn)的不同。（/）GNU項(xiàng)目、GPL、自由軟件Linux:tux2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院291.1.1操作系統(tǒng)的地位和目標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(層次結(jié)構(gòu))軟件硬件及固件（裸機(jī)）應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件編輯軟件，編譯軟件操作系統(tǒng)圖1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院30計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件的層次結(jié)構(gòu)2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院31操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位操作系統(tǒng)的地位：緊貼系統(tǒng)硬件之上，所有其他軟件之下（是其他軟件的共同環(huán)境）操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)軟件終端用戶程序員2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院32引入操作系統(tǒng)的目標(biāo)有效性（系統(tǒng)管理人員的觀點(diǎn)）：管理和分配硬件、軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程方便性（用戶的觀點(diǎn)）：提供良好的、一致的用戶接口，彌補(bǔ)硬件系統(tǒng)的類型和數(shù)量差別可擴(kuò)充性（開放的觀點(diǎn)）：OS通過(guò)擴(kuò)充改造硬件設(shè)施和提供新的服務(wù)來(lái)擴(kuò)大機(jī)器功能。OS遵循有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；支持體系結(jié)構(gòu)的可伸縮性和可擴(kuò)展性；支持應(yīng)用程序在不同平臺(tái)上的可移植性和可互操作性。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院33操作系統(tǒng)的作用(1)

OS是計(jì)算機(jī)硬件、軟件資源的管理者。管理對(duì)象包括：CPU、存儲(chǔ)器、外部設(shè)備、信息（數(shù)據(jù)和軟件）；管理的內(nèi)容：資源的當(dāng)前狀態(tài)（數(shù)量和使用情況）、資源的分配、回收和訪問(wèn)操作，相應(yīng)管理策略（包括用戶權(quán)限）。1.1.2操作系統(tǒng)的作用2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院34操作系統(tǒng)的作用(2)

OS是用戶使用系統(tǒng)硬件、軟件的接口。系統(tǒng)命令（命令行、菜單式、命令腳本式、圖形用戶接口GUI）；字符形式：較靈活但因繁瑣而難記命令的表示形式：菜單形式:字符方式提供友好界面圖形形式：因直觀而易記但不靈活系統(tǒng)調(diào)用：形式上類似于過(guò)程調(diào)用，在應(yīng)用編程中使用。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院35操作系統(tǒng)的作用(3)

OS是擴(kuò)展機(jī)(extendedmachine)/虛擬機(jī)(virtualmachine)在裸機(jī)上添加：設(shè)備管理、文件管理、存儲(chǔ)管理（針對(duì)內(nèi)存和外存）、處理機(jī)管理（針對(duì)CPU）；另外，為合理組織工作流程：作業(yè)管理、進(jìn)程管理。定義：操作系統(tǒng)是管理軟硬件資源、控制程序執(zhí)行，改善人機(jī)界面，提供各種服務(wù)，合理組織計(jì)算機(jī)工作流程和為用戶使用計(jì)算機(jī)提供良好運(yùn)行環(huán)境的一種系統(tǒng)軟件。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院36操作系統(tǒng)的層次模型高低2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院371.1.3操作系統(tǒng)舉例MSOS:MSDOS,MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows2000UNIX:BSD,SRV4,OSF1,SCOUNIX,AIX,Solaris,LinuxNOS:NovellNetware2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院381.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.2.1推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?.2.2手工操作1.2.3單道批處理系統(tǒng)(simplebatchprocessing)1.2.4多道批處理系統(tǒng)(multiprogrammingsystem)1.2.5分時(shí)系統(tǒng)(time-sharingsystem)1.2.6實(shí)時(shí)系統(tǒng)(real-timesystem)返回2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院391.2.3單道批處理系統(tǒng)

(simplebatchprocessing,uniprogramming)批處理中的作業(yè)的組成：用戶程序數(shù)據(jù)作業(yè)說(shuō)明書（作業(yè)控制語(yǔ)言）批：供一次加載的磁帶或磁盤，通常由若干個(gè)作業(yè)組裝成，在處理中使用一組相同的系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)帶）50年代末~60年代中（晶體管）：利用磁帶把若干個(gè)作業(yè)分類編成作業(yè)執(zhí)行序列，每個(gè)批作業(yè)由一個(gè)專門的監(jiān)督程序（Monitor）自動(dòng)依次處理。可使用匯編語(yǔ)言開發(fā)。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院40監(jiān)督程序（Monitor）對(duì)批作業(yè)中的每個(gè)作業(yè)進(jìn)行相同的處理：從磁帶讀入一個(gè)用戶作業(yè)和編譯鏈接程序到內(nèi)存，編譯鏈接用戶作業(yè)，生成可執(zhí)行程序；啟動(dòng)執(zhí)行，把運(yùn)行控制權(quán)限交給該作業(yè)，執(zhí)行結(jié)果輸出；控制權(quán)再次交給監(jiān)督程序，由它將下一個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院41一、兩種批處理方式1)聯(lián)機(jī)批處理用戶提交作業(yè)：以紙帶或卡片為介質(zhì)；操作員合成批作業(yè)：結(jié)果為磁帶介質(zhì)；批作業(yè)處理：對(duì)批作業(yè)中的每個(gè)作業(yè)進(jìn)行相同的處理，從磁帶讀入用戶作業(yè)和編譯鏈接程序，編譯鏈接用戶作業(yè)，生成可執(zhí)行程序；啟動(dòng)執(zhí)行；執(zhí)行結(jié)果輸出。這時(shí)的問(wèn)題：慢速的輸入輸出處理仍直接由主機(jī)來(lái)完成。輸入輸出時(shí)，CPU處于等待狀態(tài)。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院422)脫機(jī)批處理衛(wèi)星機(jī)（外圍機(jī)）：完成面向用戶的輸入輸出（紙帶或卡片），中間結(jié)果暫存在磁帶或磁盤上。作業(yè)控制命令由監(jiān)督程序(monitor)來(lái)執(zhí)行，完成裝入程序、編譯、運(yùn)行等操作。優(yōu)點(diǎn)：同一批內(nèi)各作業(yè)的自動(dòng)依次更替，改善了主機(jī)CPU和I/O設(shè)備的使用效率，提高了吞吐量。缺點(diǎn)：磁帶或磁盤需要人工裝卸，作業(yè)需要人工分類，監(jiān)督程序易遭到用戶程序的破壞（由人工干預(yù)才可恢復(fù)）。為解決CPU和I/O設(shè)備之間速度不匹配而提出，利用衛(wèi)星機(jī)完成輸入輸出功能。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院43批處理系統(tǒng)示意圖批處理操作系統(tǒng)針對(duì)的是第二代通用計(jì)算機(jī)，如IBM的1401和7094等，通過(guò)去除人機(jī)交互達(dá)到CPU和輸入輸出利用率的改善。

2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院44通道和中斷技術(shù)通道：用于控制I/O設(shè)備與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸。啟動(dòng)后可獨(dú)立于CPU運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)CPU與I/O的并行。通道有專用的I/O處理器，可與CPU并行工作可實(shí)現(xiàn)I/O聯(lián)機(jī)處理中斷是指CPU在收到外部中斷信號(hào)后，停止原來(lái)工作，轉(zhuǎn)去處理該中斷事件，完畢后回到原來(lái)斷點(diǎn)繼續(xù)工作。中斷處理過(guò)程：中斷請(qǐng)求，中斷響應(yīng)，中斷點(diǎn)（暫停當(dāng)前任務(wù)并保存現(xiàn)場(chǎng)），中斷處理例程，中斷返回（恢復(fù)中斷點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)并繼續(xù)原有任務(wù)可處理算術(shù)溢出和非法操作碼，死循環(huán)（利用時(shí)鐘中斷進(jìn)行超時(shí)限定）*監(jiān)督程序發(fā)展為執(zhí)行系統(tǒng)(executivesystem)，常駐內(nèi)存60年代初，發(fā)展了通道技術(shù)和中斷技術(shù)，這些技術(shù)的出現(xiàn)使監(jiān)督程序在負(fù)責(zé)作業(yè)運(yùn)行的同時(shí)提供I/O控制功能。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院45二、單道批處理的主要問(wèn)題特點(diǎn)：在內(nèi)存中始終只保持一道作業(yè)

自動(dòng)性、順序性、單道性

CPU和I/O設(shè)備使用忙閑不均（取決于當(dāng)前作業(yè)的特性）。對(duì)計(jì)算為主的作業(yè)，外設(shè)空閑；對(duì)I/O為主的作業(yè)，CPU空閑；2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院461.2.4多道批處理系統(tǒng)（multiprogrammingsystem）多道程序設(shè)計(jì)的概念：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”；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。60年代中~70年代中（集成電路），利用多道批處理提高資源的利用率。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院47多道批處理的運(yùn)行特征多道：內(nèi)存中同時(shí)存放幾個(gè)作業(yè)；宏觀上并行運(yùn)行：都處于運(yùn)行狀態(tài)，但都未運(yùn)行完；共享處理機(jī)時(shí)間和外部設(shè)備等資源；微觀上串行運(yùn)行：各作業(yè)交替使用CPU；作業(yè)的處理流程作業(yè)提交：輸入作業(yè)→作業(yè)執(zhí)行→作業(yè)完成：輸出作業(yè)2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院48批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理及狀態(tài)2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院49例：計(jì)算某個(gè)數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，要求從輸入機(jī)（速度為6400字符/秒）輸入500個(gè)字符，經(jīng)處理（費(fèi)時(shí)52毫秒）后，將結(jié)果存到磁帶機(jī)上（假設(shè)耗時(shí)20毫秒）；然后，再讀500個(gè)字符處理，直到所有數(shù)據(jù)都處理完畢。

在此計(jì)算過(guò)程中，處理器的利用率是：52/（78+52+20）≈35%①單道批處理系統(tǒng)：計(jì)算過(guò)程如下圖所示：2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院50②如果計(jì)算機(jī)同時(shí)接受兩道計(jì)算題，當(dāng)?shù)谝坏莱绦蛟诘却鈬O(shè)備的時(shí)候，讓第二道程序運(yùn)行，以降低CPU的等待時(shí)間，處理器的利用率顯然可以有所提高。例如，計(jì)算機(jī)在接受上述計(jì)算時(shí)還接受了另外一道算題：從另一臺(tái)磁帶機(jī)上輸入2000個(gè)字符（假設(shè)磁帶機(jī)的速度是10萬(wàn)字符/秒，則耗時(shí)20MS），經(jīng)42毫秒處理后，從行式打印機(jī)（速度為1350行/分）上輸出兩行(耗時(shí)88ms)當(dāng)這兩個(gè)算題同時(shí)進(jìn)入主存計(jì)算時(shí)，這個(gè)計(jì)算過(guò)程如下圖所示此時(shí)，處理器的利用率為：（52+42）/150≈63%2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院51

由此可以看出，讓幾道程序同時(shí)進(jìn)入計(jì)算比一道一道串行計(jì)算，CPU效率要提高。當(dāng)某道程序因故不能運(yùn)行下去時(shí)，管理程序便把CPU分給另外一道程序執(zhí)行，這樣可以使CPU和I/O設(shè)備盡量都處于忙碌狀態(tài)，這就是采用多道程序設(shè)計(jì)方法的主要原因。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院52再比如，如果有甲、乙兩道程序，如果一道程序獨(dú)占CPU運(yùn)行時(shí)每道程序要1小時(shí)，若此時(shí)CPU利用率是30%。粗略的說(shuō)，甲（或乙）執(zhí)行時(shí)，所需CPU處理時(shí)間為：1小時(shí)*30%=18分鐘假定甲、乙兩道程序按多道程序設(shè)計(jì)方法同時(shí)運(yùn)行，CPU利用率達(dá)50%，那么要提供36分鐘的CPU時(shí)間，大約需要72分鐘就可以把甲、乙兩道程序計(jì)算完畢。當(dāng)然，操作系統(tǒng)本身要花費(fèi)處理器的時(shí)間，所以實(shí)際花費(fèi)的時(shí)間要略長(zhǎng)一些，例如要80分鐘，而單道運(yùn)行時(shí)，要花費(fèi)120分鐘。因而，采用多道程序設(shè)計(jì)方法后，可以提高效率：（120-80）/120≈33%2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院53但是，如果單道運(yùn)行時(shí)，花60分鐘就可以看到運(yùn)行結(jié)果，而多道運(yùn)行時(shí)，要80分鐘才有結(jié)果。所以，多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量是以犧牲用戶的響應(yīng)時(shí)間為代價(jià)的。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院54單道(uniprogramming)和多道批處理的比較多道程序系統(tǒng)和多處理系統(tǒng)(multiprocessingsystem)的區(qū)別：前者指多個(gè)程序同時(shí)在內(nèi)存中交替運(yùn)行，后者指多個(gè)處理器。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院55多道批處理系統(tǒng)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：資源利用率高：CPU和內(nèi)存利用率較高；作業(yè)吞吐量大：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的工作總量大；缺點(diǎn)：用戶交互性差：整個(gè)作業(yè)完成后或中間出錯(cuò)時(shí)才與用戶交互，不利于調(diào)試和修改；作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)：短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間顯著增長(zhǎng)；2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院56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)題處理機(jī)的高效分配與回收(2)內(nèi)存管理問(wèn)題每道程序的存儲(chǔ)空間的安排與保護(hù)(3)I/O設(shè)備管理問(wèn)題多類型的I/O設(shè)備高效分配與方便使用(4)文件管理問(wèn)題程序與數(shù)據(jù)的組織管理(5)作業(yè)管理問(wèn)題根據(jù)作業(yè)的類型特點(diǎn)，輕重緩急組織作業(yè)

2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院571.2.5分時(shí)系統(tǒng)（time-sharingsystem）“分時(shí)”的含義:指在一臺(tái)主機(jī)上，連接了多個(gè)帶顯示器和鍵盤的終端，同時(shí)允許多個(gè)用戶共享主機(jī)中的資源，每個(gè)用戶都可以使用自己的終端和主機(jī)交互。70年代中期至今2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院58概念：按時(shí)間片輪流把處理機(jī)分配給各聯(lián)機(jī)作業(yè)使用產(chǎn)生原因：人機(jī)交互性好：在調(diào)試和運(yùn)行程序時(shí)由用戶自己操作。共享主機(jī)：多個(gè)用戶同時(shí)使用。用戶獨(dú)立性：對(duì)每個(gè)用戶而言好象獨(dú)占主機(jī)。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院59分時(shí)系統(tǒng)的主要問(wèn)題及時(shí)接受輸入：多個(gè)I/O端口，設(shè)立多路緩沖區(qū)及時(shí)響應(yīng)：提高對(duì)換速度（快速外存）限制用戶數(shù)目縮短時(shí)間片（可能引起對(duì)換次數(shù)增多，開銷增大，程序總運(yùn)行時(shí)間增大）2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院60分時(shí)操作系統(tǒng)的特征：（a）多路性：一臺(tái)計(jì)算機(jī)與若干終端相連接，終端上的用戶可以同時(shí)或基本同時(shí)使用計(jì)算機(jī)。（b）獨(dú)立性：由于時(shí)間片很短，使用戶感覺(jué)不到別人也在使用這臺(tái)計(jì)算機(jī)，好象只有自己獨(dú)占機(jī)器一樣。（c）及時(shí)性：用戶的請(qǐng)求在很短時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)。（d）交互性：用戶通過(guò)終端與系統(tǒng)人機(jī)對(duì)話。在分時(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，操作系統(tǒng)的發(fā)展開始分化，如實(shí)時(shí)系統(tǒng)、通用系統(tǒng)、個(gè)人系統(tǒng)等。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院611.2.6實(shí)時(shí)系統(tǒng)(real-timesystem)⑴實(shí)時(shí)系統(tǒng)的引入：實(shí)時(shí)控制（如生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制）、實(shí)時(shí)信息處理（如機(jī)票訂票系統(tǒng)、情報(bào)檢索系統(tǒng)等）⑵實(shí)時(shí)系統(tǒng)定義

實(shí)時(shí)：指對(duì)隨機(jī)發(fā)生的外部事件做出及時(shí)反應(yīng)并對(duì)其進(jìn)行處理。（所謂事件時(shí)指來(lái)自與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接的設(shè)備所提出的服務(wù)要求和采集數(shù)據(jù)）

實(shí)時(shí)系統(tǒng)：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。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院62⑶實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的主要特征：及時(shí)響應(yīng)；（實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理）高可靠性；容錯(cuò)能力（如故障自動(dòng)復(fù)位）和冗余備份（雙機(jī)、關(guān)鍵部件）專用性；少人工干預(yù)；2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院63實(shí)時(shí)系統(tǒng)的類型：（1）工業(yè)（武器）控制系統(tǒng)（2）信息查詢系統(tǒng)（3）多媒體系統(tǒng)（4）嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)任務(wù)類型：按任務(wù)執(zhí)行時(shí)是否出現(xiàn)周期劃分：周期性實(shí)時(shí)任務(wù)、非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)。根據(jù)對(duì)截止時(shí)間的要求劃分：硬實(shí)時(shí)任務(wù)、軟實(shí)時(shí)任務(wù)。目前的操作系統(tǒng)，通常具有分時(shí)、實(shí)時(shí)和批處理功能，又稱作通用操作系統(tǒng)?？蛇m用于計(jì)算、事務(wù)處理等多種領(lǐng)域，能運(yùn)行在多種硬件平臺(tái)上，如UNIX系統(tǒng)、WindowsNT等。－－通用化、小型化2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院65實(shí)時(shí)系統(tǒng)與批處理系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)的區(qū)別專用系統(tǒng)：許多實(shí)時(shí)系統(tǒng)是專用系統(tǒng)，而批處理與分時(shí)系統(tǒng)通常是通用系統(tǒng)。實(shí)時(shí)控制：實(shí)時(shí)系統(tǒng)用于控制實(shí)時(shí)過(guò)程，要求對(duì)外部事件的迅速響應(yīng)，具有較強(qiáng)的中斷處理機(jī)構(gòu)。高可靠性：實(shí)時(shí)系統(tǒng)用于控制重要過(guò)程，要求高度可靠，具有較高冗余。如雙機(jī)系統(tǒng)。事件驅(qū)動(dòng)和隊(duì)列驅(qū)動(dòng)：實(shí)時(shí)系統(tǒng)的工作方式：接受外部消息，分析消息，調(diào)用相應(yīng)處理程序進(jìn)行處理?？膳c通用系統(tǒng)結(jié)合成通用實(shí)時(shí)系統(tǒng)：實(shí)時(shí)處理前臺(tái)作業(yè)，批處理為后臺(tái)作業(yè)。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院66現(xiàn)代通用操作系統(tǒng)：多道批處理、分時(shí)、實(shí)時(shí)的結(jié)合，如UNIX。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院671.3操作系統(tǒng)的其它分類1.3.1個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)1.3.2多處理器操作系統(tǒng)1.3.3網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)1.3.4分布式操作系統(tǒng)返回2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院681.3.1個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

(PersonalComputerOperatingSystem)個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的特征應(yīng)用領(lǐng)域：事務(wù)處理、個(gè)人娛樂(lè)，系統(tǒng)要求：使用方便、支持多種硬件和外部設(shè)備（多媒體設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程通信）、效率不必很高。常用的個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)單用戶單任務(wù)：MSDOS單用戶多任務(wù)：OS/2,MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows2000Professional多用戶多任務(wù)：UNIX(SCOUNIX,Solarisx86,Linux,FreeBSD)2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院691.3.2多處理操作系統(tǒng)

(Multi-processorOperatingSystem)多處理機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)增加系統(tǒng)的吞吐量：N個(gè)處理器加速比達(dá)不到N倍（額外的調(diào)度開銷，算法的并行化）節(jié)省投資提高系統(tǒng)可靠性：故障時(shí)系統(tǒng)降級(jí)運(yùn)行多處理操作系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能和可靠性。提高性能有兩條途徑：提高各個(gè)組成部分的速度、增大處理的并行程度。1975年前后，出現(xiàn)多處理機(jī)系統(tǒng)(multi-processor)。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院70多處理機(jī)系統(tǒng)的類型緊密耦合(tightly-coupled)：各處理機(jī)之間通過(guò)快速總線或開關(guān)陣列相連，共享內(nèi)存，整體系統(tǒng)由一個(gè)統(tǒng)一的OS管理（一個(gè)OS核心）。松散耦合(loosely-coupled)：各處理機(jī)帶有各自的存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備和操作系統(tǒng)，通過(guò)通道或通信線路相連。每個(gè)處理機(jī)上獨(dú)立運(yùn)行OS。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院71多處理操作系統(tǒng)的類型非對(duì)稱式多處理(AsymmetricMultiprocessing,ASMP)：又稱主從模式(Master-slavemode)。主處理器：只有一個(gè)，運(yùn)行OS。管理整個(gè)系統(tǒng)的資源，為從處理器分配任務(wù)；從處理器：可有多個(gè)，執(zhí)行應(yīng)用程序或I/O處理。特點(diǎn)：不同性質(zhì)任務(wù)的負(fù)載不均，可靠性不夠高，不易移植（通常要求硬件也是"非對(duì)稱"）。對(duì)稱式多處理(SymmetricMultiprocessing,SMP)：OS交替在各個(gè)處理器上執(zhí)行。任務(wù)負(fù)載較為平均，性能調(diào)節(jié)容易－－"傻瓜式"2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院72對(duì)稱多處理機(jī)與非對(duì)稱多處理機(jī)的比較2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院732023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院741.3.3網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

(NOS,NetworkOperatingSystem)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是在通常操作系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上提供網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為網(wǎng)上計(jì)算機(jī)進(jìn)行方便而有效的網(wǎng)絡(luò)資源共享，提供網(wǎng)絡(luò)用戶所需各種服務(wù)的軟件和相關(guān)規(guī)程的集合。網(wǎng)絡(luò)功能與操作系統(tǒng)的結(jié)合程度是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。早期的作法是通常操作系統(tǒng)附加網(wǎng)絡(luò)軟件，過(guò)渡到網(wǎng)絡(luò)功能成為操作系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。它們的區(qū)別在于：網(wǎng)絡(luò)功能的強(qiáng)弱、使用是否方便等。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院75計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一些自主的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)通信設(shè)施相互連接，完成信息交換、資源共享、互操作和協(xié)同工作等功能。引入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的目的：完成新的應(yīng)用（進(jìn)行自動(dòng)的信息交換），提高性能－價(jià)格比（共享昂貴資源）2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院76計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌▊鬏斆襟w和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所連接的幾何形狀）：星形、環(huán)形、總線形、不規(guī)則形等；按地理范圍：局域網(wǎng)（LAN,LocalAreaNetwork）、城域網(wǎng)(MAN,MetropolitanAreaNetwork)、廣域網(wǎng)(WAN,WideAreaNetwork)；按網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)－－內(nèi)在特性，決定其性能（如效率隨負(fù)載的變化、實(shí)時(shí)性、優(yōu)先級(jí)）Ethernet,TokenRing,FDDI,X.25,ATM2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院77網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的功能通常操作系統(tǒng)的功能：處理機(jī)管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理、文件管理等；網(wǎng)絡(luò)通信功能：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸；網(wǎng)絡(luò)資源管理：協(xié)調(diào)各用戶使用；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：文件和設(shè)備共享，信息發(fā)布；網(wǎng)絡(luò)管理：安全管理、故障管理、性能管理等；互操作：直接控制對(duì)方比交換數(shù)據(jù)更為困難；2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院781.3.4分布式操作系統(tǒng)(DistributedOperatingSystem)分布式系統(tǒng)：處理和控制的分散（相對(duì)于集中式系統(tǒng)）分布式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的，它的基本特征是處理上的分布，即功能和任務(wù)的分布。分布式操作系統(tǒng)的所有系統(tǒng)任務(wù)可在系統(tǒng)中任何處理機(jī)上運(yùn)行，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的任務(wù)分配并自動(dòng)調(diào)度各處理機(jī)的工作負(fù)載。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院79分布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的比較耦合程度：分布式系統(tǒng)是緊密耦合系統(tǒng)：分布式OS是在各機(jī)上統(tǒng)一建立的"OS同質(zhì)"，直接管理CPU、存儲(chǔ)器和外設(shè)；統(tǒng)一進(jìn)行全系統(tǒng)的管理；網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)通常容許異種OS互連，各機(jī)上各種服務(wù)程序需按不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議"協(xié)議同質(zhì)"。并行性：分布式OS可以將一個(gè)進(jìn)程分散在各機(jī)上并行執(zhí)行"進(jìn)程遷移"；網(wǎng)絡(luò)則各機(jī)上的進(jìn)程獨(dú)立。透明性：用戶是否知道或指定資源在哪個(gè)機(jī)器上（如CPU、內(nèi)存或外設(shè)）。分布式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度對(duì)用戶透明，用戶不了解所占有資源的位置；網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的使用要由用戶明確指定；健壯性：分布式系統(tǒng)要求更強(qiáng)的容錯(cuò)能力（工作時(shí)系統(tǒng)重構(gòu)）2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院801.4操作系統(tǒng)的特征1.4.1操作系統(tǒng)的特征1.4.2操作系統(tǒng)的服務(wù)返回2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院811.4.1操作系統(tǒng)的特征并發(fā)(concurrency)共享(sharing)虛擬(virtual)異步性(asynchronism)2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院82并發(fā)(concurrency)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：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生；并發(fā)性：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。在多道程序處理時(shí)，宏觀上并發(fā)，微觀上交替執(zhí)行（在單處理器情況下）。程序的靜態(tài)實(shí)體是可執(zhí)行文件，而動(dòng)態(tài)實(shí)體是進(jìn)程（或稱作任務(wù)），并發(fā)指的是進(jìn)程。操作系統(tǒng)是一個(gè)并發(fā)系統(tǒng)，各進(jìn)程間的并發(fā)，系統(tǒng)與應(yīng)用間的并發(fā)。操作系統(tǒng)要完成這些并發(fā)過(guò)程的管理。并行(parallel)是指在同一時(shí)刻發(fā)生。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院83進(jìn)程概念的引入通常的程序是靜態(tài)實(shí)體，是不能并發(fā)執(zhí)行的。為使程序能并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)必須分別為每個(gè)程序建立進(jìn)程。進(jìn)程(process)，又稱任務(wù)(task)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是指在系統(tǒng)中能獨(dú)立運(yùn)行并作為資源分配的基本單位，它是一個(gè)活動(dòng)實(shí)體。多個(gè)進(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行和交換信息。引入進(jìn)程的目的是使程序能并發(fā)執(zhí)行。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院84共享(sharing)資源共享的兩種方式互斥共享（如音頻設(shè)備）：資源分配后到釋放前，不能被其他進(jìn)程所用。（稱為臨界資源或獨(dú)占資源。）同時(shí)訪問(wèn)（如可重入代碼，磁盤文件）多個(gè)進(jìn)程共享有限的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配和使用。資源在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)交替被多個(gè)進(jìn)程所用。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院85虛擬(virtual)CPU－－每個(gè)用戶（進(jìn)程）的"虛處理機(jī)"存儲(chǔ)器－－每個(gè)進(jìn)程都占有的地址空間（指令＋數(shù)據(jù)＋堆棧）顯示設(shè)備－－多窗口或虛擬終端(virtualterminal)如果虛擬的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即對(duì)某一物理設(shè)備進(jìn)行分時(shí)使用，設(shè)N是某物理設(shè)備所對(duì)應(yīng)的虛擬的邏輯設(shè)備數(shù)，則每臺(tái)虛擬設(shè)備的平均速度必然等于或低于物理設(shè)備速度的1/N。類似地，如果是利用空分復(fù)用方法來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬，此時(shí)一臺(tái)虛擬設(shè)備平均占用的空間必然也等于或低于物理設(shè)備所擁有空間的1/N。一個(gè)物理實(shí)體映射為若干個(gè)對(duì)應(yīng)的邏輯實(shí)體－分時(shí)或分空間。虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院86異步性(asynchronism)進(jìn)程的運(yùn)行速度不可預(yù)知：分時(shí)系統(tǒng)中，多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，"時(shí)走時(shí)停"，不可預(yù)知每個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行推進(jìn)快慢判據(jù)：無(wú)論快慢，應(yīng)該結(jié)果相同－－通過(guò)進(jìn)程互斥和同步手段來(lái)保證難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)（包括重現(xiàn)運(yùn)行中的錯(cuò)誤）性能保證：實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)相似，但通過(guò)資源預(yù)留以保證性能也稱不確定性，指進(jìn)程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時(shí)間的不確定性；2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院871.4.2操作系統(tǒng)的服務(wù)服務(wù)類型程序執(zhí)行和終止（包括分配和回收資源）I/O操作文件系統(tǒng)操作通信：本機(jī)內(nèi)，計(jì)算機(jī)之間（通常通信服務(wù)的使用者為進(jìn)程，而不是籠統(tǒng)說(shuō)"主機(jī)"）配置管理：硬件、OS本身、其他軟件差錯(cuò)檢測(cè)服務(wù)提供方式：系統(tǒng)命令和系統(tǒng)調(diào)用2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院881.4.3現(xiàn)代操作系統(tǒng)特點(diǎn)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)

多線程機(jī)制

對(duì)稱多處理器(SMP)機(jī)制

有兩個(gè)或兩個(gè)以上的處理器所有處理器共享主存、I／0設(shè)備。這些處理器由總線或其他內(nèi)部連接模式相連接所有處理器執(zhí)行同樣的功能

分布式操作系統(tǒng)

在操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中普遍采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，以及軟件工程中其他原則

2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院891.5.1處理機(jī)管理進(jìn)程控制：創(chuàng)建、撤銷、掛起、改變運(yùn)行優(yōu)先級(jí)等－－主動(dòng)改變進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程同步：協(xié)調(diào)并發(fā)進(jìn)程之間的推進(jìn)步驟，以協(xié)調(diào)資源共享；－－交換信息能力弱進(jìn)程通信：進(jìn)程之間傳送數(shù)據(jù)，以協(xié)調(diào)進(jìn)程間的協(xié)作；－－交換信息能力強(qiáng)，也可以用來(lái)協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的推進(jìn)進(jìn)程調(diào)度：作業(yè)和進(jìn)程的運(yùn)行切換，以充分利用處理機(jī)資源和提高系統(tǒng)性能；－－未必是進(jìn)程控制操作所引起（可能是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)、I/O操作）同一類型內(nèi)的公平性、高效率（吞吐量大）、作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間等完成處理機(jī)資源的分配調(diào)度等功能。處理機(jī)調(diào)度的單位可為進(jìn)程或線程。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院901.5.2存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)分配與回收存儲(chǔ)保護(hù)：保證進(jìn)程間互不干擾、相互保密；如：訪問(wèn)合法性檢查、甚至要防止從"垃圾"中竊取其他進(jìn)程的信息；地址映射（變換）：進(jìn)程邏輯地址到內(nèi)存物理地址的映射；內(nèi)存擴(kuò)充（覆蓋、交換和虛擬存儲(chǔ)）：提高內(nèi)存利用率、擴(kuò)大進(jìn)程的內(nèi)存空間；管理目標(biāo)：提高利用率、方便用戶使用、提供足夠的存儲(chǔ)空間、方便進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院911.5.3設(shè)備管理設(shè)備操作：利用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（通常在內(nèi)核中）完成對(duì)設(shè)備的操作。還需處理外設(shè)的IRQ（InterruptRequest）。設(shè)備獨(dú)立性(deviceindependence)：提供統(tǒng)一的I/O設(shè)備接口，使應(yīng)用程序獨(dú)立于物理設(shè)備，提高可適應(yīng)性；在同樣的接口和操作下完成不同的內(nèi)容（如FAXModem作為Windows上的打印機(jī)設(shè)備）。設(shè)備分配與回收：在多用戶間共享I/O設(shè)備資源。虛擬設(shè)備(virtualdevice)：設(shè)備由多個(gè)進(jìn)程共享，每個(gè)進(jìn)程如同獨(dú)占。緩沖區(qū)管理：匹配CPU和外設(shè)的速度，提高兩者的利用率（單緩沖區(qū)、雙緩沖區(qū)和公用緩沖區(qū)）設(shè)備管理的目標(biāo)是：方便的設(shè)備使用、提高CPU與I/O設(shè)備利用率；2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院921.5.4信息管理文件存儲(chǔ)空間管理：解決如何存放信息，以提高空間利用率和讀寫性能。目錄管理：解決信息檢索問(wèn)題。文件的屬性（如文件名）、單一副本賦予多文件名(軟鏈接、硬鏈接)文件的讀寫管理和存取控制：解決信息安全問(wèn)題。系統(tǒng)設(shè)口令"哪個(gè)用戶"、用戶分類"哪個(gè)用戶組"、文件權(quán)限"針對(duì)用戶或用戶組的讀寫權(quán)"軟件管理：軟件的版本、相互依賴關(guān)系、安裝和拆除等解決軟件資源的存儲(chǔ)、共享、保密和保護(hù)。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院931.5.5用戶接口用戶接口：供用戶用于組織和控制自己的作業(yè)運(yùn)行。命令行、菜單式或GUI"聯(lián)機(jī)"；命令腳本"脫機(jī)"編程接口：供用戶程序和系統(tǒng)程序調(diào)用操作系統(tǒng)功能。系統(tǒng)調(diào)用和高級(jí)語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)；目標(biāo)：提供一個(gè)友好的用戶訪問(wèn)操作系統(tǒng)的接口。操作系統(tǒng)向上提供兩種接口：2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院94操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隨著操作系統(tǒng)的發(fā)展，功能越強(qiáng)，OS自身代碼量越大－－采用良好的結(jié)構(gòu)：有利于保證正確性以及自身修改和擴(kuò)充。操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則可維護(hù)性容易修改與否稱為可維護(hù)性；有三種可能的維護(hù)：改錯(cuò)性維護(hù)：改正已發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤；適應(yīng)性維護(hù)：修改軟件，使之適應(yīng)新的運(yùn)行環(huán)境（硬件環(huán)境和軟件環(huán)境）；如：操作系統(tǒng)的移植。完善性維護(hù)：增加新功能；可靠性可靠性包括兩方面：正確性：正確實(shí)現(xiàn)所要求的功能和性能；穩(wěn)健性：對(duì)意外（故障和誤操作）作出適當(dāng)?shù)奶幚恚?023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院95操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可理解性易于理解，以方便測(cè)試、維護(hù)和交流；性能有效地使用系統(tǒng)資源；盡可能快地響應(yīng)用戶請(qǐng)求；2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院96OS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)結(jié)構(gòu)模塊式層次式微內(nèi)核2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院971.5.1傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.無(wú)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)一組過(guò)程集，各過(guò)程可相互調(diào)用，也叫整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)：邏輯復(fù)雜，維護(hù)困難.2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院98傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2）2、模塊化操作系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)模塊由眾多服務(wù)過(guò)程（模塊接口）組成，可以隨意調(diào)用其他模塊中的服務(wù)過(guò)程－－如UNIX系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：具有一定靈活性，在運(yùn)行中的高效率缺點(diǎn)：功能劃分和模塊接口難保正確和合理；模塊之間的依賴關(guān)系（功能調(diào)用關(guān)系）復(fù)雜（調(diào)用深度和方向），降低了模塊之間的相對(duì)獨(dú)立性－－不利于修改2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院99圖1-6模塊化操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院100傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（3）3、分層式操作系統(tǒng)有序分層的基本概念可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜度下層為上層提供服務(wù)層次的設(shè)置應(yīng)考慮的因素程序嵌套：各模塊間嵌套關(guān)系復(fù)雜運(yùn)行頻率：隨層次的增高，相應(yīng)軟件的運(yùn)行速度就隨之下降公用模塊：低層用戶接口：高層2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院101分層原則被調(diào)用功能在低層：如文件系統(tǒng)管理－－設(shè)備管理－－設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序活躍功能在低層：提高運(yùn)行效率資源管理的公用模塊放在最低層：如緩沖區(qū)隊(duì)列、堆棧操作存儲(chǔ)器管理放在次低層：便于利用虛擬存儲(chǔ)功能最低層的硬件抽象層：與機(jī)器特點(diǎn)緊密相關(guān)的軟件放在最低層。如WindowsNT中的HAL－－單處理、多處理資源分配策略和外殼放在最外層，便于修改或適應(yīng)不同環(huán)境2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院102分層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：功能明確，調(diào)用關(guān)系清晰（高層對(duì)低層單向依賴），有利于保證設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的正確性低層和高層可分別實(shí)現(xiàn)（便于擴(kuò)充）；高層錯(cuò)誤不會(huì)影響到低層；避免遞歸調(diào)用缺點(diǎn)：降低了運(yùn)行效率（層間通信開銷）各系統(tǒng)對(duì)具體劃分多少層次有不同的看法。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院1031.5.2客戶/服務(wù)器模式(Client-ServerModel)客戶/服務(wù)器系統(tǒng)主要由客戶機(jī)、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)三個(gè)部分組成。(1)客戶機(jī)：通常在一個(gè)LAN網(wǎng)絡(luò)上連接有多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)工作站(簡(jiǎn)稱客戶機(jī))，每臺(tái)客戶機(jī)都是一個(gè)自主計(jì)算機(jī)，具有一定的處理能力，客戶進(jìn)程在其上運(yùn)行，平時(shí)它處理一些本地業(yè)務(wù)，也可發(fā)送一個(gè)消息給服務(wù)器，以請(qǐng)求某項(xiàng)服務(wù)。(2)服務(wù)器：通常是一臺(tái)規(guī)模較大的機(jī)器，在其上駐留有網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等，它應(yīng)能為網(wǎng)上所有的用戶提供一種或多種服務(wù)。平時(shí)它一直處于工作狀態(tài)，被動(dòng)地等待來(lái)自客戶機(jī)的請(qǐng)求，一旦檢查到有客戶提出服務(wù)請(qǐng)求，便去完成客戶的請(qǐng)求，并將結(jié)果送回客戶。這樣，工作站中的用戶進(jìn)程與服務(wù)器進(jìn)程便形成了客戶/服務(wù)器關(guān)系。(3)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：用于連接所有客戶機(jī)和服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)它們之間通信和網(wǎng)絡(luò)資源共享的系統(tǒng)。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院104客戶機(jī)/服務(wù)器模式的優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)的分布處理和存儲(chǔ)便于集中管理靈活性和可擴(kuò)充性易于改編應(yīng)用軟件缺點(diǎn)：基本客戶/服務(wù)器模式的不足之處是中心服務(wù)器存在著不可靠性和瓶頸問(wèn)題2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院1051.5.3面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)1、面向?qū)ο蠹夹g(shù)的基本概念面向?qū)ο蠹夹g(shù)是20世紀(jì)80年代初提出并很快流行起來(lái)的。該技術(shù)是基于“抽象”和“隱蔽”原則來(lái)控制大型軟件的復(fù)雜度的。所謂對(duì)象，是指在現(xiàn)實(shí)世界中具有相同屬性、服從相同規(guī)則的一系列事物的抽象，而把其中的具體事物稱為對(duì)象的實(shí)例。OS中的各類實(shí)體如進(jìn)程、線程、消息、存儲(chǔ)器等，都使用了對(duì)象這一概念，相應(yīng)地，便有進(jìn)程對(duì)象線程對(duì)象、存儲(chǔ)器對(duì)象等。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院106圖1-7一個(gè)對(duì)象的示意圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)過(guò)程1過(guò)程2過(guò)程32023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院107

(1)可修改性和可擴(kuò)充性。由于隱蔽了表示實(shí)體的數(shù)據(jù)和操作，因而可以改變對(duì)象的表示而不會(huì)影響其它部分，從而可以方便地改變老的對(duì)象和增加新的對(duì)象。

(2)繼承性。繼承性是面向?qū)ο蠹夹g(shù)所具有的重要特性。繼承性是指子對(duì)象可以繼承父對(duì)象的屬性，這樣，在創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象時(shí)，便可減少大量的時(shí)空開銷。

(3)正確性和可靠性。由于對(duì)象是構(gòu)成操作系統(tǒng)的基本單元，可以獨(dú)立地對(duì)它進(jìn)行測(cè)試，這樣，比較易于保證其正確性和可靠性，從而比較容易保證整個(gè)系統(tǒng)的正確性和可靠性。

2、面向?qū)ο蠹夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn)2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院108

1.5.3.微內(nèi)核技術(shù)1).微內(nèi)核技術(shù)的引入---提高系統(tǒng)的靈活性；所謂微內(nèi)核技術(shù)，是指精心設(shè)計(jì)的、能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代OS核心功能的小型內(nèi)核它與一般的OS(程序)不同，它更小更精煉，它不僅運(yùn)行在核心態(tài)，而且開機(jī)后常駐內(nèi)存，它不會(huì)因內(nèi)存緊張而被換出內(nèi)存。微內(nèi)核并非是一個(gè)完整的OS，而只是為構(gòu)建通用OS提供一個(gè)重要基礎(chǔ)。由于在微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)中，通常都采用了客戶/服務(wù)器模式，因此OS的大部分功能和服務(wù)，都是由若干服務(wù)器來(lái)提供的，如文件服務(wù)器、作業(yè)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院109

2)微內(nèi)核的基本功能微內(nèi)核所提供的功能，通常都是一些最基本的功能，如進(jìn)程管理、存儲(chǔ)器管理、進(jìn)程間通信、低級(jí)I/O功能。

(1)進(jìn)程管理。

(2)存儲(chǔ)器管理。

(3)進(jìn)程通信管理。

(4)I/O設(shè)備管理。2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院110WindowsNT體系結(jié)構(gòu)2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院111簡(jiǎn)化的Windows2000體系結(jié)構(gòu)2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院112微內(nèi)核模式的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：良好的擴(kuò)充性：只需添加支持新功能的服務(wù)進(jìn)程即可可靠性好：調(diào)用關(guān)系明確，執(zhí)行轉(zhuǎn)移不易混亂便于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)分布式處理：以同樣的調(diào)用形式，在下層可通過(guò)核心中的網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)方服務(wù)器上缺點(diǎn)：消息傳遞比直接調(diào)用效率要低一些(但可以通過(guò)提高硬件性能來(lái)補(bǔ)償)2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院1131.6常用的操作系統(tǒng)1.6.1MSDOS1.6.2MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows20001.6.3UNIX返回2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院1141.6.1MSDOS1981年：PC-DOS1.1：IBMPC，只支持軟盤的個(gè)人操作系統(tǒng)；1983年：DOS2.0：PCXT，支持硬盤和目錄的層次結(jié)構(gòu)，并提供豐富的系統(tǒng)命令；1984年：DOS3.0：PCAT(Intel80286CPU)，它把286作為一個(gè)快速的8086使用；1987年：DOS3.3：提供對(duì)IBMPS/2的支持（如3.5"軟驅(qū)），提供了更多的應(yīng)用；1988年：DOS4.0：支持大于32M的硬盤；1991年：DOS5.0：改進(jìn)對(duì)擴(kuò)展內(nèi)存的支持；IBMPC,CPU8088/8086,BIOS單用戶單任務(wù)，簡(jiǎn)單分層結(jié)構(gòu)，16位MSDOS的歷史2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院115MSDOS的結(jié)構(gòu)DOSBIOS(BasicInput/OutputSystem)：由一組與硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序組成，實(shí)現(xiàn)基本的輸入/輸出功能；DOS核心：提供一套獨(dú)立于硬件的系統(tǒng)功能：內(nèi)存管理、文件管理、字符設(shè)備和輸入/輸出、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等；命令處理程序：對(duì)用戶命令進(jìn)行分析和執(zhí)行；2023/2/3南曉數(shù)信學(xué)院116MSDOS的特點(diǎn)字符用戶界面。作業(yè)管理：命令行，批處理程序（BAT文件），菜單式。編程時(shí)通過(guò)軟中斷調(diào)用(int21h)來(lái)使用系統(tǒng)功能。不區(qū)分用戶。"準(zhǔn)多任務(wù)"：通過(guò)內(nèi)存駐留程序TSR(TerminatedandStayResident)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)時(shí)鐘中斷或鍵盤中斷"熱鍵hotkey"來(lái)激活其他任務(wù)。不支持虛擬存儲(chǔ)，沒(méi)有存儲(chǔ)保護(hù)。采用段式分配(內(nèi)存塊)，可直接訪問(wèn)的最大地址空間為1MB。其余的內(nèi)存只能通過(guò)作為