第一章操作系統(tǒng)引論

1網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)2硬件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的作用以下哪些軟件是操作系統(tǒng)3UNIXWordDOSVBOfficeWin7WindowsNTLinuxPowerPorintWinows984常見操作系統(tǒng)：

桌面

操作系統(tǒng)

服務(wù)器

操作系統(tǒng)

嵌入式

操作系統(tǒng)

第一章操作系統(tǒng)引論1.1操作系統(tǒng)的目標和作用1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.5OS結(jié)構(gòu)設(shè)計

什么是操作系統(tǒng)？

6操作系統(tǒng)是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源、合理對各類作業(yè)進行調(diào)度、以及方便用戶使用的程序集合。操作系統(tǒng)的目標與應(yīng)用環(huán)境有關(guān)。例如在查詢系統(tǒng)中所用的OS，希望能提供良好的人—機交互性；對于應(yīng)用于工業(yè)控制、武器控制以及多媒體環(huán)境下的OS，要求其具有實時性；而對于微機上配置的OS，則更看重的是其使用的方便性。1.1操作系統(tǒng)的目標和作用操作系統(tǒng)的目標方便性：有效性：

提高系統(tǒng)資源的利用率

提高系統(tǒng)的吞吐量可擴充性：開放性：適應(yīng)硬件、體系結(jié)構(gòu)與計算機應(yīng)用發(fā)展的要求開放性是指系統(tǒng)能遵循世界標準規(guī)范，特別是遵循開放系統(tǒng)互連OSI國際標準。

OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間接口的含義是：OS處于用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間，用戶通過OS來使用計算機系統(tǒng)?；蛘哒f，用戶在OS幫助下能夠方便、快捷、可靠地操縱計算機硬件和運行自己的程序。操作系統(tǒng)的作用OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)的接口：操作系統(tǒng)的作用OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)的接口：操作系統(tǒng)的作用OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者：

在一個計算機系統(tǒng)中，通常都含有多種硬件和軟件資源。歸納起來可將這些資源分為四類：處理機、存儲器、I/O設(shè)備以及文件(數(shù)據(jù)和程序)。相應(yīng)地，OS的主要功能也正是對這四類資源進行有效的管理。處理機管理是用于分配和控制處理機；存儲器管理主要負責內(nèi)存的分配與回收；I/O設(shè)備管理是負責I/O設(shè)備的分配(回收)與操縱；文件管理是用于實現(xiàn)對文件的存取、共享和保護。操作系統(tǒng)的作用OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象：

對于一臺完全無軟件的計算機系統(tǒng)(即裸機)，由于它向用戶提供的僅是硬件接口(物理接口)，因此，用戶必須對物理接口的實現(xiàn)細節(jié)有充分的了解，這就致使該物理機器難于廣泛使用。為了方便用戶使用I/O設(shè)備，人們在裸機上覆蓋上一層I/O設(shè)備管理軟件，由它來實現(xiàn)對I/O設(shè)備操作的細節(jié)，并向上將I/O設(shè)備抽象為一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及一組I/O操作命令，如read和write命令，這樣用戶即可利用這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及操作命令來進行數(shù)據(jù)輸入或輸出，而無需關(guān)心I/O是如何具體實現(xiàn)的。操作系統(tǒng)的作用OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象：為了方便用戶使用文件系統(tǒng)，又可在第一層軟件（I/O管理軟件）上再覆蓋一層用于文件管理的軟件，用來實現(xiàn)對文件操作的細節(jié)，這是第二層次的抽象，依此類推，如果在文件管理軟件上再覆蓋一層面向用戶的窗口軟件，用戶便可更方便地使用計算機。操作系統(tǒng)的作用OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象：推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力不斷提高計算機資源利用率：方便用戶：器件的不斷更新?lián)Q代：計算機體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展：不斷提出新的應(yīng)用需求：在20世紀50年代中期，出現(xiàn)了第一個簡單的批處理OS；60年代中期開發(fā)出多道程序批處理系統(tǒng)；不久又推出分時系統(tǒng)，與此同時，用于工業(yè)和武器控制的實時OS也相繼問世。20世紀70到90年代，是VLSI和計算機體系結(jié)構(gòu)大發(fā)展的年代，導(dǎo)致了微型機、多處理機和計算機網(wǎng)絡(luò)的誕生和發(fā)展，與此相應(yīng)地，也相繼開發(fā)出了微機OS、多處理機OS和網(wǎng)絡(luò)OS，并得到極為迅猛的發(fā)展。1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程早期的操作方式是由程序員將事先已穿孔的紙帶(或卡片)，裝入紙帶輸入機(或卡片輸入機)，再啟動它們將紙帶(或卡片)上的程序和數(shù)據(jù)輸入計算機，然后啟動計算機運行。僅當程序運行完畢并取走計算結(jié)果后，才允許下一個用戶上機。這種人工操作方式有以下兩方面的缺點：

(1)用戶獨占全機，即一臺計算機的全部資源由上機用戶所獨占。

(2)CPU等待人工操作。當用戶進行裝帶(卡)、卸帶(卡)等人工操作時，CPU及內(nèi)存等資源是空閑的。1、未配置操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)人工操作方式：為了解決人機矛盾及CPU和I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，20世紀50年代末出現(xiàn)了脫機I/O技術(shù)。該技術(shù)是事先將裝有用戶程序和數(shù)據(jù)的紙帶裝入紙帶輸入機，在一臺外圍機的控制下，把紙帶(卡片)上的數(shù)據(jù)(程序)輸入到磁帶上。當CPU需要這些程序和數(shù)據(jù)時，再從磁帶上高速地調(diào)入內(nèi)存。1、未配置操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)脫機輸入/輸出方式：1、未配置操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)脫機輸入/輸出方式：2、單道批處理系統(tǒng)

為實現(xiàn)對作業(yè)的連續(xù)處理，需要先把一批作業(yè)以脫機方式輸入到磁帶上，并在系統(tǒng)中配上監(jiān)督程序(Monitor)，在它的控制下，使這批作業(yè)能一個接一個地連續(xù)處理。單道批處理系統(tǒng)(SimpleBatchProcessingSystem)的處理過程：

特點：

自動性：無人工干預(yù)

順序性：按進入內(nèi)存的先后執(zhí)行。

單道性：內(nèi)存中只保持一首作業(yè)2、單道批處理系統(tǒng)2、單道批處理系統(tǒng)

單道批處理系統(tǒng)最主要的缺點是，系統(tǒng)中的資源得不到充分的利用。這是因為在內(nèi)存中僅有一道程序，每逢該程序在運行中發(fā)出I/O請求后，CPU便處于等待狀態(tài)，必須在其I/O完成后才繼續(xù)運行。又因I/O設(shè)備的低速性，更使CPU的利用率顯著降低。圖1-5示出了單道程序的運行情況，從圖可以看出：在t2～t3、t6～t7時間間隔內(nèi)CPU空閑。單道批處理系統(tǒng)的缺點：2、單道批處理系統(tǒng)圖1-5單道程序的運行情況3、多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)的基本概念：為了進一步提高資源的利用率和系統(tǒng)吞吐量，在20世紀60年代中期引入了多道程序設(shè)計技術(shù)，由此形成了多道批處理系統(tǒng)。

用戶提交的作業(yè)先存放在外存上，并排成一個隊列，稱為“后備隊列”，然后由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法，從后備隊列中選擇若干作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們共享CPU和各種資源。

多道批處理系統(tǒng)才是真正的操作系統(tǒng)

多道技術(shù)是共享的基礎(chǔ)。

下圖表示了四道程序的運行情況。3、多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)的基本概念：3、多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)的特征：多道性：內(nèi)存中有多道程序，可并發(fā)執(zhí)行。無序性：完成時間與進入內(nèi)存先后無關(guān)調(diào)度性：作業(yè)從提交到完成經(jīng)歷兩次調(diào)度1）作業(yè)調(diào)度：外存→內(nèi)存（選多個）2）進程調(diào)度：分配處理機（選1個）3、多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點：

(1)資源利用率高。引入多道批處理能使多道程序交替運行，以保持CPU處于忙碌狀態(tài)；在內(nèi)存中裝入多道程序可提高內(nèi)存的利用率；此外還可以提高I/O設(shè)備的利用率。

(2)系統(tǒng)吞吐量大。吞吐量：單位時間內(nèi)完成的總工作量。能提高系統(tǒng)吞吐量的主要原因可歸結(jié)為：①CPU和其它資源保持“忙碌”狀態(tài)；②僅當作業(yè)完成時或運行不下去時才進行切換，系統(tǒng)開銷小。3、多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點：

(3)平均周轉(zhuǎn)時間長。從作業(yè)進入系統(tǒng)開始到完成并退出系統(tǒng)經(jīng)歷的時間。通常需幾個小時，甚至幾天。

(4)無交互能力。用戶一旦把作業(yè)提交給系統(tǒng)后，直至作業(yè)完成，用戶都不能與自己的作業(yè)進行交互，修改和調(diào)試程序極不方便。3、多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題：多道批處理系統(tǒng)是一種十分有效，但又非常復(fù)雜的系統(tǒng)，為使系統(tǒng)中的多道程序間能協(xié)調(diào)地運行，系統(tǒng)必須解決下述一系列問題：

(1)處理機爭用問題。既要能滿足各道程序運行的需要，又要能提高處理機的利用率。

(2)內(nèi)存分配和保護問題。系統(tǒng)應(yīng)能為每道程序分配必要的內(nèi)存空間，使它們“各得其所”，且不會因某道程序出現(xiàn)異常情況而破壞其它程序。

(3)?I/O設(shè)備分配問題。系統(tǒng)應(yīng)采取適當?shù)牟呗詠矸峙湎到y(tǒng)中的I/O設(shè)備，以達到既能方便用戶對設(shè)備的使用，又能提高設(shè)備利用率的目的。3、多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題：

(4)文件的組織和管理問題。系統(tǒng)應(yīng)能有效地組織存放在系統(tǒng)中的大量的程序和數(shù)據(jù)，使它們既便于用戶使用，又能保證數(shù)據(jù)的安全性。

(5)作業(yè)管理問題。系統(tǒng)中存在著各種作業(yè)(應(yīng)用程序)，系統(tǒng)應(yīng)能對系統(tǒng)中所有的作業(yè)進行合理的組織，以滿足這些作業(yè)用戶的不同要求。

(6)用戶與系統(tǒng)的接口問題。為使用戶能方便的使用操作系統(tǒng)，OS還應(yīng)提供用戶與OS之間的接口。分時系統(tǒng)的引入：一臺主機上連接了多個終端，同時允許多個用戶通過自己的終端，以交互方式使用計算機，共享主機中的資源。

產(chǎn)生的動力：

(1)人—機交互（邊運行邊調(diào)試）。

(2)共享主機（設(shè)備昂貴）。

（3）便于用戶上機（在終端上輸入、控制）4、分時系統(tǒng)(TimeSharingSystem)分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關(guān)鍵問題：在多道批處理系統(tǒng)中，用戶無法與自己的作業(yè)進行交互的主要原因是：作業(yè)都先駐留在外存上，即使以后被調(diào)入內(nèi)存，也要經(jīng)過較長時間的等待后方能運行，用戶無法與自己的作業(yè)進行交互。

1)及時接收

2)及時處理：作業(yè)直接進入內(nèi)存；采用輪轉(zhuǎn)運行方式。4、分時系統(tǒng)(TimeSharingSystem)4、分時系統(tǒng)(TimeSharingSystem)分時系統(tǒng)的特征：分時系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)相比，具有非常明顯的不同特性，可以歸納成以下四個方面：

(1)多路性：即同時性，宏觀上同時，微觀上輪流。

(2)獨立性：每個用戶感覺獨占主機。

(3)及時性：較短的時間響應(yīng)。

(4)交互性：5、實時系統(tǒng)（RealTimeSystem）實時系統(tǒng)的類型：實時：在有限的時間內(nèi)，及時、即時響應(yīng)外部事件請求。

實時系統(tǒng)是系統(tǒng)能及時響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定時間內(nèi)完成對事件的處理，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運行

隨著計算機應(yīng)用的普及，實時系統(tǒng)的類型也相應(yīng)增多，下面列出當前常見的幾種：

(1)工業(yè)(武器)控制系統(tǒng)（實時控制系統(tǒng)）。

(2)信息查詢系統(tǒng)：訂票系統(tǒng)（實時信息處理系統(tǒng)）。

(3)多媒體系統(tǒng)。

(4)嵌入式系統(tǒng)。5、實時系統(tǒng)（RealTimeSystem）實時任務(wù)的類型：按是否呈周期性變化，分

(1)周期性實時任務(wù)：外設(shè)備周期性發(fā)出激勵信號給計算機，要求它周期循環(huán)執(zhí)行。

(2)非周期性實時任務(wù)：沒有明顯的周期性，但必須有一個截止時間。

按對截止時間的要求，分

(1)硬實時任務(wù)

(2)軟實時任務(wù)1.3操作系統(tǒng)的基本特性前面所介紹的多道批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實時系統(tǒng)這三種基本操作系統(tǒng)都具有各自不同的特征，如批處理系統(tǒng)有著高的資源利用率和系統(tǒng)吞吐量；分時系統(tǒng)能獲得及時響應(yīng)；實時系統(tǒng)具有實時特征。除此之外，它們還共同具有并發(fā)、共享、虛擬和異步四個基本特征。并發(fā)并行與并發(fā)：并行性：多個事件在同一時刻發(fā)生并發(fā)性：多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。并發(fā)引入進程：在一個未引入進程的系統(tǒng)中，在屬于同一個應(yīng)用程序的計算程序和I/O程序之間只能是順序執(zhí)行，即只有在計算程序執(zhí)行告一段落后，才允許I/O程序執(zhí)行；反之，在程序執(zhí)行I/O操作時，計算程序也不能執(zhí)行。但在為計算程序和I/O程序分別建立一個進程(Process)后，這兩個進程便可并發(fā)執(zhí)行。若對內(nèi)存中的多個程序都分別建立一個進程，它們就可以并發(fā)執(zhí)行，這樣便能極大地提高系統(tǒng)資源的利用率，增加系統(tǒng)的吞吐量。共享互斥共享方式：在OS環(huán)境下的資源共享或資源復(fù)用，是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進程共同使用。

有兩種共享方式：系統(tǒng)中的某些資源，如打印機、磁帶機等，雖然可以提供給多個進程(線程)使用，但應(yīng)規(guī)定在一段時間內(nèi)，只允許一個進程訪問該資源。為此，在系統(tǒng)中應(yīng)建立一種機制，以保證多個進程對這類資源的互斥訪問。共享同時訪問方式：系統(tǒng)中還有另一類資源，允許在一段時間內(nèi)由多個進程“同時”對它們進行訪問。這里所謂的“同時”，在單處理機環(huán)境下是宏觀意義上的，而在微觀上，這些進程對該資源的訪問是交替進行的。典型的可供多個進程“同時”訪問的資源是磁盤設(shè)備。一些用重入碼編寫的文件也可以被“同時”共享，即允許若干個用戶同時訪問該文件。

并發(fā)和共享是多用戶（多任務(wù)）OS的兩個最基本的特征它們又是互為存在的條件。虛擬在OS中，把通過某種技術(shù)將一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物的功能稱為“虛擬”。

如：虛擬處理器、虛擬內(nèi)存等。除了虛擬內(nèi)存外，其他都是采用分時的方法來實現(xiàn)的。異步在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)允許多個進程并發(fā)執(zhí)行。在單處理機環(huán)境下，由于系統(tǒng)中只有一臺處理機，因而每次只允許一個進程執(zhí)行，其余進程只能等待。當正在執(zhí)行的進程提出某種資源要求時，如打印請求，而此時打印機正在為其它進程打印，由于打印機屬于臨界資源，因此正在執(zhí)行的進程必須等待，并釋放出處理機，直到打印機空閑，并再次獲得處理機時，該進程方能繼續(xù)執(zhí)行?？梢?，由于資源等因素的限制，使進程的執(zhí)行通常都不可能“一氣呵成”，而是以“停停走走”的方式運行。

進程以不可預(yù)知的速度向前推進。1.4操作系統(tǒng)的主要功能引入OS的主要目的是，為多道程序的運行提供良好的運行環(huán)境，以保證多道程序能有條不紊地、高效地運行，并能最大程度地提高系統(tǒng)中各種資源的利用率，方便用戶的使用。為此，在傳統(tǒng)的OS中應(yīng)具有處理機管理、存儲器管理、設(shè)備管理和文件管理等基本功能。此外，為了方便用戶使用OS，還需向用戶提供方便的用戶接口。處理機管理功能進程控制的主要功能是為作業(yè)創(chuàng)建進程、撤消已結(jié)束的進程，以及控制進程在運行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。進程控制：為使外個進程能有條不紊地運行，系統(tǒng)中必須設(shè)置相應(yīng)的進程同步機制，來對運行的進程進行協(xié)調(diào)。

進程互斥方式、進程同步方式。進程同步：處理機管理功能當有一組相互合作的進程去完成一個共同的任務(wù)時，在它們之間需要交換信息。進程通信：

作業(yè)調(diào)度：從后備隊列中按照一定的算法選擇出若干個作業(yè)，為它們分配所需的資源，這些作業(yè)調(diào)入內(nèi)存后，分別為它們建立進程，并將它們插入就緒隊列中。

進程調(diào)度：從進程的就緒隊列中按照一定的算法選出一個進程，將處理機分配給它。調(diào)度：存儲器管理功能內(nèi)存分配的主要任務(wù)是：

(1)為每道程序分配內(nèi)存空間，使它們“各得其所”。

(2)提高存儲器的利用率，盡量減少不可用的內(nèi)存空間(碎片)。

(3)允許正在運行的程序申請附加的內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)動態(tài)增長的需要。內(nèi)存分配：存儲器管理功能OS在實現(xiàn)內(nèi)存分配時，可采取靜態(tài)和動態(tài)兩種方式：

(1)靜態(tài)分配方式。每個作業(yè)的內(nèi)存空間是在作業(yè)裝入時確定的，在作業(yè)裝入后的整個運行期間不允許該作業(yè)再申請新的內(nèi)存空間，也不允許作業(yè)在內(nèi)存中“移動”。

(2)動態(tài)分配方式。每個作業(yè)所要求的基本內(nèi)存空間雖然也是在裝入時確定的，但允許作業(yè)在運行過程中繼續(xù)申請新的附加內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)的動態(tài)增長，也允許作業(yè)在內(nèi)存中“移動”。內(nèi)存分配：存儲器管理功能內(nèi)存保護的主要任務(wù)是：①確保每道用戶程序都僅在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運行，彼此互不干擾。②絕不允許用戶程序訪問操作系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)，也不允許用戶程序轉(zhuǎn)移到非共享的其它用戶程序中去執(zhí)行。內(nèi)存保護：存儲器管理功能在多道程序環(huán)境下，由于每道程序經(jīng)編譯和鏈接后所形成的可裝入程序其地址都是從0開始的，但不可能將它們從“0”地址(物理)開始裝入內(nèi)存，致使(各程序段的)地址空間內(nèi)的邏輯地址與其在內(nèi)存空間中的物理地址并不相一致。為保證程序能正確運行，存儲器管理必須提供地址映射功能，即能夠?qū)⒌刂房臻g中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中與之對應(yīng)的物理地址。該功能應(yīng)在硬件的支持下完成。地址映射：存儲器管理功能內(nèi)存擴充并非是從物理上去擴大內(nèi)存的容量，而是借助于虛擬存儲技術(shù)，從邏輯上擴充內(nèi)存容量，使用戶所感覺到的內(nèi)存容量比實際內(nèi)存容量大得多，以便讓更多的用戶程序能并發(fā)運行。這樣既滿足了用戶的需要，又改善了系統(tǒng)的性能。為了能在邏輯上擴充內(nèi)存，系統(tǒng)必須設(shè)置內(nèi)存擴充機制(包含少量的硬件)，用于實現(xiàn)下述各功能：