操作系統(tǒng)：第1章 操作系統(tǒng)引論

第1章操作系統(tǒng)引論

1.1什么是操作系統(tǒng)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史

1.3操作系統(tǒng)的特征和服務(wù)

1.4操作系統(tǒng)的功能

1.5操作系統(tǒng)的分類1.6操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.7硬件保護(hù)

1.1什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)operatingsystem(OS)是配置在計(jì)算機(jī)硬件上的第一層軟件，是對(duì)硬件系統(tǒng)的首次擴(kuò)充。操作系統(tǒng)是一組控制和管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源，合理地對(duì)各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)度，以及方便用戶使用的程序的集合。1.1.1操作系統(tǒng)的地位和目標(biāo)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(層次結(jié)構(gòu))軟件硬件及固件（裸機(jī)）應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件編輯軟件，編譯軟件操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

：操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位

緊貼系統(tǒng)硬件之上，所有其他軟件之下（是其他軟件的共同環(huán)境）

?2003顧一禾制作引入操作系統(tǒng)的目標(biāo)

有效性（系統(tǒng)管理人員的觀點(diǎn)）：管理和分配硬件、軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程方便性（用戶的觀點(diǎn)）：提供良好的、一致的用戶接口，彌補(bǔ)硬件系統(tǒng)的類型和數(shù)量差別可擴(kuò)充性（開(kāi)放的觀點(diǎn)）：硬件的類型和規(guī)模、操作系統(tǒng)本身的功能和管理策略、多個(gè)系統(tǒng)之間的資源共享和互操作1.1.2操作系統(tǒng)的作用

幾種觀點(diǎn)

(1)

OS是計(jì)算機(jī)硬件、軟件資源的管理者。（2）OS是用戶使用系統(tǒng)的接口(3)

OS是擴(kuò)展機(jī)(extendedmachine)/虛擬機(jī)(virtualmachine)。在裸機(jī)上添加：設(shè)備管理、文件管理、存儲(chǔ)管理（針對(duì)內(nèi)存和外存）、處理機(jī)管理系統(tǒng)調(diào)用（編程接口、API）命令命令行圖形界面（GUI）1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史

1.2.1推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α靶枨笸苿?dòng)發(fā)展”(1)

提高資源的利用率和系統(tǒng)性能：計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)昂貴，盡力提高各種資源的利用率，有了批處理系統(tǒng)。(2)

方便用戶：用戶上機(jī)、調(diào)試程序，分散計(jì)算時(shí)的事務(wù)處理，有了分時(shí)操作系統(tǒng)。(3)

器件的發(fā)展：CPU的位寬度（指令和數(shù)據(jù)）、快速外存1.2.2早期的手工操作

時(shí)間

1946~50年代（電子管），集中計(jì)算（計(jì)算中心），計(jì)算機(jī)資源昂貴；需求二戰(zhàn)對(duì)武器設(shè)計(jì)的需要，美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)等國(guó)家開(kāi)始了電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的研究工作。哈佛大學(xué)的HowardAiken普林斯頓高等研究院的JohnNeumann（馮·諾依曼）賓夕法尼亞大學(xué)的J.PresperEckert和WilliamMauchley德國(guó)電話公司的Konraad

Zuse以及其他一些人都使用真空管成功地建造了運(yùn)算機(jī)器。

沒(méi)有程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（甚至沒(méi)有匯編），更談不上操作系統(tǒng)。程序員提前預(yù)約一段時(shí)間,然后到機(jī)房將他的插件板插到計(jì)算機(jī)里。期盼著在接下來(lái)的時(shí)間中幾萬(wàn)個(gè)真空管不會(huì)燒斷從而可以計(jì)算自己的題目。ENIAC計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度：1000次/每秒,數(shù)萬(wàn)個(gè)真空管,占地100平方米1.2.3單道批處理系統(tǒng)(simplebatchprocessing)

50年代末～60年代中（晶體管）：利用磁帶把若干個(gè)作業(yè)分類編成作業(yè)執(zhí)行序列，每個(gè)批作業(yè)由一個(gè)專門的監(jiān)督程序（Monitor）自動(dòng)依次處理?？墒褂脜R編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。批處理中的作業(yè)的組成：包括用戶程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說(shuō)明書（作業(yè)控制語(yǔ)言）“批”：供一次加載的磁帶或磁盤，通常由若干個(gè)作業(yè)組裝成，在處理中使用一組相同的系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)帶）兩種批處理方式(1)

聯(lián)機(jī)批處理慢速的輸入輸出處理仍直接由主機(jī)來(lái)完成；用戶提交作業(yè)：以紙帶或卡片為介質(zhì)；操作員合成批作業(yè)：結(jié)果為磁帶介質(zhì)；批作業(yè)處理：對(duì)批作業(yè)中的每個(gè)作業(yè)進(jìn)行相同的處理：從磁帶讀入用戶作業(yè)和編譯鏈接程序，編譯鏈接用戶作業(yè)，生成可執(zhí)行程序；啟動(dòng)執(zhí)行；執(zhí)行結(jié)果輸出。這時(shí)的問(wèn)題：輸入輸出時(shí)，CPU處于等待狀態(tài)。早期聯(lián)機(jī)批處理應(yīng)用帶系統(tǒng)帶主機(jī)卡片輸入機(jī)打印機(jī)(2)脫機(jī)批處理（緩沖技術(shù)的一種）利用衛(wèi)星機(jī)完成輸入輸出功能。主機(jī)與衛(wèi)星機(jī)可并行工作。衛(wèi)星機(jī)：完成面向用戶的輸入輸出（紙帶或卡片），中間結(jié)果暫存在磁帶或磁盤上。作業(yè)控制命令由監(jiān)督程序(monitor)來(lái)執(zhí)行，完成如裝入程序、編譯、運(yùn)行等操作系統(tǒng)帶應(yīng)用帶輸出帶輸入帶衛(wèi)星機(jī)打印機(jī)主機(jī)卡片輸入機(jī)脫機(jī)批處理優(yōu)點(diǎn)：同一批內(nèi)各作業(yè)的自動(dòng)依次更替，改善了主機(jī)CPU和I/O設(shè)備的使用效率，提高了吞吐量缺點(diǎn)：內(nèi)存中僅有一道程序運(yùn)行，當(dāng)該程序運(yùn)行結(jié)束或出故障，由監(jiān)控程序換入另一個(gè)程序。不能很好地利用系統(tǒng)資源單道批處理的主要問(wèn)題：CPU和I/O設(shè)備使用忙閑不均（取決于當(dāng)前作業(yè)的特性）。對(duì)計(jì)算為主的作業(yè)，外設(shè)空閑；對(duì)I/O為主的作業(yè)，CPU空閑；1.2.4多道批處理系統(tǒng)(multiprogrammingsystem)

60年代中~70年代中（集成電路），利用多道批處理提高資源的利用率。多道批處理的運(yùn)行特點(diǎn)：多道：內(nèi)存中同時(shí)存放幾個(gè)作業(yè)；宏觀：并行運(yùn)行，都處于運(yùn)行狀態(tài)。微觀：串行運(yùn)行，各作業(yè)交替使用CPU。內(nèi)存監(jiān)控程序Job1Job2Job3tjob1job2job3調(diào)度程序job1打印job1再次運(yùn)行job2讀數(shù)據(jù)使用CPU使用I/O多道批處理系統(tǒng)的特征：優(yōu)點(diǎn)：資源利用率高：CPU和內(nèi)存利用率較高；作業(yè)吞吐量大：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的工作總量大；缺點(diǎn)：用戶交互性差：整個(gè)作業(yè)完成后或中間出錯(cuò)時(shí)，才與用戶交互，不利于調(diào)試和修改；作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)：短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間顯著增長(zhǎng)；批處理小結(jié)批處理：交互性差,但提高了對(duì)CPU利用率；分時(shí)處理：用戶與應(yīng)用程序隨時(shí)交互，控制程序運(yùn)行，適于商業(yè)和辦公事務(wù)處理－－縮短響應(yīng)時(shí)間1.2.5分時(shí)系統(tǒng)(time-sharingsystem

）70年代中期至今“分時(shí)”的含義

多個(gè)用戶分享使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)。每個(gè)用戶給一定的時(shí)間運(yùn)行，然后切換到另一個(gè)用戶，一個(gè)輪轉(zhuǎn)周期在宏觀上相當(dāng)短，用戶感覺(jué)不到。主機(jī)終端

占用終端與系統(tǒng)用戶交互的作業(yè)——前臺(tái)作業(yè)系統(tǒng)控制臺(tái)不占用終端的用戶（作業(yè)）——后臺(tái)作業(yè)通常按時(shí)間片(timeslice)分配：時(shí)間片是各個(gè)程序在CPU上執(zhí)行的輪換時(shí)間搶先式和非搶先式(preemptive&non-preemptive)操作系統(tǒng)：搶先式：OS強(qiáng)迫作業(yè)出讓CPU；非搶先式：程序主動(dòng)出讓CPU；分時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)(1)人機(jī)交互性好。在調(diào)試和運(yùn)行程序時(shí)由用戶自己操作。(2)共享主機(jī)：多個(gè)用戶同時(shí)使用。(3)

用戶獨(dú)立性：對(duì)每個(gè)用戶而言好象獨(dú)占主機(jī)?，F(xiàn)在的許多操作系統(tǒng)都具有分時(shí)處理的功能，在分時(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，操作系統(tǒng)的發(fā)展開(kāi)始分化，如實(shí)時(shí)系統(tǒng)、通用系統(tǒng)、個(gè)人系統(tǒng)等。1.2.6實(shí)時(shí)系統(tǒng)(real-timesystem)

用于工業(yè)過(guò)程控制、軍事實(shí)時(shí)控制、金融等領(lǐng)域，包括實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)信息處理要求：響應(yīng)時(shí)間短，在一定范圍之內(nèi)；系統(tǒng)可靠性高任務(wù)的類型：周期性實(shí)時(shí)任務(wù):溫度控制非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)：截止時(shí)間(deadline)，開(kāi)始截止時(shí)間（最晚開(kāi)始時(shí)間）和完成截止時(shí)間（最晚完成時(shí)間）硬實(shí)時(shí)任務(wù)和軟實(shí)時(shí)任務(wù)(hardandsoftreal-timetask)目前的操作系統(tǒng)，通常具有分時(shí)、實(shí)時(shí)和批處理功能，又稱作通用操作系統(tǒng)?？蛇m用于計(jì)算、事務(wù)處理等多種領(lǐng)域，能運(yùn)行在多種硬件平臺(tái)上，如UNIX系統(tǒng)、Windows等。－－通用化、小型化1.2.7多處理機(jī)操作系統(tǒng)(Multi-processorOperatingSystem)

多處理機(jī)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能和可靠性。提高性能有兩條途徑：提高各個(gè)組成部分的速度、增大處理的并行程度。75年前后，出現(xiàn)多處理機(jī)系統(tǒng)(multi-processor)。

多處理機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：(1)

增加系統(tǒng)的吞吐量。但N個(gè)處理器加速比達(dá)不到N倍（額外的調(diào)度開(kāi)銷，算法的并行化）(2)

提高系統(tǒng)可靠性：故障時(shí)系統(tǒng)降級(jí)運(yùn)行多處理機(jī)系統(tǒng)的類型：(1)

緊密耦合(tightly-coupled)－－并行（parallel）系統(tǒng)：各處理機(jī)之間通過(guò)快速總線或開(kāi)關(guān)陣列相連，共享內(nèi)存，整體系統(tǒng)由一個(gè)統(tǒng)一的OS管理（一個(gè)OS核心）。(2)

松散耦合(loosely-coupled)－－分布式系統(tǒng)：各處理機(jī)帶有各自的存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備和操作系統(tǒng)，通過(guò)通道或通信線路相連。每個(gè)處理機(jī)上獨(dú)立運(yùn)行OS。并行系統(tǒng)的類型(1)

非對(duì)稱式多重處理(AsymmetricMultiprocessing,ASMP)：又稱主從模式(Master-slavemode)。主處理器：只有一個(gè)，運(yùn)行OS。管理整個(gè)系統(tǒng)的資源，為從處理器分配任務(wù)；從處理器：可有多個(gè)，執(zhí)行應(yīng)用程序或I/O處理。特點(diǎn)：不同性質(zhì)任務(wù)的負(fù)載不均，可靠性不夠高，不易移植（通常要求硬件也是“非對(duì)稱”）。(2)

對(duì)稱式多重處理(SymmetricMultiprocessing,SMP)：OS交替在各個(gè)處理器上執(zhí)行。任務(wù)負(fù)載較為平均，性能調(diào)節(jié)容易－－“傻瓜式”1.2.8網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NOS,NetworkOperatingSystem)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是在通常操作系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上提供網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為網(wǎng)上計(jì)算機(jī)進(jìn)行方便而有效的網(wǎng)絡(luò)資源共享，提供網(wǎng)絡(luò)用戶所需各種服務(wù)的軟件和相關(guān)程序的集合。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一些自主的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)通信設(shè)施相互連接，完成信息交換、資源共享、互操作和協(xié)同工作等功能。引入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的目的：完成新的應(yīng)用（進(jìn)行自動(dòng)的信息交換），提高性能－價(jià)格比（共享昂貴資源）1.2.9分布式操作系統(tǒng)(DistributedOperatingSystem)

分布式系統(tǒng)：處理和控制是分散的（相對(duì)于集中式系統(tǒng)）分布式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的，它的基本特征是處理上的分布，即功能和任務(wù)的分布。分布式操作系統(tǒng)的所有系統(tǒng)任務(wù)可在系統(tǒng)中任何處理機(jī)上運(yùn)行，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的任務(wù)分配并自動(dòng)調(diào)度各處理機(jī)的工作負(fù)載。分布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的比較：(1)

耦合程度：分布式系統(tǒng)是緊密耦合系統(tǒng)：分布式OS是在各機(jī)上統(tǒng)一建立的“OS同質(zhì)”，直接管理CPU、存儲(chǔ)器和外設(shè)；統(tǒng)一進(jìn)行全系統(tǒng)的管理；網(wǎng)絡(luò)通常容許異種OS互連，各機(jī)上各種服務(wù)程序需按不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議“協(xié)議同質(zhì)”。(2)

并行性：分布式OS可以將一個(gè)進(jìn)程分散在各機(jī)上并行執(zhí)行“進(jìn)程遷移”；網(wǎng)絡(luò)則各機(jī)上的進(jìn)程獨(dú)立。(3)

透明性：用戶是否知道指定資源在哪個(gè)機(jī)器上（如CPU、內(nèi)存或外設(shè)）。分布式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度對(duì)用戶透明，用戶不了解所占有資源的位置；網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的使用要由用戶明確指定；(4)

健壯性：分布式系統(tǒng)要求更強(qiáng)的容錯(cuò)能力（工作時(shí)系統(tǒng)重構(gòu)）1.2.10個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)(PersonalComputerOperatingSystem)針對(duì)單用戶使用的個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的操作系統(tǒng)。

個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的特征應(yīng)用領(lǐng)域：事務(wù)處理、個(gè)人娛樂(lè)，系統(tǒng)要求：使用方便、支持多種硬件和外部設(shè)備（多媒體設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程通信）、效率不必很高，但響應(yīng)性（交互性）要好。常用的個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)單用戶單任務(wù)：MSDOS單用戶多任務(wù)：OS/2,MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows2000pro,WindowsXP多用戶多任務(wù)：UNIX(SCOUNIX,Solarisx86,Linux,FreeBSD)，1.3操作系統(tǒng)的特征和服務(wù)

1.3.1操作系統(tǒng)的特征

1.并發(fā)(concurrency)

多個(gè)事件在同一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)是一個(gè)并發(fā)系統(tǒng)，各進(jìn)程間的并發(fā)，系統(tǒng)程序與應(yīng)用程序間的并發(fā)。操作系統(tǒng)要完成這些并發(fā)過(guò)程的管理。并行(parallel)

是指在同一時(shí)刻發(fā)生。在多道程序處理時(shí)，宏觀上并發(fā)，微觀上交替執(zhí)行（在單處理器情況下）。

程序的靜態(tài)實(shí)體是可執(zhí)行文件，而動(dòng)態(tài)實(shí)體是進(jìn)程（或稱作業(yè)），并發(fā)指的是進(jìn)程。

1.3.1操作系統(tǒng)的特征（續(xù)）2.共享(sharing)多個(gè)進(jìn)程共享有限的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配和使用。資源在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)交替被多個(gè)進(jìn)程所用?；コ夤蚕恚ㄈ缫纛l設(shè)備）：資源分配后到釋放前，不能被其他進(jìn)程所用。共享訪問(wèn)（如可重入代碼，磁盤文件）資源分配難以達(dá)到最優(yōu)化3.虛擬(virtual)一個(gè)物理實(shí)體映射為若干個(gè)對(duì)應(yīng)的邏輯實(shí)體－－分時(shí)或分空間。虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率。CPU－－每個(gè)用戶（進(jìn)程）的“虛處理機(jī)”存儲(chǔ)器－－每個(gè)進(jìn)程都占有的地址空間（指令＋數(shù)據(jù)＋堆棧）顯示設(shè)備－－多窗口或虛擬終端(virtualterminal)4.異步性(asynchronism)也稱不確定性，指進(jìn)程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時(shí)間的不確定性；進(jìn)程的運(yùn)行速度不可預(yù)知判據(jù)：無(wú)論快慢，應(yīng)該結(jié)果相同－－通過(guò)進(jìn)程互斥和同步手段來(lái)保證難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)（包括重現(xiàn)運(yùn)行中的錯(cuò)誤）性能保證：實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)相似，但通過(guò)資源預(yù)留以保證性能1.3.2操作系統(tǒng)的服務(wù)

1.服務(wù)類型程序執(zhí)行和終止（包括分配和回收資源）I/O操作文件系統(tǒng)操作通信：本機(jī)內(nèi)，計(jì)算機(jī)之間（通常通信服務(wù)的使用者為進(jìn)程，而不是籠統(tǒng)說(shuō)“主機(jī)”）配置管理：硬件、OS本身、其他軟件差錯(cuò)檢測(cè)2.服務(wù)提供方式：系統(tǒng)命令和系統(tǒng)調(diào)用1.4操作系統(tǒng)的功能

1.4.1存儲(chǔ)管理1.4.2處理機(jī)管理1.4.3設(shè)備管理1.4.4文件管理1.4.5用戶接口1.4.1存儲(chǔ)管理

管理目標(biāo)：提高利用率、方便用戶使用、提供足夠的存儲(chǔ)空間、方便進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行。1.存儲(chǔ)分配與回收2.存儲(chǔ)保護(hù)：保證進(jìn)程間互不干擾、相互保密；3.地址映射（變換）：進(jìn)程邏輯地址到內(nèi)存物理地址的映射；4.內(nèi)存擴(kuò)充（覆蓋、交換和虛擬存儲(chǔ)）：提高內(nèi)存利用率、擴(kuò)大進(jìn)程的內(nèi)存空間；1.4.2處理機(jī)管理

完成處理機(jī)資源的分配調(diào)度等功能。1.進(jìn)程控制：創(chuàng)建、撤銷、掛起、改變運(yùn)行優(yōu)先級(jí)等2.進(jìn)程同步：協(xié)調(diào)并發(fā)進(jìn)程之間的推進(jìn)步驟，以協(xié)調(diào)資源共享；3.進(jìn)程通信：進(jìn)程之間傳送數(shù)據(jù)，以協(xié)調(diào)進(jìn)程間的協(xié)作；4.調(diào)度：作業(yè)或進(jìn)程的運(yùn)行切換1.4.3設(shè)備管理

目標(biāo)：方便設(shè)備使用、提高CPU與I/O設(shè)備利用率；1.設(shè)備操作：利用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（通常在內(nèi)核中）完成對(duì)設(shè)備的操作。2.設(shè)備獨(dú)立性(deviceindependence)：提供統(tǒng)一的I/O設(shè)備接口，使應(yīng)用程序獨(dú)立于物理設(shè)備，在同樣的接口和操作下完成不同的內(nèi)容（如FAXModem作為Windows上的打印機(jī)設(shè)備）。3.設(shè)備分配與回收：在多用戶間共享I/O設(shè)備資源。1.4.4文件管理

解決軟件資源的存儲(chǔ)、共享、保密和保護(hù)。1.文件存儲(chǔ)空間管理2.目錄管理：解決文件檢索問(wèn)題。3.文件的讀寫管理和存取控制4.軟件管理：軟件的版本、相互依賴關(guān)系、安裝和卸載等。1.4.5用戶接口

目標(biāo)：提供一個(gè)友好的用戶訪問(wèn)操作系統(tǒng)的接口。操作系統(tǒng)向上提供兩種接口：1.系統(tǒng)命令：供用戶用于組織和控制自己的作業(yè)運(yùn)行。命令行、菜單式或GUI.2.編程接口：供用戶程序和其它系統(tǒng)程序調(diào)用操作系統(tǒng)功能。系統(tǒng)調(diào)用和高級(jí)語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)；1.5操作系統(tǒng)分類1.批處理系統(tǒng)（單道批處理、多道批處理）2.分時(shí)系統(tǒng)3.實(shí)時(shí)系統(tǒng)4.多處理機(jī)操作系統(tǒng)(Multi-processorOperatingSystem)

5.網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NOS,NetworkOperatingSystem)

6.分布式操作系統(tǒng)(DistributedOperatingSystem)7.個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

后續(xù)理論以單處理機(jī)上的多用戶多任務(wù)分時(shí)系統(tǒng)為依托講解1.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.6.1傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一、無(wú)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)早期開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)是一組過(guò)程的集合，每個(gè)過(guò)程可以任意地相互調(diào)用其他過(guò)程，使操作系統(tǒng)內(nèi)部既復(fù)雜又混亂。二、模塊化結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。OS按照功能劃分為若干個(gè)具有一定獨(dú)立性的模塊，每個(gè)模塊具有某方面的管理功能，如進(jìn)程管理模塊、存儲(chǔ)管理模塊等。各模塊通過(guò)規(guī)定好的接口相互交互。再進(jìn)一步將各模塊劃分為相對(duì)獨(dú)立的若干子模塊。三、分層結(jié)構(gòu)OS在目標(biāo)系統(tǒng)An和裸機(jī)系統(tǒng)A0之間，鋪設(shè)若干個(gè)層次的軟件A1、A2、A3……An-1，使An通過(guò)An-1、An-2…A2、A1最終能在A0層上運(yùn)行。在OS中，常采用自底向上法來(lái)鋪設(shè)這些中間層。其設(shè)計(jì)原則是：每一步設(shè)計(jì)都是建立在可靠基礎(chǔ)上。每一層僅能使用其底層所提供的功能和服務(wù)，即高層僅依賴于緊鄰它的低層。這樣使系統(tǒng)的調(diào)試和驗(yàn)證變得更容易。優(yōu)點(diǎn)：易保證正確性；易擴(kuò)充、易維護(hù)缺點(diǎn)：系統(tǒng)效率降低。1.6.2微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)，能有效地支持多處理機(jī)系統(tǒng)，故非常適用于分布式系統(tǒng)環(huán)境。一、微內(nèi)核的基本概念1.足夠小的內(nèi)核內(nèi)核是指精心設(shè)計(jì)的、能實(shí)現(xiàn)OS最基本核心功能的部分。OS最基本部分：（1）實(shí)現(xiàn)與硬件緊密相關(guān)的處理（2）實(shí)現(xiàn)一些較基本的功能（3）負(fù)責(zé)客戶和服務(wù)器之間的通信2.基于C/S模式單機(jī)微內(nèi)核系統(tǒng)幾乎無(wú)一例外地都采用C/S模式，將OS最基本的部分放入內(nèi)核中，而把OS絕大部分放在微內(nèi)核外的一組服務(wù)器（進(jìn)程）中實(shí)現(xiàn)。客戶與服務(wù)器之間是借助微內(nèi)核提供的消息傳遞機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)信息交互的。客戶進(jìn)程客戶進(jìn)程進(jìn)程服務(wù)器終端服務(wù)器文件服務(wù)器存儲(chǔ)器服務(wù)器…請(qǐng)求回答用戶方式核心方式3.應(yīng)用機(jī)制與策略分離原理機(jī)制是指實(shí)現(xiàn)某一功能的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)。策略則是在機(jī)制的基礎(chǔ)上借助于某些參數(shù)和算法來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能的優(yōu)化，或達(dá)到不同的功能目標(biāo)。機(jī)制處于系統(tǒng)的基層，而策略處于系統(tǒng)的高層。故機(jī)制放在OS的微內(nèi)核中，才有可能將內(nèi)核做得很小。4.采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)二、微內(nèi)核的基本功能1.進(jìn)程（線程）管理進(jìn)程（線程）調(diào)度、進(jìn)程（線程）通信、進(jìn)程的切換、多處理器之間的同步放在微內(nèi)核中。如何確定用戶優(yōu)先級(jí)、如何修改優(yōu)先級(jí)等放在微內(nèi)核外的進(jìn)程管理服務(wù)器中。2.低級(jí)存儲(chǔ)器管理地址映像中的頁(yè)表機(jī)制和地址變換機(jī)制依賴于硬件，故放入微內(nèi)核中。虛存管理、頁(yè)面置換、內(nèi)存分配與回收放在微內(nèi)核外的存儲(chǔ)器管理服務(wù)器中。3.中斷和陷入管理將與硬件緊密相關(guān)的一部分放入微內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)。如捕獲所發(fā)生的中斷和陷入事件，進(jìn)行前期處理，中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，識(shí)別中斷類型，然后將有關(guān)事件的信息轉(zhuǎn)換成消息后，發(fā)送給相關(guān)的服務(wù)器。三、微內(nèi)核OS的優(yōu)點(diǎn)四、微內(nèi)核的缺點(diǎn)較早期的OS，微內(nèi)核OS的運(yùn)行效率降低。完成一次系統(tǒng)調(diào)用，早期OS一般只需進(jìn)行兩次上下文切換。而在微內(nèi)核OS中，完成一次系統(tǒng)調(diào)用至少需要進(jìn)行四次上下文切換。1.7硬件保護(hù)支持多任務(wù)的系統(tǒng)必須確保，某個(gè)進(jìn)程出故障不會(huì)影響其它進(jìn)程的執(zhí)行，因此在硬件上建立如下保護(hù)機(jī)制：雙運(yùn)行模式I/O保護(hù)存儲(chǔ)保護(hù)CPU保護(hù)1.7.1雙模式操作硬件支持至少兩種運(yùn)行模式:1. 用戶模式

（又叫用戶態(tài)、目態(tài)）–執(zhí)行普通用戶的應(yīng)用程序2. 監(jiān)控模式（Monitormode，也稱內(nèi)核模式、系統(tǒng)模式、監(jiān)控態(tài)、管態(tài)、特權(quán)模式)–執(zhí)行操作系統(tǒng)核心代碼如何區(qū)分雙模式及其切換在計(jì)算機(jī)程序狀態(tài)字中增加模式位

指示目前所處模式:系統(tǒng)態(tài)(0)或用戶態(tài)(1)當(dāng)中斷或故障發(fā)生（自陷），硬件自動(dòng)從用戶態(tài)切換到系統(tǒng)態(tài)。當(dāng)用戶程序需要操作系統(tǒng)的服務(wù)（通過(guò)系統(tǒng)