第1章 操作系統(tǒng)引論

操作系統(tǒng)

①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，

②主要用于管理硬件設(shè)備，提高他們的利用率和系統(tǒng)吞吐量

③為用戶和應(yīng)用程序提供簡(jiǎn)單的接口，以便用戶和應(yīng)用程序使用硬件設(shè)備

④OS是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)，最重要的系統(tǒng)軟件

操作系統(tǒng)的目標(biāo)

①方便性，如果計(jì)算機(jī)只有硬件系統(tǒng)，操作員只能通過機(jī)器指令進(jìn)行編程，具體按鈕進(jìn)行操作，十分繁雜，有了操作系統(tǒng)就可以屏蔽部分機(jī)器指令，用戶可以通過高級(jí)語(yǔ)言編碼，經(jīng)編譯程序翻譯為機(jī)器語(yǔ)言，執(zhí)行指令或者直接使用OS提供的各種命令來操作計(jì)算機(jī)

②有效性，提高系統(tǒng)資源的利用率，提高系統(tǒng)的吞吐量，有效管理與控制軟硬件資源

③可擴(kuò)充性，適應(yīng)計(jì)算機(jī)硬件，體系結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用發(fā)展的要求；OS從早期的無結(jié)構(gòu)發(fā)展為模塊化結(jié)構(gòu)，到分層式結(jié)構(gòu)，再到近年來的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)/外核；結(jié)構(gòu)可方便添加新的功能和模塊，以及對(duì)原有功能模塊進(jìn)行修改，具有良好的可擴(kuò)充性，擴(kuò)充軟硬件不會(huì)對(duì)OS產(chǎn)生很大影響

④開放性，為解決計(jì)算機(jī)軟硬件兼容問題；系統(tǒng)遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，特別是遵循開放系統(tǒng)互連參考模型（open system interconnect, OSI）

其中方便性和有效性是OS最重要的兩個(gè)目標(biāo)

操作系統(tǒng)的作用

對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理與調(diào)度，提供各種強(qiáng)有力的服務(wù)，人機(jī)交互，資源管理，資源抽象等

1.OS作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口；向上提供服務(wù)，向下管理資源；

2.OS作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者

計(jì)算機(jī)中含有多種軟件資源和硬件資源，這些資源大致分為4類：處理機(jī)，存儲(chǔ)器，I/O設(shè)備，文件資源/信息（程序和數(shù)據(jù)）

操作系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)功能就是針對(duì)這四類資源的有效管理，處理機(jī)管理負(fù)責(zé)處理機(jī)的分配與控制；存儲(chǔ)器管理負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配與控制；I/O設(shè)備管理負(fù)責(zé)I/O設(shè)備的分配（回收）與操縱；文件管理負(fù)責(zé)文件的存取，共享與保護(hù)等。

3.OS實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的抽象

在裸機(jī)上鋪設(shè)的I/O軟件，隱藏了I/O設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，向上提供了一組抽象的I/O設(shè)備

OS的工作補(bǔ)充

完成程序的執(zhí)行；完成與硬件相關(guān)的工作；完成與應(yīng)用無關(guān)的工作；計(jì)算機(jī)的效率與安全問題（OS的安全問題）

課后實(shí)踐

OS原理與實(shí)際運(yùn)用OS的關(guān)系

操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?/h2>

1.不斷提供的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的利用率

2.方便用戶

3.器件不斷更新?lián)Q代

4.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展

5.不斷提出新的應(yīng)用要求

操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

手工操作—>簡(jiǎn)單批處理—>多道批處理—>分時(shí)系統(tǒng)—>實(shí)時(shí)系統(tǒng)—>微機(jī)，多處理機(jī)，網(wǎng)絡(luò)，分布式OS

未配置操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)

1.人工操作方式

特點(diǎn)：用戶獨(dú)占全機(jī)，CPU等待人工操作

缺點(diǎn)：人工操作的方式嚴(yán)重降低了計(jì)算機(jī)資源的利用率（問題主要表現(xiàn)在，人工操作方式下紙帶的裝填速度，明顯慢于CPU的運(yùn)行速度），所謂人機(jī)矛盾；CPU與I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾更加突出；

解決方式：通道技術(shù)，緩存技術(shù)，但并未很好地解決上述矛盾，直至引入脫機(jī)I/O技術(shù)

2.脫機(jī)I/O方式

優(yōu)點(diǎn)：

減少CPU的空閑時(shí)間——數(shù)據(jù)是在外圍機(jī)控制下輸入到高速磁帶當(dāng)中，脫機(jī)控制，并不占用主機(jī)時(shí)間

提高了I/O速度——當(dāng)CPU需要數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)直接從高速磁帶輸入內(nèi)存，極大提高了I/O速度，進(jìn)一步減少了CPU空閑時(shí)間

為解決CPU與I/O設(shè)備之間速度不匹配的問題

由于程序和數(shù)據(jù)的輸入和輸出都是在外圍機(jī)的控制下完成的，或者說，他們都是在脫離主機(jī)的情況下進(jìn)行的，故稱其為脫機(jī)控制方式

（將要輸入的的用戶程序和數(shù)據(jù)通過外圍機(jī)輸入到磁帶當(dāng)中保存，當(dāng)CPU需要這些程序和數(shù)據(jù)時(shí)再通過磁帶調(diào)入內(nèi)存；當(dāng)需要輸出時(shí)，CPU將數(shù)據(jù)從內(nèi)存高速地送到磁帶上，然后在另一臺(tái)外圍機(jī)的控制下將數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的輸出設(shè)備輸出）

單道批處理系統(tǒng)

特性與研發(fā)目的

自動(dòng)性：作業(yè)挨個(gè)處理，無人工干預(yù)

單道性：內(nèi)存中僅有一道程序，順序性（先進(jìn)先出）

單道批處理系統(tǒng)研發(fā)目的：為了能充分提高計(jì)算機(jī)的利用率，應(yīng)盡量保持系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，即使其在處理完一個(gè)作業(yè)后，緊接著處理下一個(gè)作業(yè)，減少系統(tǒng)空閑時(shí)間

單道批處理系統(tǒng)的處理過程

作業(yè)以脫機(jī)方式輸入到磁帶上，并在系統(tǒng)中配上監(jiān)督程序。在監(jiān)督程序的控制下，這批作業(yè)能一個(gè)接一個(gè)地被連續(xù)處理；

處理過程：監(jiān)督程序?qū)⒋艓系牡谝粋€(gè)作業(yè)裝入內(nèi)存，并把運(yùn)行控制權(quán)交給該作業(yè)；當(dāng)作業(yè)處理完成時(shí)，又把運(yùn)行控制權(quán)交還給監(jiān)督程序，直到這批作業(yè)處理完畢；

單通道批處理系統(tǒng)的流程圖

?單道批處理系統(tǒng)的缺點(diǎn)

系統(tǒng)中的資源得不到充分利用——內(nèi)存中僅有一道程序，每逢該程序在運(yùn)行中發(fā)出I/O請(qǐng)求后，CPU便會(huì)處于等待狀態(tài)，并且必須在該程序I/O完成后才能繼續(xù)運(yùn)行

計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源被浪費(fèi)，多種I/O設(shè)備也未被很好利用

多道批處理系統(tǒng)

多道程序設(shè)計(jì)的基本概念

多道——宏觀并行，微觀串行，內(nèi)存同時(shí)駐留多道程序容許并發(fā)執(zhí)行

無序性——受資源影響，進(jìn)出順序不一致

成批處理

設(shè)計(jì)目的：為進(jìn)一步提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量

執(zhí)行流程：用戶所提交作業(yè)放于外存，并形成一個(gè)“后備隊(duì)列”

? ? ? ? ? ? ? ? ? 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，使他們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源；

由于內(nèi)存中裝有若干道程序，在運(yùn)行程序A時(shí)，利用因其I/O操作而暫停執(zhí)行時(shí)的CPU空擋時(shí)間，再調(diào)度另一道程序B執(zhí)行

多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

資源利用率高

系統(tǒng)吞吐量大

平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)

無交互能力

多道批處理系統(tǒng)需解決的問題

爭(zhēng)用處理機(jī)問題

內(nèi)存分配與保護(hù)問題

I/O設(shè)備分配問題

文件的組織與管理問題

作業(yè)管理問題

用戶與系統(tǒng)的接口問題

OS是一組能有效地組織和管理計(jì)算機(jī)軟硬件資源，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集合

分時(shí)系統(tǒng)

分時(shí)系統(tǒng)的引入

為滿足人機(jī)交互的需求

特點(diǎn)：人機(jī)交互，共享主機(jī)

分時(shí)系統(tǒng)：在一臺(tái)主機(jī)上連接多個(gè)配有顯示器和鍵盤的終端所形成的系統(tǒng)

分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程的關(guān)鍵

及時(shí)接收——多路卡，實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用；配置緩沖區(qū)

及時(shí)處理——作業(yè)直接進(jìn)入內(nèi)存，只進(jìn)行一次調(diào)度，作業(yè)直給CPU；引入時(shí)間片，輪轉(zhuǎn)運(yùn)行方式（2s響應(yīng) 2ms處理）

分時(shí)系統(tǒng)的特征

多路性，多終端同連一臺(tái)主機(jī)，按分時(shí)原則為每個(gè)用戶服務(wù)

獨(dú)立性，feeling 一人獨(dú)占主機(jī)

及時(shí)性，用戶的請(qǐng)求能在很短的時(shí)間內(nèi)得到相應(yīng)(通常為1-3s)

交互性，用戶通過終端與系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的人機(jī)對(duì)話

實(shí)時(shí)系統(tǒng)

實(shí)時(shí)系統(tǒng)——系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在規(guī)定事件內(nèi)完成對(duì)該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行

實(shí)時(shí)系統(tǒng)的類型

工業(yè)控制系統(tǒng)

信息查詢系統(tǒng)

多媒體系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)

實(shí)時(shí)性任務(wù)的類型

周期性實(shí)時(shí)任務(wù)和非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)

硬實(shí)時(shí)任務(wù)和軟實(shí)時(shí)任務(wù)（對(duì)截至?xí)r間的要求）

實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)特征的比較

實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)——周期性對(duì)多路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行信息采集，并對(duì)多個(gè)對(duì)象或多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制

多路性——裝置與設(shè)備，對(duì)多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制

獨(dú)立性——獨(dú)立控制某一裝置，設(shè)備

及時(shí)性——畫面流暢，聲音連貫

交互性

可靠性

微機(jī)操作系統(tǒng)

單用戶單任務(wù)OS（早期的8，16位OS，用戶上機(jī)，僅用于單個(gè)任務(wù)）

單用戶多任務(wù)OS

多用戶多任務(wù)OS

?提高算力的兩種方式：量大，性能高

嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)——專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

嵌入式OS——基于嵌入式系統(tǒng)的OS

嵌入式OS的特點(diǎn)

系統(tǒng)內(nèi)核小——一般用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，因此其內(nèi)核較傳統(tǒng)OS要小的多

系統(tǒng)精簡(jiǎn)——既可以控制系統(tǒng)成本也有利于系統(tǒng)安全

實(shí)時(shí)性高——嵌入式系統(tǒng)的基本要求

具有可配置性

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

什么是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行管理和控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信及對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的共享，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)資源接口的一組軟件和規(guī)程的集合。

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)建立在網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)各自不同的單處理OS上，為用戶提供使用網(wǎng)絡(luò)資源的橋梁

常見的局域網(wǎng)上的OS有UNIX，linux等

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的特征

硬件獨(dú)立性，接口一致性，資源透明性，系統(tǒng)可靠性，執(zhí)行并行性

網(wǎng)絡(luò)OS的功能

網(wǎng)絡(luò)OS涵蓋了單處理機(jī)OS的全部功能，還具有支持?jǐn)?shù)據(jù)通信，應(yīng)用互操作，網(wǎng)絡(luò)管理等功能

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)具有如下基本功能:
①連接的建立與拆除；

②報(bào)文的分解與組裝；

③傳輸控制；

④流量控制；

⑤差錯(cuò)的檢測(cè)與糾正；

分布式操作系統(tǒng)

分布式系統(tǒng)

分布式系統(tǒng)（distributed system），基于軟件實(shí)現(xiàn)的多處理機(jī)系統(tǒng)，是多個(gè)處理機(jī)通過通信線路互聯(lián)而構(gòu)成的松散耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)的處理和控制功能分散在各個(gè)處理機(jī)上；

分布式操作系統(tǒng)是利用軟件系統(tǒng)方式構(gòu)建在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的一種多處理機(jī)系統(tǒng)；

分布式OS的特點(diǎn)

分布性?

透明性

同一性

全局性

分布式OS的功能

涵蓋單機(jī)處理機(jī)OS的主要功能

通信管理功能

資源管理功能

進(jìn)程管理功能

操作系統(tǒng)的基本特性

并發(fā)與并行

系統(tǒng)中的程序可以并發(fā)執(zhí)行，從而有效提高了系統(tǒng)的資源利用率，提高了系統(tǒng)的吞吐量

并行：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生

并發(fā)：兩個(gè)或多個(gè)事物在同一間隔時(shí)間內(nèi)發(fā)生

缺點(diǎn):使系統(tǒng)復(fù)雜化，共享CPU，內(nèi)存，I/O設(shè)備，發(fā)生資源爭(zhēng)奪

共享

互斥共享，在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問，如打印機(jī)，磁帶機(jī)，棧，變量，表格等；協(xié)調(diào)不好可能會(huì)產(chǎn)生死鎖；在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問的資源稱為臨界資源（或獨(dú)占資源）

同時(shí)共享

在一段時(shí)間內(nèi)，允許多個(gè)進(jìn)程對(duì)其進(jìn)行訪問（宏觀同時(shí)，微觀交替進(jìn)行）如，磁盤設(shè)備（不會(huì)導(dǎo)致死鎖），可重入代碼編寫的文檔

虛擬

時(shí)分復(fù)用技術(shù)

在為某一用戶服務(wù)的空閑時(shí)間，轉(zhuǎn)而去為另一用戶服務(wù)

虛擬機(jī)處理機(jī)技術(shù)，利用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，為每道程序建立至少一個(gè)進(jìn)程，使多道程序并發(fā)執(zhí)行；我們把用戶所感受到的處理機(jī)稱為虛擬處理機(jī)

虛擬設(shè)備技術(shù)，將物理上的I/O設(shè)備，虛擬為多臺(tái)邏輯上的I/O設(shè)備，并允許每個(gè)用戶占一臺(tái)邏輯上的I/O設(shè)備

空分復(fù)用技術(shù)

利用存儲(chǔ)器的空閑時(shí)間（如某道程序阻塞時(shí)被換出到外存而空出來的內(nèi)存空間）來存放其他程序以提高內(nèi)存的利用率

虛擬存儲(chǔ)技術(shù)

本質(zhì)：實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的分時(shí)復(fù)用（一次只抽取程序的部分在內(nèi)存當(dāng)中運(yùn)行），邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存含量

磁盤：磁道與扇區(qū)；引導(dǎo)程序存放在0磁—0扇區(qū)，引導(dǎo)程序定位到OS內(nèi)核（精簡(jiǎn)版的OS），并將其加載到內(nèi)存中

異步

由于資源等因素的限制，進(jìn)程通常不是一下執(zhí)行完畢（一氣呵成），而是以走走停停的方式；

操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境

硬件支持

操作系統(tǒng)內(nèi)核

常駐內(nèi)存，與硬件緊密相關(guān)

ctrl C 操作員控制中斷

內(nèi)核功能：
1.支撐功能

? ? ? ? ①中斷處理?

? ? ? ? ②時(shí)鐘管理

? ? ? ? ③原語(yǔ)操作，原語(yǔ)，由若干條指令組成的，用于完成一定功能的過程；與一般過程的區(qū)別在于，他是原子操作，操作過程中的動(dòng)作一次性完成，不可分割，即原子性

2.資源管理功能

? ? ? ? ①進(jìn)程管理

? ? ? ? ②存儲(chǔ)器管理

? ? ? ? ③設(shè)備管理

處理機(jī)的雙重工作模式

雙重模式提供了保護(hù)手段，以防止OS和用戶程序受到錯(cuò)誤用戶程序的影響，如，將可能引起損害的機(jī)器指令當(dāng)成特權(quán)指令，硬件只有在內(nèi)核狀態(tài)下才允許執(zhí)行特權(quán)指令；其他指令為非特權(quán)指令

處理機(jī)的雙重工作模式視圖

?內(nèi)核態(tài)（0）也稱系統(tǒng)態(tài)，管態(tài)

?用戶態(tài)（1）也稱目態(tài)

特權(quán)指令

在內(nèi)核態(tài)下運(yùn)行的指令，它對(duì)內(nèi)存空間的訪問范圍基本不受限制。可訪問用戶空間，系統(tǒng)空間，（切換到用戶態(tài)的指令也是特權(quán)操作）

非特權(quán)指令

在用戶態(tài)下運(yùn)行的命令，應(yīng)用程序完成的指令，只能完成一般的操作和任務(wù)，不能對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行直接的訪問，對(duì)內(nèi)存的訪問局限于用戶空間，可防止應(yīng)用程序的運(yùn)行異常對(duì)系統(tǒng)造成破壞

中斷與異常

現(xiàn)代操作系統(tǒng)是中斷驅(qū)動(dòng)的，中斷是硬件通過系統(tǒng)總線發(fā)送信號(hào)到CPU來觸發(fā)的

指令：CPU執(zhí)行

執(zhí)行程序：位于內(nèi)存

引導(dǎo)程序：位于固件，定位OS內(nèi)核并將其加載到內(nèi)存中

事件：硬件中斷或軟件中斷

程序：位于外存

總結(jié)

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