操作系統(tǒng)概論

操作系統(tǒng)原理

PrinciplesofOperatingSystem薛福亮自我介紹薛福亮電子郵件：fuliangxue@163.com

課程形式課堂教學(xué)習(xí)題課課后作業(yè)

課程安排1、總課時482、考核：期末閉卷70%，平時成績30%平時成績：考勤（10分）平時作業(yè)（20分）3、問題：課堂、課后、電子郵件兩個問題全球最大的軟件公司Microsoft最重要的軟件產(chǎn)品（立家之本）操作系統(tǒng)（Windows）全球第二大的軟件公司Oracle最重要的軟件產(chǎn)品（立家之本）數(shù)據(jù)庫（Oracle）為什么學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)加深對使用的操作系統(tǒng)的理解，編程時借鑒操作系統(tǒng)的設(shè)計思想和算法（比如插件開發(fā)）操作系統(tǒng)中所用的許多概念和技巧可以推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域存在人們意識不到的大量“操作系統(tǒng)”（如:嵌入式系統(tǒng)－家電、手機(jī)）設(shè)計操作系統(tǒng)或者修改現(xiàn)有的系統(tǒng)選擇購買操作系統(tǒng)：因為我們并不總使用Windows2000/XP操作系統(tǒng)涉及到計算機(jī)科學(xué)很多領(lǐng)域計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)/硬件軟件設(shè)計程序設(shè)計語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)核心技術(shù)并能在其他地方應(yīng)用操作系統(tǒng)是目前最復(fù)雜的軟件系統(tǒng)重點參考書1、湯子瀛等，《計算機(jī)操作系統(tǒng)》，西安電子科技大學(xué)2、南京大學(xué)孫鐘秀院士，《操作系統(tǒng)教程》第三版，高等教育出版社3、Silberschatz，《操作系統(tǒng)概念》（中、英文）第六版，高等教育出版社第1章操作系統(tǒng)概論§1.1操作系統(tǒng)的概念1.1.1計算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.問題的引入：

1、購買“操作系統(tǒng)”時，零售商所裝的所有東西。2、一直運行在計算機(jī)上的程序§1.1操作系統(tǒng)的概念2.計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)用戶1用戶2用戶3用戶4用戶n財務(wù)系統(tǒng)航空訂票上網(wǎng)瀏覽電子商務(wù)科學(xué)計算（應(yīng)用程序）編譯程序匯編程序編輯程序數(shù)據(jù)庫（系統(tǒng)程序）操作系統(tǒng)計算機(jī)硬件………

提供了一良好的工作環(huán)境，方便用戶的使用§1.1操作系統(tǒng)的概念2.計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)（裸機(jī)）：提供基本的可計算性資源，包括CPU、存儲器（主存、輔存）、I/O系統(tǒng)

操作系統(tǒng)層：對硬件作擴(kuò)充和改造，提供了操作系統(tǒng)接口，為編譯程序、編輯程序、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等的設(shè)計者提供有力支撐。

系統(tǒng)軟件：建立在操作系統(tǒng)改造和擴(kuò)充過的機(jī)器上，提供擴(kuò)展指令集，實現(xiàn)各種語言處理程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和其他系統(tǒng)程序。

應(yīng)用軟件：解決用戶不同的應(yīng)用問題§1.1操作系統(tǒng)的概念1.1.2操作系統(tǒng)的視圖（作用）1.操作系統(tǒng)是用戶與計算機(jī)硬件之間的接口。用戶A(上網(wǎng)）用戶B(欣賞音樂）用戶C(辦公）瀏覽器播放器辦公軟件用戶需求操作界面計算機(jī)硬件

操作系統(tǒng)屏蔽計算機(jī)硬件的物理特性差異，給用戶提供了接口§1.1操作系統(tǒng)的概念2.操作系統(tǒng)為用戶提供虛擬計算機(jī)裸機(jī)極難使用，雖有很強(qiáng)的指令系統(tǒng)，從功能上來說局限性很大。加上軟件后，就可在硬件基礎(chǔ)上，對其功能和性能進(jìn)行擴(kuò)充和完善。例如：如果加上一層窗口管理軟件，由該軟件把一臺物理屏幕改造成多窗口，每個應(yīng)用可以在各自的窗口中操作，用戶可以在窗口環(huán)境中方便地與計算機(jī)交互。操作系統(tǒng)是緊靠硬件的第一層軟件，計算機(jī)上覆蓋操作系統(tǒng)后，可擴(kuò)展基本功能，為用戶提供一臺功能顯著增強(qiáng)，使用更加方便，安全可靠性好，效率明顯提高的機(jī)器，稱為虛擬計算機(jī)，或操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器（VirtualMachine）。

§1.1操作系統(tǒng)的概念3.操作系統(tǒng)作為計算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者

在計算機(jī)系統(tǒng)中，能分配給用戶使用的硬件和軟件設(shè)施總稱為資源，包括兩大類：硬件資源和信息資源。這些資源是可以共享的。對資源進(jìn)行抽象研究，找出各種資源共性和個性，有序地管理計算機(jī)中的硬件、軟件資源，跟蹤資源使用情況，監(jiān)視資源的狀態(tài)，滿足用戶對資源的需求，協(xié)調(diào)各程序?qū)Y源的使用沖突，是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的任務(wù)之一?！?.1操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)是控制和管理計算機(jī)硬件和軟件資源，合理地對各種資源進(jìn)行分配和調(diào)度，規(guī)范計算機(jī)工作流程，方便用戶使用的程序的集合。操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件，它常駐內(nèi)存，給用戶程序提供一個支撐環(huán)境，所以，操作系統(tǒng)有哪些成分組成變得非常重要。一個比較公認(rèn)的定義是操作系統(tǒng)是一直運行在計算機(jī)上的系統(tǒng)程序（通常稱為內(nèi)核），其它程序則為應(yīng)用程序，運行在操作系統(tǒng)提供的良好環(huán)境中?！?.1操作系統(tǒng)的概念1.1.3現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特點：

現(xiàn)代操作系統(tǒng)盡管種類繁多，功能差別很大，但它們?nèi)匀痪哂幸恍┕餐奶卣鳌，F(xiàn)代操作系統(tǒng)具有并發(fā)性、共享性、虛擬性和異步性。

1.并發(fā)性（concurrence)

并發(fā)性是指兩個或多個事件或活動在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)是一個并發(fā)的系統(tǒng)，并發(fā)性是它最重要的特性。操作系統(tǒng)的并發(fā)性是指計算機(jī)系統(tǒng)中同時存在若干個運行的程序，這些程序在執(zhí)行時間上重疊?！?.1操作系統(tǒng)的概念

2．共享性(sharing)

共享性是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的另一個重要特征。共享是指系統(tǒng)中的硬件和軟件資源不再為某個程序所獨占，而是供多個用戶共同使用。資源共享的方式有兩種：（1）互斥訪問。系統(tǒng)中的某些資源，如打印機(jī)、磁帶機(jī)等，它們雖然可以提供給多個程序使用，但在同一時間段內(nèi)卻只允許一個程序訪問這些資源，即要求互相排斥地使用這些資源。（2）同時訪問。計算機(jī)系統(tǒng)中還有一些資源，允許同一時間內(nèi)多個程序?qū)λ鼈冞M(jìn)行訪問。典型的可同時訪問的設(shè)備是內(nèi)存，各種可重入程序也可被同時訪問?！?.1操作系統(tǒng)的概念3．虛擬性(virtual)

虛擬性是指操作系統(tǒng)采用的一種管理技術(shù)，它把一個物理上的實體，變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物，或者把物理上的多個實體變成邏輯上的一個對應(yīng)物的技術(shù)。很顯然，物理實體(前者)是實的，而后者是虛擬的。

4．異步性(asynchronism)

在多道程序環(huán)境下，允許多個進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，但由于競爭資源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行不是“一氣呵成”，而是以“走走停停”的方式運行。也就是說，在多道程序環(huán)境下，程序的執(zhí)行是以異步方式進(jìn)行的?！?.1操作系統(tǒng)的概念1.1.4操作系統(tǒng)的功能

1．處理機(jī)管理創(chuàng)建或刪除用戶進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)程；暫?；蛑貑⑦M(jìn)程；提供進(jìn)程同步機(jī)制；提供進(jìn)程通信機(jī)制；提供死鎖處理機(jī)制；§1.1操作系統(tǒng)的概念2．存儲管理

操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)下列內(nèi)存管理的活動：記錄內(nèi)存的哪些部分正在被使用及被誰使用。當(dāng)內(nèi)存空間可用時，決定哪些進(jìn)程可以裝入內(nèi)存。根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存空間。確保多道程序環(huán)境下，各個程序的運行只在自己內(nèi)存空間運行，互不干擾。當(dāng)內(nèi)存空間不足時，采取何種策略去擴(kuò)展邏輯內(nèi)存?！?.1操作系統(tǒng)的概念

3．設(shè)備管理提供外圍設(shè)備的控制與處理

提供緩沖區(qū)的管理

提供設(shè)備獨立性

外圍設(shè)備的分配和驅(qū)動調(diào)度實現(xiàn)虛擬設(shè)備

§1.1操作系統(tǒng)的概念4．文件管理創(chuàng)建或刪除文件

創(chuàng)建或刪除目錄

提供操作文件和目錄的原語

將文件映射到輔存上

在穩(wěn)定的存儲媒介上備份文件

§1.1操作系統(tǒng)的概念

5．用戶接口管理6.其他功能系統(tǒng)安全網(wǎng)絡(luò)和通信管理小結(jié)操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)的特征操作系統(tǒng)的功能

如同任何其他事物一樣，操作系統(tǒng)也有它的誕生、成長和發(fā)展過程。為了更清楚地把握操作系統(tǒng)的實質(zhì)，了解操作系統(tǒng)的發(fā)展是很有必要的，因為操作系統(tǒng)的許多概念都是在操作系統(tǒng)的發(fā)展過程中出現(xiàn)并逐步得到發(fā)展和成熟的?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.1人工操作階段

由用戶（程序員）采用手工方式直接控制和使用計算機(jī)硬件，即由用戶（程序員）將事先準(zhǔn)備好的程序和數(shù)據(jù)穿孔在紙帶或卡片上，然后將這些紙帶或卡片裝入紙帶或卡片輸入機(jī)，啟動它們將程序和數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)，隨后啟動計算機(jī)運行。當(dāng)程序運行結(jié)束取走結(jié)果后，才讓另一個用戶上機(jī)。穿孔操作員計算機(jī)室卡片盒

許多機(jī)時被操作員在機(jī)房里走來走去的過程浪費了。手工操作

穿孔->紙帶（卡片）裝上輸入機(jī)->程序和數(shù)據(jù)送入計算機(jī)->控制臺開關(guān)啟動程序運行->計算->輸出結(jié)果->取走紙帶。運行時間=作業(yè)時間+操作時間程序員這種人工操作方式有以下缺陷：（1）用戶上機(jī)獨占全機(jī)資源，造成資源利用率不高，系統(tǒng)效率低下。（2）手工操作多，浪費處理機(jī)時間，也極易發(fā)生差錯。（3）數(shù)據(jù)的輸入，程序的執(zhí)行、結(jié)果的輸出均聯(lián)機(jī)進(jìn)行，從上機(jī)到下機(jī)的時間拉得非常長。例子：計算機(jī)速度計算時間作業(yè)建立和人工干預(yù)手工占的比例每秒1萬次運行1個小時花了3分鐘5%每秒10萬次運行6分鐘花了3分鐘50%每秒100萬次運行36秒花了3分鐘83%改進(jìn)重點:縮短手工操作和人工干預(yù)時間§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.2管理程序階段——操作系統(tǒng)的雛形

操作員集中一批用戶提交的作業(yè)，由管理程序?qū)⑦@批作業(yè)從紙帶或卡片機(jī)輸入到磁帶上，每當(dāng)一批作業(yè)輸入完成后，管理程序自動把磁帶上的第一個作業(yè)裝入內(nèi)存，并把控制權(quán)交給作業(yè)。當(dāng)該作業(yè)執(zhí)行完成后，作業(yè)又把控制權(quán)繳回管理程序，管理程序再調(diào)入磁帶上的第二個作業(yè)到內(nèi)存執(zhí)行。這種自動定序的處理方由式稱為“批處理”。管理程序標(biāo)準(zhǔn)輸入程序編譯程序裝配程序標(biāo)準(zhǔn)輸出和處理程序輸入用戶作業(yè)程序編譯后的用戶作業(yè)程序裝配好的用戶作業(yè)程序執(zhí)行、輸出結(jié)果調(diào)用子程序轉(zhuǎn)到下一個作業(yè).用戶紙帶機(jī)卡片機(jī)打印機(jī)輸入磁帶輸出磁帶系統(tǒng)管理程序聯(lián)機(jī)批處理.用戶紙帶機(jī)卡片機(jī)打印機(jī)輸入磁帶輸出磁帶管理程序脫機(jī)批處理衛(wèi)星機(jī)系統(tǒng)聯(lián)機(jī)I/O批處理：速度慢，I/O設(shè)備和CPU仍然串行工作，CPU時間浪費相當(dāng)大。脫機(jī)I/O批處理：另設(shè)一臺輔機(jī)，僅與I/O設(shè)備打交道，不與主機(jī)連接。I/O工作脫離了主機(jī)，輔機(jī)和主機(jī)可以并行工作，大大加快了程序的處理和數(shù)據(jù)的輸入輸出。在早期的單道批處理系統(tǒng)中，內(nèi)存中僅有單個作業(yè)在運行，致使系統(tǒng)中仍有許多資源空閑，設(shè)備利用率低，系統(tǒng)性能較差?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.3多道批處理系統(tǒng)——現(xiàn)代意義上的操作系統(tǒng)出現(xiàn)所謂多道程序設(shè)計（multiprogramming）是指允許多個程序同時進(jìn)入一個計算機(jī)系統(tǒng)的主存儲器并啟動進(jìn)行計算的方法。也就是說，計算機(jī)內(nèi)存中同時存放多道（二個以上相互獨立的）程序，它們都處于開始和結(jié)束點之間。從宏觀上看是并行的，多道程序都處于運行中，并且都沒有運行結(jié)束；從微觀上看是串行的，各道程序輪流使用CPU，交替執(zhí)行。

例子：計算某個數(shù)據(jù)處理問題，要求從輸入機(jī)（速度為6400字符／秒）輸入500個字符(費時78毫秒)，經(jīng)處理（費時52毫秒）后，將結(jié)果（假定為2000個字符）存到磁帶上（磁帶機(jī)速度為10萬字符／秒,費時20毫秒），然后，再讀500個字符處理，直至所有的輸入數(shù)據(jù)全部處理完畢?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展單道算題運行時處理器的使用效率§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展處理器的利用率為：

52/（78十52十20）≈35%

分析上面的例子，可以看出效率不高的原因，當(dāng)輸入機(jī)輸入500個字符后，處理器只花了52毫秒就處理完了，而這時第二批輸入數(shù)據(jù)還要再等98毫秒時間才能輸入完畢，在此期間CPU一直空閑著?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展這個例子說明單道程序工作時，計算機(jī)系統(tǒng)的各部件的利用率沒有得到充分發(fā)揮。為了提高效率，考慮讓計算機(jī)同時接受兩道算題，當(dāng)?shù)谝坏莱绦蛟诘却鈬O(shè)備的時候，讓第二道程序運行，以降低CPU空閑等待時間，那么，處理器的利用率顯然可以有所提高。例如，計算機(jī)在接受上述算題時還接受了另一道算題：從另一臺磁帶機(jī)上輸入2000個字符，經(jīng)42毫秒的處理后，從行式打印機(jī)（速度為1350行／分）上輸出兩行?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展當(dāng)這兩道算題同時進(jìn)入內(nèi)存計算時，計算過程如圖所示。其中，P1表示程序甲占用CPU對輸入機(jī)輸入的500個字符進(jìn)行處理，由于52毫秒處理便結(jié)束，下次處理要等待98毫秒之后，故這個時間段內(nèi)CPU是空閑的。系統(tǒng)調(diào)度程序乙工作，它從磁帶機(jī)上輸入2000個字符后，P2表示對這批數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。相應(yīng)的I/O設(shè)備和CPU的操作都是并行的。不難算出，此時處理器的利用率為：（52+42）/150≈63％§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展操作系統(tǒng)中引入多道程序設(shè)計的好處:

一是提高了CPU的利用率，二是提高了內(nèi)存和I/O設(shè)備的利用率，三是改進(jìn)了系統(tǒng)的吞吐率，四是充分發(fā)揮了系統(tǒng)的并行性。其主要缺點是:作業(yè)周轉(zhuǎn)時間延長?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.4分時系統(tǒng)與實時系統(tǒng)的出現(xiàn)——操作系統(tǒng)步入實用化

1.分時系統(tǒng)：允許多個聯(lián)機(jī)用戶同時使用一臺計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計算的操作系統(tǒng)稱分時操作系統(tǒng)（TimeSharingOperatingSystem）而系統(tǒng)則是將處理機(jī)的時間劃分為小的時間間隔（又稱時間片），輪流地為每個終端上的作業(yè)服務(wù)，使每個用戶都感覺好象自己在使用計算機(jī)。§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展分時操作系統(tǒng)具有以下特性：（1）多路性：允許在一臺主機(jī)上同時聯(lián)接多臺聯(lián)機(jī)終端，系統(tǒng)按分時原則為每個用戶服務(wù)。（2）獨立性：每個用戶各占一個終端，彼此獨立操作，互不干擾。（3）及時性：用戶的請求能在很短時間內(nèi)獲得響應(yīng)。（4）交互性：用戶可通過終端與系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的人機(jī)對話。批處理、多道程序=〉充分利用系統(tǒng)資源（CPU、內(nèi)存、外設(shè)）分時系統(tǒng)=〉為用戶提供與計算機(jī)系統(tǒng)直接交互的能力，允許許多用戶共享計算機(jī)系統(tǒng)§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展現(xiàn)代操作系統(tǒng)的正式形成

多道和分時系統(tǒng)的出現(xiàn)，標(biāo)志著現(xiàn)代操作系統(tǒng)的正式形成?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展2.實時操作系統(tǒng)：實時操作系統(tǒng)（RealTimeOperatingSystem)指當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能接收并以足夠快的速度予以處理，處理的結(jié)果又能在規(guī)定時間內(nèi)來控制監(jiān)控的生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行的操作系統(tǒng)?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展3.操作系統(tǒng)的三種基本類型的比較批處理系統(tǒng)的特點是“多道、成批自動處理”，優(yōu)點是“資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大”，缺點是“等待時間長、沒有交互能力”；分時系統(tǒng)的特點“同時性、交互性、獨立性和及時性”，優(yōu)點是“響應(yīng)快，便于資源共享”；實時系統(tǒng)的特點“響應(yīng)迅速，可靠性高，系統(tǒng)專用”，與分時系統(tǒng)相比，交互性較弱。§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.5操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展

1.微機(jī)操作系統(tǒng)現(xiàn)代的微機(jī)操作系統(tǒng)具有GUI、多用戶多任務(wù)、虛擬存儲管理、網(wǎng)絡(luò)通信支持、數(shù)據(jù)庫支持、多媒體支持、應(yīng)用程序編程接口（API)支持等功能,以最大程度的滿足個人用戶的使用要求。典型的微機(jī)操作系統(tǒng)有Windows、OS2、Unix和Linux等?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展2.網(wǎng)絡(luò)和分布式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NetworkOperatingSystem)能夠控制計算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中方便的傳送信息和共享資源，并能為網(wǎng)絡(luò)用戶提供各種所需服務(wù)的操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)主要有兩種工作模式：（1）客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server)模式。（2）對等模式（peer-to-peer）。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)除了具有操作系統(tǒng)的基本功能外，還應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)通信、資源管理和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。目前比較流行的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)有：Linux、Unix、WindowsServer2000/2003等。§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展2.網(wǎng)絡(luò)和分布式操作系統(tǒng)分布式計算機(jī)系統(tǒng)是一種特殊的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在分布式系統(tǒng)中。每臺計算機(jī)高度自治，又相互協(xié)調(diào)，能在系統(tǒng)范圍內(nèi)實現(xiàn)資源管理，任務(wù)分配，能并行地運行分布式程序。分布式系統(tǒng)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵區(qū)別在于：在分布式系統(tǒng)中，多臺自主的計算機(jī)對用戶是透明的（或者說是不可見的）。也就是說，在分布式系統(tǒng)中，用戶覺察不到多個處理機(jī)的存在，用戶面對的是一臺虛擬的單處理機(jī)。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，用戶必須明確指出在哪臺機(jī)器上登錄，明確地運行遞交的任務(wù)，明確地指定文件傳輸?shù)哪康牡??！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展3.并行系統(tǒng)和集群系統(tǒng)多處理機(jī)系統(tǒng)（也稱為并行系統(tǒng)）有多個緊密通信的處理器，它們共享計算機(jī)總線、時鐘，有時還有內(nèi)存和外設(shè)等。多處理機(jī)系統(tǒng)有對稱多處理（SMP)和非對稱多處理兩種模式。集群系統(tǒng)（ClusterSystem)將多個CPU集中起來完成計算任務(wù)。然而，集群系統(tǒng)與并行系統(tǒng)不同，它是有兩個或多個獨立的系統(tǒng)耦合起來。集群的定義尚未定形，通常接受的定義是集群計算機(jī)共享存儲并通過LAN網(wǎng)絡(luò)緊密連接。

§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展4.嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)指運行在嵌入式(計算機(jī))環(huán)境中，對整個系統(tǒng)及所有操作的各種部件、裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、處理、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。嵌入式操作系統(tǒng)具有通常操作系統(tǒng)的功能，包括：與硬件相關(guān)的底層軟件、操作系統(tǒng)核心功能（文件系統(tǒng)、存儲管理、設(shè)備管理、進(jìn)程管理、處理器管理和中斷處理）、功能強(qiáng)大的還提供圖形界面、通信協(xié)議、小型瀏覽器等設(shè)施。嵌入式操作系統(tǒng)硬件平臺的局限性、應(yīng)用環(huán)境的多樣性、開發(fā)手段的特殊性，使它與一般操作系統(tǒng)有很大不同?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.6實例研究：Windows和Linux的發(fā)展歷程

1.Linux系統(tǒng)

Linux是類Unix操作系統(tǒng)大家族中的一員。從20世紀(jì)90年代末開始，Linux這位相對較新的成員突然變得非常流行，并且躋身于那些有名的商用Unix操作系統(tǒng)之列。1991年，Linus

Torvalds開發(fā)出最初的Linux，它作為一個適用于基于Intel80386微處理器的IBMPC兼容機(jī)的操作系統(tǒng)。Linus將這個系統(tǒng)放到Internet上，允許人們自由下載，許多人對Linux進(jìn)行改進(jìn)、擴(kuò)充、完善，做出了關(guān)鍵性貢獻(xiàn)。Linux由最初一個人寫的原型變成在Internet上由無數(shù)志同道合的程序高手們參與的一場運動。流行操作系統(tǒng)簡介DOS操作系統(tǒng)Windows操作系統(tǒng)Unix操作系統(tǒng)Linux操作系統(tǒng)IBM操作系統(tǒng)其他流行操作系統(tǒng)DOS操作系統(tǒng)：DiskOperatingSystem1980年11月，IBM公司和Microsoft公司正式簽約委托Microsoft為其即將推出的IBM-PC機(jī)開發(fā)一個操作系統(tǒng)，這就是PC-DOS，又稱IBM-DOS。1981年，Microsoft推出了MS-DOS1.0版，兩者的功能基本一致，統(tǒng)稱DOS。到1994年推出了最后的版本DOS6.22DOS操作系統(tǒng)微軟的發(fā)家之寶。DOS采用匯編語言書寫，系統(tǒng)開銷小，運行效率高。另外，DOS針對PC機(jī)環(huán)境來設(shè)計，實用性好，較好地滿足了低檔微機(jī)工作的需要。但是，隨著PC機(jī)性能的突飛猛進(jìn)，DOS的缺點不斷顯露出來，已經(jīng)無法發(fā)揮硬件的能力，又缺乏對數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體等的支持，沒有通用的應(yīng)用程序接口，加上用戶界面不友善，操作使用不方便，從而，逐步讓位于Windows等其他操作系統(tǒng)。Windows操作系統(tǒng)Microsoft公司成立于1975年，到現(xiàn)在已經(jīng)成為世界上最大的軟件公司。從1983年11月Microsoft公司宣布Windows誕生到今天的WindowsXP，Windows已經(jīng)走過了20個年頭，并且成為風(fēng)靡全球的微機(jī)操作系統(tǒng)。目前個人計算機(jī)上采用Windows操作系統(tǒng)的占90%，微軟公司幾乎壟斷了PC行業(yè)。UNIX操作系統(tǒng)它最早由美國電報電話公司貝爾實驗室的Thompson和Ritchie于1969年在DEC公司的小型系列機(jī)PDP-7上開發(fā)成功，1971年被移植到PDP-11上。1973年Ritchie在BCPL(BasicCombinedProgrammingLanguage)語言基礎(chǔ)上開發(fā)出C語言，這對UNIX的發(fā)展產(chǎn)生了重要作用，用C語言改寫后的第3版UNIX具有高度易讀性、可移植性，為迅速推廣和普及走出了決定性的一步UNIX取得成功的最重要原因是系統(tǒng)的開放性，公開源代碼，用戶可以方便地向UNIX系統(tǒng)中逐步添加新功能和工具，這樣可使UINX越來越完善，能提供更多服務(wù)，成為有效的程序開發(fā)支撐平臺。它是目前唯一可以安裝和運行在從微型機(jī)、工作站直到大型機(jī)和巨型機(jī)上的操作系統(tǒng)。Unix系統(tǒng)和C語言的設(shè)計者Ritcchie和Thompson共同獲得了1983年度的ACM圖靈獎(ACMTuringAward)和軟件系統(tǒng)獎(SoftwareSystemAward)。Linux和自由軟件Linux是由芬蘭藉科學(xué)家LinusTorvalds于1991年編寫完成的一個操作系統(tǒng)內(nèi)核，當(dāng)時他還是芬蘭首都赫爾辛基大學(xué)計算機(jī)系的學(xué)生，在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程中，自己動手編寫了一個操作系統(tǒng)原型，從此，一個新的操作系統(tǒng)誕生了。Linus把這個系統(tǒng)放在Internet上，允許自由下載§1.3操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.3.1操作系統(tǒng)的設(shè)計

操作系統(tǒng)是一個龐雜的大型系統(tǒng)的軟件,因此,操作系統(tǒng)的設(shè)計是一個復(fù)雜的過程。以IBM公司的OS/360系統(tǒng)為例，它由4000個模塊組成，共約100萬條指令，花費5000人年，經(jīng)費達(dá)數(shù)億美元。1.操作系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)一個高質(zhì)量的操作系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性、高效性、可擴(kuò)充性、易移植性、安全性和兼容性等特征。

2.操作系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)設(shè)計原則：機(jī)制與實現(xiàn)相分離

§1.3操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.3.2操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.整體式結(jié)構(gòu)整體式操作系統(tǒng)的基本設(shè)計思想是：把模塊作為操作系統(tǒng)的基本單位，按照功能需要而不是根據(jù)程序和數(shù)據(jù)的特性把整個操作系統(tǒng)分解成若干個模塊，每個模塊具有一定的功能，若干個關(guān)聯(lián)模塊協(xié)作完成某個功能。各個模塊可以不加控制，自由調(diào)用，每個模塊經(jīng)獨立設(shè)計、編碼和調(diào)試后連接成一個完整的系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：程序結(jié)構(gòu)緊密，接口簡單直接，系統(tǒng)效率高，但是也有一定的缺陷，如模塊獨立性差，模塊之間牽連太多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不清晰，系統(tǒng)的正確性難以保證，可靠性降低，擴(kuò)充性差等?！?.3操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.層次結(jié)構(gòu)所謂層次結(jié)構(gòu)就是把操作系統(tǒng)所有的功能模塊按照功能的調(diào)用次序分別排成若干層，各層之間的模塊只能是單向依賴或單向調(diào)用（如：只允許上層或外層模塊調(diào)用下層或內(nèi)層模塊）關(guān)系，這樣不但操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)清晰，而且不構(gòu)成循環(huán)。層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：整體問題局部化，系統(tǒng)的正確性可通過各層正確性來保證。增加、修改或替換層次不影響其他層次，有利于系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。§1.3操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.層次結(jié)構(gòu)構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)OS分層原則1）把與機(jī)器硬件有關(guān)的程序模塊放在最底層

2)反映系統(tǒng)外特性的軟件放在最外層

3)按照實現(xiàn)操作系統(tǒng)命令時模塊間的調(diào)用次序或按進(jìn)程間單向發(fā)送信息的順序來分層

4)為進(jìn)程的正常運行創(chuàng)造環(huán)境和提供條件的內(nèi)核程序應(yīng)該盡可能放在底層?！?.3操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.客戶/