1、吴桂军参考书目:汤子瀛等著.计算机操作系统 西安电子科技大学出版社用户1Word用户2Photoshop用户3IE用户nDelphi应用软件与部分系统软件操作系统(Operating System)硬件(物理设备)计算机系统的组成引入操作系统主要可完成以下两个方面的工作： (1) 方便用户使用。 操作系统应该提供给用户一个良好的界面，用户不必了解硬件和其它软件的细节，就可以方便地使用计算机。 (2) 充分利用资源。 操作系统应该最大限度地发挥计算机系统资源的使用效率，合理地组织工作流程，使得计算机资源能为多用户共享。定义：操作系统是为了方便用户和提高计算机定义：操作系统是为了方便用户和提高计算
2、机的利用率，对计算机资源进行组织和管理的的利用率，对计算机资源进行组织和管理的程序集合。程序集合。 用户用户 广义的概念，包括一般用户和软件开发人广义的概念，包括一般用户和软件开发人员等；员等； 资源资源包括处理器、存储器、输入包括处理器、存储器、输入/输出设备等硬输出设备等硬件资源和程序与数据等软件资源。件资源和程序与数据等软件资源。对外职能对外职能用户与计算机之间的接口用户与计算机之间的接口 必须为用户提供良好的界面，使用户能够感觉计算机是可用而且易用的。2.对内职能对内职能组织和管理计算机资源，充分组织和管理计算机资源，充分发挥资源的效能，提高利用率发挥资源的效能，提高利用率对于操作系统
3、来说，资源管理要做如下工作：对于操作系统来说，资源管理要做如下工作：(1) 对资源使用情况进行登记，这是资源管理的依据。对资源使用情况进行登记，这是资源管理的依据。(2) 决定分配策略。决定分配策略。(3) 提供分配与回收算法。提供分配与回收算法。3.进程观点进程分析计算机操作系统在处理过程中的基本对象，是系统中的活动实体。请求分配?该资源可用?释放?资源够用?插队NYYN分配Y回收修改资源分配状态表请求分配资源队列按原则进入请求释放资源队列NYN出错处理图1-2 资源分配与释放过程年代年代第一代第一代1946-1957第二代第二代1958-1964第三代第三代1965-1970第四代第四代1
4、971-现在现在电子电子器件器件电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路大规模集成大规模集成电路电路存储存储器器延迟线、延迟线、磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁带、纸带磁带、纸带磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁带、磁盘磁带、磁盘半导体存储半导体存储器器磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁带、磁盘磁带、磁盘半导体存储半导体存储器器磁带、磁盘磁带、磁盘光盘光盘处理处理方式方式机器语言机器语言汇编语言汇编语言监控程序监控程序高级语言高级语言实时处理实时处理操作系统操作系统实时实时/分时分时处理网络操处理网络操作系统作系统应用应用领域领域科学计算科学计算科学计算科学计算数据处理数据处理过程控制过程控制科学计算科学计算系统设计等系统设计
5、等科技工程领科技工程领域域各行各业各行各业运算运算速度速度5000至至3万次万次/秒秒几十万至几十万至百万次百万次/秒秒百万至百万至几百万次几百万次/秒秒几百万至几百万至千亿次千亿次/秒秒典型典型机种机种ENIACEDVACIBM705UNIVACIBM7094CDC6600IBM360PDP 11NOVA1200ILLIAC-VAX 11IBM PC计算机卡片机卡片机接口计算机卫星机输入/出设备计算机卡片机卡片机接口多道程序系统多道程序系统是指允许多个相互独立的程序同时存在于内存中，而且处于同时运行的过程中。各道程序轮流占用CPU，交替执行。问题：如何共享资源、如何互斥和同步、如何提 高内存
6、使用率、如何证程序安全程序A程序B程序C调度程序I/O请求I/O请求I/O请求I/O结束A再调度I/O结束B再调度A完成B完成CPU执行:I/O操作:T图1-3 CPU与I/O并行图用户不能直接干预作业的运行过程用户不能直接干预作业的运行过程作业提交之前用作业控制语言编制成作业说明书或作作业提交之前用作业控制语言编制成作业说明书或作业控制卡业控制卡,与程序和数据一起提交给系统与程序和数据一起提交给系统引入多道程序后,批处理系统有以下特征:(1) 多道性(2) 无序性(3) 调度性：作业从提交到运行完成需要经过两次调度，即作业从提交到运行完成需要经过两次调度，即作业调度和进程调度。作业调度和进程
7、调度。作业调度作业调度是指按照一定作业调度算法，是指按照一定作业调度算法，从后备作业队列中选择一个或几个作业调入内存。从后备作业队列中选择一个或几个作业调入内存。进程调度进程调度是指按照一定进程调度算法，从在内存的进程中选择一个进是指按照一定进程调度算法，从在内存的进程中选择一个进程，将处理机分配给它，使之执行。程，将处理机分配给它，使之执行。批处理系统，特别是多道批处理系统的主要优点是资源利用率高和系统吞吐量大。批处理系统的缺点主要体现在以下两个方面： (1) 平均周转时间长。作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直到作业完成并退出系统为止所经历的时间。在批处理系统中，由于作业需要排队来依次
8、进行处理，因而作业的周转时间较长。(2) 无交互能力。在作业提交后，用户不能与自己的作业进行交互，不便于对作业的控制。2分时系统 分时就是多个用户对系统资源进行时间上的分享。计算机接口终端终端终端终端终端终端分时系统示意图微观上，每个用户作业轮流运行一个时间片；宏观上，多个用户同时工作，共享系统资源。分时系统作为多道程序系统的一个典型代表，集中体现了多道程序系统的一些技术特征，成为当今的计算机操作系统主流3实时系统“实时”是指系统能够及时响应发生的外部事件(一般为一些随机事件)，并以足够快的速度完成对事件的处理。为了保证程序可靠运行，系统应提供安全措施，比如多级容错、硬件冗余等，避免因发生错误
9、或丢失信息而造成重大经济损失甚至导致灾难性的后果。实时系统相对于其它操作系统来说，其优点是系统的及时响应以及系统的可靠性。两种类型：硬实时系统，软实时系统。1微机操作系统MS-DOS、Windows、OS/2、UNIX、Linux单用户单任务、单用户多任务、多用户多任务2多处理机操作系统从硬件结构上分：紧密耦合型和松散耦合型多处理机系统所配置的操作系统分：对称式和非对称式（又称为主从式）的3网络操作系统 如同在单机上安装操作系统可以方便用户合理组织与管理计算机资源一样，在网络系统之上覆盖一层网络操作系统之后，用户可以方便地使用网络，实现用户通信和资源共享，提高网络资源的利用率和网络吞吐量。 从
10、功能功能上讲，网络操作系统是包括网络管理网络管理、通信通信、资源共享资源共享、系统安全系统安全和多种网络应用服务多种网络应用服务在内的诸方面功能的一个系统软件。4分布式操作系统分布式处理系统分布式处理系统是指由多个分散的处理单元经互连网络的连接而形成的，且可以实现分布处理的系统。 处理单元 自治性 协调 实现资源管理 动态地分配任务 能并行地运行分布式程序。操作系统操作系统分布性分布性并行性并行性透明性透明性共享性共享性健壮性健壮性网络操作网络操作系统系统分布处理，分布处理，集中控制集中控制任务在本地任务在本地计算机上运计算机上运行行操作透明，操作透明，但需指明物但需指明物理位置理位置一般只能
11、一般只能共享服务共享服务器上的资器上的资源源控制集中于控制集中于服务器，可服务器，可靠性弱靠性弱分布式操分布式操作系统作系统分布处理，分布处理，分布控制分布控制多任务在多多任务在多处理单元中处理单元中并行执行并行执行操作透明，操作透明，而且物理位而且物理位置透明置透明各站点资各站点资源可供全源可供全系统共享系统共享容错能力强，容错能力强，可靠性高可靠性高1并发（并发（Concurrence） 并发与并行的区别并发与并行的区别 程序与进程程序与进程2共享（共享（Sharing） 是指内存中多个并发执行的进程共同使用系统中的资源。 资源共享的两种方式 并发与共享的关系3虚拟（虚拟（Virtual）
12、4异步性（异步性（Asynchronism） 计算机四大类资源计算机四大类资源C P U 内内 存存 外外 设设 信息文件信息文件 处理机管处理机管理理存储器管理存储器管理设备管理设备管理文件管理文件管理用户接口用户接口1处理机管理的功能处理机管理的功能 进程管理和作业管理进程管理和作业管理 1) 进程控制 2) 进程同步 3) 进程通信 4) 调度 作业调度作业具有使用CPU的权力 进程调度真正获得CPU最重要内容！最重要内容！第第2章章2存储器管理的功能存储器管理的功能1) 内存分配内存分配 内存分配的内存分配的主要任务主要任务是为每道程序分配足够完整运行是为每道程序分配足够完整运行的内存
13、空间，而且要提高存储器的利用率。的内存空间，而且要提高存储器的利用率。内存分配的机制中应具有以下内存分配的机制中应具有以下结构和功能结构和功能： 内存分配数据结构：该结构用于记录内存空内存分配数据结构：该结构用于记录内存空间的使用情况，作为内存分配的依据。间的使用情况，作为内存分配的依据。 内存分配功能：系统按照一定的内存分配算内存分配功能：系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存空间。法为用户程序分配内存空间。 内存回收功能：系统对用户不再需要的内存内存回收功能：系统对用户不再需要的内存根据释放请求进行回收。根据释放请求进行回收。2) 内存保护内存保护 内存保护内存保护是指通过设置内存保
14、护机制来确保是指通过设置内存保护机制来确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，不能每道用户程序都在自己的内存空间中运行，不能访问操作系统存放在系统区中的程序和数据，也访问操作系统存放在系统区中的程序和数据，也不允许访问非共享的其它用户程序内存区。不允许访问非共享的其它用户程序内存区。3) 地址变换地址变换 用户应用程序（源程序）经编译、链接而形用户应用程序（源程序）经编译、链接而形成的可装入程序，它所形成的逻辑单元编号（即成的可装入程序，它所形成的逻辑单元编号（即逻辑地址逻辑地址）与装入内存后具体的内存存储单元编）与装入内存后具体的内存存储单元编号（即号（即物理地址物理地址）之间的对应变换，
15、需借助于相）之间的对应变换，需借助于相应的地址变换硬件机构实现，以保证程序在执行应的地址变换硬件机构实现，以保证程序在执行过程中可以在正确的内存单元访问所需的指令或过程中可以在正确的内存单元访问所需的指令或数据。数据。4) 内存扩充内存扩充大型文件系统大型文件系统 虚拟存储技术虚拟存储技术 逻辑扩充逻辑扩充 请求调入请求调入功能。允许在仅装入一部分用户程序和数功能。允许在仅装入一部分用户程序和数据的情况下，启动该进程运行。在运行过程中，当据的情况下，启动该进程运行。在运行过程中，当发现继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存时，发现继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存时，可向可向OS发出请求，
16、由发出请求，由OS将所需部分调入内存，以便将所需部分调入内存，以便继续运行。继续运行。 对换对换功能。若内存中已无足够的空间来装入需要调功能。若内存中已无足够的空间来装入需要调入的部分时，系统应将内存中的一部分暂时不用的入的部分时，系统应将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调至磁盘上，以便腾出内存空间，然后程序和数据调至磁盘上，以便腾出内存空间，然后再将所需部分调入内存。再将所需部分调入内存。以上是第以上是第3章将要讲述内容。章将要讲述内容。3设备管理的功能设备管理的功能 设备管理设备管理是指根据用户的是指根据用户的I/O请求分配相应的请求分配相应的I/O设备，控制设备，控制I/O操作过程，达
17、到提高操作过程，达到提高I/O速度和设备利速度和设备利用率的目的。设备管理具体包括以下内容。用率的目的。设备管理具体包括以下内容。 1) 缓冲管理缓冲管理 缓冲管理的缓冲管理的基本任务基本任务是管理好各种类型的缓冲区，是管理好各种类型的缓冲区，以缓和以缓和CPU和和I/O速度不匹配的矛盾，最终达到提高速度不匹配的矛盾，最终达到提高CPU和和I/O设备利用率，进而提高系统吞吐量的目的。设备利用率，进而提高系统吞吐量的目的。最常见的缓冲区机制有最常见的缓冲区机制有单缓冲机制单缓冲机制，可实现双向同，可实现双向同时传送数据的时传送数据的双缓冲机制双缓冲机制，以及可供多个设备同时，以及可供多个设备同时
18、使用的使用的公用缓冲池机制公用缓冲池机制。2) 设备分配设备分配 设备分配的设备分配的基本任务基本任务是根据用户的是根据用户的I/O请求，为其请求，为其分配所需的设备，其中包括可能需要的相应的控制分配所需的设备，其中包括可能需要的相应的控制器和通道。器和通道。需数据结构：系统设备表、需数据结构：系统设备表、设备设备控制表、控制表、控制器控制器控制控制表、表、通道通道控制表等控制表等3) 设备处理设备处理 设备处理程序设备处理程序又称为又称为设备驱动程序设备驱动程序。其基本任务。其基本任务通常是实现通常是实现CPU和设备控制器之间的通信，由和设备控制器之间的通信，由CPU向设备控制器发出向设备控
19、制器发出I/O指令，要求它完成指定的指令，要求它完成指定的I/O操操作，并能接收由设备控制器发来的中断请求，给予作，并能接收由设备控制器发来的中断请求，给予及时的响应和相应的处理。及时的响应和相应的处理。4) 设备独立性和虚拟设备设备独立性和虚拟设备 设备独立性设备独立性是指应用程序使用的逻辑设是指应用程序使用的逻辑设备名独立于具体的物理设备，以使用户编备名独立于具体的物理设备，以使用户编制的程序与实际使用的物理设备无关。制的程序与实际使用的物理设备无关。 虚拟设备虚拟设备就是虚拟技术在设备管理中就是虚拟技术在设备管理中的一种具体应用。的一种具体应用。以上是第以上是第4章将要讲述内容。章将要讲
20、述内容。4文件管理的功能文件管理的功能 文件管理文件管理是指对存储在磁盘或磁带上是指对存储在磁盘或磁带上的文件进行管理，以方便用户使用，并保的文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。证文件的安全性。 文件管理文件管理具体包括：具体包括：对文件存储空间对文件存储空间的管理，目录管理，文件的读、写管理以的管理，目录管理，文件的读、写管理以及文件的共享与保护等功能。及文件的共享与保护等功能。1) 文件存储空间的管理文件存储空间的管理 由文件系统对诸多文件在存储空间的占用情况由文件系统对诸多文件在存储空间的占用情况进行记录，以供分配和回收空间时参考。分配和回进行记录，以供分配和回收空间时参考
21、。分配和回收是以提高存储空间的利用率为目标的。收是以提高存储空间的利用率为目标的。2) 目录管理目录管理 主要任务主要任务是为每个文件建立目录项，以实现方是为每个文件建立目录项，以实现方便的便的按名存取按名存取；文件共享；快速的目录查询手段；文件共享；快速的目录查询手段3) 文件的读、写管理和存取控制文件的读、写管理和存取控制 该功能规定文件读、写的具体方式，以提高读该功能规定文件读、写的具体方式，以提高读写效率。为了保障文件系统的安全，应对文件存取写效率。为了保障文件系统的安全，应对文件存取施加限制措施，保证各个用户以适当的权限来使用施加限制措施，保证各个用户以适当的权限来使用文件系统，达到
22、系统的安全性要求。文件系统，达到系统的安全性要求。以上是第以上是第5章将要讲述内容。章将要讲述内容。5. 用户接口用户接口 为了方便用户使用计算机，操作系统向为了方便用户使用计算机，操作系统向用户提供了更易理解和进行工作的用户提供了更易理解和进行工作的命令接口命令接口、程序接口程序接口和和图形接口图形接口。这些接口对于不同层。这些接口对于不同层次、不同水平的用户提供了快速、高效访问次、不同水平的用户提供了快速、高效访问计算机的手段，对于计算机的普及与发展起计算机的手段，对于计算机的普及与发展起到了非常重要的促进作用。到了非常重要的促进作用。将在第将在第2章简述。章简述。1.4 操作系统的结构设
23、计操作系统的结构设计操作系统设计的一般观点操作系统设计的一般观点?1.4.1 整体式系统整体式系统一种非模块化的简单结构一系列的过程 明确定义的接口 随意调用操作系统与外部程序有统一的接口，即一组系统调用命令系统态（管态） 、用户态（目态）整体式系统基本的结构关系：整体式系统基本的结构关系： (1) 一个主过程，它接受和解释系统调用命令，并调用相应的一个主过程，它接受和解释系统调用命令，并调用相应的过程过程 (2) 一组执行系统调用的服务过程，每个系统调用都有对应的一组执行系统调用的服务过程，每个系统调用都有对应的服务过程。服务过程。 (3) 一组支持服务过程的实用过程，每个实用过程完成若干个
24、一组支持服务过程的实用过程，每个实用过程完成若干个服务过程所必须执行的公共事务。服务过程所必须执行的公共事务。MS-DOS 早期的早期的UNIX采用这种结构采用这种结构主过程服务过程公用过程所设计出的操作系统既庞大又杂乱，缺乏清晰的程序结构。这一方面会使所编制出的程序错误很多，给调试工作带来很多困难；另一方面也使程序难以阅读和理解，增加了维护人员的负担。1.4.2 模块层次式系统模块层次式系统一种模块化的系统结构把操作系统划分成若干模块按这些模块的控制或服务关系进行分层每层包含一个或若干个模块层间调用 不可反向两种基本方法：自底向上法和自顶向下法性质：(1) Ai所提供的资源和功能构成了建立A
25、i+1的全部基础（单向依赖关系）。(2) 从Ai扩充到Ai+1时，并不一定是Ai的全部功能都同时被扩充了，Ai的那些未经扩充的功能被看成是延续到Ai+1中去，故Ai+1中有一些功能等同于Ai的功能，在建立Ai+2时，把它看成是Ai+1的功能。 (3) 在定义Ai+1的新资源时所用到的Ai的资源，在Ai+1中不应再出现。 (4) 顶层An的正确性可通过逐步证明以下的每一级虚拟机Ai的正确性来得到证实。AnAiA2A1A0自底向上图1-5 自底向上分层设计2自顶向下（自顶向下（Top-down）法）法与自底向上法相反，自顶向下法是从目标系统An出发，过渡到宿主系统A0的。为了实现An，设计一个适当
26、的虚拟机An-1，使得An能在An-1上实现。但An-1本身还无法独立运行，因此再设计一个新的虚拟机An-2来实现An-1。如此重复，便产生虚拟机序列An，An-1，A1，A1能在A0上独立运行，如图1-6所示。AnAiA2A1A0自顶向下图1-6 自顶向下分层设计 尽量缩小运行在系统态下的操作系统规模，使其尽量缩小运行在系统态下的操作系统规模，使其只留下极小的内核，而把操作系统的大部分代码搬到只留下极小的内核，而把操作系统的大部分代码搬到更高的层次中去并在用户态下运行更高的层次中去并在用户态下运行(微内核系统微内核系统)。 这种思想是基于这样一个出发点：尽可能减少操这种思想是基于这样一个出发
27、点：尽可能减少操作系统中与硬件直接作用的部分，最大限度地隐蔽硬作系统中与硬件直接作用的部分，最大限度地隐蔽硬件特性，以提高系统的安全可靠性和灵活性。件特性，以提高系统的安全可靠性和灵活性。客户进程客户进程服务器进程服务器进程 服务器进程内 核用户态系统态客户发送消息给服务器进程,请求服务服务器进程完成请求,回送答复消息图1-7 客户/服务器模型客户/服务器模式的优点(1)提高了系统的灵活性和可扩充性。 (2) 提高了OS的可靠性。 (3) 可运行于分布式系统中。机器1客户内核机器2客户内核机器3服务内核机器4服务内核客户发给服务器的消息服务器给客户的答复消息图1-8 分布式系统中的客户/服务器模型
