操作系統原理教材《操作系統原理》孟慶昌等編著機械工業出版社2010.7參考書目《計算機操作系統(第3版)》湯小丹、梁紅兵、哲鳳屏、湯子瀛編著西安電子科技大學出版社2007.8參考書目現代操作系統(原書第3版)(荷蘭)塔嫩鮑姆(Tanenbaum.A.S)譯者：陳向群馬洪兵機械工業出版社2009.7參考書目操作系統設計與實現(第3版)塔嫩鮑姆等譯者：陳渝諶衛軍電子工業出版社2007.3第1章操作系統概述1.1操作系統的概念計算機系統是由_____和_____組成的

硬件是軟件建立與活動的基礎

軟件是對硬件進行管理和功能擴充

計算機硬件結構由五大功能部件組成，即：它們經由__________連接在一起，實現彼此通信。硬件軟件運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。系統總線1.1操作系統的概念計算機系統是由_____和_____組成的

硬件是軟件建立與活動的基礎

軟件是對硬件進行管理和功能擴充

計算機硬件結構由五大功能部件組成，即：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。它們經由系統總線連接在一起，實現彼此通信。硬件軟件1.1.1計算機硬件結構1.現代計算機體系結構

現代計算機硬件結構基本沿用___________體系結構，采用______________工作原理馮·諾依曼存儲程序現代計算機硬件結構(P2圖1-1)

存儲程序2.特權指令和CPU工作模式指令指令集（指令系統）特權指令與非特權指令運行模式：內核態（核心態、系統態、管態）用戶態（目標態、目態）1.1.2系統初啟一般過程1.硬件檢測計算機加電啟動，CPU進入實模式ROM-BIOS起始位置代碼加電自檢程序（POST）按CMOS中設置的啟動順序，讀入系統引導區程序并將系統控制權交給引導裝入程序2.加載引導程序引導扇區，主引導記錄塊MBR找到活動分區將引導程序讀入內存運行系統引導程序加載操作系統內核Setup設置系統參數（內存、磁盤等）、檢測和設置顯示器等進入保護模式，轉到操作系統內核開頭，執行內核初始化3.初始化內核初始化CPU本身（內核頁表、啟動頁面映射）初始化基礎設施（內存邊界、內存頁面等）初始化操作系統上層部分（外設、驅動等）系統運行的設置（默認執行級別、激活交換分區、建立用戶工作環境、顯示界面）4.實現用戶登錄賬號和密碼驗證1.1.3什么是操作系統1.操作系統作為擴展機器抽象虛擬機重疊2.操作系統作為資源管理器監視各種資源，記錄它們的狀態實施某種策略以決定誰獲得資源，何時獲得，獲得多少分配資源回收資源此觀點占主導地位3.用戶觀點和系統觀點用戶觀點：接口和各種資源管理服務

使用方便、功能強、效率高、安全可靠、易于安裝和維護、便宜系統觀點：管理計算機各種硬件、軟件資源的分配使得資源的利用率高效且公平4.操作系統定義及其理解操作系統是控制和管理計算機系統內各種硬件和軟件資源，有效地組織多道程序運行的系統軟件（或程序集合），是用戶與計算機之間的接口。操作系統是系統軟件基本職能是控制和管理系統內各種資源提供眾多服務，方便用戶使用，擴充硬件功能1.1.4操作系統的目標和地位1.操作系統的目標高效性方便性安全性魯棒性（強健性）移植性2.操作系統的地位軟件分類：系統軟件、應用軟件、支撐軟件1.1.5操作系統的特征和服務1.操作系統的特征并發性并發和并行宏觀和微觀1.操作系統的特征共享性互斥共享和同時共享宏觀和微觀1.操作系統的特征異步性（不確定性）走走停停宏觀和微觀1.操作系統的特征抽象性（虛擬性）復雜到簡單2.操作系統提供的服務和方式服務項目程序執行I/O操作文件系統管理出錯檢測通信資源分配統計保護2.操作系統提供的服務和方式服務方式系統調用進程控制、文件管理、設備管理、信息維護、通信系統程序（系統實用程序或應用程序）文件管理、狀態信息、文件修改、程序設計語言的支持、程序裝入和執行、通信命令解釋程序shell（內置或外置）1.2操作系統的主要功能1.存儲管理內存分配地址映射內存保護內存擴充（虛擬內存技術）2.進程和處理機管理作業和進程調度進程控制進程通信3.文件管理文件存儲空間的管理文件操作的一般管理目錄管理文件的讀寫管理和存取控制4.設備管理緩沖區管理設備分配設備驅動設備無關性5.用戶接口程序接口命令行接口圖形用戶接口GUI1.3操作系統的形成和基本類型1.3.1操作系統的形成和發展從無到有硬件和軟件相互促進從簡單到復雜從低級到高級1.手工操作階段1946-20世紀50年代末第一代計算機，無操作系統人工干預：程序紙帶（卡片）->輸入機->計算機（控制臺開關啟動、監視、控制）->取走結果->缷下紙帶（卡片）手工操作慢而CPU處理速度快嚴重缺點：資源浪費、使用不便2.早期批處理階段人工操作->自動轉換（監督程序，OS的雛形）（1）早期聯機批處理單道批處理作業輸入、調入內存、結果輸出都在CPU控制下（2）早期脫機批處理衛星機負責I/O、CPU負責快速計算，可并行解決人機矛盾、CPU與I/O設備速率不匹配矛盾促進軟件發展，出現監督程序、匯編程序、編譯程序和裝配程序等3.多道批處理20世紀60年代內存中同時存放多道程序，在管理程序的控制下交替執行，共享CPU和其他資源優點：CPU、內存、設備等系統資源利用率提高了系統吞吐量（單位時間內，計算機完成的總工作量）增加了從0到1、從1到2是質變，從2到>=3是量變缺點：系統變復雜了，要解決很多問題內存分配和保護CPU的調試和作業的合理搭配I/O設備的共享和方便使用文件的存放和讀寫操作及安全性問題等3.多道批處理OS的發展分時系統實時系統個人OS網絡OS多CPUOS嵌入式OS分布式OS1.3.2OS的基本類型根據各操作系統具備的功能、特征、規模和提供的應用環境等方面的差別，可以劃分為最基本的類型多道批處理系統、分時系統和實時系統。1.多道批處理系統20世紀60-70年代作業，是用戶定義的、由計算機完成的工作單位。它通常包括一組計算機程序、文件和對操作系統的控制語句。利用作業控制語言（JCL）書寫的作業控制語句標識一個作業的存在，描述它對操作系統的需求。作業控制語句可由作業控制卡輸入到計算機中，控制計算機系統執行相應的動作，如調用編譯程序對源程序進行編譯，調用裝配程序對目標代碼進行連接裝入，運行可執行代碼，對可能的錯誤按指定方式進行處理等。邏輯上，一個作業可由若干有序的步驟組成。由作業控制語句明確標識的計算機程序的執行過程稱為作業步。一個作業可以指定若干要執行的作業步。如上面的編譯作業步、裝配作業步、運行作業步、出錯處理作業步等。兩個特點：一是“多道”，二是“成批”1.多道批處理系統主要優點是：①系統資源利用率高；②系統吞吐量大。缺點：①用戶作業的等待時間長，往往要經過幾十分鐘、幾小時，甚至幾天；②沒有交互能力，用戶無法干預自己作業的運行，使用起來不方便。1.多道批處理系統2.分時系統20世紀60-70年代CTSS（CompatibleTime-SharingSystem，兼容分時系統）MULTICS（MULTiplexedInformationandComputingSystem，多道信息和計算系統）UNIX分時，就是對時間的共享。在分時系統中，分時主要是指若干并發程序對CPU時間的共享。它是通過系統軟件實現的。分享的時間單位稱為時間片，它往往是很短的，如幾十毫秒。這種分時的實現，需要有中斷機構和時鐘系統的支持。利用時鐘系統把CPU時間分成一個一個的時間片，操作系統輪流地把每個時間片分給各個并發程序，每道程序一次只可運行一個時間片。當時間片計數到時后，產生一個時鐘中斷，控制轉向操作系統；操作系統選擇另一道程序并分給它時間片，讓其投入運行；到達給定時間，再發中斷，重新選程序（或作業）運行，如此反復。由于相對人們的感覺來說，這個時間片很短，往往在幾秒鐘內即可對用戶的命令做出響應，使系統上的各個用戶都認為整個系統只為他自己服務，并未感覺到還有別的用戶也在上機。2.分時系統2.分時系統分時系統的基本特征①同時性。若干用戶可以同時上機使用計算機系統。②交互性。用戶能夠方便地與系統進行人-機對話。③獨立性。系統中各用戶可以彼此獨立地操作，互不干擾或破壞。④及時性。用戶能在很短時間內得到系統的響應。2.分時系統分時系統所具有的優點①為用戶提供友好的接口，即用戶能在較短時間內得到響應，能以對話方式完成對程序的編寫、調試、修改、運行和得到運算結果。②促進了計算機的普及應用，一個分時系統可帶多臺終端，同時為多個遠近用戶使用，這給教學和辦公自動化提供了很大方便。③便于資源共享和交換信息，為軟件開發和工程設計提供良好的環境。2.分時系統3.實時系統QNX、VxWorks、RTLinux等在計算機的某些應用領域內，要求對實時采樣數據進行及時（立即）處理，做出相應的反映，如果超出限定的時間就可能丟失信息或影響到下一批信息的處理。例如衛星發射過程中，必須對出現的各種情況立即進行分析、處理。這種系統是專用的，它對實時響應的要求是批處理系統和分時系統無法滿足的。于是，人們引入了實時操作系統，簡稱實時系統。實時系統是指具有實時特性，能夠支持實時控制系統工作的操作系統。實時系統現在有三種典型應用形式：（1）過程控制系統（硬實時）計算機用于工業生產的自動控制，它從被控過程中按時獲得輸入，例如，化學反應過程中的溫度、壓力、流量等數據，然后算出能夠保持該過程正常進行的響應，并控制相應的執行機構去實施這種響應。比如測得溫度高于正常值，可降低供熱用的電壓，使溫度下降。這種操作不斷循環反復，使被控過程始終按預期要求工作。在飛機飛行、導彈發射過程中的自動控制也是如此。3.實時系統（2）信息查詢系統（軟實時）該系統的主要特點是配有大型文件系統或數據庫，并具有向用戶提供簡單、方便、快速查詢的能力，例如倉庫管理系統和醫護信息系統。當用戶提出某種信息要求后，系統通過查找數據庫獲得有關信息，并立即回送給用戶。整個響應過程應在相當短的時間內完成（比如不超過一分鐘）。3.實時系統（3）事務處理系統（軟實時）該系統的特點是數據庫中的數據隨時都可能更新，用戶和系統之間頻繁地進行交互作用。典型應用例子是飛機票預訂和銀行財務往來。事務處理系統不僅應有實時性，且當多個用戶同時使用該系統時，應能避免用戶相互沖突，使各個用戶感覺是單獨使用該系統。3.實時系統實時系統有時也涉及若干同時性用戶，但它與分時系統是有區別的：（1）交互性（2）實時性（3）可靠性3.實時系統1.4OS的主要結構操作系統內部是怎么構造的？或者說，操作系統作為一個大程序，由眾多程序模塊組成，它們按什么方式集合在一起？1.單體結構任意調用，耦合緊密，實現的效率高結構關系不清晰，系統的可靠性降低，甚至出現循環調用模塊調用示意圖2.層次結構按照功能和相互依存關系，把系統中的模塊分為若干層，其中任一層模塊（除底層外）都建立在它下面一層的基礎上，因而，任一層模塊只能調用比它低的層來得到服務，不能調用比它高的層。第一個按這種方式構造的操作系統是THE系統，它是1968年由E.W.Dijkstra和他的學生們建造的。具有整體系統的長處；結構關系清晰，提高系統的可靠性、可移植性和可維護性。但設計困難。THE操作系統的層次結構一般原則是：接近用戶應用的模塊在上層，貼近硬件的驅動程序模塊在下層。處于下層的這些程序模塊，也稱做操作系統的內核。這一部分模塊包括中斷處理程序，各種常用設備的驅動程序，以及運行頻率較高的模塊（如時鐘管理程序、進程調度和低級通信模塊以及被許多模塊公用的