1、西西 安安 电电 子子 科科 技技 大大 学学 出出 版版 社社http:/高等学校计算机类高等学校计算机类“十二五十二五”规划教材规划教材部级优秀教材部级优秀教材 计算机操作系统计算机操作系统汤小丹汤小丹 梁红兵梁红兵 哲凤屏哲凤屏 汤子瀛汤子瀛 (第四版第四版)编著编著 目目 录录 第一章第一章 操作系统引论操作系统引论第二章第二章 进程的描述与控制进程的描述与控制第三章第三章 处理机调度与死锁处理机调度与死锁第四章第四章 存储器管理存储器管理第五章第五章 虚拟存储器虚拟存储器第六章第六章 输入输出系统输入输出系统第七章第七章 文件管理文件管理第八章第八章 磁盘存储器的管理磁盘存储器的管理
2、第九章第九章 操作系统接口操作系统接口第十章第十章 多处理机操作系统多处理机操作系统第十一章第十一章 多媒体操作系统多媒体操作系统第十二章第十二章 保护和安全保护和安全第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 操作系统的目标和作用1.2 操作系统的发展过程1.3 操作系统的基本特性1.4 操作系统的主要功能1.5 OS结构设计习题1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用操作系统的目标与应用环境有关。例如在查询系统中所操作系统的目标与应用环境有关。例如在查询系统中所用的用的OSOS，希望能提供良好的人，希望能提供良好的人机交互性；对于应用于工机交互性；对于应用于工业控制、武器
3、控制以及多媒体环境下的业控制、武器控制以及多媒体环境下的OSOS，要求其具有实，要求其具有实时性；而对于微机上配置的时性；而对于微机上配置的OSOS，则更看重的是其使用的方，则更看重的是其使用的方便性。便性。1.1.1 1.1.1 操作系统的目标操作系统的目标1.1.方便性方便性2.2.有效性有效性 3.3.可扩充性可扩充性4.4.开放性开放性1.1.2 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用 1.1.OSOS作为用户与计算机硬件系统之间的接口作为用户与计算机硬件系统之间的接口OSOS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：OSOS处处于用户与计算
4、机硬件系统之间，用户通过于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OSOS来使用计算机系来使用计算机系统。或者说，用户在统。或者说，用户在OSOS帮助下能够方便、快捷、可靠地操纵帮助下能够方便、快捷、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。图计算机硬件和运行自己的程序。图1-11-1是是OSOS作为接口的示意图。作为接口的示意图。图1-1 OS作为接口的示意图2.2.OSOS作为计算机系统资源的管理者作为计算机系统资源的管理者在一个计算机系统中，通常都含有多种硬件和软件资源。在一个计算机系统中，通常都含有多种硬件和软件资源。归纳起来可将这些资源分为四类：处理机、存储器、归纳起来可将这些资源分为四类：处
5、理机、存储器、I/OI/O设备设备以及文件以及文件(数据和程序数据和程序)。相应地，。相应地，OSOS的主要功能也正是对这的主要功能也正是对这四类资源进行有效的管理。处理机管理是用于分配和控制处四类资源进行有效的管理。处理机管理是用于分配和控制处理机；存储器管理主要负责内存的分配与回收；理机；存储器管理主要负责内存的分配与回收；I/OI/O设备管理设备管理是负责是负责I/OI/O设备的分配设备的分配(回收回收)与操纵；文件管理是用于实现对与操纵；文件管理是用于实现对文件的存取、共享和保护。可见，文件的存取、共享和保护。可见，OSOS的确是计算机系统资源的确是计算机系统资源的管理者。的管理者。3
6、.3.OSOS实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资源的抽象对于一台完全无软件的计算机系统对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机即裸机)，由于它向，由于它向用户提供的仅是硬件接口用户提供的仅是硬件接口(物理接口物理接口)，因此，用户必须对物，因此，用户必须对物理接口的实现细节有充分的了解，这就致使该物理机器难于理接口的实现细节有充分的了解，这就致使该物理机器难于广泛使用。为了方便用户使用广泛使用。为了方便用户使用I/OI/O设备，人们在裸机上覆盖上设备，人们在裸机上覆盖上一层一层I/OI/O设备管理软件，如图设备管理软件，如图1-21-2所示，由它来实现对所示，由它来实现对I/OI/O设备设
7、备操作的细节，并向上将操作的细节，并向上将I/OI/O设备抽象为一组数据结构以及一组设备抽象为一组数据结构以及一组I/OI/O操作命令，如操作命令，如readread和和writewrite命令，这样用户即可利用这些命令，这样用户即可利用这些数据结构及操作命令来进行数据输入或输出，而无需关心数据结构及操作命令来进行数据输入或输出，而无需关心I/OI/O是如何具体实现的。是如何具体实现的。图1-2 I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节1.1.3 1.1.3 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力 1 1不断提高计算机资源利用率不断提高计算机资源利用率2.2.方便用户方便用户3.3.
8、器件的不断更新换代器件的不断更新换代4.4.计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展5.5.不断提出新的应用需求不断提出新的应用需求1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程在在2020世纪世纪5050年代中期，出现了第一个简单的批处理年代中期，出现了第一个简单的批处理OSOS；6060年代中期开发出多道程序批处理系统；不久又推出分时系年代中期开发出多道程序批处理系统；不久又推出分时系统，与此同时，用于工业和武器控制的实时统，与此同时，用于工业和武器控制的实时OSOS也相继问世。也相继问世。2020世纪世纪7070到到9090年代，是年代，是VLSIVLSI和计算机体系结构大
9、发展的年代，和计算机体系结构大发展的年代，导致了微型机、多处理机和计算机网络的诞生和发展，与此导致了微型机、多处理机和计算机网络的诞生和发展，与此相应地，也相继开发出了微机相应地，也相继开发出了微机OSOS、多处理机、多处理机OSOS和网络和网络OSOS，并，并得到极为迅猛的发展。得到极为迅猛的发展。1.2.1 1.2.1 未配置操作系统的计算机系统未配置操作系统的计算机系统 1.1.人工操作方式人工操作方式早期的操作方式是由程序员将事先已穿孔的纸带早期的操作方式是由程序员将事先已穿孔的纸带(或卡或卡片片)，装入纸带输入机，装入纸带输入机(或卡片输入机或卡片输入机)，再启动它们将纸带，再启动它
10、们将纸带(或卡片或卡片)上的程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。上的程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。仅当程序运行完毕并取走计算结果后，才允许下一个用户上仅当程序运行完毕并取走计算结果后，才允许下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：(1)(1)用户独占全机，即一台计算机的全部资源由上机用用户独占全机，即一台计算机的全部资源由上机用户所独占。户所独占。(2)(2)CPUCPU等待人工操作。当用户进行装带等待人工操作。当用户进行装带(卡卡)、卸带、卸带(卡卡)等人工操作时，等人工操作时，CPUCPU及内存等资源是空闲的。及内存等资
11、源是空闲的。2.2.脱机输入脱机输入/输出输出(Off-Line I/O)(Off-Line I/O)方式方式为了解决人机矛盾及为了解决人机矛盾及CPUCPU和和I/OI/O设备之间速度不匹配的矛设备之间速度不匹配的矛盾，盾，2020世纪世纪5050年代末出现了脱机年代末出现了脱机I/OI/O技术。该技术是事先将装技术。该技术是事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在一台外围机的有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在一台外围机的控制下，把纸带控制下，把纸带(卡片卡片)上的数据上的数据(程序程序)输入到磁带上。当输入到磁带上。当CPUCPU需要这些程序和数据时，再从磁带上高速地调入内存
12、。需要这些程序和数据时，再从磁带上高速地调入内存。图1-3 脱机I/O示意图1.2.2 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统 1.1.单道批处理系统单道批处理系统(Simple Batch Processing System)(Simple Batch Processing System)的处理过程的处理过程为实现对作业的连续处理，需要先把一批作业以脱机方为实现对作业的连续处理，需要先把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序(Monitor)(Monitor)，在它，在它的控制下，使这批作业能一个接一个地连续处理。的控制下，使这批作业能
13、一个接一个地连续处理。图1-4 单道批处理系统的处理流程2.2.单道批处理系统的缺点单道批处理系统的缺点单道批处理系统最主要的缺点是，系统中的资源得不到单道批处理系统最主要的缺点是，系统中的资源得不到充分的利用。这是因为在内存中仅有一道程序，每逢该程序充分的利用。这是因为在内存中仅有一道程序，每逢该程序在运行中发出在运行中发出I/OI/O请求后，请求后，CPUCPU便处于等待状态，必须在其便处于等待状态，必须在其I/OI/O完成后才继续运行。又因完成后才继续运行。又因I/OI/O设备的低速性，更使设备的低速性，更使CPUCPU的利用的利用率显著降低。图率显著降低。图1-51-5示出了单道程序的
14、运行情况，从图可以看示出了单道程序的运行情况，从图可以看出：在出：在t t2 2t t3 3、t t6 6t t7 7时间间隔内时间间隔内CPUCPU空闲。空闲。图1-5 单道程序的运行情况1.2.3 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统(Multiprogrammed Batch(Multiprogrammed Batch Processing System)Processing System)1.1.多道程序设计的基本概念多道程序设计的基本概念为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在2020世纪世纪6060年代中期引入了多道程序设计技术，由此
15、形成了多道批处年代中期引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统。图理系统。图1-61-6示出了四道程序时的运行情况。示出了四道程序时的运行情况。图1-6 多道程序的运行情况2.2.多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点如下：多道批处理系统的优缺点如下：(1)(1)资源利用率高。引入多道批处理能使多道程序交替资源利用率高。引入多道批处理能使多道程序交替运行，以保持运行，以保持CPUCPU处于忙碌状态；在内存中装入多道程序可提处于忙碌状态；在内存中装入多道程序可提高内存的利用率；此外还可以提高高内存的利用率；此外还可以提高I/OI/O设备的利用率。设备的利用率。
16、(2)(2)系统吞吐量大。能提高系统吞吐量的主要原因可归系统吞吐量大。能提高系统吞吐量的主要原因可归结为：结为：CPUCPU和其它资源保持和其它资源保持“忙碌忙碌”状态；状态；仅当作业完仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。(3)(3)平均周转时间长。由于作业要排队依次进行处理，平均周转时间长。由于作业要排队依次进行处理，因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。(4)(4)无交互能力。用户一旦把作业提交给系统后，直至无交互能力。用户一旦把作业提交给系统后，直至作业完成，用户都不能
17、与自己的作业进行交互，修改和调试作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，修改和调试程序极不方便。程序极不方便。3.3.多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统是一种十分有效，但又非常复杂的系统，多道批处理系统是一种十分有效，但又非常复杂的系统，为使系统中的多道程序间能协调地运行，系统必须解决下述为使系统中的多道程序间能协调地运行，系统必须解决下述一系列问题：一系列问题：(1)(1)处理机争用问题。既要能满足各道程序运行的需要，处理机争用问题。既要能满足各道程序运行的需要，又要能提高处理机的利用率。又要能提高处理机的利用率。(2)(2)内存分配和保护问题。系统应能
18、为每道程序分配必内存分配和保护问题。系统应能为每道程序分配必要的内存空间，使它们要的内存空间，使它们“各得其所各得其所”，且不会因某道程序出，且不会因某道程序出现异常情况而破坏其它程序。现异常情况而破坏其它程序。(3)(3)I/OI/O设备分配问题。系统应采取适当的策略来分配系设备分配问题。系统应采取适当的策略来分配系统中的统中的I/OI/O设备，以达到既能方便用户对设备的使用，又能提设备，以达到既能方便用户对设备的使用，又能提高设备利用率的目的。高设备利用率的目的。(4)(4)文件的组织和管理问题。系统应能有效地组织存放文件的组织和管理问题。系统应能有效地组织存放在系统中的大量的程序和数据，
19、使它们既便于用户使用，又在系统中的大量的程序和数据，使它们既便于用户使用，又能保证数据的安全性。能保证数据的安全性。(5)(5)作业管理问题。系统中存在着各种作业作业管理问题。系统中存在着各种作业(应用程序应用程序)，系统应能对系统中所有的作业进行合理的组织，以满足这些系统应能对系统中所有的作业进行合理的组织，以满足这些作业用户的不同要求。作业用户的不同要求。(6)(6)用户与系统的接口问题。为使用户能方便的使用操用户与系统的接口问题。为使用户能方便的使用操作系统，作系统，OSOS还应提供用户与还应提供用户与OSOS之间的接口。之间的接口。1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统(Time S
20、haring System)(Time Sharing System)1.1.分时系统的引入分时系统的引入如果说推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提如果说推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提高资源利用率和系统吞吐量，那么，推动分时系统形成和发高资源利用率和系统吞吐量，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力，则是为了满足用户对人展的主要动力，则是为了满足用户对人机交互的需求，由机交互的需求，由此形成了一种新型此形成了一种新型OSOS。用户的需求具体表现在以下几个方面：。用户的需求具体表现在以下几个方面：(1)(1)人人机交互。机交互。(2)(2)共享主机。共享主机。2.2.分时系统实
21、现中的关键问题分时系统实现中的关键问题在多道批处理系统中，用户无法与自己的作业进行交互在多道批处理系统中，用户无法与自己的作业进行交互的主要原因是：作业都先驻留在外存上，即使以后被调入内的主要原因是：作业都先驻留在外存上，即使以后被调入内存，也要经过较长时间的等待后方能运行，用户无法与自己存，也要经过较长时间的等待后方能运行，用户无法与自己的作业进行交互。的作业进行交互。1)1)及时接收及时接收2)2)及时处理及时处理3.3.分时系统的特征分时系统的特征分时系统与多道批处理系统相比，具有非常明显的不同分时系统与多道批处理系统相比，具有非常明显的不同特性，可以归纳成以下四个方面：特性，可以归纳成
22、以下四个方面：(1)(1)多路性。多路性。(2)(2)独立性。独立性。(3)(3)及时性。及时性。(4)(4)交互性。交互性。1.2.5 1.2.5 实时系统实时系统(Real Time System)(Real Time System)1.1.实时系统的类型实时系统的类型随着计算机应用的普及，实时系统的类型也相应增多，随着计算机应用的普及，实时系统的类型也相应增多，下面列出当前常见的几种：下面列出当前常见的几种：(1)(1)工业工业(武器武器)控制系统。控制系统。(2)(2)信息查询系统。信息查询系统。(3)(3)多媒体系统。多媒体系统。(4)(4)嵌入式系统。嵌入式系统。2.2.实时任务的
23、类型实时任务的类型(1)(1)周期性实时任务和非周期性实时任务。周期性实时任务和非周期性实时任务。(2)(2)硬实时任务和软实时任务。硬实时任务和软实时任务。3.3.实时系统与分时系统特征的比较实时系统与分时系统特征的比较(1)(1)多路性。多路性。(2)(2)独立性。独立性。(3)(3)及时性。及时性。(4)(4)交互性。交互性。(5)(5)可靠性。可靠性。1.2.6 1.2.6 微机操作系统的发展微机操作系统的发展 1 1单用户单任务操作系统单用户单任务操作系统1)1)CP/M CP/M 2)2)MS-DOSMS-DOS2.2.单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统的
24、含义是，只允许一个用户上机，单用户多任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。有效地改善了系统的性能。3.3.多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统的含义是，允许多个用户通过各多用户多任务操作系统的含义是，允许多个用户通过各自的终端，使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，自的终端，使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提
25、高资源利用率和系统吞吐量。在大、中行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。在大、中和小型机中所配置的大多是多用户多任务操作系统，而在和小型机中所配置的大多是多用户多任务操作系统，而在3232位微机上，也有不少配置的是多用户多任务操作系统，其中位微机上，也有不少配置的是多用户多任务操作系统，其中最有代表性的是最有代表性的是UNIX OSUNIX OS。1.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 前面所介绍的多道批处理系统、分时系统和实时系统这前面所介绍的多道批处理系统、分时系统和实时系统这三种基本操作系统都具有各自不同的特征，如批处理系统有三种基本操作系统都具有各自不同的特征，如批
26、处理系统有着高的资源利用率和系统吞吐量；分时系统能获得及时响应；着高的资源利用率和系统吞吐量；分时系统能获得及时响应；实时系统具有实时特征。除此之外，它们还共同具有并发、实时系统具有实时特征。除此之外，它们还共同具有并发、共享、虚拟和异步四个基本特征。共享、虚拟和异步四个基本特征。1.3.1 1.3.1 并发并发(Concurrence)(Concurrence)正是系统中的程序能并发执行这一特征，才使得正是系统中的程序能并发执行这一特征，才使得OSOS能有能有效地提高系统中的资源利用率，增加系统的吞吐量。效地提高系统中的资源利用率，增加系统的吞吐量。1.1.并行与并发并行与并发并行性和并发性
27、是既相似又有区别的两个概念。并行性并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。而并发性是指两个或是指两个或多个事件在同一时刻发生。而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。多个事件在同一时间间隔内发生。2.2.引入进程引入进程在一个未引入进程的系统中，在属于同一个应用程序的在一个未引入进程的系统中，在属于同一个应用程序的计算程序和计算程序和I/OI/O程序之间只能是顺序执行，即只有在计算程序程序之间只能是顺序执行，即只有在计算程序执行告一段落后，才允许执行告一段落后，才允许I/OI/O程序执行；反之，在程序执行程序执行；反之，在程序执行I/OI/O操
28、作时，计算程序也不能执行。但在为计算程序和操作时，计算程序也不能执行。但在为计算程序和I/OI/O程程序分别建立一个进程序分别建立一个进程(Process)(Process)后，这两个进程便可并发执行。后，这两个进程便可并发执行。若对内存中的多个程序都分别建立一个进程，它们就可以并若对内存中的多个程序都分别建立一个进程，它们就可以并发执行，这样便能极大地提高系统资源的利用率，增加系统发执行，这样便能极大地提高系统资源的利用率，增加系统的吞吐量。的吞吐量。1.3.2 1.3.2 共享共享(Sharing)(Sharing)一般情况下的共享与操作系统环境下的共享其含义并不一般情况下的共享与操作系统
29、环境下的共享其含义并不完全相同。完全相同。1.1.互斥共享方式互斥共享方式 系统中的某些资源，如打印机、磁带机等，虽然可以提系统中的某些资源，如打印机、磁带机等，虽然可以提供给多个进程供给多个进程(线程线程)使用，但应规定在一段时间内，只允许使用，但应规定在一段时间内，只允许一个进程访问该资源。为此，在系统中应建立一种机制，以一个进程访问该资源。为此，在系统中应建立一种机制，以保证多个进程对这类资源的互斥访问。保证多个进程对这类资源的互斥访问。2.2.同时访问方式同时访问方式系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时同时”对它们进行访
30、问。这里所谓的对它们进行访问。这里所谓的“同时同时”，在单处理，在单处理机环境下是宏观意义上的，而在微观上，这些进程对该资源机环境下是宏观意义上的，而在微观上，这些进程对该资源的访问是交替进行的。典型的可供多个进程的访问是交替进行的。典型的可供多个进程“同时同时”访问的访问的资源是磁盘设备。一些用重入码编写的文件也可以被资源是磁盘设备。一些用重入码编写的文件也可以被“同时同时”共享，即允许若干个用户同时访问该文件。共享，即允许若干个用户同时访问该文件。1.3.3 1.3.3 虚拟虚拟(Virtual)(Virtual)1.1.时分复用技术时分复用技术(1)(1)虚拟处理机技术。虚拟处理机技术。
31、(2)(2)虚拟设备技术。虚拟设备技术。2.2.空分复用技术空分复用技术2020世纪初，电信业中就已使用频分复用技术来提高信道的世纪初，电信业中就已使用频分复用技术来提高信道的利用率。它是指将一个频率范围比较宽的信道划分成多个频率利用率。它是指将一个频率范围比较宽的信道划分成多个频率范围较窄的信道范围较窄的信道(称为频带称为频带)，其中的任何一个频带都仅供一对，其中的任何一个频带都仅供一对用户通话。早期的频分复用技术只能将一条物理信道划分为几用户通话。早期的频分复用技术只能将一条物理信道划分为几条到几十条话路，后来又很快发展到成千上万条话路，每条话条到几十条话路，后来又很快发展到成千上万条话路
32、，每条话路供一对用户通话。再后来在计算机中也把空分复用技术用于路供一对用户通话。再后来在计算机中也把空分复用技术用于对存储空间的管理，用以提高存储空间的利用率。对存储空间的管理，用以提高存储空间的利用率。1.3.4 1.3.4 异步异步(Asynchronism)(Asynchronism)在多道程序环境下，系统允许多个进程并发执行。在单在多道程序环境下，系统允许多个进程并发执行。在单处理机环境下，由于系统中只有一台处理机，因而每次只允处理机环境下，由于系统中只有一台处理机，因而每次只允许一个进程执行，其余进程只能等待。当正在执行的进程提许一个进程执行，其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某
33、种资源要求时，如打印请求，而此时打印机正在为其它出某种资源要求时，如打印请求，而此时打印机正在为其它进程打印，由于打印机属于临界资源，因此正在执行的进程进程打印，由于打印机属于临界资源，因此正在执行的进程必须等待，并释放出处理机，直到打印机空闲，并再次获得必须等待，并释放出处理机，直到打印机空闲，并再次获得处理机时，该进程方能继续执行。可见，由于资源等因素的处理机时，该进程方能继续执行。可见，由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不可能限制，使进程的执行通常都不可能“一气呵成一气呵成”，而是以，而是以“停停走走停停走走”的方式运行。的方式运行。1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要
34、功能引入引入OSOS的主要目的是，为多道程序的运行提供良好的运的主要目的是，为多道程序的运行提供良好的运行环境，以保证多道程序能有条不紊地、高效地运行，并能行环境，以保证多道程序能有条不紊地、高效地运行，并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率，方便用户的使用。最大程度地提高系统中各种资源的利用率，方便用户的使用。为此，在传统的为此，在传统的OSOS中应具有处理机管理、存储器管理、设备中应具有处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理等基本功能。此外，为了方便用户使用管理和文件管理等基本功能。此外，为了方便用户使用OSOS，还需向用户提供方便的用户接口。还需向用户提供方便的用户接口。1.4.1
35、 1.4.1 处理机管理功能处理机管理功能 1.1.进程控制进程控制2.2.进程同步进程同步 3.3.进程通信进程通信4.4.调度调度(1)(1)作业调度。作业调度。(2)(2)进程调度。进程调度。1.4.2 1.4.2 存储器管理功能存储器管理功能 1.1.内存分配内存分配内存分配的主要任务是：内存分配的主要任务是：(1)(1)为每道程序分配内存空间，使它们为每道程序分配内存空间，使它们“各得其所各得其所”。(2)(2)提高存储器的利用率，尽量减少不可用的内存空间提高存储器的利用率，尽量减少不可用的内存空间(碎片碎片)。(3)(3)允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应允许正在运行的程
36、序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。程序和数据动态增长的需要。OSOS在实现内存分配时，可采取静态和动态两种方式：在实现内存分配时，可采取静态和动态两种方式：(1)(1)静态分配方式。每个作业的内存空间是在作业装入静态分配方式。每个作业的内存空间是在作业装入时确定的，在作业装入后的整个运行期间不允许该作业再申时确定的，在作业装入后的整个运行期间不允许该作业再申请新的内存空间，也不允许作业在内存中请新的内存空间，也不允许作业在内存中“移动移动”。(2)(2)动态分配方式。每个作业所要求的基本内存空间虽动态分配方式。每个作业所要求的基本内存空间虽然也是在装入时确定的，但允许作业在
37、运行过程中继续申请然也是在装入时确定的，但允许作业在运行过程中继续申请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增长，也允许新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增长，也允许作业在内存中作业在内存中“移动移动”。2.2.内存保护内存保护内存保护的主要任务是：内存保护的主要任务是：确保每道用户程序都仅在自确保每道用户程序都仅在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。己的内存空间内运行，彼此互不干扰。绝不允许用户程序绝不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，也不允许用户程序转移到非共访问操作系统的程序和数据，也不允许用户程序转移到非共享的其它用户程序中去执行。享的其它用户程序中去执行。3.3.地址映射
38、地址映射在多道程序环境下，由于每道程序经编译和链接后所形在多道程序环境下，由于每道程序经编译和链接后所形成的可装入程序其地址都是从成的可装入程序其地址都是从0 0开始的，但不可能将它们从开始的，但不可能将它们从“0”0”地址地址(物理物理)开始装入内存，致使开始装入内存，致使(各程序段的各程序段的)地址空间地址空间内的逻辑地址与其在内存空间中的物理地址并不相一致。为内的逻辑地址与其在内存空间中的物理地址并不相一致。为保证程序能正确运行，存储器管理必须提供地址映射功能，保证程序能正确运行，存储器管理必须提供地址映射功能，即能够将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应即能够将地址空间中的逻辑
39、地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的支持下完成。的物理地址。该功能应在硬件的支持下完成。4.4.内存扩充内存扩充内存扩充并非是从物理上去扩大内存的容量，而是借助内存扩充并非是从物理上去扩大内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量，使用户所感觉到于虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多，以便让更多的用户程序的内存容量比实际内存容量大得多，以便让更多的用户程序能并发运行。这样既满足了用户的需要，又改善了系统的性能并发运行。这样既满足了用户的需要，又改善了系统的性能。为了能在逻辑上扩充内存，系统必须设置内存扩充机制能。为了
40、能在逻辑上扩充内存，系统必须设置内存扩充机制(包含少量的硬件包含少量的硬件)，用于实现下述各功能：，用于实现下述各功能：(1)(1)请求调入功能。请求调入功能。(2)(2)置换功能。置换功能。1.4.3 1.4.3 设备管理功能设备管理功能 设备管理的主要任务如下：设备管理的主要任务如下：(1)(1)完成用户进程提出的完成用户进程提出的I/OI/O请求，为用户进程分配所需请求，为用户进程分配所需的的I/OI/O设备，并完成指定的设备，并完成指定的I/OI/O操作。操作。(2)(2)提高提高CPUCPU和和I/OI/O设备的利用率，提高设备的利用率，提高I/OI/O速度，方便用速度，方便用户使用
41、户使用I/OI/O设备。设备。为实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配为实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理以及虚拟设备等功能。和设备处理以及虚拟设备等功能。1.1.缓冲管理缓冲管理2.2.设备分配设备分配3.3.设备处理设备处理1.4.4 1.4.4 文件管理功能文件管理功能 1.1.文件存储空间的管理文件存储空间的管理2.2.目录管理目录管理3.3.文件的读文件的读/写管理和保护写管理和保护(1)(1)文件的读文件的读/写管理。写管理。(2)(2)文件保护。文件保护。1.4.51.4.5操作系统与用户之间的接口操作系统与用户之间的接口 1.1.用户接口用户接口(
42、1)(1)联机用户接口。联机用户接口。(2)(2)脱机用户接口。脱机用户接口。(3)(3)图形用户接口。图形用户接口。2.2.程序接口程序接口程序接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，程序接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径。它是由一组系统是用户程序取得操作系统服务的唯一途径。它是由一组系统调用组成的，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子调用组成的，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序。每当应用程序要求程序。每当应用程序要求OSOS提供某种服务提供某种服务(功能功能)时，便调用时，便调用具有相应功能的系统调用具有相应功能的系统调
43、用(子程序子程序)。早期的系统调用都是用。早期的系统调用都是用汇编语言提供的，只有在用汇编语言书写的程序中才能直接汇编语言提供的，只有在用汇编语言书写的程序中才能直接使用系统调用。使用系统调用。1.4.61.4.6现代操作系统的新功能现代操作系统的新功能现代操作系统是在传统操作系统基础上发展起来的，它现代操作系统是在传统操作系统基础上发展起来的，它除了具有传统操作系统的功能外，还增加了面向安全、面向除了具有传统操作系统的功能外，还增加了面向安全、面向网络和面向多媒体等功能。网络和面向多媒体等功能。1.1.系统安全系统安全(1)(1)认证技术。认证技术。(2)(2)密码技术。密码技术。(3)(3
44、)访问控制技术。访问控制技术。(4)(4)反病毒技术。反病毒技术。2.2.网络的功能和服务网络的功能和服务(1)(1)网络通信。网络通信。(2)(2)资源管理。资源管理。(3)(3)应用互操作。应用互操作。3.3.支持多媒体支持多媒体(1)(1)接纳控制功能。接纳控制功能。(2)(2)实时调度。实时调度。(3)(3)多媒体文件的存储。多媒体文件的存储。1.5 OS1.5 OS结构设计结构设计早期早期OSOS的规模很小，如只有几十的规模很小，如只有几十KBKB，完全可以由一个人，完全可以由一个人以手工方式，用几个月的时间编制出来。此时，编制程序基以手工方式，用几个月的时间编制出来。此时，编制程序
45、基本上是一种技巧，本上是一种技巧，OSOS是否是有结构的并不那么重要，重要的是否是有结构的并不那么重要，重要的是程序员的程序设计技巧。但随着是程序员的程序设计技巧。但随着OSOS规模的愈来愈大，其所规模的愈来愈大，其所具有的代码也愈来愈多，往往需要由数十人或数百人甚至更具有的代码也愈来愈多，往往需要由数十人或数百人甚至更多的人参与，分工合作，共同来完成操作系统的设计。这意多的人参与，分工合作，共同来完成操作系统的设计。这意味着，应采用工程化的开发方法对大型软件进行开发。由此味着，应采用工程化的开发方法对大型软件进行开发。由此产生了产生了“软件工程学软件工程学”。1.5.1 1.5.1 传统操作
46、系统结构传统操作系统结构 1.1.无结构操作系统无结构操作系统在早期开发操作系统时，设计者只是把他的注意力放在在早期开发操作系统时，设计者只是把他的注意力放在功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾一致的设计思想。功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾一致的设计思想。此时的此时的OSOS是为数众多的一组过程的集合，每个过程可以任意是为数众多的一组过程的集合，每个过程可以任意地相互调用其它过程，致使操作系统内部既复杂又混乱，因地相互调用其它过程，致使操作系统内部既复杂又混乱，因此，这种此，这种OSOS是无结构的，也有人把它称为整体系统结构。是无结构的，也有人把它称为整体系统结构。2.2.模块化结构模块
47、化结构OSOS1)1)模块化程序设计技术的基本概念模块化程序设计技术的基本概念模块化程序设计技术是模块化程序设计技术是2020世纪世纪6060年代出现的一种结构化年代出现的一种结构化程序设计技术。该技术基于程序设计技术。该技术基于“分解分解”和和“模块化模块化”的原则来的原则来控制大型软件的复杂度。为使控制大型软件的复杂度。为使OSOS具有较清晰的结构，具有较清晰的结构，OSOS不再不再是由众多的过程直接构成的，而是按其功能精心地划分为若是由众多的过程直接构成的，而是按其功能精心地划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。图干个具有一定独立性和大小的模块。图1-71-7示出了由模块、子示出了由模
48、块、子模块等组成的模块化模块等组成的模块化OSOS结构。结构。图1-7 模块化结构的操作系统2)2)模块独立性模块独立性在模块在模块-接口法中，关键问题是模块的划分和规定好模块接口法中，关键问题是模块的划分和规定好模块之间的接口。如果我们在划分模块时将模块划分得太小，虽之间的接口。如果我们在划分模块时将模块划分得太小，虽然可以降低模块本身的复杂性，但会引起模块之间的联系过然可以降低模块本身的复杂性，但会引起模块之间的联系过多，从而会造成系统比较混乱；如果将模块划分得过大，又多，从而会造成系统比较混乱；如果将模块划分得过大，又会增加模块内部的复杂性，使内部的联系增加，因此在划分会增加模块内部的复
49、杂性，使内部的联系增加，因此在划分模块时，应在两者间进行权衡。模块时，应在两者间进行权衡。3)3)模块接口法的优缺点模块接口法的优缺点利用模块利用模块-接口法开发的接口法开发的OSOS，较之无结构，较之无结构OSOS具有以下明显具有以下明显的优点：的优点：(1)(1)提高提高OSOS设计的正确性、可理解性和可维护性。设计的正确性、可理解性和可维护性。(2)(2)增强增强OSOS的可适应性。的可适应性。(3)(3)加速加速OSOS的开发过程。的开发过程。模块化结构设计仍存在下述问题：模块化结构设计仍存在下述问题：(1)(1)在在OSOS设计时，对各模块间的接口规定很难满足在模设计时，对各模块间的
50、接口规定很难满足在模块设计完成后对接口的实际需求。块设计完成后对接口的实际需求。(2)(2)在在OSOS设计阶段，设计者必须做出一系列的决定设计阶段，设计者必须做出一系列的决定(决决策策)，每一个决定必须建立在上一个决定的基础上，但模块化，每一个决定必须建立在上一个决定的基础上，但模块化结构设计中，各模块的设计齐头并进，无法寻找一个可靠的结构设计中，各模块的设计齐头并进，无法寻找一个可靠的决定顺序，造成各种决定的决定顺序，造成各种决定的“无序性无序性”，这将使程序人员很，这将使程序人员很难做到难做到“设计中的每一步决定设计中的每一步决定”都是建立在可靠的基础上，都是建立在可靠的基础上，因此模块
