操作系統(tǒng)：第一章 緒論1

1、1.4 操作系統(tǒng)的特征和功能1.4.1 操作系統(tǒng)的特征1.4.2 操作系統(tǒng)的服務(wù)返回1.4.1 操作系統(tǒng)的特征并發(fā)(concurrency)共享(sharing)虛擬(virtual)異步性(asynchronism)并發(fā)(concurrency)在多道程序處理時(shí)，宏觀上并發(fā)，微觀上交替執(zhí)行（在單處理器情況下）。程序的靜態(tài)實(shí)體是可執(zhí)行文件，而動(dòng)態(tài)實(shí)體是進(jìn)程（或稱(chēng)作任務(wù)），并發(fā)指的是進(jìn)程。多個(gè)事件在同一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)是一個(gè)并發(fā)系統(tǒng)，各進(jìn)程間的并發(fā)，系統(tǒng)與應(yīng)用間的并發(fā)。操作系統(tǒng)要完成這些并發(fā)過(guò)程的管理。并行(parallel)是指在同一時(shí)刻發(fā)生。共享(sharing)互斥共享（如音頻設(shè)備）

2、：資源分配后到釋放前，不能被其他進(jìn)程所用。同時(shí)訪問(wèn)（如可重入代碼，磁盤(pán)文件）資源分配難以達(dá)到最優(yōu)化多個(gè)進(jìn)程共享有限的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配和使用。資源在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)交替被多個(gè)進(jìn)程所用。虛擬(virtual)CPU每個(gè)用戶（進(jìn)程）的虛處理機(jī)存儲(chǔ)器每個(gè)進(jìn)程都占有的地址空間（指令數(shù)據(jù)堆棧）顯示設(shè)備多窗口或虛擬終端(virtual terminal)一個(gè)物理實(shí)體映射為若干個(gè)對(duì)應(yīng)的邏輯實(shí)體分時(shí)或分空間。虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率。異步性(asynchronism)進(jìn)程的運(yùn)行速度不可預(yù)知：分時(shí)系統(tǒng)中，多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，時(shí)走時(shí)停，不可預(yù)知每個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行推

3、進(jìn)快慢判據(jù)：無(wú)論快慢，應(yīng)該結(jié)果相同通過(guò)進(jìn)程互斥和同步手段來(lái)保證難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)（包括重現(xiàn)運(yùn)行中的錯(cuò)誤）性能保證：實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)相似，但通過(guò)資源預(yù)留以保證性能也稱(chēng)不確定性，指進(jìn)程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時(shí)間的不確定性；1.4.2 操作系統(tǒng)的服務(wù)服務(wù)類(lèi)型程序執(zhí)行和終止（包括分配和回收資源）I/O操作文件系統(tǒng)操作通信：本機(jī)內(nèi)，計(jì)算機(jī)之間（通常通信服務(wù)的使用者為進(jìn)程，而不是籠統(tǒng)說(shuō)主機(jī)）配置管理：硬件、OS本身、其他軟件差錯(cuò)檢測(cè)服務(wù)提供方式：系統(tǒng)命令和系統(tǒng)調(diào)用1.4.3操作系統(tǒng)的功能1.4.3.1 處理機(jī)管理1.4.3.2 存儲(chǔ)管理1.4.3.3 設(shè)備管理1.4.3.4 信息管理1.4.3.5

4、用戶接口返回1.4.3.1 處理機(jī)管理進(jìn)程控制：創(chuàng)建、撤銷(xiāo)、掛起、改變運(yùn)行優(yōu)先級(jí)等主動(dòng)改變進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程同步：協(xié)調(diào)并發(fā)進(jìn)程之間的推進(jìn)步驟，以協(xié)調(diào)資源共享；交換信息能力弱進(jìn)程通信：進(jìn)程之間傳送數(shù)據(jù)，以協(xié)調(diào)進(jìn)程間的協(xié)作；交換信息能力強(qiáng)，也可以用來(lái)協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的推進(jìn)進(jìn)程調(diào)度：作業(yè)和進(jìn)程的運(yùn)行切換，以充分利用處理機(jī)資源和提高系統(tǒng)性能；未必是進(jìn)程控制操作所引起（可能是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)、I/O操作）同一類(lèi)型內(nèi)的公平性、高效率（吞吐量大）、作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間等完成處理機(jī)資源的分配調(diào)度等功能。處理機(jī)調(diào)度的單位可為進(jìn)程或線程。1.4.3.2 存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)分配與回收存儲(chǔ)保護(hù)：保證進(jìn)程間互不干擾、相互保密；如：訪問(wèn)合法性檢查、

5、甚至要防止從垃圾中竊取其他進(jìn)程的信息；地址映射（變換）：進(jìn)程邏輯地址到內(nèi)存物理地址的映射；內(nèi)存擴(kuò)充（覆蓋、交換和虛擬存儲(chǔ)）：提高內(nèi)存利用率、擴(kuò)大進(jìn)程的內(nèi)存空間；管理目標(biāo)：提高利用率、方便用戶使用、提供足夠的存儲(chǔ)空間、方便進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行。1.4.3.3 設(shè)備管理設(shè)備操作：利用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（通常在內(nèi)核中）完成對(duì)設(shè)備的操作。還需處理外設(shè)的IRQ。設(shè)備獨(dú)立性(device independence)：提供統(tǒng)一的I/O設(shè)備接口，使應(yīng)用程序獨(dú)立于物理設(shè)備，提高可適應(yīng)性；在同樣的接口和操作下完成不同的內(nèi)容（如FAX Modem作為Windows上的打印機(jī)設(shè)備）。設(shè)備分配與回收：在多用戶間共享I/O設(shè)備資源。虛

6、擬設(shè)備(virtual device)：設(shè)備由多個(gè)進(jìn)程共享，每個(gè)進(jìn)程如同獨(dú)占。緩沖區(qū)管理：匹配CPU和外設(shè)的速度，提高兩者的利用率（單緩沖區(qū)、雙緩沖區(qū)和公用緩沖區(qū)）設(shè)備管理的目標(biāo)是：方便的設(shè)備使用、提高CPU與I/O設(shè)備利用率；1.4.3.4 信息管理文件存儲(chǔ)空間管理：解決如何存放信息，以提高空間利用率和讀寫(xiě)性能。目錄管理：解決信息檢索問(wèn)題。文件的屬性（如文件名）、單一副本賦予多文件名文件的讀寫(xiě)管理和存取控制：解決信息安全問(wèn)題。系統(tǒng)設(shè)口令哪個(gè)用戶、用戶分類(lèi)哪個(gè)用戶組、文件權(quán)限針對(duì)用戶或用戶組的讀寫(xiě)權(quán)軟件管理：軟件的版本、相互依賴關(guān)系、安裝和拆除等解決軟件資源的存儲(chǔ)、共享、保密和保護(hù)。1.4.3

7、.5用戶接口系統(tǒng)命令：供用戶用于組織和控制自己的作業(yè)運(yùn)行。命令行、菜單式或GUI聯(lián)機(jī)；命令腳本脫機(jī)編程接口：供用戶程序和系統(tǒng)程序調(diào)用操作系統(tǒng)功能。系統(tǒng)調(diào)用和高級(jí)語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)；目標(biāo)：提供一個(gè)友好的用戶訪問(wèn)操作系統(tǒng)的接口。操作系統(tǒng)向上提供兩種接口：1.5操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 構(gòu)成計(jì)算機(jī)的基本硬件元素有4種：處理器、存儲(chǔ)器、I/O控制與總線、外部設(shè)備等，操作系統(tǒng)在硬件之上軟件之下，直接與硬件打交道 CPU中斷通道地址映射機(jī)制存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施1.5.1CPUCPU狀態(tài)CPU狀態(tài)的轉(zhuǎn)換CPU指令系統(tǒng)兩類(lèi)指令特權(quán)指令：允許操作系統(tǒng)使用,不允許一般用戶使用(如修改程序狀態(tài)字;設(shè)置中斷屏蔽；啟動(dòng)I/O設(shè)備;清內(nèi)存;設(shè)

8、置時(shí)鐘；停機(jī)等)非特權(quán)指令：一般用戶可用的CPU狀態(tài)：在PSW中專(zhuān)門(mén)設(shè)置一位，根據(jù)運(yùn)行程序使用指令的權(quán)限而設(shè)置PSW (Program Status Word )一個(gè)或一組寄存器:條件碼、狀態(tài)信息位允許中斷位管理(OS)/用戶態(tài)位CPU狀態(tài)：管態(tài)(特態(tài)，系統(tǒng)態(tài))：能執(zhí)行指令全集(包括特權(quán)，非特權(quán)指令),具有改變CPU狀態(tài)的能力,操作系統(tǒng)在管態(tài)下運(yùn)行目態(tài)(普態(tài))：只能執(zhí)行非特權(quán)指令,用戶程序在目態(tài)下運(yùn)行.(如果在目態(tài)下用戶執(zhí)行了特態(tài)指令,則產(chǎn)生中斷,由操作系統(tǒng)得到控制權(quán),而特權(quán)指令被停止.)（這兩種狀態(tài)時(shí)可轉(zhuǎn)換的）CPU狀態(tài)的轉(zhuǎn)換目態(tài)-管態(tài) 其轉(zhuǎn)換的唯一途徑是通過(guò)中斷管態(tài)-目態(tài) 可用設(shè)置PSW(

9、修改程序狀態(tài)字)可實(shí)現(xiàn)1.5.2中斷特點(diǎn):中斷系統(tǒng)的概念中斷概述中斷是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中基本設(shè)施之一，它起著通訊聯(lián)絡(luò)作用，協(xié)調(diào)系統(tǒng)對(duì)各種外部事件的響應(yīng)和處理。中斷是實(shí)現(xiàn)多道程序的必要條件。引入中斷的目的解決主機(jī)與外設(shè)的并行工作問(wèn)題提高可靠性實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)系實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制中斷定義：CPU對(duì)系統(tǒng)發(fā)生的某個(gè)事件作出的一種反應(yīng)：CPU暫停正在執(zhí)行的程序，保留現(xiàn)場(chǎng)后自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)事件的處理程序，處理完成后返回?cái)帱c(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行被打斷的程序。特點(diǎn): 1) 中斷隨機(jī)的 2) 中斷是可恢復(fù)的 3) 中斷是自動(dòng)處理的中斷系統(tǒng)的概念中斷由軟硬件協(xié)同處理中斷裝置：指發(fā)現(xiàn)中斷,響應(yīng)中斷的硬件中斷處理程序：由軟件來(lái)完成中斷系統(tǒng)=

10、中斷裝置+中斷處理程序1.5.3通道引入通道的目的 為了使CPU從I/O事務(wù)中解脫出來(lái), 同時(shí)為了提高CPU與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的并行度通道定義： 獨(dú)立于CPU的專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入/輸出傳輸工作的處理機(jī)，對(duì)外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，代替CPU對(duì)輸入/輸出操作進(jìn)行控制，從而使輸入/輸出操作可和CPU并行操作1.5.4地址映射機(jī)制同時(shí)有多個(gè)程序在內(nèi)存，程序在內(nèi)存的位置不是固定的而是隨機(jī)的存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施多用戶，多任務(wù)操作系統(tǒng)：OS給每個(gè)運(yùn)行進(jìn)程分配一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域問(wèn)題：多個(gè)程序同時(shí)在同一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行，怎樣才能互不侵犯？保護(hù)的目的：防止用戶程序破壞OS防止用戶程序互相干擾保護(hù)的硬件支持：為了保證軟件程序只影響程

11、序的內(nèi)部，硬件提供兩項(xiàng)功能地址轉(zhuǎn)換一對(duì)寄存器：基地址寄存器，限長(zhǎng)寄存器兩種狀態(tài)運(yùn)行地址轉(zhuǎn)換：地址空間： 一個(gè)程序可以訪問(wèn)的所有地址限制程序做什么可以通過(guò)限制它的訪問(wèn)達(dá)到兩種狀態(tài)運(yùn)行操作系統(tǒng)中：可以做任何事（核心態(tài)）用戶程序中：限制只能訪問(wèn)屬于它自己的空間（用戶態(tài)）劃分每一地址空間，使其行為不能造成破壞應(yīng)用程序標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)用戶態(tài)核心態(tài)可移植OS層依賴于機(jī)器OS的層硬件典型UNIX操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.6 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)資源管理的觀點(diǎn)： OS是計(jì)算機(jī)硬件、軟件資源的管理者.管理對(duì)象包括：CPU、存儲(chǔ)器、外部設(shè)備、信息（數(shù)據(jù)和軟件）；管理的內(nèi)容：資源的當(dāng)前狀態(tài)（數(shù)量和使用情況）、資源的分配、回收和訪問(wèn)操

12、作，相應(yīng)管理策略（包括用戶權(quán)限）。用戶界面的觀點(diǎn)：提供良好的、一致的用戶接口, 方便用戶使用軟/硬件系統(tǒng)資源。 系統(tǒng)命令（命令行、菜單式、命令腳本式、圖形用戶接口GUI）； 系統(tǒng)調(diào)用（形式上類(lèi)似于過(guò)程調(diào)用，在應(yīng)用編程中使用）。進(jìn)程管理的觀點(diǎn)：進(jìn)程管理貫穿于操作系統(tǒng)始終。1.7 常用的操作系統(tǒng)1 MS DOS2 MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 20003 UNIX4 LINUX返回1.7.1 UNIX1965年：MIT的Multics，由于規(guī)模和進(jìn)展而沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)；1969年：AT&T，PDP-11上的16位操作系統(tǒng)；1974年：U

13、NIX系統(tǒng)正式發(fā)表(第五版)，在大學(xué)得到使用和好評(píng)；1980年：University of California at Berkeley為VAX11發(fā)表BSD4.0；以后，UNIX就以AT&T和Berkeley為主分別開(kāi)發(fā)，有多種變種；1989年：UI (UNIX International)發(fā)表UNIX system V Res4.0；使BSD和System V在用戶界面上統(tǒng)一；1991年芬蘭大學(xué)生Linus Benedict Torralds開(kāi)發(fā)了第一個(gè)Linux版本。1994年：Linux 1.0，現(xiàn)在的最新內(nèi)核版本是2.6多用戶多任務(wù)，16/32/64位BSD, SVR4（模塊式結(jié)構(gòu)）

14、, OSF/1（微內(nèi)核結(jié)構(gòu)） UNIX的歷史UNIX系統(tǒng)：可運(yùn)行UNIX應(yīng)用軟件的操作系統(tǒng)。Bell實(shí)驗(yàn)室早期UNIX和C加州大學(xué)伯克利分校BSD4At&T的系統(tǒng)VHP-UXAIXSolarisSCO UNIXLinuxUNIX系統(tǒng)的特點(diǎn)字符用戶界面和圖形用戶界面GUI(X Window)。搶先式多任務(wù)，多線程。支持動(dòng)態(tài)鏈接。支持對(duì)稱(chēng)式多處理。虛擬存儲(chǔ)：段頁(yè)式，有存儲(chǔ)保護(hù)。文件系統(tǒng)：多級(jí)目錄，文件卷可以在子目錄下動(dòng)態(tài)裝卸。無(wú)文件屬性，可有別名。采用設(shè)備文件的形式（讀寫(xiě)，參數(shù)控制）。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序修改后需要重新編譯連接生成內(nèi)核。支持多種硬件平臺(tái)。易移植：主要代碼用C語(yǔ)言寫(xiě)成；變種很多，很難標(biāo)準(zhǔn)化。

15、LINUX系統(tǒng)的歷史和特點(diǎn)LINUX系統(tǒng)的歷史1984年,曾是比爾.蓋茨哈佛大學(xué)同學(xué)的Richard Stallman組織開(kāi)發(fā)了一個(gè)完全基于自由軟件的軟件體系計(jì)劃 GNU(GNU是GNU not UNIX 的遞歸縮寫(xiě)),并且擬定了一份通用公共許可證(GPL,General Public License) 保證任何人都有共享和修改自由軟件的自由,任何人都有權(quán)取得“修改和重新發(fā)布自由軟件的源代碼,并且規(guī)定在不增加附加費(fèi)用的條件下得到源代碼(基本發(fā)行費(fèi)用除外),這一規(guī)定保證了自由軟件總體費(fèi)用是低的,在使用Internet的情況下則是免費(fèi)的.LINUX系統(tǒng)的歷史和特點(diǎn)2. Linus Torvalds

16、 & Linux1991年作為大學(xué)生的Linus在學(xué)習(xí)Minix(Andrew Tanenbaum)時(shí)編寫(xiě)LINUX，并在Internet上以源代碼的方式發(fā)布。1991年，100人使用。1999年，1千萬(wàn)人使用。LINUX系統(tǒng)的特點(diǎn)與 UNIX兼容自由軟件和源碼公開(kāi)性能高和安全性強(qiáng)便于定制和再開(kāi)發(fā)互操作性高全面的多任務(wù)和真正的32位操作系統(tǒng)LINUX系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)LINUX系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)1.8 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)作為核心系統(tǒng)軟件，其內(nèi)部是怎樣構(gòu)造的？或者說(shuō)操作系統(tǒng)作為一個(gè)大程序，由眾多函數(shù)組成，它們按什么方式集合在一起？操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類(lèi) 整體式結(jié)構(gòu)層次式結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)客戶

17、服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類(lèi) 整體式結(jié)構(gòu)層次式結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)客戶服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)的整體式結(jié)構(gòu)又叫模塊組合法，早期操作系統(tǒng)(如IBM操作系統(tǒng))采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類(lèi) 整體式結(jié)構(gòu)層次式結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)客戶服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu)層次式結(jié)構(gòu)是把操作系統(tǒng)劃分為內(nèi)核和若干模塊（或進(jìn)程），這些模塊（或進(jìn)程）按功能的調(diào)用次序排列成若干層次，各層之間只能是單向依賴或單向調(diào)用關(guān)系，這樣不但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，而且不構(gòu)成循環(huán)。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類(lèi) 整體式結(jié)構(gòu)層次式結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)客戶服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu)物理計(jì)算機(jī)資源通過(guò)多重化和共享技術(shù)可

18、改變成多個(gè)虛擬機(jī)?；咀龇ǎ和ㄟ^(guò)用一類(lèi)物理設(shè)備來(lái)模擬另一類(lèi)物理設(shè)備，或通過(guò)分時(shí)地使用一類(lèi)物理設(shè)備，把一個(gè)物理實(shí)體改變成若干個(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物。物理實(shí)體是實(shí)際存在的，而邏輯上對(duì)應(yīng)物是虛幻、感覺(jué)上的。 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類(lèi) 客戶服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 客戶/服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的思想：將操作系統(tǒng)分成兩大部分， 一是進(jìn)程; 二是內(nèi)核。內(nèi)核是提供支持系統(tǒng)運(yùn)行的基本功能的一組程序模塊，有了內(nèi)核的支撐，進(jìn)程運(yùn)行環(huán)境得到改善，安全性得到保證，系統(tǒng)效率就能提高。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類(lèi) 客戶服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 客戶/服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的思想每個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)一類(lèi)服務(wù)，稱(chēng)服務(wù)器進(jìn)程(如文件服務(wù)

19、、進(jìn)程管理服務(wù)、存儲(chǔ)管理服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)等)。它的任務(wù)是檢查是否有客戶提出服務(wù)請(qǐng)求，如果有請(qǐng)求則在滿足客戶的要求后返回結(jié)果，于是，用戶進(jìn)程與服務(wù)器進(jìn)程形成了C/S關(guān)系。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類(lèi) 客戶服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 客戶/服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的思想內(nèi)核把該消息傳給服務(wù)器;服務(wù)器執(zhí)行相應(yīng)操作，再通過(guò)內(nèi)核用消息把結(jié)果返回給用戶。內(nèi)核只實(shí)現(xiàn)極少任務(wù)，主要起信息驗(yàn)證、交換的作用，因而，稱(chēng)微內(nèi)核(Microkernel)，這種結(jié)構(gòu)也就稱(chēng)為客戶/服務(wù)器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類(lèi) 客戶服務(wù)器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu)1） 分層結(jié)構(gòu)內(nèi)核2） 微內(nèi)核進(jìn)程管理硬件存儲(chǔ)管理設(shè)備管理文件管理作業(yè)管理內(nèi)核模式微內(nèi)核硬件客戶進(jìn)程安全服務(wù)虛存管理器文件服務(wù)器設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序用戶模式操作