操作系統(tǒng)·概論解析

第一章概論第

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章 概論計算機與操作系統(tǒng)計算機與操作系統(tǒng)的發(fā)展存儲程序式計算機的結(jié)構和特點操作系統(tǒng)的基本概念操作系統(tǒng)的定義及其在計算機系統(tǒng)中的地位操作系統(tǒng)的功能、特性及其應解決的基本問題操作系統(tǒng)的總體框架操作系統(tǒng)接口、構造模式、Linux結(jié)構分析和設計操作系統(tǒng)的幾種觀點用戶觀點、資源觀點、進程觀點、分層觀點安全操作系統(tǒng)回顧上一節(jié)課內(nèi)容一、計算機的發(fā)展第一代計算機：電子管第二代計算機：晶體管第三代計算機：集成電路2多.程操序作設計系技術統(tǒng)--的>多基道批本處類理系型統(tǒng)3.操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展分時系統(tǒng)實時系統(tǒng)第四代計算機：超大規(guī)模集成電路二、操作系統(tǒng)的發(fā)展1.操作系統(tǒng)的產(chǎn)生手工操作階段-->成批處理-->脫機輸入/輸出-->單道批處理系

統(tǒng)多統(tǒng)多程序設計技術批處理系統(tǒng)網(wǎng)絡系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、微機操作系統(tǒng)（DOS、Windows、OS/2、UNIX、Linux）Windows與Windows的區(qū)別操作系統(tǒng)的發(fā)展人工操作階段單道批處理多道程序設計多道批處理分時系統(tǒng)實時系統(tǒng)網(wǎng)絡系統(tǒng)分布式系統(tǒng)手工操作階段手工操作階段（1946年-50年代中期）運算器主機 控制器存儲器輸入設備輸出設備計算機的手工操作方式控制臺機器作業(yè)在機器上人工操操作時間與機器有速度計算所需時間作時間效運行時間之比1萬次/秒1小時3分鐘1：2060萬次/秒1分鐘3分鐘3：1操作系統(tǒng)的產(chǎn)生批處理把用戶提交的作業(yè)（相應的程序、數(shù)據(jù)和處理步驟）成批送入計算機，然后由作業(yè)調(diào)度程序自動選擇作業(yè)運行。這樣能縮短作業(yè)之間的交接時間，減少處理機的空閑等待，從而提高了系統(tǒng)效率。成批處理運算器主機控制器存儲器控制臺輸入設備 外圍機輸出設備外圍機磁盤磁盤脫機輸入/輸出方式減少了CPU的空閑時間，緩和了人機矛盾提高了I/O速度，緩解了CPU和I/O設備之間速度不匹配的矛盾單道批處理系統(tǒng)的形成當有大量用戶作業(yè)提交計算中心要求處理時，操作員可按優(yōu)先程度、類型等因素選擇一批作業(yè)，以脫機方式輸入磁盤再由系統(tǒng)中配備的監(jiān)督程序（Monitor）自動地控制每個作業(yè)從調(diào)入內(nèi)存、匯編或編譯、裝配連接、啟動執(zhí)行、輸出結(jié)果的全過程，并使作業(yè)一個接一個地連續(xù)處理，直到這批作業(yè)全部完成為止。監(jiān)督程序標準輸入程序輸入用戶作業(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)行執(zhí)行結(jié)果輸出結(jié)果編譯程序裝配程序標準輸出及善后處理程序調(diào)用一些子程序轉(zhuǎn)到下一個作業(yè)輸入這里，監(jiān)督程序是事實上的管理者，也是后來形成的操作系統(tǒng)的雛形。由于系統(tǒng)對作業(yè)的

處理都是成批進行的，而且在內(nèi)存中始終只

保持一道作業(yè)，所以

稱之為單道批處理系

統(tǒng)。注意：單道程序工作示例計算

請求輸入啟動I/O I/O完成CPU工作用戶程序監(jiān)督程序I/O操作繼續(xù)計算結(jié)束中斷t中央處理機外部設備外部設備程序A

程序B

程序A

程序B磁盤輸入

輸入結(jié)束打印輸出磁帶輸入輸出結(jié)束輸出結(jié)束t輸入結(jié)束繪圖輸出多道程序設計20世紀60年代初期，計算機硬件技術獲得了兩個方面的發(fā)展，一是通道的引入，二是中斷技術的出現(xiàn)。在20世紀60年代中期引入了多道程序設計技術，多道程序設計技術是在計算機內(nèi)存中同時存放幾道相互獨立的程序，使他們在管理程序控制之下，相互穿插地運行。多道程序設計舉例設一計算機系統(tǒng)有輸入機一臺、打印機兩臺，現(xiàn)有二道程序同時投入運行，且程序A先開始運行，程序B后運行。程序A的運行軌跡為：計算50ms，打印信息100ms，再計算50ms,打印信息100ms,結(jié)束。程序B運行的軌跡為：計算50ms，輸入數(shù)據(jù)80ms，再計算100ms，結(jié)束。要求：(1)用圖畫出這二道程序并發(fā)執(zhí)行時的工作情況。

(2)說明在二道程序運行時，CPU有無空閑等待？若有，在哪段時間內(nèi)等待？為什么會空閑等待？(3)程序A、B運行時有無等待現(xiàn)象？在什么時候會發(fā)生等待現(xiàn)象？多道程序運行的特征如下：多道即計算機內(nèi)存中同時存放幾道相互獨立的程序。

(2)宏觀上并行同時進入系統(tǒng)的幾道程序都處于運行過程中，即它們先后開始了各自的運行，但都未運行完畢。(3)微觀上串行從微觀上看，內(nèi)存中的多道程序輪流地或分時地占有處理機，交替執(zhí)行(單處理機情況)。在批處理多道操作系統(tǒng)控制下，允許多個作業(yè)同時裝入主存儲器，使CPU輪流地執(zhí)行多個作業(yè)，各個作業(yè)可以同時使用各自所需外圍設備。此類操作系統(tǒng)有代表性的是IBM公司為IBM360機器配置的操作系統(tǒng)

OS/360。多道批處理系統(tǒng)操作系統(tǒng)的基本類型最大優(yōu)點：資源利用率高系統(tǒng)吞吐量大最大缺點：無交互能力平均周轉(zhuǎn)時間長分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)就是為了滿足用戶對人機交互、多用戶共享主機以及方便作業(yè)控制等需要而形成的一種新型操作系統(tǒng)。在一臺主機上連接了多個帶有顯示器和鍵盤的終端，同時允許多個用戶共享主機中的資源，每個用戶都可以通過終端以交互方式使用計算機。分時操作系統(tǒng)是支持多個終端用戶，實現(xiàn)人機交互的系統(tǒng)。現(xiàn)今流行的操作系統(tǒng)中Linux、Windows、OS/2以及UNIX都是分時系統(tǒng)。分時系統(tǒng)的實現(xiàn)，必須解決以下兩個最為關鍵的問題：分割CPU時間片，使多個終端用戶共享系統(tǒng)資源。時間片長短的選擇至關重要，它將直接影響著分時系統(tǒng)的性能目標。如果時間片過長，則無法滿足用戶對響應時間的要求；如果時間片過短，則會使系統(tǒng)為了多個終端用戶之間切換處理而需要花費的額外開銷大大增加，從而降低系統(tǒng)效率。系統(tǒng)為每個聯(lián)機的終端用戶創(chuàng)建一個操作界面，使終端用戶能方便地與自己的作業(yè)命令交互。分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)的特征多路性：若干用戶可同時使用一臺計算機。系統(tǒng)按分時原則為每個用戶服務。獨立性：每個用戶各自獨立的工作。交互性：用戶能方便地與系統(tǒng)進行人—機對話。及時性：用戶能在很短時間內(nèi)得到系統(tǒng)的響應。多路性交互性獨立性及時性實時系統(tǒng)能使計算機接收到外部信號后及時進行處理，并且在嚴格的規(guī)定時間內(nèi)處理結(jié)束，再給出

反饋信號，這樣的操作系統(tǒng)稱為實時操作系

統(tǒng)。實時系統(tǒng)的特征及時響應高可靠性和安全性：（不強求系統(tǒng)資源的利用率）系統(tǒng)的整體性強交互會話功能較弱實時系統(tǒng)的用途實時數(shù)據(jù)處理：用于要求對信息進行實時處理的系統(tǒng)。例如：飛機訂票系統(tǒng)、情報檢索系統(tǒng)等實時工業(yè)控制：用于工業(yè)生產(chǎn)過程、軍事武器等實時控制。例如：化學反應堆控制系統(tǒng)、導彈的制導系統(tǒng)等網(wǎng)絡操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展注意：計算機網(wǎng)絡的定義：將地理位置不同的、功能獨立的多個計算機系統(tǒng)，通過通信設備和線路連接起來，由功能完善的網(wǎng)絡軟件將其有機地聯(lián)系到一起并進行管理，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡資源共享和信息傳遞的系統(tǒng)。計算機網(wǎng)絡的分類。按照網(wǎng)絡覆蓋范圍的大小，分為局域網(wǎng)（LAN）、廣域網(wǎng)（WAN）和城域網(wǎng)（MAN）三類。網(wǎng)絡操作系統(tǒng)特有的功能。為計算機網(wǎng)絡所配置的操作系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，它除了應具備通常意義上的操作系統(tǒng)所具有的功能外，最為突出的就是還應該具有網(wǎng)絡管理模塊和通信軟件。通信軟件是一種交流的協(xié)議，是各計算機在通信中需要共同遵守的規(guī)則。具體地說，網(wǎng)絡操作系統(tǒng)應具有下述5個方面

的功能：網(wǎng)絡通信、資源管理、網(wǎng)絡服務、網(wǎng)絡管理和互操作能力。多用戶分時系統(tǒng)看上去與星型連接結(jié)構的計算機網(wǎng)絡相似，但兩者完全不同。分時系統(tǒng)中各用戶使用的是由顯示器、鍵盤和一個串行接口組成的終端，沒有CPU和內(nèi)存，也就沒有處理能力；而網(wǎng)絡中都是具有獨立運行能力的計算機系統(tǒng)。個人計算機上配置適當?shù)姆抡孳浖蛴布?，也可以作為一臺智能終端來使用。分布式操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)是一個一體化的系統(tǒng)，在整個系統(tǒng)中有一個全局的操作系統(tǒng)稱為分布式操作系統(tǒng)。分布式操作系統(tǒng)能使分布式計算機系統(tǒng)中若干臺計算機相互協(xié)作完成一個共同的任務。分布式系統(tǒng)是以網(wǎng)絡為基礎發(fā)展起來的,它和常規(guī)網(wǎng)絡一樣具有模塊性、并行性、自治性和通信性等特點。但是，它比常規(guī)網(wǎng)絡又有進一步的發(fā)展。例如，常規(guī)網(wǎng)絡中的并行性僅僅意味著獨立性，而分布式系統(tǒng)中的并行性還意味著合作。原因在于，分布式系統(tǒng)已不再僅僅是一個物理上的松散耦合系統(tǒng)，而同時又是一個邏輯上的緊密耦合的系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡的區(qū)別在于前者具有多機合作和健壯性。操作系統(tǒng)的發(fā)展人工操作階段單道批處理多道程序設計多道批處理分時系統(tǒng)實時系統(tǒng)網(wǎng)絡系統(tǒng)分布式系統(tǒng)操作系統(tǒng)的定義及其在計算機系統(tǒng)中的地位操作系統(tǒng)是搭在硬件平臺上的第一層軟件，它負責把系統(tǒng)資源管理起來以便充分發(fā)揮它們的作用。編譯程序匯編程序正文編輯程序數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)操作系統(tǒng)裸機用戶1用戶2用戶3用戶n操作系統(tǒng)用戶應用軟件系統(tǒng)軟件計算機系統(tǒng)的組成與軟件的層次關系操作系統(tǒng)的其他表述

提供一個計算機用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口，使計算機系統(tǒng)更易于使用。（使用者）

有效地控制和管理計算機系統(tǒng)中的各種硬件和軟件資源，使之得到更有效的利用。（資源管理者）

合理地組織計算機系統(tǒng)的工作流程，以改善系統(tǒng)性能（如響應時間、系統(tǒng)吞吐量）。操作系統(tǒng)較為完整的定義

操作系統(tǒng)是用來控制和管理計算機系統(tǒng)資源合理地組織計算機工作流程，以及方便用戶操作的程序集合。操作系統(tǒng)的功能功能：操作系統(tǒng)的宗旨是提高系統(tǒng)資源的利用率和方便用戶使用。處理機管理、存儲器管理、設備管理、軟件資源管理、用戶接口1.處理機管理（進程管理）處理機管理的主要任務是對處理機進行分配，并對其運行進行有效的控制和管理。在單道環(huán)境下，處理機為一個作業(yè)所獨占，其管理十分簡單。但在多道程序并發(fā)環(huán)境下，必須引入進程以動態(tài)地描述程序的執(zhí)行過程，并以進程為單位來分配處理機，因而對處理機的管理可歸結(jié)為對進程的管理。處理機管理的主要功能進程控制進程調(diào)度進程同步進程通信為用戶作業(yè)分配必要的資源，并創(chuàng)建進程。合理分配處理機時間，控制進程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。撤消已結(jié)束的進程，并回收其占有的資源。從進程就緒隊列中，按某種調(diào)度算法選擇一個進程投入運行。多個進程競爭處理機資源，可能存在同步和互斥關系，因此系統(tǒng)中必須設置同步機制，對各進程的運行進行協(xié)調(diào)。多道環(huán)境下，進程之間可能要相互合作完成共同的任務，這就需要在進程之間實現(xiàn)信息交換。2.存儲器管理存儲器是僅次于CPU的第二大珍貴資源，因為其最大容量受地址總線數(shù)量的限制。盡管硬件的發(fā)展使存儲器容量不斷擴大，但無法滿足多道程序環(huán)境下用戶對存儲容量無止境的需求。因此，操作系統(tǒng)就要對存儲器進行合理分配、保護和擴充。存儲器管理的主要功能內(nèi)存分配地址映射內(nèi)存保護內(nèi)存擴充為每道程序分配恰當?shù)膬?nèi)存空間，使它們“各得其所”，盡可能地提高存儲器的利用率，并允許程序動態(tài)地申請內(nèi)存空間。程序調(diào)入內(nèi)存時，操作系統(tǒng)需要將程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換成其對應的物理地址，也就是實現(xiàn)地址重定位或地址映射。確保每道程序都在自己的空間運行，不允許用戶程序有意或無意地破壞系統(tǒng)數(shù)據(jù)，也不允許轉(zhuǎn)移到非共享的其他程序區(qū)。借助于虛擬存儲技術從邏輯上擴充內(nèi)存容量，使用戶所感覺到的內(nèi)存比物理內(nèi)存大得多，或讓更多的用戶程序能并發(fā)執(zhí)行。3.設備管理設備管理的主要任務是，完成用戶提出的I/O請求；為用戶分配I/O設備；提高CPU和I/O設備的利用率；提高I/O速度；方便用戶使用I/O設備。設備管理的主要功能緩沖管理設備分配設備處理設備獨立性和虛擬設備為緩解CPU和外設備之間速度不匹配的矛盾，提高它們的利用率，操作系統(tǒng)需要為外設配置一定的緩沖區(qū)，并采用各種管理機制對緩沖區(qū)進行有效的管理。根據(jù)用戶的I/O請求，按照某種分配策略為之分配所需設備、通道和控制器，并啟動相應設備的處理程序。即設備驅(qū)動程序，用于實現(xiàn)CPU和設備控

制器之間的通信，包括向設備控制器發(fā)I/O指令，及時響應和處理來自設備控制器的中斷請求。獨立性是指用戶程序獨立于物理設備，即與實際使用的設備無關。虛擬設備功能是把每次僅允許一個進程使用的獨享設備改造為可供多個進程共享的設備。5.用戶接口程序接口面向程序員提供了一組系統(tǒng)調(diào)用，每一個系統(tǒng)調(diào)用都是一個完成特定功能的子程序，編程者可在用戶程序中調(diào)用它們來訪問系統(tǒng)資源或取得操作系統(tǒng)服務。命令接口面向普通用戶，可以通過鍵盤終端或鼠標等操作方式對系統(tǒng)發(fā)出命令，以直接或間接地提交和控制自己的作業(yè)運行。操作系統(tǒng)的特性并發(fā)是指兩個或多個活動在同一給定的時間間隔中進行共享是指計算機系統(tǒng)中的資源被多個任務所共用。每道程序要完成自己的事情，但又要與其他程序共享系統(tǒng)中的資源。這樣，它什么時候得以執(zhí)行、在執(zhí)行過程中是否被其他事情打斷（如I/O中斷）、向前推進的速度是快還是慢等都是不可預知，由程序執(zhí)行時的現(xiàn)場所決定。是指把一個物理上的實體，變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應物。任何一個操作系統(tǒng)在設計時都會追求各方面優(yōu)異的性能，總的原則是：盡可能高的資源利用率；盡可能大的系統(tǒng)吞吐量；盡可能快的響應時間；盡可能方便用戶使用的交互能力。并發(fā)性共享性不確定性虛擬性操作系統(tǒng)應解決的基本問題解決的基本問題：⑴

提供解決各種沖突的策略⑵

協(xié)調(diào)并發(fā)活動的關系⑶

保證數(shù)據(jù)的一致性⑷

實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取控制操作系統(tǒng)的總體框架操作系統(tǒng)提供給用戶的程序接口系統(tǒng)調(diào)用：進程管理、存儲管理、文件管理、設備管理。交互命令操作系統(tǒng)的構造模式整體式內(nèi)核（也稱為宏內(nèi)核、單內(nèi)核）：在運行過程中是一個單獨的內(nèi)存映像，使一個獨立的進程。

Linux微內(nèi)核：大部分內(nèi)核模塊都作為獨立的進程，它們之間通過消息通信，在模塊之間提供服務。操作系統(tǒng)提供抽象的計算環(huán)境流行OS結(jié)構OS的構造模式P28

整體式內(nèi)核：在運行過程中式一個單獨的內(nèi)存映像，是一個獨立的進程。

微內(nèi)核：大部分內(nèi)核模塊都作為獨立的進程，進程間用消息通信，實現(xiàn)模塊間的服務。內(nèi)核本身是一個消息管理器Linux整體結(jié)構P37單內(nèi)核體系結(jié)構，采用模塊接口法設計技術Windows整體結(jié)構P38改進型的微內(nèi)核體系結(jié)構，采用面向?qū)ο笤O計技術Linux操作系統(tǒng)的構成Shell內(nèi)核

內(nèi)核（Kernel）是整個操作系統(tǒng)的核心，管理軟硬件資源并控制整個計算機的運行，提供相應的硬件驅(qū)動程序、網(wǎng)絡接口程序，管理所有應用程序的執(zhí)行。

內(nèi)核提供的都是操作系統(tǒng)最基本的功能，如果內(nèi)核發(fā)生問題，整個計算機系統(tǒng)就可能會崩潰。

Linux內(nèi)核的源代碼主要用C語言編寫，只有部分與驅(qū)動相關的部分用匯編語言Assembly編寫。應用程序X-Window應用程序分析和設計操作系統(tǒng)的幾種觀點用戶觀點這種觀點主要是為刻畫操作系統(tǒng)的功能而引入的，從用戶的角度來觀察操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)是個黑盒子，配置了操作系統(tǒng)的計算機與原來真實的物理計算機迥然不同，因為它提供了用戶使用計算機的更方便手段,構造了一臺虛擬機，采用的操作命令決定了虛擬機的功能。操作系統(tǒng)應該提供給用戶的基本功能如下：創(chuàng)造用戶需要的程序運行環(huán)境操作系統(tǒng)應配置各種子系統(tǒng)和程序庫提供文件操作為用戶提供方便使用的人-機接口分析和設計操作系統(tǒng)的幾種觀點資源管理觀點資源觀點是從現(xiàn)代計算機系統(tǒng)角度考慮問題。計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，即：硬件和軟件資源，這些資源都是非常寶貴的，按其性質(zhì)可歸為四大類：處理機、存儲器、外部設備和文件(程序和數(shù)據(jù))。這四類資源構成了操作系統(tǒng)本身和用戶作業(yè)賴以活動的物質(zhì)基礎和工作環(huán)境。研究資源管理是為了提高各種計算機資源的利用率，為用戶提供一種使用計算機的簡單、有效的方法。研究資源管理要處理好如下幾個方面的內(nèi)容：記住資源的使用狀態(tài)、確定資源的分配原則和調(diào)度原則、分配資源、收回資源。分析和設計操作系統(tǒng)的幾種觀點進程觀點通常我們把程序的一次執(zhí)行過程叫做一個進程，在這一過程中，進程被創(chuàng)建、運行直至被撤消完成其使命。從進程角度來分析操作系統(tǒng)，則所有進程的活動就構成了操作系統(tǒng)的當前行為，在每一個瞬間都有一棵進程家族樹，它展示著操作系統(tǒng)行為主體的一個快照。初始化外部復位進

程…進程A2進程

A1…進程B2進程B1…進程X2…進程

X1系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構文件管理數(shù)據(jù)結(jié)構設備管理數(shù)據(jù)結(jié)構內(nèi)存管理數(shù)據(jù)結(jié)構進程控制塊中斷表守護進程demon用戶中斷中斷管理操作系統(tǒng)中