計算機操作系統(tǒng)第1章 緒論

第1章緒論計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件：CPU、主存儲器、輔存儲器及各種各樣的外部設(shè)備都是硬件。軟件：完成一定任務(wù)的程序及其數(shù)據(jù)。包括系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件有操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)、編輯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等；應(yīng)用軟件是為各種應(yīng)用目的而編制的程序。單道和多道程序設(shè)計

單道程序設(shè)計是指在計算機系統(tǒng)內(nèi)任何時候最多只存放和運行一道程序，這樣的系統(tǒng)叫單道系統(tǒng)，也叫單用戶單任務(wù)系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)內(nèi)，一道程序享用計算機系統(tǒng)的全部資源，不存在資源的分配和回收這樣的管理問題，因此其操作系統(tǒng)功能較簡單，主要是管理磁盤和文件，如早期的DOS(Disk-OperatingSystem)系統(tǒng)。多道程序設(shè)計是指在計算機系統(tǒng)內(nèi)同時存放和運行多道程序，這樣的系統(tǒng)叫多道系統(tǒng)。在多道系統(tǒng)內(nèi)，多個程序共享系統(tǒng)的各種資源，于是就存在在多個程序之間分配和回收系統(tǒng)資源這樣較復(fù)雜的管理問題，因此，其操作系統(tǒng)的功能也較為復(fù)雜。本課程講述的操作系統(tǒng)原理是建立在多道程序設(shè)計的基礎(chǔ)之上的。

單道和多道系統(tǒng)圖示CPUOSOSCPU單道系統(tǒng)多道系統(tǒng)1.1什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)(OS:OperatingSystem)是計算機系統(tǒng)中最重要和最基本的系統(tǒng)軟件，是其他軟件的支撐軟件。它管理計算機系統(tǒng)資源，并通過這種管理為用戶提供公共的和基本的服務(wù)，從而成為用戶與計算機之間的接口。這段話說了操作系統(tǒng)是什么，也說了操作系統(tǒng)干什么。

1，操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件，例如：UnixV7+:17650行；43個程序文件(6個匯編.s，37個“C”.c)；34個數(shù)據(jù)定義文件(.h)；314個函數(shù)；

2，管理系統(tǒng)資源，硬件和軟件，管理的目的；3，提供用戶需要的公共和基本的服務(wù)(P2)；看待操作系統(tǒng)的兩種觀點

資源管理觀點：操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)資源的管理者。從管理觀點出發(fā)，可以把操作系統(tǒng)比喻成一個國家的政府機構(gòu)；服務(wù)用戶觀點：操作系統(tǒng)是用戶與計算機硬件之間的接口，為用戶使用計算機提供公共的和基本的服務(wù)。從服務(wù)觀點看，操作系統(tǒng)也可比喻成一個國家的政府機構(gòu)。因此，可以用兩種觀點看待操作系統(tǒng)：操作系統(tǒng)與其它軟件的關(guān)系操作系統(tǒng)是配置在計算機硬件上的第一層軟件，是對計算機硬件的第一次擴充，位于硬件與其他軟件之間。其它軟件的運行要得到它的支持和服務(wù)。應(yīng)用程序編譯程序編輯程序

……操作系統(tǒng)硬件用戶操作系統(tǒng)是其他軟件的基礎(chǔ)和支撐1.2操作系統(tǒng)的分類當前，在各種機器上運行的操作系統(tǒng)多達幾十種，其中最著名的是Windows、Linux、Unix、MVS和VMS等。總體上講，各種操作系統(tǒng)可以分成以下三種類型:批處理操作系統(tǒng)；分時操作系統(tǒng)；實時操作系統(tǒng)；■1.2.1批處理操作系統(tǒng)

批處理系統(tǒng)(BatchSystem)，是從后備作業(yè)中一批一批地調(diào)度作業(yè)到主存運行的系統(tǒng)，支持這種運行方式的操作系統(tǒng)叫批處理操作系統(tǒng)，簡稱批處理系統(tǒng)。批處理系統(tǒng)的工作方式如下圖所示。CPU主存儲器....后備作業(yè)結(jié)果輸出收容后備運行完成1.2.2分時操作系統(tǒng)分時系統(tǒng)是一臺主機帶多個終端(terminals)的系統(tǒng)，每個終端都有一個用戶，以交互會話方式共用一臺主機，因此也叫多用戶多任務(wù)系統(tǒng)。支持這種系統(tǒng)的操作系統(tǒng)叫分時操作系統(tǒng)；分時操作系統(tǒng)的工作方式是以“時間片”為單位輪轉(zhuǎn)地為每個在線用戶服務(wù)，其追求的目標是使每個用戶都感覺不到其他用戶的存在，就好像他單獨使用一臺機器一樣。分時系統(tǒng)的工作方式如下圖所示。CPU主存用戶以命令的方式請求主機的服務(wù)，主機以時間片輪轉(zhuǎn)的方式為每個在線用戶服務(wù)。終端1終端2終端3終端n分時操作系統(tǒng)的特征多路性：一臺計算機與若干臺終端相連接，終端上的這些用戶可以同時使用計算機；交互性：用戶通過終端采用人機會話的方式直接控制程序的運行，同程序和主機進行交互；獨立性：用戶彼此之間都感覺不到別人也在使用這臺計算機，好像只有自己獨占計算機一樣；及時性：用戶請求能在很短時間內(nèi)獲得響應(yīng)。1.2.3實時操作系統(tǒng)實時系統(tǒng)是能及時響應(yīng)外部事件的請求，并在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理的系統(tǒng)。實時系統(tǒng)一般都是專用系統(tǒng)，大體上又可以分為兩種類型，即“過程控制系統(tǒng)”和“信息處理系統(tǒng)”。支持實時系統(tǒng)的操作系統(tǒng)叫實時操作系統(tǒng)，它追求的目標是“及時性”和“可靠性”。

上面我們介紹了操作系統(tǒng)的三種類型，事實上，操作系統(tǒng)也可以按其它標準分類，例如，可以分成單用戶單任務(wù)系統(tǒng)，單用戶多任務(wù)系統(tǒng)和多用戶多任務(wù)系統(tǒng)等。1.3操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.3.1從整體上看，操作系統(tǒng)可分為兩部分：內(nèi)核（kernel）：實現(xiàn)操作系統(tǒng)最基本功能的程序模塊的集合。包含中斷、時鐘管理及各種原語，進程管理、存儲器管理、設(shè)備管理和文件管理等；外殼（shell）：運行于內(nèi)核之上，完成操作系統(tǒng)外層功能的程序。如編輯程序、編譯程序、診斷程序、命令解釋程序等。內(nèi)核外殼操作系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖■內(nèi)核的結(jié)構(gòu)

不同操作系統(tǒng)的內(nèi)核有大有小，功能有強有弱。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是一種類似“洋蔥”的層次結(jié)構(gòu)，但層次的多少和每層的功能不同的系統(tǒng)各有不同。本書P5-6給出了一種內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，一共分12層(解釋)。下面給出早期UnixOS內(nèi)核的一種結(jié)構(gòu)，作為一種參考和比較。7系統(tǒng)調(diào)用界面6高級進程管理5文件系統(tǒng)4設(shè)備管理3存儲管理2低級進程調(diào)度1中斷處理和P、V操作Unix內(nèi)核結(jié)構(gòu)示意圖(解釋確定上下層關(guān)系的原則)1.3.2.兩種運行狀態(tài)和兩種系統(tǒng)界面1.3.2.1由于操作系統(tǒng)分內(nèi)核和外殼兩大部分，故任何計算機都有兩種運行狀態(tài):

用戶態(tài)：又稱目態(tài)，是非操作系統(tǒng)內(nèi)核程序執(zhí)行時機器所處的狀態(tài)。這種狀態(tài)具有較低特權(quán)，只能執(zhí)行規(guī)定的指令，訪問指定的寄存器和存儲區(qū)；核心態(tài)：又稱管態(tài)、系統(tǒng)態(tài)，是操作系統(tǒng)內(nèi)核程序運行時機器所處的狀態(tài)。這種狀態(tài)具有較高特權(quán)，能執(zhí)行一切指令，訪問所有寄存器和存儲區(qū)。區(qū)別兩種機器運行狀態(tài)的目的是要賦予操作系統(tǒng)內(nèi)核某種特權(quán)，以保護內(nèi)核程序和系統(tǒng)硬件免遭破壞和正常運行。這里要特別指出兩點：(1)，用戶態(tài)程序和用戶程序是兩個不同的概念，用戶程序是由用戶編寫的應(yīng)用程序，而用戶態(tài)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核以外的所有程序，包括屬于系統(tǒng)程序的編輯、編譯和命令解釋等程序都是在用戶態(tài)下運行，因此都是用戶態(tài)程序。用戶程序肯定是用戶態(tài)程序，但用戶態(tài)程序不一定都是用戶程序。(2)，如何給出機器的運行狀態(tài)?以運行Unix的PDP-11機器為例，是在處理機狀態(tài)(PS)寄存器內(nèi)給出。............TNZVC7654321015141312機器現(xiàn)運行態(tài)機器先前運行態(tài)處理機優(yōu)先級1.3.2.2兩種系統(tǒng)界面(interface)還是由于操作系統(tǒng)分內(nèi)核和外殼，操作系統(tǒng)向用戶提供兩種系統(tǒng)(使用)界面，即命令界面(也叫人-機界面)和程序界面(也叫狀態(tài)界面)。命令界面通常由鍵盤命令組成，而程序界面由中斷調(diào)用或系統(tǒng)調(diào)用指令組成。命令界面是面向普通用戶的，而程序界面是面向用匯編或“C”語言寫程序的程序員的。兩種界面的示意圖如下:內(nèi)核外殼命令界面程序界面命令界面命令界面：即人-機界面，也叫命令接口，它又可分為兩種類型：聯(lián)機命令接口：鍵盤命令；脫機命令接口：作業(yè)控制語言(JCL)；鍵盤命令一般用在交互式系統(tǒng)，如我們用得最多的微機系統(tǒng)；JCL主要是用在大型批處理系統(tǒng)，如國防科技大學(xué)研制的”銀河”(YH)系列；一般而言，一臺機器有幾十到幾百條命令不等；圖形界面：圖形界面是命令界面的圖形化?，F(xiàn)在的人-機界面越來越形象，越來越友好，越來越人性化，用戶使用計算機也越來越方便。程序界面如前所說，程序界面是操作系統(tǒng)內(nèi)核與程序員之間的接口，它由中斷調(diào)用(DOS，Windows)或系統(tǒng)調(diào)用(Unix，Linux)指令組成，這些指令可以在匯編語言或”C”語言里直接使用。它是操作系統(tǒng)內(nèi)核顯示在程序員面前的功能描述，是應(yīng)用程序調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核程序和功能的唯一途徑，可看作是匯編或”C”語言的一個特殊的函數(shù)庫。每一條系統(tǒng)調(diào)用指令調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核的一個程序模塊，以實現(xiàn)某種功能。在調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核模塊時，機器要從用戶態(tài)進入系統(tǒng)態(tài)，故程序界面也叫狀態(tài)界面。系統(tǒng)調(diào)用與子程序調(diào)用的區(qū)別是:系統(tǒng)調(diào)用要通過中斷機構(gòu)來實現(xiàn)并且有運行狀態(tài)的改變，而子程序調(diào)用是通過內(nèi)部轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)，沒有運行狀態(tài)的改變。

系統(tǒng)調(diào)用指令舉例下面以UnixV6為例說明系統(tǒng)調(diào)用的具體清況。UnixV6共有42條系統(tǒng)調(diào)用指令，大致上分成以下三類:1，與進程管理和控制有關(guān)的共有14條，它們是:(1)進程的創(chuàng)建、睡眠和終止:fork,sleep,exit；

(2)進程間的同步:wait；

(3)進程間的相互控制:signal,kill,ptrace；

(4)進程優(yōu)先數(shù)偏置值的設(shè)置:nice；

(5)進程各種標識數(shù)的設(shè)置和獲得:

setgid,getgid,setuid,getuid,getpid；

(6)進程占用存儲區(qū)的分配:break；2，與文件系統(tǒng)有關(guān)的共有21條，它們是:(1)文件的生成和撤消:creat,unlink；

(2)文件的打開與關(guān)閉:open,close；

(3)文件的讀寫:read,write,seek；

(4)文件的執(zhí)行:exec；(5)文件的共享:link；接上屏

(6)文件狀態(tài)查詢:fstat,stat；

(7)改變文件或文件工作方式:chown,chmod；

(8)改變工作文件目錄:chdir；

(9)構(gòu)成目錄文件或特殊文件項:mknod；

(10)裝卸子文件系統(tǒng):mount,umount；

(11)生成進程通信文件:pipe；

(12)復(fù)制和打開文件表目項:dup；

(13)更新文件系統(tǒng)資源管理信息塊:sync；

(14)文件各部分執(zhí)行頻度統(tǒng)計:profil；3，其它這一類共有7條，它們是:(1)設(shè)置和獲得終端狀態(tài):stty,gtty；

(2)設(shè)置和獲得系統(tǒng)或進程時間:stime.time,times；

(3)讀控制臺開關(guān):csw；

(4)間接系統(tǒng)調(diào)用:indir；在”C”語言程序中使用系統(tǒng)調(diào)用指令的舉例main{

inti;while((i=fork())==-1);

if(i){

printf(“Itisparentprocess.\n”);}else{

printf(“Itischildprocess.\n”);}

printf(“Itisparentorchildprocess.\n”);}1.4操作系統(tǒng)的特征

1.4.1操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)有4個基本特征：并發(fā)(concurrence)；共享(sharing)；虛擬(virtual)；不確定性(nondeterministic)；1.并發(fā)(concurrence)并行(parallel)：是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生；并發(fā)(concurrence)：是指兩個或多個事件在同一時間段內(nèi)發(fā)生；在計算機內(nèi)，在多道程序環(huán)境下，并發(fā)是指在一段時間內(nèi)有多道程序宏觀上在同時運行，但在微觀上，如果系統(tǒng)只有一臺處理機(CPU)，則這些程序是交替執(zhí)行的，也就是說，在任一指定時刻，至多只有一道程序是處于真正的運行狀態(tài)，而其它的程序只能說是處在”宏觀上”的運行狀態(tài)(實際是暫停狀態(tài))。例如，多個人讀一本書，……；2.共享(sharing)共享是指系統(tǒng)中的資源可供多個并發(fā)執(zhí)行的進程共同使用這樣一種情況。資源共享有兩種方式：互斥共享：一次只能由一個進程使用的資源叫互斥共享資源，就是說，在一個進程未使用完之前，不能分給另一個進程使用。如打印機；“同時”共享：一段時間內(nèi)允許多個進程“同時”使用，這里的同時是宏觀上的同時，例如磁盤就是這樣一種設(shè)備，系統(tǒng)允許多個進程”同時”讀盤，但在某一指定時刻，在磁盤驅(qū)動器只有一套讀寫線路的情況下，真正讀寫磁盤的進程至多只有一個。3，虛擬(Virtual)這里所說的虛擬的概念，指的是在單機系統(tǒng)內(nèi)，通過操作系統(tǒng)的管理，要么把物理上的一個變成邏輯上的多個，例如虛擬處理機；要么把物理上的多個變成邏輯上的一個，例如虛擬存儲器。虛擬事物的共同特點是，它們只是人或用戶的一種錯覺，并不是或者不完全是客觀存在的東西。44，4，不確定性(nondeterministic)這里所說的不確定性，不是指操作系統(tǒng)的功能不確定，也不是指同一道程序的多次運行其運行結(jié)果不確定。這里所說的不確定指的是:(1)同一道程序在同一臺機器上的多次運行所用的時間是不確定的；(2)同一批程序在同一臺機器上的多次運行，其執(zhí)行序列和完成的先后次序可能是各不相同的，例如，p1,p2,p3；……；系統(tǒng)外部表現(xiàn)出的這種不確定性是有其內(nèi)在原因的。系統(tǒng)內(nèi)部的各種活動是復(fù)雜的，例如，各種中斷、各種故障、程序的I/O請求等，都是隨機發(fā)生的，它們都有可能帶來程序執(zhí)行時間和順序的不確定。1.4.2現(xiàn)代操作系統(tǒng)的某些新特征1.微內(nèi)核

所謂微內(nèi)核就是將操作系統(tǒng)的內(nèi)核部分做得很小，只包含中斷處理、設(shè)備驅(qū)動、地址變換等簡單功能，而將操作系統(tǒng)的其它功能都放到外殼去實現(xiàn)。這樣做的好處是，內(nèi)核較穩(wěn)定，占內(nèi)存空間較小，外層的功能修改也較為方便。接上屏2.多線程：

一個進程內(nèi)包含多個線程，從而支持更小粒度的程序的并發(fā)執(zhí)行，支持多任務(wù)系統(tǒng)；3.對稱多處理：

對稱多處理系統(tǒng)(SMP:SymmetricMulti--Processing)由多個處理器(CPU)組成，這多個處理器共享內(nèi)存和外部設(shè)備，所有的處理器可以執(zhí)行相同的功能。支持這種系統(tǒng)的操作系統(tǒng)叫SMP操作系統(tǒng)；4.面向?qū)ο蠹夹g(shù)：

將程序設(shè)計語言中的面向?qū)ο蠹夹g(shù)用于操作系統(tǒng)的設(shè)計。1.5中斷在操作系統(tǒng)中的地位中斷(interrupts)機構(gòu)是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)重要的組成部分，它在操作系統(tǒng)中的地位在于:它是多道程序并發(fā)執(zhí)行的推動力，也是操作系統(tǒng)本身運行的推動力--操作系統(tǒng)是由中斷驅(qū)動的。操作系統(tǒng)的5種運行方式；（初始，進程，中斷，系調(diào)，調(diào)調(diào)）程序(進程)間的切換由時鐘中斷驅(qū)動；系統(tǒng)調(diào)用通過中斷機構(gòu)處理；操作系統(tǒng)中的管理程序，如I/O程序(進程)，也是由中斷驅(qū)動執(zhí)行的；1.6網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)支持各種網(wǎng)絡(luò)功能及其工作模式的操作系統(tǒng)稱之為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，這些功能是:網(wǎng)絡(luò)通信：建立及拆除通信鏈路、傳輸控制、差錯控制、流量控制、路由選擇；資源管理：管理網(wǎng)絡(luò)中的共享資源，協(xié)調(diào)諸用戶對共享資源的使用，保證數(shù)據(jù)的安全性和一致性；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：向用戶提供電子郵件、文件傳輸及存取、共享硬盤及打印服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)管理：即安全管理，通過存取控制確保存取數(shù)據(jù)安全，通過容錯保證故障時的數(shù)據(jù)安全，監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)性能，進行網(wǎng)絡(luò)維護等；互操作能力：網(wǎng)絡(luò)客戶機能訪問服務(wù)器文件，或網(wǎng)絡(luò)間的客戶機之間能相互通信。網(wǎng)絡(luò)工作模式客戶/服務(wù)器模式(C/S)：網(wǎng)絡(luò)中有兩類站點，服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)的中心站點，它向客戶提供各種服務(wù)；客戶在本地站點運行和訪問服務(wù)器；對等模式(P-to-P)：網(wǎng)絡(luò)中的各站點對等，它既可作為客戶去訪問其他站點，也可作為服務(wù)器向其他站點提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和控制功能分布于各個站點。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是在單機操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)功能而成，其中最有代表的三種網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)系列是:1，Novell公司的Netware系列；

2，Microsoft公司的WindowsNTServer系列；

3，IBM公司的LANServer系列；1.7分布式操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)是由多臺獨立的計算機經(jīng)網(wǎng)絡(luò)互連而成的可以合作運行同一程序的局域網(wǎng)系統(tǒng)。支持這種工作模式的操作系統(tǒng)稱之為分布式操作系統(tǒng)，它具有的新功能是:

1，任務(wù)的派生和分配；

2，任務(wù)的調(diào)度和遷移；

3，系統(tǒng)的負載平衡；

4，機間通訊的控制。

分布式操作系統(tǒng)也是在單機操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加分布式功能而成，到目前為止，尚未見到專用于分布式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。

1.8操作系統(tǒng)的啟動和工作過程開機，執(zhí)行硬件自測程序?qū)⑾到y(tǒng)盤上的引導(dǎo)塊程序讀入內(nèi)存執(zhí)行引導(dǎo)塊程序，將操作系統(tǒng)常駐內(nèi)存部分加載進內(nèi)存執(zhí)行操作系統(tǒng)初始化程序，對操作系統(tǒng)本身進行初始化啟動完成，等待用戶的操作本章作業(yè)P19:

1，3，5，8，9，12，19；UNIX系統(tǒng)概述（P242）UNIX操作系統(tǒng)誕生于1969年，至今已有30多年的歷史。它已從一個非常簡單的操作系統(tǒng)發(fā)展成為性能先進、功能強大、使用廣泛的操作系統(tǒng)，并成為事實上的多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)標準。UNIX系統(tǒng)發(fā)展史（1）1969年底，美國AT&T公司下屬貝爾實驗室的DennisRitchie和KenThompson在PDP-7機器上實現(xiàn)了UNIX系統(tǒng)。最初的UNIX版本是用匯編語言編寫的1973年，Ritchie又用C語言對UNIX進行了重寫。1975年正式公開發(fā)表了UNIX