計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程著_清華第1章

1、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程(第4版)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材張堯?qū)W 宋虹 張高 編著第1章 緒論1.1 操作系統(tǒng)概念1.2 操作系統(tǒng)的歷史1.3 操作系統(tǒng)的基本類型1.4 操作系統(tǒng)功能1.5 計(jì)算機(jī)硬件簡(jiǎn)介1.6 算法的描述1.7 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)習(xí)題1.1 操作系統(tǒng)概念1.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成 任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是由兩部分組成：計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)軟件。計(jì)算機(jī)硬件通常是由中央處理機(jī)（運(yùn)算器和控制器）、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等部件組成。計(jì)算機(jī)軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件如操作系統(tǒng)、多種語(yǔ)言處理程序( 匯編和編譯程序等 )、連接裝配程序、系統(tǒng)實(shí)用程序、多種工具軟件等; 應(yīng)用軟件為多種應(yīng)

2、用目的而編制的程序。沒(méi)有任何軟件支持的計(jì)算機(jī)稱為裸機(jī)，它僅僅構(gòu)成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而實(shí)際呈現(xiàn)在用戶面前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)若干層軟件改造的計(jì)算機(jī)。圖1.1展示了這種情形。圖1.1 操作系統(tǒng)與硬件軟件的關(guān)系綜上所述，我們可以非形式地把操作系統(tǒng)定義為:操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)系統(tǒng)軟件，它是這樣一些程序模塊的集合它們管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，以便有效地利用這些資源為用戶提供一個(gè)功能強(qiáng)大、使用方便和可擴(kuò)展的工作環(huán)境，從而在計(jì)算機(jī)與其用戶之間起到接口的作用。1.2 操作系統(tǒng)的歷史人們通常按照器件工藝的演變把計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程分為四個(gè)階段。1.2.1 手工操作階

3、段在第一代計(jì)算機(jī)時(shí)期，構(gòu)成計(jì)算機(jī)的主要元器件是電子管，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度慢，沒(méi)有操作系統(tǒng)，甚至沒(méi)有任何軟件。用戶直接用機(jī)器語(yǔ)言編制程序，并在上機(jī)時(shí)獨(dú)占全部計(jì)算機(jī)資源。上機(jī)完全是手工操作：先把程序紙帶(或卡片)裝上輸入機(jī)，然后啟動(dòng)輸入機(jī)把程序和數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，接著通過(guò)控制臺(tái)開關(guān)啟動(dòng)程序運(yùn)行。計(jì)算完畢，打印機(jī)輸出計(jì)算結(jié)果，用戶取走并卸下紙帶(或卡片)。1.2.2 早期批處理(batch processing)如上所述，在計(jì)算機(jī)發(fā)展的早期階段，由于沒(méi)有任何用于管理的軟件，所有的運(yùn)行管理和具體操作都由用戶自己承擔(dān)。作業(yè)由許多作業(yè)步組成，任何一步的錯(cuò)誤操作都可能導(dǎo)致該作業(yè)從頭開始。當(dāng)時(shí)，計(jì)算機(jī)極其昂貴，計(jì)算

4、機(jī)(CPU)的時(shí)間非常寶貴，盡可能提高CPU的利用率成為十分迫切的任務(wù)。解決的途徑有兩個(gè)：首先配備專門的計(jì)算機(jī)操作員，程序員不再直接操作機(jī)器，減少操作機(jī)器的錯(cuò)誤。另一個(gè)重要措施是進(jìn)行批處理，操作員把用戶提交的作業(yè)分類，把一批中的作業(yè)編成一個(gè)作業(yè)執(zhí)行序列。每一批作業(yè)將有專門編制的監(jiān)督程序(monitor)自動(dòng)依次處理。早期的批處理可分為兩種方式。1. 聯(lián)機(jī)批處理慢速的輸入輸出(I/O)設(shè)備是和主機(jī)直接相連。作業(yè)的執(zhí)行過(guò)程為:(1) 用戶提交作業(yè)：作業(yè)程序、數(shù)據(jù)，用作業(yè)控制語(yǔ)言編寫的作業(yè)說(shuō)明書;(2) 作業(yè)被作成穿孔紙帶或卡片;(3) 操作員有選擇地把若干作業(yè)合成一批，通過(guò)輸入設(shè)備(紙帶輸入機(jī)或讀

5、卡機(jī)) 把它們存入磁帶;(4) 監(jiān)督程序讀入一個(gè)作業(yè)(若系統(tǒng)資源能滿足該作業(yè)要求);(5) 從磁帶調(diào)入?yún)R編程序或編譯程序，將用戶作業(yè)源程序翻譯成目標(biāo)代碼;(6) 連接裝配程序把編譯后的目標(biāo)代碼及所需的子程序裝配成一個(gè)可執(zhí)行程序;(7) 啟動(dòng)執(zhí)行;(8) 執(zhí)行完畢，由善后處理程序輸出計(jì)算結(jié)果;(9) 再讀入一個(gè)作業(yè)，重復(fù)(5)(9)各步；(10) 一批作業(yè)完成，返回到(3)，處理下一批作業(yè)。這種聯(lián)機(jī)批處理方式解決了作業(yè)自動(dòng)轉(zhuǎn)接，從而減少作業(yè)建立和人工操作時(shí)間。但是在作業(yè)的輸入和執(zhí)行結(jié)果的輸出過(guò)程中，主機(jī)CPU仍處在停止等待狀態(tài)，這樣慢速的輸入輸出設(shè)備和快速主機(jī)之間仍處于串行工作，CPU的時(shí)間仍有

6、很大的浪費(fèi)。2. 脫機(jī)批處理這種方式的顯著特征是增加一臺(tái)不與主機(jī)直接相連而專門用于與輸入輸出設(shè)備打交道的衛(wèi)星機(jī)。如圖1.2所示。衛(wèi)星機(jī)的功能是：(1) 輸入設(shè)備通過(guò)它把作業(yè)輸入到輸入磁帶；(2) 輸出磁帶將作業(yè)執(zhí)行結(jié)果輸出到輸出設(shè)備。這樣，主機(jī)不是直接與慢速的輸入輸出設(shè)備打交道，而是與速度相對(duì)較快的磁帶機(jī)發(fā)生關(guān)系。主機(jī)與衛(wèi)星機(jī)可以并行工作，二者分工明確，以充分發(fā)揮主機(jī)的高速度計(jì)算能力。因此脫機(jī)批處理和早期聯(lián)機(jī)批處理相比大大提高了系統(tǒng)的處理能力。圖1.2 早期脫機(jī)批處理模型圖1.3 監(jiān)督程序管理下的解題過(guò)程借助于通道、中斷技術(shù)和輸入輸出可在主機(jī)控制下完成批處理。這時(shí)，原來(lái)的監(jiān)督程序的功能擴(kuò)大了，

7、它不僅要負(fù)責(zé)作業(yè)運(yùn)行的自動(dòng)調(diào)度，而且還要提供輸入輸出控制功能。這個(gè)發(fā)展了的監(jiān)督程序常駐內(nèi)存稱為執(zhí)行系統(tǒng)。執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的也是輸入輸出聯(lián)機(jī)操作，和早期批處理系統(tǒng)不同的是：輸入輸出工作是由在主機(jī)控制下的通道完成的。主機(jī)和通道、主機(jī)和輸入輸出設(shè)備都可以并行操作。1.2.3 多道程序系統(tǒng)上述批處理系統(tǒng)，每次只調(diào)用一個(gè)用戶作業(yè)程序進(jìn)入內(nèi)存并運(yùn)行，稱為單道運(yùn)行。圖1.4(a)給出了單道程序工作示例。而圖1.4(b)給出了多道程序工作示例。在單處理機(jī)系統(tǒng)中，多道程序運(yùn)行的特點(diǎn)是:(1) 多道：計(jì)算機(jī)內(nèi)存中同時(shí)存放幾道相互獨(dú)立的程序。(2) 宏觀上并行：同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的幾道程序都處于運(yùn)行過(guò)程中，即它們先后開始了各

8、自的運(yùn)行，但都未運(yùn)行完畢。(3) 微觀上串行：實(shí)際上，各道程序輪流使用CPU，交替執(zhí)行。(a) 單道程序工作示例 (b) 多道程序工作示例 圖 1.4在批處理系統(tǒng)中采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，就形成了多道批處理系統(tǒng)。要處理的許多作業(yè)存放在外部存儲(chǔ)器中，形成作業(yè)隊(duì)列，等待運(yùn)行。當(dāng)需要調(diào)入作業(yè)時(shí)，將由操作系統(tǒng)中的作業(yè)調(diào)度程序?qū)ν獯嬷械囊慌鳂I(yè)，根據(jù)其對(duì)資源的要求和一定的調(diào)度原則，調(diào)幾個(gè)作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存，讓它們交替運(yùn)行。當(dāng)某個(gè)作業(yè)完成，然后再調(diào)入一個(gè)或幾個(gè)作業(yè)。這種處理方式，在內(nèi)存中總是同時(shí)存在幾道程序，系統(tǒng)資源得到比較充分的利用。1.2.4 分時(shí)操作系統(tǒng)批處理方式下，用戶以脫機(jī)操作方式使用計(jì)算機(jī)，只有等該批

9、作業(yè)處理結(jié)束，用戶才能得到計(jì)算結(jié)果。根據(jù)結(jié)果再作下一步處理。它的好處是計(jì)算機(jī)效率高。不過(guò)，用戶十分留戀手工操作階段的聯(lián)機(jī)工作方式，獨(dú)占計(jì)算機(jī)，并直接控制程序運(yùn)行。但獨(dú)占計(jì)算機(jī)方式會(huì)造成資源效率低。既能保證計(jì)算機(jī)效率，又能方便用戶使用，成為一種新的追求目標(biāo)。20世紀(jì)60年代中期，計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展使這種追求成為可能。由于CPU速度不斷提高和采用分時(shí)技術(shù)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可同時(shí)連接多個(gè)用戶終端，而每個(gè)用戶可在自己的終端上聯(lián)機(jī)使用計(jì)算機(jī)，好像自己獨(dú)占機(jī)器一樣。所謂分時(shí)技術(shù)，就是把處理機(jī)的運(yùn)行時(shí)間分成很短的時(shí)間片，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。若某個(gè)作業(yè)在分配給它的時(shí)間片內(nèi)不能完成其計(jì)算

10、，則該作業(yè)暫時(shí)中斷，把處理機(jī)讓給另一作業(yè)使用，等待下一輪時(shí)再繼續(xù)其運(yùn)行。由于計(jì)算機(jī)速度很快，作業(yè)運(yùn)行輪轉(zhuǎn)得很快，給每個(gè)用戶的印象是好像他獨(dú)占了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。而每個(gè)用戶可以通過(guò)自己終端向系統(tǒng)發(fā)出各種操作控制命令，完成作業(yè)的運(yùn)行。多用戶分時(shí)操作系統(tǒng)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中最普遍使用的一類操作系統(tǒng)。1.2.5 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)20世紀(jì)60年代中期計(jì)算機(jī)進(jìn)入第三代，計(jì)算機(jī)的性能和可靠性有了很大提高，造價(jià)亦大幅度下降，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。計(jì)算機(jī)由于用于工業(yè)過(guò)程控制、軍事實(shí)時(shí)控制等形成了各種實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。針對(duì)實(shí)時(shí)處理的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是以在允許時(shí)間范圍之內(nèi)做出響應(yīng)為特征的。它要求計(jì)算機(jī)對(duì)于外來(lái)信息能以足夠快的速

11、度進(jìn)行處理，并在被控對(duì)象允許時(shí)間范圍內(nèi)作出快速響應(yīng)，其響應(yīng)時(shí)間要求在秒級(jí)、毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)或更小。近年來(lái)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。特別是非PC機(jī)和PDA（個(gè)人數(shù)字助理）等新設(shè)備的出現(xiàn)，更加強(qiáng)了這一趨勢(shì)。1.2.6 通用操作系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)的不斷改進(jìn)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)及其應(yīng)用日益廣泛，致使操作系統(tǒng)日益完善。在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了通用操作系統(tǒng)。它可以同時(shí)兼有多道批處理、分時(shí)、實(shí)時(shí)處理的功能，或其中兩種以上的功能。例如，將實(shí)時(shí)處理和批處理相結(jié)合構(gòu)成實(shí)時(shí)批處理系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，它首先保證優(yōu)先處理任務(wù)，插空進(jìn)行批作業(yè)處理。通常把實(shí)時(shí)任務(wù)稱為前臺(tái)作業(yè)，批作業(yè)稱為后臺(tái)作業(yè)。將批處理和分

12、時(shí)處理相結(jié)合可構(gòu)成分時(shí)批處理系統(tǒng)。在保證分時(shí)用戶的前提下，沒(méi)有分時(shí)用戶時(shí)可進(jìn)行批量作業(yè)的處理。同樣，分時(shí)用戶和批處理作業(yè)可按前后臺(tái)方式處理。20世紀(jì)60年代中期開始，國(guó)際上開始研制大型通用操作系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在解決其可靠性、可維護(hù)性、可理解性和開放性等方面都遇到很大的困難。相比之下UNIX操作系統(tǒng)卻是一個(gè)例外。這是一個(gè)通用的多用戶分時(shí)交互型的操作系統(tǒng)。它首先建立的是一個(gè)精干的核心，而其功能卻足以與許多大型的操作系統(tǒng)相媲美，在核心層以外可以支持龐大的軟件系統(tǒng)。目前廣泛使用的各種工作站級(jí)的操作系統(tǒng)如SUN公司的Solaris，IBM公司的AIX等都是基于UNIX的操作系統(tǒng)。Windows系列操作系統(tǒng)

13、，其主要原理也是基于UNIX系統(tǒng)的。linux系統(tǒng)也是從UNIX演變而成的。至此，操作系統(tǒng)的基本概念、功能、基本結(jié)構(gòu)和組成都已形成并漸趨完善。1.2.7 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)入20世紀(jì)80年代，一方面迎來(lái)了個(gè)人計(jì)算機(jī)的時(shí)代，同時(shí)又向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式處理、巨型計(jì)算機(jī)和智能化方向發(fā)展。操作系統(tǒng)有了進(jìn)一步的發(fā)展： 個(gè)人計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)，例如Window系統(tǒng)。 嵌入式操作系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。 分布式操作系統(tǒng)。 智能化操作系統(tǒng)。1.3 操作系統(tǒng)的基本類型根據(jù)其使用環(huán)境和對(duì)作業(yè)處理方式，操作系統(tǒng)的基本類型有：(1) 批處理操作系統(tǒng)(batch processing operating system

14、)(2) 分時(shí)操作系統(tǒng)(time sharing operating system)(3) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(real time operating system)(4) 個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)(personal computer operating system)(5) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(network operating system)(6) 分布式操作系統(tǒng)(distributed operating system)1.3.1 批處理操作系統(tǒng)現(xiàn)代操作系統(tǒng)大都具有批處理功能。圖1.5給出了批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理步驟及狀態(tài)。圖1.5 批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理及狀態(tài)1.3.2 分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)一般采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的

15、方式，使一臺(tái)計(jì)算機(jī)為多個(gè)終端用戶服務(wù)。對(duì)每個(gè)用戶能保證足夠快的響應(yīng)時(shí)間，并提供交互會(huì)話能力。具有下述特點(diǎn)。(1) 交互性：首先， 用戶可以在程序動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況下對(duì)其加以控制。其次，用戶上機(jī)提交作業(yè)方便。第三，分時(shí)系統(tǒng)還為用戶之間進(jìn)行合作提供方便。(2) 多用戶同時(shí)性：多個(gè)用戶同時(shí)在自己的終端上上機(jī)，共享CPU和其他資源，充分發(fā)揮系統(tǒng)的效率。(3) 獨(dú)立性：客觀效果上用戶彼此間感覺(jué)不到有別人也在使用該臺(tái)計(jì)算機(jī)，如同自己獨(dú)占計(jì)算機(jī)一樣。分時(shí)操作系統(tǒng)是一個(gè)聯(lián)機(jī)的多用戶交互式的操作系統(tǒng)。UNIX是最流行的一種多用戶分時(shí)操作系統(tǒng)。1.3.3 實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)信息處理領(lǐng)域中

16、而發(fā)展起來(lái)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是提供即時(shí)響應(yīng)和高可靠性。系統(tǒng)必須保證對(duì)實(shí)時(shí)信息的分析和處理的速度比其進(jìn)入系統(tǒng)的速度要快，而且系統(tǒng)本身要安全可靠。實(shí)時(shí)系統(tǒng)往往具有一定的專用性。大多數(shù)用于嵌入式計(jì)算中。與批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)相比，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的資源利用率可能較低。1.3.4 通用操作系統(tǒng)批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的三種基本類型，在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了具有多種類型操作特征的操作系統(tǒng)，稱為通用操作系統(tǒng)。它可以同時(shí)兼有批處理、分時(shí)、實(shí)時(shí)處理和多重處理的功能，或其中兩種以上的功能。1.3.5 個(gè)人計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)個(gè)人計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)是一聯(lián)機(jī)的交互式的單用戶操作系統(tǒng)，它提供的聯(lián)機(jī)交互功能與通用分時(shí)

17、系統(tǒng)所提供的很相似。由于是個(gè)人專用，因此在多用戶和分時(shí)所要求的對(duì)處理機(jī)調(diào)度、存儲(chǔ)保護(hù)方面將會(huì)簡(jiǎn)單得多。然而，由于個(gè)人計(jì)算機(jī)的應(yīng)用普及，對(duì)于提供更方便友好的用戶接口的要求愈來(lái)愈迫切。目前在個(gè)人計(jì)算機(jī)上使用的操作系統(tǒng)以Windows系列和linux系統(tǒng)為主。1.3.6 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)通信設(shè)施將物理上分散的具有自治功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連起來(lái)的，實(shí)現(xiàn)信息交換、資源共享、可互操作和協(xié)作處理的系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的研制開發(fā)是在原來(lái)各自計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。按照網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的各個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)，包括網(wǎng)絡(luò)管理、通信、資源共享、系統(tǒng)安全和多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)等達(dá)到上述諸方面的要求。由于網(wǎng)絡(luò)計(jì)

18、算的出現(xiàn)和發(fā)展，現(xiàn)代操作系統(tǒng)的主要特征之一就是具有上網(wǎng)功能，因此，除了在20世紀(jì)90年代初期時(shí)，Novell公司的Netware等系統(tǒng)被稱為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)之外，人們一般不再特指某個(gè)操作系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。1.3.7 分布式操作系統(tǒng)粗看起來(lái)，分布式系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)沒(méi)有多大區(qū)別。分布系統(tǒng)也可以定義為通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將物理上分布的具有自治功能的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息交換和資源共享，協(xié)作完成任務(wù)。但是有這樣一些明顯的區(qū)別應(yīng)予考慮：(1) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)都遵循協(xié)議，而對(duì)于各種分布式系統(tǒng)并沒(méi)有制定標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也可認(rèn)為是一種分布式系統(tǒng)。(2) 分布式系統(tǒng)要求一個(gè)統(tǒng)一的操作

19、系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作的統(tǒng)一性。(3) 分布式操作系統(tǒng)對(duì)用戶是透明的。但對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，若一個(gè)計(jì)算機(jī)上的用戶希望使用另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的資源，則必須明確指明是哪臺(tái)計(jì)算機(jī)。(4) 分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)。分布式系統(tǒng)已不僅是一個(gè)物理上的松散耦合系統(tǒng)，同時(shí)還是一個(gè)邏輯上緊密耦合的系統(tǒng)。(5) 分布式系統(tǒng)還處在研究階段。而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1.4 操作系統(tǒng)功能下面我們從資源管理和用戶接口的觀點(diǎn)分五個(gè)方面來(lái)說(shuō)明操作系統(tǒng)的基本功能。1.4.1 處理機(jī)管理在多道程序或多用戶的情況下，要組織多個(gè)作業(yè)同時(shí)運(yùn)行，就要解決對(duì)處理機(jī)分配調(diào)度策略、分配實(shí)施和資源回收等問(wèn)題。這就是處理機(jī)管理功能。正是由于操作

20、系統(tǒng)對(duì)處理機(jī)管理策略的不同，其提供的作業(yè)處理方式也就不同，例如成批處理方式、分時(shí)處理方式和實(shí)時(shí)處理方式。從而呈現(xiàn)在用戶面前，成為具有不同性質(zhì)功能的操作系統(tǒng)。1.4.2 存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)管理的主要工作是對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行分配、保護(hù)和擴(kuò)充。(1) 內(nèi)存分配。如何分配內(nèi)存，以保證系統(tǒng)及各用戶程序的存儲(chǔ)區(qū)互不沖突。(2) 存儲(chǔ)保護(hù)。保證一道程序在執(zhí)行過(guò)程中不會(huì)有意或無(wú)意地破壞另一道程序，保證用戶程序不會(huì)破壞系統(tǒng)程序。(3) 內(nèi)存擴(kuò)充。當(dāng)用戶作業(yè)所需要的內(nèi)存量超過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所提供的內(nèi)存容量時(shí)，把內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器結(jié)合起來(lái)管理，為用戶提供一個(gè)容量比實(shí)際內(nèi)存大得多的虛擬存儲(chǔ)器。1.4.3 設(shè)備管理(1) 通道

21、、控制器、輸入輸出設(shè)備的分配和管理。設(shè)備管理的任務(wù)就是根據(jù)一定的分配策略，把通道、控制器和輸入輸出設(shè)備分配給請(qǐng)求輸入輸出操作的程序，并啟動(dòng)設(shè)備完成實(shí)際的輸入輸出操作。為了盡可能發(fā)揮設(shè)備和主機(jī)的并行工作能力，常需要采用虛擬技術(shù)和緩沖技術(shù)。(2) 設(shè)備獨(dú)立性。輸入輸出設(shè)備種類很多，使用方法各不相同。設(shè)備管理應(yīng)為用戶提供一個(gè)良好的界面，而不必去涉及具體的設(shè)備特性，以使用戶能方便、靈活地使用這些設(shè)備。1.4.4 信息管理(文件系統(tǒng)管理)上述三種管理是針對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件資源的管理。信息管理(文件系統(tǒng)管理) 是對(duì)系統(tǒng)的軟件資源的管理。文件如不能很好管理，就會(huì)引起混亂，甚至遭受破壞。這就是管理信息文件需要解決

22、的問(wèn)題。信息的共享、保密和保護(hù)，也是文件系統(tǒng)所要解決的。如果系統(tǒng)允許多個(gè)用戶協(xié)同工作，那么就應(yīng)該允許用戶共享信息文件。但這種共享應(yīng)該是受控制的，應(yīng)該有授權(quán)和保密機(jī)制。還要有一定的保護(hù)機(jī)制以免文件被非授權(quán)用戶調(diào)用和修改，即使在意外情況下，如系統(tǒng)失效、用戶對(duì)文件使用不當(dāng)，也能盡量保護(hù)信息免遭破壞。也就是說(shuō)，系統(tǒng)是安全可靠的。1.4.5 用戶接口前述的四項(xiàng)功能是操作系統(tǒng)對(duì)資源的管理。操作系統(tǒng)還為用戶提供一個(gè)友好的用戶接口。一般來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)提供兩種方式的接口來(lái)為用戶服務(wù)。一種用戶接口是程序一級(jí)的接口，即提供一組廣義指令(或稱系統(tǒng)調(diào)用、程序請(qǐng)求)供用戶程序和其他系統(tǒng)程序調(diào)用。當(dāng)這些程序要求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸

23、、文件操作或有其他資源要求時(shí)，通過(guò)這些廣義指令向操作系統(tǒng)提出申請(qǐng)，并由操作系統(tǒng)代為完成。另一種接口是作業(yè)一級(jí)的接口，提供一組控制操作命令(或稱作業(yè)控制語(yǔ)言，或像UNIX中的Shell命令語(yǔ)言)供用戶去組織和控制自己作業(yè)的運(yùn)行。作業(yè)控制方式分兩大類：脫機(jī)控制和聯(lián)機(jī)控制。操作系統(tǒng)提供脫機(jī)控制作業(yè)語(yǔ)言和聯(lián)機(jī)控制作業(yè)控制語(yǔ)言。1.5 計(jì)算機(jī)硬件簡(jiǎn)介如前所述，操作系統(tǒng)管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有軟硬件資源。同時(shí)，因操作系統(tǒng)是一個(gè)運(yùn)行于硬件之上的系統(tǒng)軟件，我們還必須對(duì)操作系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境有所了解。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。1.5.1 計(jì)算機(jī)的基本硬件元素構(gòu)成計(jì)算機(jī)的基本硬件元素有以下4種：處理器、存儲(chǔ)器

24、、輸入輸出控制與總線、外部設(shè)備等。這些基本元素的邏輯關(guān)系如圖1.6所示。圖1.6 計(jì)算機(jī)的基本硬件元素1.5.2 與操作系統(tǒng)相關(guān)的幾種主要寄存器1. 數(shù)據(jù)寄存器編程人員可以通過(guò)程序賦予數(shù)據(jù)寄存器眾多的功能。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的任何機(jī)器指令都被允許訪問(wèn)數(shù)據(jù)寄存器。不過(guò)，根據(jù)硬件設(shè)置的規(guī)定，這些寄存器也可能只被允許進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算或被其他某些規(guī)定所限制。2. 地址寄存器地址寄存器一般用來(lái)存放內(nèi)存中某個(gè)數(shù)據(jù)或指令的地址，或者存放某段數(shù)據(jù)與指令的入口地址以及被用來(lái)進(jìn)行更復(fù)雜的地址計(jì)算。下面幾種寄存器都可被認(rèn)為是地址寄存器：(1） 地址標(biāo)識(shí)位寄存器；(2） 內(nèi)存管理用各種始地址寄存器；(3） 堆棧指針

25、；(4） 設(shè)備地址寄存器等。3. 條件碼寄存器條件碼寄存器也稱標(biāo)志寄存器。條件碼寄存器的比特位由處理機(jī)硬件設(shè)置。典型的控制與狀態(tài)寄存器包括以下幾種：4. 程序計(jì)數(shù)器PC程序計(jì)數(shù)器內(nèi)裝有下一周期被執(zhí)行指令的地址。5. 指令寄存器IR指令寄存器內(nèi)裝有待執(zhí)行指令。6. 程序狀態(tài)字PSW程序狀態(tài)字寄存器的各個(gè)比特位代表系統(tǒng)中當(dāng)前的各種不同狀態(tài)與信息。如執(zhí)行模式是否允許中斷等。7. 中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)寄存器如果系統(tǒng)允許不同類型的中斷存在，則會(huì)設(shè)置一組中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)寄存器以便保存被中斷程序的現(xiàn)場(chǎng)和鏈接中斷恢復(fù)處。8. 過(guò)程調(diào)用用堆棧堆棧被用來(lái)存放過(guò)程調(diào)用時(shí)的調(diào)用名、調(diào)用參數(shù)、以及返回地址等。寄存器被廣泛應(yīng)用于計(jì)算

26、機(jī)系統(tǒng)中，它們與操作系統(tǒng)有著非常直接和密切的關(guān)系。操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只有在完全掌握和了解硬件廠商所提供的各種寄存器的功能和接口之后，才能進(jìn)行操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖1.7 存儲(chǔ)介質(zhì)的訪問(wèn)速度1.5.3 存儲(chǔ)器的訪問(wèn)速度1.5.4 指令的執(zhí)行與中斷計(jì)算機(jī)提供的最基本功能是執(zhí)行指令。任何應(yīng)用程序都只有通過(guò)指令的執(zhí)行才能得以完成。執(zhí)行指令的基本過(guò)程分為兩步，即處理機(jī)從內(nèi)存把指令讀入的過(guò)程和執(zhí)行的過(guò)程。其中，讀指令是根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC所指的地址讀入，而執(zhí)行的指令則是指令寄存器IR中的指令。我們把指令的讀入和執(zhí)行過(guò)程稱為一個(gè)執(zhí)行周期。如圖1.8所示。圖1.8 指令的執(zhí)行周期在指令的執(zhí)行過(guò)程中或一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，

27、盡管指令地址計(jì)數(shù)器中已指明了下一條被訪問(wèn)指令的地址，但是，外部設(shè)備或計(jì)算機(jī)內(nèi)部可能會(huì)發(fā)來(lái)亟須處理的數(shù)據(jù)或其他緊急事件處理信號(hào)。這就需要處理機(jī)暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)的緊急事件，待處理完畢后再返回原處繼續(xù)執(zhí)行，這一過(guò)程稱為中斷，如圖1.9所示。中斷給操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)許多好處，首先使得實(shí)時(shí)處理許多緊急事件成為可能；再者，中斷可以增加處理機(jī)的執(zhí)行效率；另外，中斷還可以簡(jiǎn)化操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。圖1.9 中斷執(zhí)行過(guò)程具有中斷處理時(shí)的指令執(zhí)行過(guò)程如圖1.10所示。圖1.10 中斷處理時(shí)的指令執(zhí)行周期系統(tǒng)發(fā)生中斷時(shí)，處理機(jī)收到中斷信號(hào)，從而不能繼續(xù)執(zhí)行程序計(jì)數(shù)器中所指的原程序。這時(shí)處理機(jī)將保存當(dāng)前的

28、執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)（也就是各寄存器中的值）并調(diào)用新的程序到處理機(jī)上執(zhí)行。1.6 算法的描述操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)和原理描述中涉及到許多算法。為了描述簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本書定義下述關(guān)鍵詞描述算法中有關(guān)過(guò)程。beginend 分別表示算法的開頭和結(jié)束。Repeat操作Until 條件表示當(dāng)“條件”未被滿足時(shí)重復(fù)所描述的“操作”。While 條件do操作od表示當(dāng)“條件”滿足時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的“操作”。關(guān)鍵詞“ do” 和“od”分別表示“操作”的開始和結(jié)束。If 條件Then操作Else操作fi表示滿足“if”所指的“條件”時(shí)，進(jìn)行“then”后的相關(guān)“操作”，否則完成“else”后的相關(guān)操作。關(guān)鍵詞“fi”表示條件判斷的結(jié)束。

29、例如，圖1.8所示指令執(zhí)行周期可被描述為：RepeatIRMPC;PCPC + 1;ExecuteIR;UntilCPU halt;其中，MPC表示地址為PC所示內(nèi)存單元中的指令內(nèi)容。另一個(gè)例子是：令p1：n為1到n(n1)的整數(shù)置換，設(shè)i=1，2，3，4，5，6，7；pi=4，7，3，2，1，5，6；描述pi的巡回置換算法。（巡回置換指k1：n時(shí)，k=p.pk.的置換。）解：beginlocalx, k;k1;whilek=7doxk;repeatprint(x);xpx;until x=k;kk+1;odend1.7 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)上面各節(jié)，我們討論了幾種操作系統(tǒng)的基本概念、操作系

30、統(tǒng)發(fā)展的歷史和操作系統(tǒng)的分類和功能以及操作系統(tǒng)所依賴的硬件基礎(chǔ)等問(wèn)題，使我們認(rèn)識(shí)到，操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)資源有效使用的管理者和為用戶提供友好的接口。這實(shí)質(zhì)上代表了一種討論操作系統(tǒng)的觀點(diǎn)。這一節(jié)我們簡(jiǎn)單地討論一下操作系統(tǒng)研究中的不同觀點(diǎn)，這些觀點(diǎn)彼此并不矛盾，只不過(guò)代表了對(duì)同一事物(操作系統(tǒng))站在不同的角度來(lái)看待。每一種觀點(diǎn)都有助于理解、分析和設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)。1.7.1 操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)資源的管理者前面已經(jīng)指出操作系統(tǒng)就是指用來(lái)管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬資源的程序的集合，因此它提供了處理機(jī)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理和信息文件的管理等功能。對(duì)于每種資源的管理都可以從資源情況記錄、資源分配策略、資源分配和資源

31、回收等幾個(gè)方面來(lái)加以討論。1.7.2 用戶界面的觀點(diǎn)對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，對(duì)操作系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并沒(méi)有多大的興趣，他們最關(guān)心的是如何利用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)來(lái)有效地使用計(jì)算機(jī)。因此操作系統(tǒng)提供了什么樣的用戶界面成為關(guān)鍵問(wèn)題，即上節(jié)中所提出的程序一級(jí)和作業(yè)一級(jí)的兩種接口。1.7.3 進(jìn)程管理觀點(diǎn)操作系統(tǒng)調(diào)用當(dāng)前程序運(yùn)行是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，特別是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個(gè)重要特征是并發(fā)性。并發(fā)性是指操作系統(tǒng)控制很多能并發(fā)執(zhí)行的程序段。并發(fā)執(zhí)行的程序在多處理機(jī)系統(tǒng)中可能是真正并行執(zhí)行的，但在單處理機(jī)情況下則是宏觀并行微觀順序執(zhí)行的。它們可以完全獨(dú)立地運(yùn)行，也可能以間接或直接方式互相依賴和制約。并發(fā)的程序段不僅會(huì)受到其他程序

32、段活動(dòng)的制約，也會(huì)受到系統(tǒng)資源分配情況的制約。一個(gè)程序段可能在運(yùn)行，也可能因等待某些資源或信息處于掛起狀態(tài)等。因此只用“操作系統(tǒng)是資源管理程序”這一概念不能揭示它們?cè)谙到y(tǒng)中活動(dòng)聯(lián)系及其狀態(tài)變化，從而引進(jìn)“進(jìn)程” 的概念。所謂“進(jìn)程”是指并發(fā)程序的執(zhí)行。用進(jìn)程觀點(diǎn)來(lái)研究操作系統(tǒng)就是圍繞進(jìn)程運(yùn)行過(guò)程，即并發(fā)程序執(zhí)行過(guò)程來(lái)討論操作系統(tǒng)，那么我們就能討論清楚“這些資源管理程序在系統(tǒng)中進(jìn)行活動(dòng)的過(guò)程”，對(duì)操作系統(tǒng)功能就能獲得更多的認(rèn)識(shí)。習(xí)題1.1 什么是操作系統(tǒng)的基本功能?1.2 什么是批處理、分時(shí)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)?各有什么特征?1.3 多道程序設(shè)計(jì)(multiprogramming)和多重處理(multi-

33、processing)有何區(qū)別?1.4 討論操作系統(tǒng)可以從哪些角度出發(fā)，如何把它們統(tǒng)一起來(lái)?1.5 寫出1.6節(jié)中巡回置換算法的執(zhí)行結(jié)果。1.6 設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)時(shí)與哪些硬件器件有關(guān)？補(bǔ)充1 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)作為核心系統(tǒng)軟件，其內(nèi)部是怎樣構(gòu)造的？或者說(shuō)操作系統(tǒng)作為一個(gè)大程序，由眾多函數(shù)組成，它們按什么方式集合在一起？操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類 整體式結(jié)構(gòu)層次式結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)客戶服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類 整體式結(jié)構(gòu)層次式結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)客戶服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)的整體式結(jié)構(gòu)又叫模塊組合法，早期操作系統(tǒng)(如IBM操作系統(tǒng))采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

34、操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類 整體式結(jié)構(gòu)層次式結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)客戶服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu)層次式結(jié)構(gòu)是把操作系統(tǒng)劃分為內(nèi)核和若干模塊（或進(jìn)程），這些模塊（或進(jìn)程）按功能的調(diào)用次序排列成若干層次，各層之間只能是單向依賴或單向調(diào)用關(guān)系，這樣不但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，而且不構(gòu)成循環(huán)。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類 整體式結(jié)構(gòu)層次式結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)客戶服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu)物理計(jì)算機(jī)資源通過(guò)多重化和共享技術(shù)可改變成多個(gè)虛擬機(jī)?；咀龇ǎ和ㄟ^(guò)用一類物理設(shè)備來(lái)模擬另一類物理設(shè)備，或通過(guò)分時(shí)地使用一類物理設(shè)備，把一個(gè)物理實(shí)體改變成若干個(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物。物理實(shí)體是實(shí)際存在的，而邏輯上對(duì)應(yīng)物是虛幻、感覺(jué)上的。 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類 客戶服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 客戶/服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的思想：將操作系統(tǒng)分成兩大部分， 一是進(jìn)程; 二是內(nèi)核。內(nèi)核是提供支持系統(tǒng)運(yùn)行的基本功能的一組程序模塊，有了內(nèi)核的支撐，進(jìn)程運(yùn)行環(huán)境得到改善，安全性得到保證，系統(tǒng)效率就能提高。操作