操作系統(tǒng)課件-第一章-操作系統(tǒng)概述

第一章操作系統(tǒng)概述1.1操作系統(tǒng)的概念1.2操作系統(tǒng)的歷史1.3操縱系統(tǒng)的特性1.4操作系統(tǒng)的類型1.5操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境1.6操作系統(tǒng)的界面形式1.7操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理1.1操作系統(tǒng)概念1.1.1操作系統(tǒng)地位1.1.2操作系統(tǒng)作用1.1.3操作系統(tǒng)定義1.1.1操作系統(tǒng)地位硬件抽象層（HAL）之上所有其它軟件層之下硬件（HAL）OS其它系統(tǒng)軟件層應(yīng)用軟件層注意,上圖所示的層次關(guān)系具有穿透性：高層軟件可調(diào)用所有低于所在層次的軟件,并可與硬件直接打交道。操作系統(tǒng)硬件(HAL)系統(tǒng)庫(kù)應(yīng)用程序機(jī)器指令系統(tǒng)調(diào)用庫(kù)調(diào)用操作系統(tǒng)的地位:

操作系統(tǒng)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)的第一次擴(kuò)充。OS在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中占據(jù)著特殊重要的地位，其它所有軟件都依賴于它的支持，它是與硬件關(guān)系最密切的系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)庫(kù)(lib)可調(diào)用操作系統(tǒng)，執(zhí)行硬件指令。應(yīng)用程序可以調(diào)用lib和操作系統(tǒng)，執(zhí)行硬件指令。1.1.2操作系統(tǒng)的作用管理系統(tǒng)中的軟硬件資源從資源管理的觀點(diǎn)，OS是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者，它負(fù)責(zé)管理和分配系統(tǒng)中的各種硬件和軟件資源，以保證系統(tǒng)的各種資源得以有效利用。——CPU、內(nèi)存、設(shè)備、文件為用戶提供良好的界面從用戶的觀點(diǎn)，OS為用戶提供了一個(gè)友好的界面，使用戶無須關(guān)心計(jì)算機(jī)內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，從而更加方便靈活地使用計(jì)算機(jī)。——API、GUI(GraphicUserInterface)1.1.3操作系統(tǒng)定義操作系統(tǒng)是位于硬件層(HAL)之上、所有其它軟件層之下的一個(gè)系統(tǒng)軟件，是管理系統(tǒng)中各種軟硬件資源、方便用戶使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序集合。1.2操作系統(tǒng)的歷史1.2.1操作系統(tǒng)的產(chǎn)生手工操作階段成批處理階段執(zhí)行系統(tǒng)階段1.2.2操作系統(tǒng)的完善多道批處理系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)通用操作系統(tǒng)1.2.3操作系統(tǒng)的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)多處理機(jī)操作系統(tǒng)單用戶操作系統(tǒng)面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)智能卡操作系統(tǒng)1.2.1操作系統(tǒng)的產(chǎn)生

一、手工操作階段(20世紀(jì)40年代)在手工操作階段，典型的作業(yè)處理步驟如下:(1)將程序和數(shù)據(jù)通過手工操作記錄在穿孔紙帶上;(2)將程序紙帶放到光電輸入機(jī)上，再通過控制臺(tái)開關(guān)啟動(dòng)光電機(jī)將程序輸入內(nèi)存;(3)通過控制臺(tái)開關(guān)啟動(dòng)程序由第一條指令開始執(zhí)行;(4)運(yùn)行結(jié)果在電傳打印機(jī)上輸出。穿孔紙帶紙帶輸入機(jī)穿孔卡片卡片輸入機(jī)光電轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)打印輸出結(jié)果

手工操作方式的缺點(diǎn):

(1)用戶在其作業(yè)處理的整個(gè)過程中獨(dú)享系統(tǒng)的全部資源;(2)手工操作所需時(shí)間很長(zhǎng)。（人機(jī)矛盾）二、批處理階段（20世紀(jì)50年代）縮短手工操作時(shí)間，使作業(yè)到作業(yè)之間的過渡擺脫人的干預(yù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。成批處理經(jīng)歷了兩個(gè)階段:

(1)聯(lián)機(jī)批處理:（On-lineBatchProcessing）

Job1Job2…Jobn輸入設(shè)備操作員主機(jī)磁帶monitor匯編編譯連接輸出設(shè)備

工作原理：操作員將若干作業(yè)合成一批,將其卡片依次放到讀卡機(jī)上,監(jiān)督程序Monitor通過內(nèi)存將這批作業(yè)傳送到磁帶機(jī)上。輸入完畢,監(jiān)督程序開始處理這一批作業(yè)。它自動(dòng)將第一個(gè)作業(yè)讀入內(nèi)存,并對(duì)其進(jìn)行匯編(或編譯)、連接、執(zhí)行、輸出。第一個(gè)作業(yè)處理完立即開始處理第二個(gè)作業(yè),如此重復(fù),直至所有作業(yè)處理完,再處理第二批作業(yè)。聯(lián)機(jī)批處理的優(yōu)點(diǎn)：作業(yè)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，大大縮短了手工操作時(shí)間。出現(xiàn)了Monitor及相應(yīng)軟件的支持。聯(lián)機(jī)批處理的缺點(diǎn)：作業(yè)由讀卡機(jī)到磁帶機(jī)的傳輸需要處理機(jī)完成,由于設(shè)備的傳輸速度遠(yuǎn)低于處理機(jī)的速度,在此傳輸過程中處理機(jī)仍會(huì)浪費(fèi)較多時(shí)間。即I/O設(shè)備與CPU直接相連，CPU(主機(jī))浪費(fèi)。為克服聯(lián)機(jī)批處理的缺點(diǎn),引入了脫機(jī)批處理。基本思想是把輸入/輸出操作交給一個(gè)功能較為單純的衛(wèi)星機(jī)去做，使主機(jī)從繁瑣的輸入輸出操作中解脫出來。

(2)脫機(jī)批處理（Off-lineBatchProcessing）基本原理：待處理的作業(yè)由衛(wèi)星機(jī)負(fù)責(zé)經(jīng)讀卡機(jī)傳送到輸入磁帶上，主機(jī)從輸入磁帶讀入作業(yè)、加以處理，并把處理結(jié)果送到輸出磁帶上，最后由衛(wèi)星機(jī)負(fù)責(zé)將輸出磁帶上的結(jié)果在打印機(jī)上輸出。…………紙帶機(jī)卡片機(jī)打印機(jī)衛(wèi)星機(jī)輸入磁帶輸出磁帶主機(jī)脫機(jī)批處理的優(yōu)點(diǎn)：衛(wèi)星機(jī)與主機(jī)分工明確，并行工作，提高了CPU的利用率。脫機(jī)批處理的缺點(diǎn)：?jiǎn)稳蝿?wù)系統(tǒng)；人工拆裝磁帶。批處理系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的雛形。三、執(zhí)行系統(tǒng)階段（ExecutiveSystem60年代初）60年代初，硬件的重要進(jìn)展：通道、中斷技術(shù)通道：（channel）通道，也稱I/O處理機(jī)，它具有自己的指令系統(tǒng)和運(yùn)控部件，可接受處理機(jī)的委托執(zhí)行通道程序，完成I/O操作。通道的I/O操作可與處理機(jī)的計(jì)算工作完全并行，并在I/O操作完成時(shí)向處理機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。中斷：（Interrupt）中斷是指當(dāng)主機(jī)接到某種外部信號(hào)(如I/O設(shè)備完成信號(hào))時(shí)，馬上暫停原來的工作，轉(zhuǎn)去處理這一事件，處理完畢再回到原來的斷點(diǎn)繼續(xù)工作。假脫機(jī)(Spooling)：

作業(yè)由讀卡機(jī)到存儲(chǔ)區(qū)的傳輸以及運(yùn)行結(jié)果由存儲(chǔ)區(qū)到打印機(jī)的傳輸由通道完成，這種方式既非聯(lián)機(jī)，也非脫機(jī)，稱為“假脫機(jī)”或“偽脫機(jī)”。

優(yōu)點(diǎn)：通道取代衛(wèi)星機(jī)，免去了手工裝卸磁帶的麻煩。

執(zhí)行系統(tǒng)階段，Monitor常駐內(nèi)存，是OS的初級(jí)階段?！璉/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備通道主機(jī)內(nèi)存運(yùn)控部件通道運(yùn)控部件1.2.2操作系統(tǒng)的完善

一、多道批處理系統(tǒng)(Multi-programmingSystem

60年代初)

早期批處理系統(tǒng)，無論On-line還是Off-line，作業(yè)都一道一道順序執(zhí)行，內(nèi)存中任意時(shí)間內(nèi)僅有一道作業(yè)。為了提高效率，引入了多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，形成了多道批處理系統(tǒng)。

工作原理：用戶提交的作業(yè)都先放在外存上并排成一個(gè)后備隊(duì)列，然后由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊(duì)列中選擇若干個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存。當(dāng)一道作業(yè)因等待I/O傳輸完成等原因暫時(shí)不能運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可將CPU資源分配給另一個(gè)可運(yùn)行的作業(yè)。

優(yōu)點(diǎn)：資源利用率高；系統(tǒng)吞葉量(單位時(shí)間完成作業(yè)量)大。

缺點(diǎn)：作業(yè)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)；無交互能力。

二、分時(shí)系統(tǒng)(Time-SharingSystem

60年代初/中期)多道批處理系統(tǒng)屬于高級(jí)脫機(jī)處理方式，無交互能力，非常不利于程序的動(dòng)態(tài)調(diào)試。為此出現(xiàn)了分時(shí)系統(tǒng)，分時(shí)系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)有著截然不同的性能。

分時(shí)系統(tǒng)：是指在一臺(tái)主機(jī)上連接了多個(gè)帶有顯示器和鍵盤的終端，同時(shí)允許多個(gè)用戶共享主機(jī)中的資源，每個(gè)用戶都可通過自己的終端以交互方式使用計(jì)算機(jī)。分時(shí)系統(tǒng)便于程序的動(dòng)態(tài)修改和調(diào)試。分時(shí)系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)相比，具有完全不同的特征：

(1)多路性：一個(gè)主機(jī)與多個(gè)終端相連，系統(tǒng)按分時(shí)原則為每個(gè)用戶服務(wù)。宏觀上，多個(gè)用戶同時(shí)工作,共享系統(tǒng)資源；微觀上，每個(gè)用戶輪流運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片。

(2)交互性：以對(duì)話的方式為用戶服務(wù)。

(3)獨(dú)占性：每個(gè)終端用戶仿佛擁有一臺(tái)虛擬機(jī)。多道批處理系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志OS已進(jìn)入完善階段三、實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Real-TimeSystem60年代中期)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)能即時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。它分為實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)兩大類。

實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)由一臺(tái)或多臺(tái)主機(jī)通過通信線路連接成百上千個(gè)遠(yuǎn)程終端，計(jì)算機(jī)接收從遠(yuǎn)程終端發(fā)來的服務(wù)請(qǐng)求，根據(jù)用戶提出的問題，對(duì)信息進(jìn)行檢索和處理，并在很短時(shí)間內(nèi)為用戶做出正確的回答。如飛機(jī)訂票系統(tǒng)。傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的三大類別：多道批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。一個(gè)實(shí)際的操作系統(tǒng)可能兼具三者或其中兩者的功能。

通用操作系統(tǒng)：(60年代后期)將多道批處理、分時(shí)和實(shí)時(shí)等功能結(jié)合在一起構(gòu)造出的多功能的操作系統(tǒng)，稱為通用操作系統(tǒng)。1.2.3操作系統(tǒng)的發(fā)展目前，較優(yōu)秀的實(shí)用操作系統(tǒng)：UNIX(美國(guó)BellLabs)、Windows(美國(guó)微軟)、Linux(自由軟件)。近30年來,OS取得了很大發(fā)展，主要表現(xiàn)在：1.硬件體系結(jié)構(gòu)由集中向分散發(fā)展，出現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，為此網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

2.微處理機(jī)的發(fā)展使家庭和商用的微型機(jī)得到了普及。為方便非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員使用，OS提供了友好的操作界面。

3.在科學(xué)和軍事領(lǐng)域，大型計(jì)算任務(wù)要求極強(qiáng)的計(jì)算處理能力，多處理機(jī)并行成為必然，由此產(chǎn)生并行操作系統(tǒng)。4.隨著處理機(jī)芯片和各種存儲(chǔ)介質(zhì)在各種控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，嵌入式和智能卡操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。為降低開發(fā)代價(jià)，嘗試從不同應(yīng)用中抽取具有共性的東西，并做成很小的操作系統(tǒng)核心，由此產(chǎn)生了微內(nèi)核操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。1.3操作系統(tǒng)的特性1.程序并發(fā)性

程序并發(fā)指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中同時(shí)存在多個(gè)程序，宏觀上，這些程序同時(shí)向前推進(jìn)。程序并發(fā)與程序并行的區(qū)別：

程序并行要求微觀上的同時(shí),即在絕對(duì)同一時(shí)刻有多個(gè)程序同時(shí)向前推進(jìn)；程序并發(fā)并不要求微觀上的同時(shí),只需要在宏觀上看來多個(gè)程序都在向前推進(jìn)。在單處理機(jī)操作系統(tǒng)中，通常使用并發(fā)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，盡管處理機(jī)與設(shè)備之間、設(shè)備與設(shè)備之間可以并行工作。2.資源共享性

資源共享是指操作系統(tǒng)程序與多個(gè)用戶程序共用系統(tǒng)中的各種資源，這種共享是在操作系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)的。1.4操作系統(tǒng)的分類多道批處理操作系統(tǒng)(batchprocessingsystem)分時(shí)操作系統(tǒng)(time-sharingsystem)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(real-timesystem)通用操作系統(tǒng)(multi-purposesystem)單用戶操作系統(tǒng)(singleusersystem)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(networkoperatingsystem)分布式操作系統(tǒng)(distributedoperatingsystem)多處理機(jī)操作系統(tǒng)(multi-processorsystem)嵌入式操作系統(tǒng)(embeddedoperatingsystem)智能卡操作系統(tǒng)(smart-cardoperatingsystem)

主機(jī)輸入井輸出井輸出機(jī)輸入機(jī)作業(yè)結(jié)果SPOOLing輸入作業(yè)調(diào)度SPOOLing輸出1.4.1多道批處理系統(tǒng)（以脫機(jī)操作為標(biāo)志）作業(yè)(Job)：用戶程序+數(shù)據(jù)+作業(yè)說明書(JCL編寫)輸入井：用于保存已經(jīng)輸入、尚未處理的作業(yè)。輸出井：用于保存處理完畢、尚未輸出的結(jié)果。結(jié)果：程序運(yùn)行結(jié)果+記帳信息。多道批處理系統(tǒng)的工作原理：批作業(yè)的處理步驟:(1)用戶將作業(yè)交給機(jī)房;(2)操作員在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻將作業(yè)放到某臺(tái)輸入機(jī)上并啟動(dòng)其工作,通道負(fù)責(zé)將作業(yè)傳輸?shù)捷斎刖校?3)執(zhí)行某種作業(yè)調(diào)度算法把作業(yè)從輸入井讀入內(nèi)存，此時(shí)作業(yè)以“進(jìn)程”為單位在內(nèi)存中運(yùn)行,運(yùn)行結(jié)束后,其結(jié)果被寫入輸出井中；(4)最后再由通道負(fù)責(zé)將結(jié)果在輸出機(jī)上輸出。

設(shè)置輸入井和輸出井的目的:

(1)協(xié)調(diào)I/O設(shè)備速度與處理機(jī)速度之間的差異;(2)為作業(yè)調(diào)度提供條件。如果沒有輸入井,系統(tǒng)只能按照自然次序處理作業(yè),設(shè)置輸入井后,系統(tǒng)可以根據(jù)調(diào)度需要在輸入井中選擇進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè),使得內(nèi)存中運(yùn)行的作業(yè)搭配合理。

主機(jī)中作業(yè)合理搭配的目標(biāo)：目標(biāo)1：提高資源利用率(eg.計(jì)算型+I/O型)目標(biāo)2：提高系統(tǒng)吞吐量(throughput)

多道批處理系統(tǒng)的特點(diǎn)：多道：內(nèi)存中同時(shí)存在多個(gè)正在處理的作業(yè)，成批：作業(yè)分批進(jìn)入系統(tǒng)，作業(yè)與作業(yè)之間的過渡由操作系統(tǒng)控制，無需用戶干預(yù)。在分時(shí)系統(tǒng)中,一個(gè)主機(jī)同多個(gè)交互終端相連。分時(shí)系統(tǒng)為終端用戶提供一組交互終端命令,它是用戶與操作系統(tǒng)之間的界面。用戶進(jìn)入系統(tǒng)后,可在終端上鍵入終端命令,操作系統(tǒng)接收該命令后執(zhí)行一段系統(tǒng)程序,完成用戶交給的任務(wù),然后給出一個(gè)回答,用戶根據(jù)回答確定下一個(gè)將要鍵入的命令,如此直至用戶完成其任務(wù)。(界面：交互式命令、GUI)1.4.2分時(shí)操作系統(tǒng)（以聯(lián)機(jī)操作為標(biāo)志）分時(shí)處理終端請(qǐng)求Time-SharingOSHAL終端終端終端…...并互命令系統(tǒng)回答分時(shí)系統(tǒng)采取分時(shí)的方法為多個(gè)終端用戶提供服務(wù)。它將時(shí)間劃分為若干個(gè)片段,稱作時(shí)間片,并以時(shí)間片為基本單位輪流地為各個(gè)交互終端用戶服務(wù)。由于時(shí)間片通常很小,如十幾毫秒或幾十毫秒,系統(tǒng)為所有用戶服務(wù)一次僅需較少的時(shí)間。例如對(duì)于一個(gè)擁有50個(gè)終端的系統(tǒng)來說,假設(shè)時(shí)間片長(zhǎng)度為40毫秒,一個(gè)終端每隔兩秒鐘左右便能得到一次系統(tǒng)響應(yīng)。分時(shí)系統(tǒng)具有如下三個(gè)重要特性：

多路性：一個(gè)主機(jī)與多個(gè)終端相連；

交互性：系統(tǒng)以對(duì)話的方式為用戶服務(wù)；

獨(dú)占性：每個(gè)終端用戶仿佛獨(dú)占整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即擁有一臺(tái)完全屬于自己的虛擬機(jī)。典型系統(tǒng)：Multics(MIT)、UNIX(BellLabs)1.4.3實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)按其應(yīng)用范圍可分為兩大類：1.實(shí)時(shí)控制例如，工業(yè)控制，軍事控制，醫(yī)療控制，…….這類系統(tǒng)都有一個(gè)被控對(duì)象，如圖所示：t2-t1:responsetime被控對(duì)象A/DD/At1t2

HALRealTimeOS

HALRealTimeOS….終端終端終端通常為遠(yuǎn)程終端實(shí)時(shí)系統(tǒng)的兩個(gè)基本特性：（1）響應(yīng)及時(shí)（promptresponse）（2）可靠性高（highreliability）

2.實(shí)時(shí)信息處理例如，航班訂票，聯(lián)機(jī)情報(bào)檢索，……這類系統(tǒng)的一般原理與分時(shí)系統(tǒng)相似，不過相連終端多為遠(yuǎn)程終端。1.4.4通用操作系統(tǒng)(multi-purposeOS)同時(shí)具有實(shí)時(shí)、分時(shí)、批處理功能的OS。優(yōu)先級(jí)：實(shí)時(shí)任務(wù)>分時(shí)任務(wù)>批處理任務(wù)目標(biāo)：提高處理能力;擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。常見模式:分時(shí)(前臺(tái))+批處理(后臺(tái))(eg.GCOS-8美Honeywell公司)實(shí)時(shí)(前臺(tái))+批處理(后臺(tái))1.4.5單用戶操作系統(tǒng)不同的程序，不同的進(jìn)程；相同的程序,不同的線程單用戶操作系統(tǒng)：為個(gè)人微型計(jì)算機(jī)所配置的操作系統(tǒng)，即同一時(shí)刻僅有一個(gè)用戶使用的系統(tǒng)。如MS-DOS、Windows、CP/M應(yīng)用領(lǐng)域：臺(tái)式機(jī)、筆記本、……特點(diǎn)：?jiǎn)斡脩?，多進(jìn)程，多線程1.4.6網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NetworkOperatingSystem)NOS:用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊和網(wǎng)絡(luò)資源管理的操作系統(tǒng)。HOST：網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)以及相連的外設(shè)。NOS3host3NOS2host2PrinterNOS1host1在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中，不同HOST的類型可能不同，不同HOST上配備的NOS的界面也可能不同。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的目標(biāo)：--相互通訊、資源共享、--提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如databaseserver，ftpserver，e-mailserver，telnetserver，etc1.4.7分布式操作系統(tǒng)

(DistributedOperatingSystem)CPU內(nèi)存CPUCPU…分布式操作系統(tǒng)分為兩類:建立在多處理機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的稱為緊耦合分布式系統(tǒng);建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上的稱為松散耦合分布式系統(tǒng)。1.緊耦合(tightlycoupled)由多機(jī)系統(tǒng)發(fā)展而來(多CPU)有公共內(nèi)存多處理機(jī)操作系統(tǒng)2.松散耦合(looselycoupled)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來（多Host)無公共內(nèi)存，無公共時(shí)鐘DOShost3DOShost2DOShost1Printer3.分布式操作系統(tǒng)的特征(1)統(tǒng)一的操作系統(tǒng)。在DOS中,不同HOST上配置的DOS統(tǒng)一、界面相同。(2)資源的進(jìn)一步共享。在DOS中，作業(yè)可由一臺(tái)HOST

任意遷移到另一臺(tái)HOST上處理，實(shí)現(xiàn)CPU的共享。(3)可靠性。構(gòu)成DOS的不同HOST地位等同，任何一個(gè)HOST的失效都不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。(4)透明性。在DOS中，操作系統(tǒng)掩蓋了不同HOST地理位置上的差異。1.4.8多處理機(jī)操作系統(tǒng)

(Multi-ProcessorOperatingSystem)多處理機(jī)系統(tǒng)具有公共內(nèi)存的多CPU系統(tǒng)。對(duì)稱多處理機(jī)系統(tǒng)(SMP)多CPU系統(tǒng)中的多個(gè)CPU型號(hào)和地位相同，沒有主從關(guān)系。

多處理機(jī)操作系統(tǒng)有效管理和使用多個(gè)CPU的操作系統(tǒng)，也叫并行操作系統(tǒng)(單獨(dú)一門課)。復(fù)雜：多CPU的并發(fā)控制現(xiàn)代操作系統(tǒng)UNIX,Linux,Windows都增加了多CPU管理的功能。1.4.9嵌入式操作系統(tǒng)

(EmbededOperatingSystem)

嵌入在掌上電腦、通訊設(shè)備、車載系統(tǒng)、信息家電等非計(jì)算機(jī)類設(shè)施上的操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)與一般操作系統(tǒng)的明顯差別:(1)嵌入式操作系統(tǒng)規(guī)模一般較小。(2)應(yīng)用領(lǐng)域差別大。

嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)：

微內(nèi)核結(jié)構(gòu),其中只包含絕對(duì)必要的操作系統(tǒng)功能,其他功能則作為應(yīng)用服務(wù)程序置于核心之上。目前，微內(nèi)核一般包括如下功能:處理機(jī)調(diào)度、基本內(nèi)存管理、通訊機(jī)制、電源管理

嵌入式操作系統(tǒng)具有微小、實(shí)時(shí)、專業(yè)、可靠、易裁減等優(yōu)點(diǎn)。代表性的嵌入式操作系統(tǒng)有WinCE(微軟的Vinus計(jì)劃)、PalmOS、國(guó)內(nèi)的Hopen(女媧計(jì)劃)等。1.4.10智能卡操作系統(tǒng)

(Smart-CardOperatingSystem,SC-OS)智能卡上包含一個(gè)CPU芯片，CPU的計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量都有嚴(yán)格限制。面向Java的智能卡：在智能卡的ROM中保存一個(gè)Java虛擬機(jī)(JVM)解釋程序，可將Javaapplet下載到卡上并由JVM解釋執(zhí)行。

有些智能卡支持多個(gè)applet并發(fā)執(zhí)行。1.5操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境1.5.1定時(shí)裝置1.5.2系統(tǒng)棧1.5.3特權(quán)指令與非特權(quán)指令1.5.4處理機(jī)狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換1.5.5地址映射機(jī)構(gòu)1.5.6存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施1.5.7中斷裝置1.5.8通道與DMA控制器1.5.1定時(shí)裝置為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理和維護(hù)，硬件必須提供定時(shí)裝置，即實(shí)時(shí)時(shí)鐘。硬件時(shí)鐘通常有兩種：絕對(duì)時(shí)鐘和相對(duì)時(shí)鐘。

1.絕對(duì)時(shí)鐘:

記載實(shí)際時(shí)間，不發(fā)中斷。時(shí)間表示形式為：年、月、日、時(shí)、分、秒。時(shí)間值保存于硬件寄存器中，開機(jī)時(shí)由電源供電計(jì)時(shí)，關(guān)機(jī)時(shí)由機(jī)內(nèi)電池供電計(jì)時(shí)，其值可由程序設(shè)定和修改，但一般通過特權(quán)指令完成。當(dāng)然，程序可以讀取它的值。操作系統(tǒng)根據(jù)絕對(duì)時(shí)鐘的值記錄作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)間和處理時(shí)間、文件的修改和存取時(shí)間、資源占用時(shí)間、日志記錄時(shí)間等。

2.間隔時(shí)鐘：定時(shí)發(fā)生中斷。也稱鬧鐘，它每隔固定時(shí)間，如10ms，發(fā)生一次時(shí)鐘中斷。時(shí)鐘中斷發(fā)生后，OS獲得系統(tǒng)的控制權(quán)，以便運(yùn)行系統(tǒng)管理和實(shí)現(xiàn)程序并發(fā)。除時(shí)鐘外還有其它事件可引起中斷，但那些事件是否發(fā)生、何時(shí)發(fā)生不確定，只有時(shí)鐘中斷最忠實(shí)可靠。間隔時(shí)鐘是現(xiàn)代操作系統(tǒng)(多道程序設(shè)計(jì))的基礎(chǔ)。利用間隔時(shí)鐘可以實(shí)現(xiàn)邏輯時(shí)鐘。例如，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)50ms的邏輯時(shí)鐘，可以設(shè)置一個(gè)初值為5的變量，每次時(shí)鐘中斷將其減1，當(dāng)減至0時(shí)即達(dá)到50ms。1.5.2系統(tǒng)棧(SystemStack)系統(tǒng)棧是內(nèi)存中操作系統(tǒng)空間的一個(gè)固定區(qū)域。系統(tǒng)棧的主要用途：(1)中斷響應(yīng)時(shí)保存中斷現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)于嵌套中斷，被中斷程序的現(xiàn)場(chǎng)信息依次壓入系統(tǒng)棧，中斷返回時(shí)逆序彈出；(2)保存操作系統(tǒng)子程序間相互調(diào)用的參數(shù)、返回值、返回點(diǎn)以及子程序的局部變量。

注意：每個(gè)運(yùn)行程序都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)棧，進(jìn)程切換的同時(shí)伴隨系統(tǒng)棧的切換，但硬件只有一個(gè)系統(tǒng)棧指針作用。1.5.3處理機(jī)狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換處理機(jī)狀態(tài)也稱機(jī)器狀態(tài)。處理機(jī)狀態(tài)有兩種：管態(tài)和目態(tài)。它由程序狀態(tài)字PSW中的一位標(biāo)識(shí)。

1.管態(tài)(supervisormode)也稱系統(tǒng)態(tài)、核心態(tài)，是操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所處的狀態(tài)。機(jī)器處于管態(tài)時(shí)可以執(zhí)行硬件提供的全部指令，包括特權(quán)指令和非特權(quán)指令。由于利用特權(quán)指令可以修改PSW，而機(jī)器狀態(tài)位是PSW的一部分，因而在管態(tài)下可以通過修改PSW來改變機(jī)器狀態(tài)，使之由管態(tài)轉(zhuǎn)換為目態(tài)。

2.目態(tài)(objectmode)也稱用戶態(tài)，是一般用戶程序運(yùn)行時(shí)所處的狀態(tài)。處理機(jī)處于目態(tài)時(shí)只能執(zhí)行非特權(quán)指令。由于“置程序狀態(tài)字”為特權(quán)指令，目態(tài)程序不能執(zhí)行它，從而不能將運(yùn)行狀態(tài)改為管態(tài)，這可防止用戶有意或無意地侵入系統(tǒng)，從而起到保護(hù)系統(tǒng)的作用。

3.管態(tài)與目態(tài)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，處理機(jī)的狀態(tài)處于動(dòng)態(tài)變化之中，時(shí)而運(yùn)行于目態(tài)，時(shí)而運(yùn)行于管態(tài)。

(1)管態(tài)

目態(tài)

管態(tài)到目態(tài)的轉(zhuǎn)換由修改程序狀態(tài)字來實(shí)現(xiàn)。由于操作系統(tǒng)運(yùn)行于管態(tài)，用戶程序運(yùn)行于目態(tài)，因而該狀態(tài)轉(zhuǎn)換伴隨著由操作系統(tǒng)程序到用戶程序的轉(zhuǎn)換。

(2)目態(tài)

管態(tài)處理機(jī)狀態(tài)由目態(tài)轉(zhuǎn)為管態(tài)的唯一途徑是中斷。中斷發(fā)生時(shí)，中斷向量中的PSW應(yīng)標(biāo)識(shí)處于管態(tài)，這一標(biāo)識(shí)由操作系統(tǒng)初始化程序設(shè)置?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)由特權(quán)指令集和非特權(quán)指令集兩部分組成，它們的使用與系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)。

1.特權(quán)指令（privilegedinstruction）特權(quán)指令：只有在管態(tài)才能執(zhí)行的指令。

特權(quán)指令的執(zhí)行不僅影響運(yùn)行程序本身，也影響其他程序和OS。例如，開關(guān)中斷、置程序狀態(tài)字、修改地址映射寄存器、停機(jī)等。一般只有OS能執(zhí)行特權(quán)指令，用戶程序不能執(zhí)行。

2.非特權(quán)指令（non-privilegedinstruction）非特權(quán)指令：在管態(tài)和目態(tài)下均可執(zhí)行的指令。

非特權(quán)指令的執(zhí)行只與運(yùn)行程序本身有關(guān)，不影響其它程序和OS。例如數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)運(yùn)算指令等。1.5.4特權(quán)指令與非特權(quán)指令1.5.5地址映射機(jī)構(gòu)在多道程序系統(tǒng)中，內(nèi)存中同時(shí)存在多個(gè)程序，一個(gè)程序在內(nèi)存中的存放位置是隨機(jī)確定的，因此程序不能采用物理地址，只能采用邏輯地址。為使每個(gè)程序的每個(gè)基本單位都能從0開始編址，硬件需要提供地址映射機(jī)構(gòu)，它負(fù)責(zé)將運(yùn)行程序產(chǎn)生的邏輯地址變換為內(nèi)存物理地址。地址映射機(jī)構(gòu)在不同硬件環(huán)境中不盡相同。1.5.6存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施在多道程序系統(tǒng)中，一個(gè)程序有意或無意產(chǎn)生的錯(cuò)誤地址可能會(huì)侵犯其它程序空間甚至操作系統(tǒng)空間；一個(gè)程序?qū)泊鎯?chǔ)區(qū)域可能試圖執(zhí)行非法操作(越權(quán))，這些都可能影響其他程序甚至整個(gè)系統(tǒng)。為防止這些情況的發(fā)生，硬件必須提供存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施。存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施的作用：進(jìn)行地址越界檢查和越權(quán)檢查(對(duì)共享區(qū)域)，防止應(yīng)用程序侵犯操作系統(tǒng)空間或其它應(yīng)用程序空間。1.5.7中斷裝置中斷裝置：發(fā)現(xiàn)并響應(yīng)中斷的硬件機(jī)構(gòu)。中斷裝置具有兩個(gè)功能：(1)發(fā)現(xiàn)中斷：中斷發(fā)生時(shí)能識(shí)別，有多個(gè)中斷事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，能按優(yōu)先級(jí)別響應(yīng)最高者。(2)響應(yīng)中斷：先將當(dāng)前進(jìn)程的中斷向量(PSW和PC)壓入系統(tǒng)棧，再根據(jù)中斷源到指定內(nèi)存單元將新的中斷向量取來并送到中斷向量寄存器中,從而轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的中斷處理程序。1.5.8通道與DMA控制器1.通道：負(fù)責(zé)I/O操作的處理機(jī)，具有自己的指令系統(tǒng)和運(yùn)控部件，可以執(zhí)行通道程序，完成CPU委托的I/O操作任務(wù)。２.DMA(DirectMemoryAccess,直接內(nèi)存訪問)

DMA是與通道相似的I/O方式，DMA控制器接受CPU的委托完成數(shù)據(jù)在內(nèi)存與塊型設(shè)備之間的傳輸。與通道相比，DMA沒有獨(dú)立的指令系統(tǒng)，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的塊傳輸。1.6操作系統(tǒng)界面形式從虛擬機(jī)的觀點(diǎn)看,OS是對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的第一級(jí)擴(kuò)充,配有OS的計(jì)算機(jī)在功能等方面與裸機(jī)相比大大地增強(qiáng)了。在大多數(shù)情況下,用戶通過OS與機(jī)器硬件打交道,而不直接地使用機(jī)器硬件。操作系統(tǒng)為用戶提供三種界面形式:1.交互終端命令(或圖形用戶界面)2.作業(yè)控制語(yǔ)言3.系統(tǒng)調(diào)用命令

1.交互終端命令（CommandLine）這是分時(shí)系統(tǒng)具有的界面形式。系統(tǒng)為交互終端用戶提供一組交互式命令，交互終端命令的一般形式為：“命令名,選項(xiàng),參數(shù)”。交互終端命令界面由命令解釋程序提供。命令解釋程序通常屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核，但UNIX系統(tǒng)的交互命令解釋程序由shell提供，而shell并不屬于系統(tǒng)核心，而是運(yùn)行于核心之外的目態(tài)程序，它通過系統(tǒng)調(diào)用與核心打交道，完成命令要求的動(dòng)作。

UNIX硬件shellshellshell……終端終端終端優(yōu)點(diǎn):縮小核心不同用戶可以選擇不同界面UNIXshellinterface

2.圖形用戶界面（GUI—GraphicUserInterface）

考慮非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的方便性,現(xiàn)代操作系統(tǒng)都提供了圖形用戶界面(GUI),GUI本質(zhì)上也屬于交互式界面，只不過界面由命令行轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形提示和鼠標(biāo)點(diǎn)擊。圖形界面一般由視窗、圖標(biāo)、菜單、對(duì)話框等基本元素以及對(duì)基本元素所能進(jìn)行的操作構(gòu)成。有些系統(tǒng)如Windows中，仍保持一個(gè)行式命令的界面，不過該界面實(shí)際上是作為一個(gè)特殊的視窗實(shí)現(xiàn)的。

3.作業(yè)控制語(yǔ)言（JobControlLanguage,JCL）

JCL是批處理系統(tǒng)的界面形式。系統(tǒng)為用戶提供一種作業(yè)控制語(yǔ)言。當(dāng)欲提交批作業(yè)時(shí)，用戶先用這種語(yǔ)言書寫一個(gè)作業(yè)說明書,以O(shè)S能識(shí)別的形式描述用戶作業(yè)的處理步驟,再將此說明書與程序、數(shù)據(jù)一道提交給系統(tǒng),操作系統(tǒng)按照作業(yè)說明書所規(guī)定的步驟一步一步地處理作業(yè)。不同的操作系統(tǒng)具有不同的作業(yè)控制語(yǔ)言，作業(yè)控制語(yǔ)言一般包含幾十個(gè)作業(yè)控制命令。如，作業(yè)標(biāo)識(shí)語(yǔ)句、作業(yè)步語(yǔ)句、資源描述語(yǔ)句、Goto語(yǔ)句等。

4.系統(tǒng)調(diào)用命令(SystemCall)

如高級(jí)語(yǔ)言形式fd=open(file_name,mode)

系統(tǒng)調(diào)用命令也稱應(yīng)用程序界面(API)，它是在用戶程序級(jí)別上與操作系統(tǒng)打交道的方式。操作系統(tǒng)為用戶提供一組系統(tǒng)調(diào)用命令,用戶可將這些系統(tǒng)調(diào)用命令寫在程序中,當(dāng)用戶程序在運(yùn)行過程中執(zhí)行到這些系統(tǒng)調(diào)用命令時(shí),將發(fā)生自愿性中斷,進(jìn)入操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)根據(jù)不同的系統(tǒng)調(diào)用命令轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理程序。幾乎所有類型的操作系統(tǒng)都有這種界面。

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