操作系統(tǒng)原理

操作系統(tǒng)原理教材《操作系統(tǒng)原理》孟慶昌等編著機(jī)械工業(yè)出版社2010.7參考書目《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)(第3版)》湯小丹、梁紅兵、哲鳳屏、湯子瀛編著西安電子科技大學(xué)出版社2007.8參考書目現(xiàn)代操作系統(tǒng)(原書第3版)(荷蘭)塔嫩鮑姆(Tanenbaum.A.S)譯者：陳向群馬洪兵機(jī)械工業(yè)出版社2009.7參考書目操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(第3版)塔嫩鮑姆等譯者：陳渝諶衛(wèi)軍電子工業(yè)出版社2007.3第1章操作系統(tǒng)概述1.1操作系統(tǒng)的概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由_____和_____組成的

硬件是軟件建立與活動(dòng)的基礎(chǔ)

軟件是對(duì)硬件進(jìn)行管理和功能擴(kuò)充

計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)由五大功能部件組成，即：它們經(jīng)由__________連接在一起，實(shí)現(xiàn)彼此通信。硬件軟件運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。系統(tǒng)總線1.1操作系統(tǒng)的概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由_____和_____組成的

硬件是軟件建立與活動(dòng)的基礎(chǔ)

軟件是對(duì)硬件進(jìn)行管理和功能擴(kuò)充

計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)由五大功能部件組成，即：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。它們經(jīng)由系統(tǒng)總線連接在一起，實(shí)現(xiàn)彼此通信。硬件軟件1.1.1計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)1.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)基本沿用___________體系結(jié)構(gòu)，采用______________工作原理馮·諾依曼存儲(chǔ)程序現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)(P2圖1-1)

存儲(chǔ)程序2.特權(quán)指令和CPU工作模式指令指令集（指令系統(tǒng)）特權(quán)指令與非特權(quán)指令運(yùn)行模式：內(nèi)核態(tài)（核心態(tài)、系統(tǒng)態(tài)、管態(tài)）用戶態(tài)（目標(biāo)態(tài)、目態(tài)）1.1.2系統(tǒng)初啟一般過程1.硬件檢測(cè)計(jì)算機(jī)加電啟動(dòng)，CPU進(jìn)入實(shí)模式ROM-BIOS起始位置代碼加電自檢程序（POST）按CMOS中設(shè)置的啟動(dòng)順序，讀入系統(tǒng)引導(dǎo)區(qū)程序并將系統(tǒng)控制權(quán)交給引導(dǎo)裝入程序2.加載引導(dǎo)程序引導(dǎo)扇區(qū)，主引導(dǎo)記錄塊MBR找到活動(dòng)分區(qū)將引導(dǎo)程序讀入內(nèi)存運(yùn)行系統(tǒng)引導(dǎo)程序加載操作系統(tǒng)內(nèi)核Setup設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)（內(nèi)存、磁盤等）、檢測(cè)和設(shè)置顯示器等進(jìn)入保護(hù)模式，轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)內(nèi)核開頭，執(zhí)行內(nèi)核初始化3.初始化內(nèi)核初始化CPU本身（內(nèi)核頁(yè)表、啟動(dòng)頁(yè)面映射）初始化基礎(chǔ)設(shè)施（內(nèi)存邊界、內(nèi)存頁(yè)面等）初始化操作系統(tǒng)上層部分（外設(shè)、驅(qū)動(dòng)等）系統(tǒng)運(yùn)行的設(shè)置（默認(rèn)執(zhí)行級(jí)別、激活交換分區(qū)、建立用戶工作環(huán)境、顯示界面）4.實(shí)現(xiàn)用戶登錄賬號(hào)和密碼驗(yàn)證1.1.3什么是操作系統(tǒng)1.操作系統(tǒng)作為擴(kuò)展機(jī)器抽象虛擬機(jī)重疊2.操作系統(tǒng)作為資源管理器監(jiān)視各種資源，記錄它們的狀態(tài)實(shí)施某種策略以決定誰獲得資源，何時(shí)獲得，獲得多少分配資源回收資源此觀點(diǎn)占主導(dǎo)地位3.用戶觀點(diǎn)和系統(tǒng)觀點(diǎn)用戶觀點(diǎn)：接口和各種資源管理服務(wù)

使用方便、功能強(qiáng)、效率高、安全可靠、易于安裝和維護(hù)、便宜系統(tǒng)觀點(diǎn)：管理計(jì)算機(jī)各種硬件、軟件資源的分配使得資源的利用率高效且公平4.操作系統(tǒng)定義及其理解操作系統(tǒng)是控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各種硬件和軟件資源，有效地組織多道程序運(yùn)行的系統(tǒng)軟件（或程序集合），是用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口。操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件基本職能是控制和管理系統(tǒng)內(nèi)各種資源提供眾多服務(wù)，方便用戶使用，擴(kuò)充硬件功能1.1.4操作系統(tǒng)的目標(biāo)和地位1.操作系統(tǒng)的目標(biāo)高效性方便性安全性魯棒性（強(qiáng)健性）移植性2.操作系統(tǒng)的地位軟件分類：系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、支撐軟件1.1.5操作系統(tǒng)的特征和服務(wù)1.操作系統(tǒng)的特征并發(fā)性并發(fā)和并行宏觀和微觀1.操作系統(tǒng)的特征共享性互斥共享和同時(shí)共享宏觀和微觀1.操作系統(tǒng)的特征異步性（不確定性）走走停停宏觀和微觀1.操作系統(tǒng)的特征抽象性（虛擬性）復(fù)雜到簡(jiǎn)單2.操作系統(tǒng)提供的服務(wù)和方式服務(wù)項(xiàng)目程序執(zhí)行I/O操作文件系統(tǒng)管理出錯(cuò)檢測(cè)通信資源分配統(tǒng)計(jì)保護(hù)2.操作系統(tǒng)提供的服務(wù)和方式服務(wù)方式系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)程控制、文件管理、設(shè)備管理、信息維護(hù)、通信系統(tǒng)程序（系統(tǒng)實(shí)用程序或應(yīng)用程序）文件管理、狀態(tài)信息、文件修改、程序設(shè)計(jì)語言的支持、程序裝入和執(zhí)行、通信命令解釋程序shell（內(nèi)置或外置）1.2操作系統(tǒng)的主要功能1.存儲(chǔ)管理內(nèi)存分配地址映射內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存擴(kuò)充（虛擬內(nèi)存技術(shù)）2.進(jìn)程和處理機(jī)管理作業(yè)和進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程控制進(jìn)程通信3.文件管理文件存儲(chǔ)空間的管理文件操作的一般管理目錄管理文件的讀寫管理和存取控制4.設(shè)備管理緩沖區(qū)管理設(shè)備分配設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)備無關(guān)性5.用戶接口程序接口命令行接口圖形用戶接口GUI1.3操作系統(tǒng)的形成和基本類型1.3.1操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展從無到有硬件和軟件相互促進(jìn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜從低級(jí)到高級(jí)1.手工操作階段1946-20世紀(jì)50年代末第一代計(jì)算機(jī)，無操作系統(tǒng)人工干預(yù)：程序紙帶（卡片）->輸入機(jī)->計(jì)算機(jī)（控制臺(tái)開關(guān)啟動(dòng)、監(jiān)視、控制）->取走結(jié)果->缷下紙帶（卡片）手工操作慢而CPU處理速度快嚴(yán)重缺點(diǎn)：資源浪費(fèi)、使用不便2.早期批處理階段人工操作->自動(dòng)轉(zhuǎn)換（監(jiān)督程序，OS的雛形）（1）早期聯(lián)機(jī)批處理單道批處理作業(yè)輸入、調(diào)入內(nèi)存、結(jié)果輸出都在CPU控制下（2）早期脫機(jī)批處理衛(wèi)星機(jī)負(fù)責(zé)I/O、CPU負(fù)責(zé)快速計(jì)算，可并行解決人機(jī)矛盾、CPU與I/O設(shè)備速率不匹配矛盾促進(jìn)軟件發(fā)展，出現(xiàn)監(jiān)督程序、匯編程序、編譯程序和裝配程序等3.多道批處理20世紀(jì)60年代內(nèi)存中同時(shí)存放多道程序，在管理程序的控制下交替執(zhí)行，共享CPU和其他資源優(yōu)點(diǎn)：CPU、內(nèi)存、設(shè)備等系統(tǒng)資源利用率提高了系統(tǒng)吞吐量（單位時(shí)間內(nèi)，計(jì)算機(jī)完成的總工作量）增加了從0到1、從1到2是質(zhì)變，從2到>=3是量變?nèi)秉c(diǎn)：系統(tǒng)變復(fù)雜了，要解決很多問題內(nèi)存分配和保護(hù)CPU的調(diào)試和作業(yè)的合理搭配I/O設(shè)備的共享和方便使用文件的存放和讀寫操作及安全性問題等3.多道批處理OS的發(fā)展分時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)個(gè)人OS網(wǎng)絡(luò)OS多CPUOS嵌入式OS分布式OS1.3.2OS的基本類型根據(jù)各操作系統(tǒng)具備的功能、特征、規(guī)模和提供的應(yīng)用環(huán)境等方面的差別，可以劃分為最基本的類型多道批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)。1.多道批處理系統(tǒng)20世紀(jì)60-70年代作業(yè)，是用戶定義的、由計(jì)算機(jī)完成的工作單位。它通常包括一組計(jì)算機(jī)程序、文件和對(duì)操作系統(tǒng)的控制語句。利用作業(yè)控制語言（JCL）書寫的作業(yè)控制語句標(biāo)識(shí)一個(gè)作業(yè)的存在，描述它對(duì)操作系統(tǒng)的需求。作業(yè)控制語句可由作業(yè)控制卡輸入到計(jì)算機(jī)中，控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如調(diào)用編譯程序?qū)υ闯绦蜻M(jìn)行編譯，調(diào)用裝配程序?qū)δ繕?biāo)代碼進(jìn)行連接裝入，運(yùn)行可執(zhí)行代碼，對(duì)可能的錯(cuò)誤按指定方式進(jìn)行處理等。邏輯上，一個(gè)作業(yè)可由若干有序的步驟組成。由作業(yè)控制語句明確標(biāo)識(shí)的計(jì)算機(jī)程序的執(zhí)行過程稱為作業(yè)步。一個(gè)作業(yè)可以指定若干要執(zhí)行的作業(yè)步。如上面的編譯作業(yè)步、裝配作業(yè)步、運(yùn)行作業(yè)步、出錯(cuò)處理作業(yè)步等。兩個(gè)特點(diǎn)：一是“多道”，二是“成批”1.多道批處理系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是：①系統(tǒng)資源利用率高；②系統(tǒng)吞吐量大。缺點(diǎn)：①用戶作業(yè)的等待時(shí)間長(zhǎng)，往往要經(jīng)過幾十分鐘、幾小時(shí)，甚至幾天；②沒有交互能力，用戶無法干預(yù)自己作業(yè)的運(yùn)行，使用起來不方便。1.多道批處理系統(tǒng)2.分時(shí)系統(tǒng)20世紀(jì)60-70年代CTSS（CompatibleTime-SharingSystem，兼容分時(shí)系統(tǒng)）MULTICS（MULTiplexedInformationandComputingSystem，多道信息和計(jì)算系統(tǒng)）UNIX分時(shí)，就是對(duì)時(shí)間的共享。在分時(shí)系統(tǒng)中，分時(shí)主要是指若干并發(fā)程序?qū)PU時(shí)間的共享。它是通過系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的。分享的時(shí)間單位稱為時(shí)間片，它往往是很短的，如幾十毫秒。這種分時(shí)的實(shí)現(xiàn)，需要有中斷機(jī)構(gòu)和時(shí)鐘系統(tǒng)的支持。利用時(shí)鐘系統(tǒng)把CPU時(shí)間分成一個(gè)一個(gè)的時(shí)間片，操作系統(tǒng)輪流地把每個(gè)時(shí)間片分給各個(gè)并發(fā)程序，每道程序一次只可運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片。當(dāng)時(shí)間片計(jì)數(shù)到時(shí)后，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘中斷，控制轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)；操作系統(tǒng)選擇另一道程序并分給它時(shí)間片，讓其投入運(yùn)行；到達(dá)給定時(shí)間，再發(fā)中斷，重新選程序（或作業(yè)）運(yùn)行，如此反復(fù)。由于相對(duì)人們的感覺來說，這個(gè)時(shí)間片很短，往往在幾秒鐘內(nèi)即可對(duì)用戶的命令做出響應(yīng)，使系統(tǒng)上的各個(gè)用戶都認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)只為他自己服務(wù)，并未感覺到還有別的用戶也在上機(jī)。2.分時(shí)系統(tǒng)2.分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)的基本特征①同時(shí)性。若干用戶可以同時(shí)上機(jī)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。②交互性。用戶能夠方便地與系統(tǒng)進(jìn)行人-機(jī)對(duì)話。③獨(dú)立性。系統(tǒng)中各用戶可以彼此獨(dú)立地操作，互不干擾或破壞。④及時(shí)性。用戶能在很短時(shí)間內(nèi)得到系統(tǒng)的響應(yīng)。2.分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)所具有的優(yōu)點(diǎn)①為用戶提供友好的接口，即用戶能在較短時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)，能以對(duì)話方式完成對(duì)程序的編寫、調(diào)試、修改、運(yùn)行和得到運(yùn)算結(jié)果。②促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)可帶多臺(tái)終端，同時(shí)為多個(gè)遠(yuǎn)近用戶使用，這給教學(xué)和辦公自動(dòng)化提供了很大方便。③便于資源共享和交換信息，為軟件開發(fā)和工程設(shè)計(jì)提供良好的環(huán)境。2.分時(shí)系統(tǒng)3.實(shí)時(shí)系統(tǒng)QNX、VxWorks、RTLinux等在計(jì)算機(jī)的某些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，要求對(duì)實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)（立即）處理，做出相應(yīng)的反映，如果超出限定的時(shí)間就可能丟失信息或影響到下一批信息的處理。例如衛(wèi)星發(fā)射過程中，必須對(duì)出現(xiàn)的各種情況立即進(jìn)行分析、處理。這種系統(tǒng)是專用的，它對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)的要求是批處理系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)無法滿足的。于是，人們引入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱實(shí)時(shí)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指具有實(shí)時(shí)特性，能夠支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)現(xiàn)在有三種典型應(yīng)用形式：（1）過程控制系統(tǒng)（硬實(shí)時(shí)）計(jì)算機(jī)用于工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)控制，它從被控過程中按時(shí)獲得輸入，例如，化學(xué)反應(yīng)過程中的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，然后算出能夠保持該過程正常進(jìn)行的響應(yīng)，并控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去實(shí)施這種響應(yīng)。比如測(cè)得溫度高于正常值，可降低供熱用的電壓，使溫度下降。這種操作不斷循環(huán)反復(fù)，使被控過程始終按預(yù)期要求工作。在飛機(jī)飛行、導(dǎo)彈發(fā)射過程中的自動(dòng)控制也是如此。3.實(shí)時(shí)系統(tǒng)（2）信息查詢系統(tǒng)（軟實(shí)時(shí)）該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是配有大型文件系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫(kù)，并具有向用戶提供簡(jiǎn)單、方便、快速查詢的能力，例如倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)和醫(yī)護(hù)信息系統(tǒng)。當(dāng)用戶提出某種信息要求后，系統(tǒng)通過查找數(shù)據(jù)庫(kù)獲得有關(guān)信息，并立即回送給用戶。整個(gè)響應(yīng)過程應(yīng)在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)完成（比如不超過一分鐘）。3.實(shí)時(shí)系統(tǒng)（3）事務(wù)處理系統(tǒng)（軟實(shí)時(shí)）該系統(tǒng)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)隨時(shí)都可能更新，用戶和系統(tǒng)之間頻繁地進(jìn)行交互作用。典型應(yīng)用例子是飛機(jī)票預(yù)訂和銀行財(cái)務(wù)往來。事務(wù)處理系統(tǒng)不僅應(yīng)有實(shí)時(shí)性，且當(dāng)多個(gè)用戶同時(shí)使用該系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)能避免用戶相互沖突，使各個(gè)用戶感覺是單獨(dú)使用該系統(tǒng)。3.實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)有時(shí)也涉及若干同時(shí)性用戶，但它與分時(shí)系統(tǒng)是有區(qū)別的：（1）交互性（2）實(shí)時(shí)性（3）可靠性3.實(shí)時(shí)系統(tǒng)1.4OS的主要結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)內(nèi)部是怎么構(gòu)造的？或者說，操作系統(tǒng)作為一個(gè)大程序，由眾多程序模塊組成，它們按什么方式集合在一起？1.單體結(jié)構(gòu)任意調(diào)用，耦合緊密，實(shí)現(xiàn)的效率高結(jié)構(gòu)關(guān)系不清晰，系統(tǒng)的可靠性降低，甚至出現(xiàn)循環(huán)調(diào)用模塊調(diào)用示意圖2.層次結(jié)構(gòu)按照功能和相互依存關(guān)系，把系統(tǒng)中的模塊分為若干層，其中任一層模塊（除底層外）都建立在它下面一層的基礎(chǔ)上，因而，任一層模塊只能調(diào)用比它低的層來得到服務(wù)，不能調(diào)用比它高的層。第一個(gè)按這種方式構(gòu)造的操作系統(tǒng)是THE系統(tǒng)，它是1968年由E.W.Dijkstra和他的學(xué)生們建造的。具有整體系統(tǒng)的長(zhǎng)處；結(jié)構(gòu)關(guān)系清晰，提高系統(tǒng)的可靠性、可移植性和可維護(hù)性。但設(shè)計(jì)困難。THE操作系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一般原則是：接近用戶應(yīng)用的模塊在上層，貼近硬件的驅(qū)動(dòng)程序模塊在下層。處于下層的這些程序模塊，也稱做操作系統(tǒng)的內(nèi)核。這一部分模塊包括中斷處理程序，各種常用設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，以及運(yùn)行頻率較高的模塊（如時(shí)鐘管理程序、進(jìn)程調(diào)度和低級(jí)通信模塊以及被許多模塊公用的