操作系統(tǒng)-第一章 緒論

1、計算機操作系統(tǒng)教程(第2版)清華大學(xué)計算機系列教材張堯?qū)W 史美林 編著目標(biāo)與方向考研考博從事專業(yè)工作從事其它工作高數(shù)，離散數(shù)學(xué)，英語C程序設(shè)計，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計算機組成原理，操作系統(tǒng)，計算機網(wǎng)絡(luò)其它計算機課程程序設(shè)計（C等），數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，算法設(shè)計，軟件工程，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)+主流開發(fā)平臺 高數(shù)，離散數(shù)學(xué)其它計算機課程使用各種軟件使用各種軟件其它計算機課程1學(xué)習(xí)態(tài)度：“有用” “無用”？ 十二年中小學(xué)學(xué)習(xí) 直接 用多少 ？ % 潛移默化、 底線：考試及格，對的起父母！ 2做 最 好 的 自 己！3提問式教學(xué)為主: 考勤、考查、（促進(jìn)）考慮 三次曠課不得參與考試！ 教 與 學(xué)你知道那些操作系統(tǒng)（Operatin

2、g System,OS）？你認(rèn)為什么是OS或OS的功能是什么？學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)有什么用？ 從事其它工作的：管理學(xué)，全方位思考問題的習(xí)慣 從軟件開發(fā)的：軟件需求，全方位思考功能和性能 考研：記憶理解：功能需求、實現(xiàn)及高效 技術(shù)第1章 緒論1.1 操作系統(tǒng)概念1.2 操作系統(tǒng)的歷史1.3 操作系統(tǒng)的基本類型1.4 操作系統(tǒng)功能1.5 計算機硬件簡介1.6 算法的描述1.7 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點習(xí)題 計算機發(fā)展到今天，從個人計算機到巨型計算機系統(tǒng)，毫無例外都配置一種或多種操作系統(tǒng)。 什么是操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位，它具有什么樣的功能等，我們將在這一章作一簡要闡述。 為便于今后的學(xué)習(xí)，我們

3、要介紹一下操作系統(tǒng)的類型及其特點，研究操作系統(tǒng)的幾種觀點。最后，介紹幾種常用操作系統(tǒng)。1.1 操作系統(tǒng)概念1.1.1 什么是操作系統(tǒng) 計算機系統(tǒng)的組成？ 任何一個計算機系統(tǒng)都是由兩部分組成：計算機硬件和計算機軟件。 計算機硬件通常是由中央處理機（運算器和控制器）、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等部件組成。 計算機軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件如操作系統(tǒng)、多種語言處理程序( 匯編和編譯程序等 )、連接裝配程序、系統(tǒng)實用程序、多種工具軟件等; 應(yīng)用軟件為多種應(yīng)用目的而編制的程序。圖1.1 操作系統(tǒng)與硬件軟件的關(guān)系 沒有任何軟件支持的計算機稱為裸機，它僅僅構(gòu)成了計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而實際呈現(xiàn)在用

4、戶面前的計算機系統(tǒng)是經(jīng)過若干層軟件改造的計算機。圖1.1展示了這種情形。 因此，引入操作系統(tǒng)的目的可從三方面來考察: (1) 從系統(tǒng)管理人員的觀點來看： 引入操作系統(tǒng)是為了合理地組織計算機工作流程，管理和分配計算機系統(tǒng)硬件及軟件資源，使之能為多個用戶高效率地共享。因此，操作系統(tǒng)是計算機資源的管理者。 (2) 從用戶的觀點來看： 引入操作系統(tǒng)是為了給用戶使用計算機提供一個良好的界面，以使用戶無需了解許多有關(guān)硬件和系統(tǒng)軟件的細(xì)節(jié)，就能方便靈活地使用計算機。 (3) 從發(fā)展的觀點看： 引入操作系統(tǒng)是為了給計算機系統(tǒng)的功能擴展提供支撐平臺，使之在追加新的服務(wù)和功能時更加容易和不影響原有的服務(wù)與功能。

5、綜上所述，非形式地把操作系統(tǒng)定義為: 操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，它是這樣一些程序模塊的集合它們管理和控制計算機系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，合理地組織計算機工作流程，以便有效地利用這些資源為用戶提供一個功能強大、使用方便和可擴展的工作環(huán)境，從而在計算機與其用戶之間起到接口的作用。1.2 操作系統(tǒng)的歷史(1.3操作系統(tǒng)的類型) 由于操作系統(tǒng)歷來跟運行其上的計算機組成與體系結(jié)構(gòu)休戚與共，因此我們考察各代計算機，看看它們的操作系統(tǒng)是什么樣子，具有哪些功能和特征。人們通常按照器件工藝的演變把計算機發(fā)展過程分為四個階段。?1946年50年代末：第一代，電子管時代，無操作系統(tǒng)。50年代末60年代中期

6、：第二代，晶體管時代，批處理系統(tǒng)。60年代中期70年代中期：第三代，集成電路時代，多道程序設(shè)計。70年代中期至今：第四代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代，分時系統(tǒng)?，F(xiàn)代計算機正向著巨型、微型、并行、分布、網(wǎng)絡(luò)化和智能化幾個方面發(fā)展著。 適應(yīng)上述計算機發(fā)展過程，操作系統(tǒng)經(jīng)歷了如下的發(fā)展過程： 手工操作階段(無操作系統(tǒng))、 批處理、執(zhí)行系統(tǒng)、多道程序系統(tǒng)、 分時系統(tǒng)、 實時系統(tǒng)、 通用操作系統(tǒng)、 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、 分布式操作系統(tǒng)等。操作系統(tǒng)的基本類型 根據(jù)其使用環(huán)境和對作業(yè)處理方式，操作系統(tǒng)的基本類型有：(1) 批處理操作系統(tǒng)(batch processing operating system)(2)

7、 分時操作系統(tǒng)(time sharing operating system)(3) 實時操作系統(tǒng)(real time operating system)(4) 個人計算機操作系統(tǒng)(personal computer operating system)(5) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(network operating system)(6) 分布式操作系統(tǒng)(distributed operating system)1.2.1 手工操作階段 在第一代計算機時期，構(gòu)成計算機的主要元器件是電子管，計算機運算速度慢，沒有操作系統(tǒng)，甚至沒有任何軟件。 用戶直接用機器語言編制程序，并在上機時獨占全部計算機資源。上機完全

8、是手工操作：先把程序紙帶(或卡片)裝上輸入機，然后啟動輸入機把程序和數(shù)據(jù)送入計算機，接著通過控制臺開關(guān)啟動程序運行。計算完畢，打印機輸出計算結(jié)果，用戶取走并卸下紙帶(或卡片)。1.2.2 早期批處理(batch processing)單道批處理 50年代，計算機極其昂貴，計算機(CPU)的時間非常寶貴，盡可能提高CPU的利用率成為十分迫切的任務(wù)。 解決的途徑有兩個： 首先配備專門的計算機操作員，程序員不再直接操作機器，減少操作機器的錯誤。 另一個重要措施是進(jìn)行批處理，操作員把用戶提交的作業(yè)分類，把一批中的作業(yè)編成一個作業(yè)執(zhí)行序列。每一批作業(yè)將有專門編制的監(jiān)督程序(monitor)自動依次處理。

9、 早期的批處理可分為兩種方式。1. 聯(lián)機批處理 慢速的輸入輸出(I/O)設(shè)備是和主機直接相連。作業(yè)的執(zhí)行過程為:(1) 用戶提交作業(yè)： (2作業(yè)被作成穿孔紙帶或卡片);(3) 操作員有選擇地把若干作業(yè)合成一批，通過輸入設(shè)備(紙帶輸入機或讀卡機) 把它們存入磁帶;(4) 監(jiān)督程序讀入一個作業(yè)(若系統(tǒng)資源能滿足該作業(yè)要求);(5) 從磁帶調(diào)入?yún)R編程序或編譯程序，將用戶作業(yè)源程序翻譯成目標(biāo)代碼;(6) 連接裝配程序把編譯后的目標(biāo)代碼及所需的子程序裝配成一個可執(zhí)行程序;(7) 啟動執(zhí)行;(8) 執(zhí)行完畢，由善后處理程序輸出計算結(jié)果;(9) 再讀入一個作業(yè)，重復(fù)(5)(9)各步；(10) 一批作業(yè)完成，

10、返回到(3)，處理下一批作業(yè)。 問題:輸入輸出設(shè)備工作時,主機CPU仍處在停止等待狀態(tài)。這樣慢速的輸入輸出設(shè)備和快速主機之間仍處于串行工作，CPU的時間仍有很大的浪費。2. 脫機批處理 這種方式的顯著特征是增加一臺不與主機直接相連而專門用于與輸入輸出設(shè)備打交道的衛(wèi)星機。如圖1.2所示。圖1.2 早期脫機批處理模型 批處理仍有些缺點： 磁帶需人工拆裝，既麻煩又易出錯； 不能進(jìn)行人機交互； 而另一個更重要的問題是系統(tǒng)的保護(hù)。 誰來進(jìn)行系統(tǒng)的保護(hù)？ 單道批處理系統(tǒng)中有OS嗎？在監(jiān)督程序管理下的解題過程，如圖1.3所示。圖1.3 監(jiān)督程序管理下的解題過程 這時計算機系統(tǒng)運行的特征是單道順序地處理作業(yè)，

11、即用戶作業(yè)仍然是一道一道作業(yè)順序處理。 問題： 那么可能會出現(xiàn)兩種情況: 對于以計算為主的作業(yè)，輸入輸出量少，外圍設(shè)備空閑; 然而對于以輸入輸出為主的作業(yè)，又會造成主機空閑。 這樣總的來說，計算機資源使用效率仍然不高。因此操作系統(tǒng)進(jìn)入了多道程序階段:多道程序合理搭配交替運行，充分利用資源，提高效率。 20世紀(jì)60年代初期，硬件獲得了兩方面(即通道和中斷技術(shù))的進(jìn)展，導(dǎo)致操作系統(tǒng)進(jìn)入執(zhí)行系統(tǒng)階段。 通道是一種專用處理部件，它能控制一臺或多臺輸入輸出設(shè)備工作，負(fù)責(zé)輸入輸出設(shè)備與主存之間的信息傳輸。它一旦被啟動就能獨立于CPU運行，這樣可使CPU和通道并行操作，而且CPU和多種輸入輸出設(shè)備也能并行操

12、作。 中斷是指當(dāng)主機接到外部信號(如輸入輸出設(shè)備完成信號)時，馬上停止原來工作，轉(zhuǎn)去處理這一事件，處理完畢后，主機回到原來的斷點繼續(xù)工作。 硬件這兩方面的進(jìn)展，促使監(jiān)督程序常駐內(nèi)存，稱為執(zhí)行系統(tǒng)。 執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)的也是輸入輸出聯(lián)機操作，和早期批處理系統(tǒng)不同的是：輸入輸出工作是由在主機控制下的通道完成的。主機和通道、主機和輸入輸出設(shè)備都可以并行操作。 用戶程序的輸入輸出工作都是由系統(tǒng)執(zhí)行而沒有人工干預(yù)，由系統(tǒng)檢查其命令的合法性，以避免不合法的輸入輸出命令造成對系統(tǒng)的影響，從而提高系統(tǒng)的安全性。1.2.3 多道程序系統(tǒng) 上述批處理系統(tǒng)，每次只調(diào)用一個用戶作業(yè)程序進(jìn)入內(nèi)存并運行，稱為單道運行。 圖1.

13、4(a)給出了單道程序工作示例。 圖1.4(b)給出了多道程序工作示例。 在單處理機系統(tǒng)中，多道程序運行的特點是:(1) 多道：計算機內(nèi)存中同時存放幾道相互獨立的程序。(2) 宏觀上并行：同時進(jìn)入系統(tǒng)的幾道程序都處于運行過程中，即它們先后開始了各自的運行，但都未運行完畢。(3) 微觀上串行：實際上，各道程序輪流使用CPU，交替執(zhí)行。(a) 單道程序工作示例 (b) 多道程序工作示例 圖 1.4 多道程序系統(tǒng)中，要解決這樣一些技術(shù)問題： (1) 并行運行的程序要共享計算機系統(tǒng)的硬件和軟件資源，既有對資源的競爭，但又須相互同步。因此同步與互斥機制成為操作系統(tǒng)設(shè)計中的重要問題。 (2) 隨著多道程序

14、的增加，出現(xiàn)了內(nèi)存不夠用的問題，提高內(nèi)存的使用效率也成為關(guān)鍵。因此出現(xiàn)了諸如覆蓋技術(shù)、對換技術(shù)和虛擬存儲技術(shù)等內(nèi)存管理技術(shù)。 (3) 由于多道程序存在于內(nèi)存，為了保證系統(tǒng)程序存儲區(qū)和各用戶程序存儲區(qū)的安全可靠，提出了內(nèi)存保護(hù)的要求。 多道程序系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著在操作系統(tǒng)漸趨成熟的階段先后出現(xiàn)了作業(yè)調(diào)度管理、處理機管理、存儲器管理、外部設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理等功能。1.3.1 批處理操作系統(tǒng) 現(xiàn)代操作系統(tǒng)大都具有批處理功能。圖1.5給出了批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理步驟及狀態(tài)。圖1.5 批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理及狀態(tài)批處理系統(tǒng)的主要特征是：(1) 用戶脫機使用計算機。用戶提交作業(yè)之后直到獲得結(jié)果之前就不再和計

15、算機打交道。作業(yè)提交的方式可以是直接交給計算中心的管理操作員，也可以是通過遠(yuǎn)程通訊線路提交。提交的作業(yè)由系統(tǒng)外存收容成為后備作業(yè)。(2) 成批處理。操作員把用戶提交的作業(yè)分批進(jìn)行處理。每批中的作業(yè)將由操作系統(tǒng)或監(jiān)督程序負(fù)責(zé)作業(yè)間自動調(diào)度執(zhí)行。(3) 多道程序運行。按多道程序設(shè)計的調(diào)度原則，從一批后備作業(yè)中選取多道作業(yè)調(diào)入內(nèi)存并組織它們運行，成為多道批處理。 不要把多道程序系統(tǒng)和多重處理系統(tǒng)相混淆。一般講，多重處理系統(tǒng)配制多個CPU，因而能真正同時執(zhí)行多道程序。當(dāng)然，要想有效地使用多重處理系統(tǒng)，必須采用多道程序設(shè)計技術(shù)。反之不然，多道程序設(shè)計原則不一定要求有多重處理系統(tǒng)的支持。多重處理系統(tǒng)比起單

16、處理系統(tǒng)來說，雖增加了硬件設(shè)施，卻換來了提高系統(tǒng)吞吐量、可靠性、計算能力和并行處理能力等好處。1.2.4 分時操作系統(tǒng) 批處理方式下，用戶以脫機操作方式使用計算機，只有等該批作業(yè)處理結(jié)束，用戶才能得到計算結(jié)果。根據(jù)結(jié)果再作下一步處理。它的好處是計算機效率高，但缺點是交互性差。 20世紀(jì)60年代中期，計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展使這種追求成為可能。由于CPU速度不斷提高和采用分時技術(shù)，一臺計算機可同時連接多個用戶終端，而每個用戶可在自己的終端上聯(lián)機使用計算機，好像自己獨占機器一樣。 所謂分時技術(shù)，就是把處理機的運行時間分成很短的時間片，按時間片輪流把處理機分配給各聯(lián)機作業(yè)使用。若某個作業(yè)在分配給它

17、的時間片內(nèi)不能完成其計算，則該作業(yè)暫時中斷，把處理機讓給另一作業(yè)使用，等待下一輪時再繼續(xù)其運行。 由于計算機速度很快，作業(yè)運行輪轉(zhuǎn)得很快，給每個用戶的印象是好像他獨占了一臺計算機。而每個用戶可以通過自己終端向系統(tǒng)發(fā)出各種操作控制命令，完成作業(yè)的運行。 多用戶分時操作系統(tǒng)是當(dāng)今計算機操作系統(tǒng)中最普遍使用的一類操作系統(tǒng)。1.3.2 分時系統(tǒng) 分時系統(tǒng)一般采用時間片輪轉(zhuǎn)的方式，使一臺計算機為多個終端用戶服務(wù)。對每個用戶能保證足夠快的響應(yīng)時間，并提供交互會話能力。具有下述特點。(1) 交互性：(2) 多用戶同時性：多個用戶同時在自己的終端上上機，共享CPU和其他資源，充分發(fā)揮系統(tǒng)的效率。(3) 獨立性

18、：客觀效果上用戶彼此間感覺不到有別人也在使用該臺計算機，如同自己獨占計算機一樣。 分時操作系統(tǒng)是一個聯(lián)機的多用戶交互式的操作系統(tǒng)。UNIX是最流行的一種多用戶分時操作系統(tǒng)。1.2.5 實時操作系統(tǒng) 20世紀(jì)60年代中期計算機進(jìn)入第三代，計算機的性能和可靠性有了很大提高，造價亦大幅度下降，導(dǎo)致計算機應(yīng)用越來越廣泛。 計算機由于用于工業(yè)過程控制、軍事實時控制等形成了各種實時處理系統(tǒng)。針對實時處理的實時操作系統(tǒng)是以在允許時間范圍之內(nèi)做出響應(yīng)為特征的。其響應(yīng)時間要求在秒級、毫秒級甚至微秒級或更小。1.3.3 實時系統(tǒng) 實時系統(tǒng)主要隨著計算機應(yīng)用于實時控制和實時信息處理領(lǐng)域中而發(fā)展起來。 實時系統(tǒng)的主要

19、特點是提供即時響應(yīng)和高可靠性。系統(tǒng)必須保證對實時信息的分析和處理的速度比其進(jìn)入系統(tǒng)的速度要快，而且系統(tǒng)本身要安全可靠。實時系統(tǒng)往往具有一定的專用性。與批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)相比，實時系統(tǒng)的資源利用率可能較低。設(shè)計實時操作系統(tǒng)要考慮這樣一些因素：(1) 實時時鐘管理(定時處理和延時處理)。(2) 連續(xù)的人-機對話，這對實時控制往往是必須的。(3) 要求采取過載保護(hù)措施。例如對于短期過載，把輸入任務(wù)按一定的策略在緩沖區(qū)排隊，等待調(diào)度; 對于持續(xù)性過載，可能要拒絕某些任務(wù)的輸入; 在實時控制系統(tǒng)中，則及時處理某些任務(wù)，放棄某些任務(wù)或降低對某些任務(wù)的服務(wù)頻率。(4) 高度可靠性和安全性需采取冗余措施。雙

20、機系統(tǒng)前后臺工作，包括必要的保密措施等。 多道批處理系統(tǒng)和分時系統(tǒng)的不斷改進(jìn)、實時系統(tǒng)的出現(xiàn)及其應(yīng)用日益廣泛，致使操作系統(tǒng)日益完善。 在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了通用操作系統(tǒng)。它可以同時兼有多道批處理、分時、實時處理的功能，或其中兩種以上的功能。 通常把實時任務(wù)稱為前臺作業(yè)，批作業(yè)稱為后臺作業(yè)。在保證分時用戶的前提下，沒有分時用戶時可進(jìn)行批量作業(yè)的處理。1.2.6 通用操作系統(tǒng)請思考Windows是那一類？ 20世紀(jì)60年代中期開始，國際上開始研制大型通用操作系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在解決其可靠性、可維護(hù)性、可理解性和開放性等方面都遇到很大的困難。相比之下UNIX操作系統(tǒng)卻是一個例外。這是一個通用的多用戶分時交互

21、型的操作系統(tǒng)。 目前廣泛使用的各種工作站級的操作系統(tǒng)如SUN公司的Solaris，IBM公司的AIX等都是基于UNIX的操作系統(tǒng)。Windows系列操作系統(tǒng)，其主要原理也是基于UNIX系統(tǒng)的。linux系統(tǒng)也是從UNIX演變而成的。1.3.4 通用操作系統(tǒng) 批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實時系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的三種基本類型，在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了具有多種類型操作特征的操作系統(tǒng)，稱為通用操作系統(tǒng)。它可以同時兼有批處理、分時、實時處理和多重處理的功能，或其中兩種以上的功能。1.2.7 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展 進(jìn)入20世紀(jì)80年代，一方面迎來了個人計算機的時代，同時又向計算機網(wǎng)絡(luò)、分布式處理、巨型計算機和智能化方向發(fā)

22、展。操作系統(tǒng)有了進(jìn)一步的發(fā)展： 個人計算機上的操作系統(tǒng)，例如DOS系統(tǒng)。 嵌入式操作系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。 分布式操作系統(tǒng)。 智能化操作系統(tǒng)。 20世紀(jì)90年代后期，由于個人計算機硬件功能的急劇增加和用戶對安全性、網(wǎng)絡(luò)功能的要求增強，個人計算機操作系統(tǒng)也從DOS轉(zhuǎn)向了通用操作系統(tǒng)Windows系列和linux系列。1.3.5 個人計算機上的操作系統(tǒng) 個人計算機上的操作系統(tǒng)是一聯(lián)機的交互式的單用戶操作系統(tǒng)。它提供的聯(lián)機交互功能與通用分時系統(tǒng)所提供的很相似。 多媒體技術(shù)已迅速進(jìn)入微型計算機系統(tǒng)，它要求計算機具有高速信號處理、大容量的內(nèi)存和外存、大數(shù)據(jù)量寬頻帶傳輸?shù)饶芰?，能同時處理多個實時事件。單用

23、戶的程序稱為任務(wù)，現(xiàn)代OS要求有一個具有高速數(shù)據(jù)處理能力的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。 目前在個人計算機上使用的操作系統(tǒng)以Windows系列和linux系統(tǒng)為主。1.3.6 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 計算機網(wǎng)絡(luò)是通過通信設(shè)施將物理上分散的具有自治功能的多個計算機系統(tǒng)互連起來的，實現(xiàn)信息交換、資源共享、可互操作和協(xié)作處理的系統(tǒng)。它具有這樣的特征：(1) 計算機網(wǎng)絡(luò)是一個互連的計算機系統(tǒng)的群體。(2) 這些計算機是自治的，每臺計算機有自己的操作系統(tǒng)，各自獨立工作，它們在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制下協(xié)同工作。(3) 系統(tǒng)互連要通過通信設(shè)施(硬件、軟件)來實現(xiàn)。(4) 系統(tǒng)通過通信設(shè)施執(zhí)行信息交換、資源共享、互操作和協(xié)作處理， 實現(xiàn)多

24、種應(yīng)用要求。1.3.7 分布式操作系統(tǒng) 分布系統(tǒng)定義為通過通信網(wǎng)絡(luò)將物理上分布的具有自治功能的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)互連起來，實現(xiàn)信息交換和資源共享，協(xié)作完成任務(wù)。 其與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)明顯的區(qū)別應(yīng)予考慮：(1) 計算機網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)都遵循協(xié)議，而對于各種分布式系統(tǒng)并沒有制定標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。當(dāng)然，計算機網(wǎng)絡(luò)也可認(rèn)為是一種分布式系統(tǒng)。(2) 分布式系統(tǒng)要求一個統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)操作的統(tǒng)一性。(3) 分布式操作系統(tǒng)對用戶是透明的。但對計算機網(wǎng)絡(luò)，若一個計算機上的用戶希望使用另一臺計算機上的資源，則必須明確指明是哪臺計算機。(4) 分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)。分布式系統(tǒng)已不僅是一個物理上的松散耦合系統(tǒng)，同時

25、還是一個邏輯上緊密耦合的系統(tǒng)。(5) 分布式系統(tǒng)還處在研究階段。而計算機網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 另外，軟件構(gòu)件技術(shù)的發(fā)展也將加快分布式操作系統(tǒng)的實現(xiàn)。 當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)+分布式 網(wǎng)格計算、集群計算和云計算等新型技術(shù)，請大家關(guān)注！ 1.4 操作系統(tǒng)功能 下面我們從資源管理和用戶接口的觀點分五個方面來說明操作系統(tǒng)的基本功能?？?目 錄第1章 緒論第2章 操作系統(tǒng)用戶界面第3章 進(jìn)程管理第4章 處理機調(diào)度第5章 存儲管理第6章 進(jìn)程與存儲管理示例第7章 文件系統(tǒng)第8章 設(shè)備管理第9章 文件和設(shè)備管理示例第10章 面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)的設(shè)計1.4.1 處理機管理 在多道程序或多用戶的情況下，要組織多

26、個作業(yè)同時運行，就要解決對處理機分配調(diào)度策略、分配實施和資源回收等問題。這就是處理機管理功能。正是由于操作系統(tǒng)對處理機管理策略的不同，其提供的作業(yè)處理方式也就不同，例如成批處理方式、分時處理方式和實時處理方式。從而呈現(xiàn)在用戶面前，成為具有不同性質(zhì)功能的操作系統(tǒng)。1.4.2 存儲管理 存儲管理的主要工作是對內(nèi)部存儲器進(jìn)行分配、保護(hù)和擴充。(1) 內(nèi)存分配。如何分配內(nèi)存，以保證系統(tǒng)及各用戶程序的存儲區(qū)互不沖突。(2) 存儲保護(hù)。保證一道程序在執(zhí)行過程中不會有意或無意地破壞另一道程序，保證用戶程序不會破壞系統(tǒng)程序。(3) 內(nèi)存擴充。當(dāng)用戶作業(yè)所需要的內(nèi)存量超過計算機系統(tǒng)所提供的內(nèi)存容量時，把內(nèi)部存儲

27、器和外部存儲器結(jié)合起來管理，為用戶提供一個容量比實際內(nèi)存大得多的虛擬存儲器。1.4.3 設(shè)備管理(1) 通道、控制器、輸入輸出設(shè)備的分配和管理。設(shè)備管理的任務(wù)就是根據(jù)一定的分配策略，把通道、控制器和輸入輸出設(shè)備分配給請求輸入輸出操作的程序，并啟動設(shè)備完成實際的輸入輸出操作。為了盡可能發(fā)揮設(shè)備和主機的并行工作能力，常需要采用虛擬技術(shù)和緩沖技術(shù)。(2) 設(shè)備獨立性。輸入輸出設(shè)備種類很多，使用方法各不相同。設(shè)備管理應(yīng)為用戶提供一個良好的界面，而不必去涉及具體的設(shè)備特性，以使用戶能方便、靈活地使用這些設(shè)備。1.4.4 信息管理(文件系統(tǒng)管理) 上述三種管理是針對計算機的硬件資源的管理。信息管理(文件系

28、統(tǒng)管理) 是對系統(tǒng)的軟件資源的管理。 文件如不能很好管理，就會引起混亂，甚至遭受破壞。這就是管理信息文件需要解決的問題。 信息的共享、保密和保護(hù)，也是文件系統(tǒng)所要解決的。如果系統(tǒng)允許多個用戶協(xié)同工作，那么就應(yīng)該允許用戶共享信息文件。但這種共享應(yīng)該是受控制的，應(yīng)該有授權(quán)和保密機制。還要有一定的保護(hù)機制以免文件被非授權(quán)用戶調(diào)用和修改，即使在意外情況下，如系統(tǒng)失效、用戶對文件使用不當(dāng)，也能盡量保護(hù)信息免遭破壞。也就是說，系統(tǒng)是安全可靠的。1.4.5 用戶接口 前述的四項功能是操作系統(tǒng)對資源的管理。操作系統(tǒng)還為用戶提供一個友好的用戶接口。一般來說，操作系統(tǒng)提供兩種方式的接口來為用戶服務(wù)。 一種用戶接口

29、是程序一級的接口，即提供一組廣義指令(或稱系統(tǒng)調(diào)用、程序請求)供用戶程序和其他系統(tǒng)程序調(diào)用。當(dāng)這些程序要求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、文件操作或有其他資源要求時，通過這些廣義指令向操作系統(tǒng)提出申請，并由操作系統(tǒng)代為完成。 另一種接口是作業(yè)一級的接口，提供一組控制操作命令(或稱作業(yè)控制語言，或像UNIX中的Shell命令語言)供用戶去組織和控制自己作業(yè)的運行。作業(yè)控制方式分兩大類：脫機控制和聯(lián)機控制。操作系統(tǒng)提供脫機控制作業(yè)語言和聯(lián)機控制作業(yè)控制語言。1.5 計算機硬件簡介 如前所述，操作系統(tǒng)管理和控制計算機系統(tǒng)中所有軟硬件資源。同時，因操作系統(tǒng)是一個運行于硬件之上的系統(tǒng)軟件，我們還必須對操作系統(tǒng)運行的硬件環(huán)

30、境有所了解。本節(jié)簡要介紹計算機硬件系統(tǒng)。1.5.1 計算機的基本硬件元素 構(gòu)成計算機的基本硬件元素有以下4種：處理器、存儲器、輸入輸出控制與總線、外部設(shè)備等。這些基本元素的邏輯關(guān)系如圖1.6所示。圖1.6 計算機的基本硬件元素 處理器控制和執(zhí)行計算機的指令操作。一臺計算機中可以有多個處理器或單個處理器。本書主要討論單處理器的操作系統(tǒng)。單處理器也稱CPU。 存儲器用來儲存數(shù)據(jù)和程序。存儲器可分為內(nèi)存與外存，以及用于數(shù)據(jù)和程序暫時存儲用的緩沖器與高速緩存（cache）等。 輸入輸出控制器與緩沖主要用來控制和暫時存儲外部設(shè)備與計算機內(nèi)存之間交換的數(shù)據(jù)和程序。 外部設(shè)備范圍很廣。它們是獲取和輸出數(shù)據(jù)與

31、程序的基本單位，包括數(shù)字式設(shè)備和模擬式設(shè)備。不過，模擬式設(shè)備要通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后才能把模擬信號輸入到計算機，而計算機輸出的數(shù)字信號則要通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換之后才能在模擬設(shè)備上顯示或輸出。 計算機系統(tǒng)的各種設(shè)備通過總線互相連接?？偩€是連接計算機各部件的通信線路。計算機系統(tǒng)的總線有單總線和多總線之分。 單總線是指處理機、外部設(shè)備、存儲器等都連接在一起的總線結(jié)構(gòu)，而多總線則指把系統(tǒng)的CPU和內(nèi)存分開連接，外部設(shè)備和外存等也用其他總線分開連接進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)傳送的總線結(jié)構(gòu)。顯然，不同的總線結(jié)構(gòu)對操作系統(tǒng)的設(shè)計和性能有不同的影響。1.5.2 與操作系統(tǒng)相關(guān)的幾種主要寄存器 寄存器與操作系統(tǒng)密切相關(guān)，因為它們是在處

32、理機中交換數(shù)據(jù)的速度比內(nèi)存更快、體積也更小，而價格又更貴的暫存器件。 處理機中寄存的功能分為二類，即用戶可編程的寄存器以及控制與狀態(tài)寄存器。 機器語言或匯編語言的程序員可對用戶可編程寄存器進(jìn)行操作，以獲得更高的執(zhí)行效率等。 而控制與狀態(tài)寄存器則被用來對處理機的優(yōu)先級、保護(hù)模式或用戶程序執(zhí)行時的調(diào)用關(guān)系等進(jìn)行控制和操作。 一般來說，用戶可編程寄存器和控制與狀態(tài)寄存器之間沒有嚴(yán)格的區(qū)分和限制，在不同的系統(tǒng)中，寄存器的功能和作用可能不完全相同。典型的用戶可編程寄存器包括以下幾種：1. 數(shù)據(jù)寄存器 編程人員可以通過程序賦予數(shù)據(jù)寄存器眾多的功能。一般來說，對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的任何機器指令都被允許訪問數(shù)據(jù)寄存

33、器。不過，根據(jù)硬件設(shè)置的規(guī)定，這些寄存器也可能只被允許進(jìn)行浮點運算或被其他某些規(guī)定所限制。2. 地址寄存器 地址寄存器一般用來存放內(nèi)存中某個數(shù)據(jù)或指令的地址，或者存放某段數(shù)據(jù)與指令的入口地址以及被用來進(jìn)行更復(fù)雜的地址計算。下面幾種寄存器都可被認(rèn)為是地址寄存器：(1） 地址標(biāo)識位寄存器；(2） 內(nèi)存管理用各種始地址寄存器；(3） 堆棧指針；(4） 設(shè)備地址寄存器等。3. 條件碼寄存器 條件碼寄存器也稱標(biāo)志寄存器。條件碼寄存器的比特位由處理機硬件設(shè)置。典型的控制與狀態(tài)寄存器包括以下幾種：4. 程序計數(shù)器PC 程序計數(shù)器內(nèi)裝有下一周期被執(zhí)行指令的地址。5. 指令寄存器IR 指令寄存器內(nèi)裝有待執(zhí)行指令

34、。6. 程序狀態(tài)字PSW 程序狀態(tài)字寄存器的各個比特位代表系統(tǒng)中當(dāng)前的各種不同狀態(tài)與信息。如執(zhí)行模式是否允許中斷等。7. 中斷現(xiàn)場保護(hù)寄存器 如果系統(tǒng)允許不同類型的中斷存在，則會設(shè)置一組中斷現(xiàn)場保護(hù)寄存器以便保存被中斷程序的現(xiàn)場和鏈接中斷恢復(fù)處。8. 過程調(diào)用用堆棧 堆棧被用來存放過程調(diào)用時的調(diào)用名、調(diào)用參數(shù)、以及返回地址等。1.5.3 存儲器的訪問速度 硬件廠商提供有不同種類的存儲器件，這些存儲器件包括：可移動存儲介質(zhì)，例如光盤、磁盤和磁帶等；硬盤，磁盤緩存內(nèi)存，高速緩存以及寄存器等。 一般來說，容量越大的存儲介質(zhì)，訪問速度會越慢，但單位存儲的成本越低。例如，光盤和磁盤。反過來說，如果存儲介

35、質(zhì)的訪問速度越高，則它的成本也會越高，例如寄存器。 存儲器件的訪問速度與存儲量的大小的關(guān)系如圖1.7所示。 除了上述的寄存器與存儲介質(zhì)之外，與操作系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的硬件器件還有中斷機構(gòu)、輸入輸出設(shè)備控制部分，例如通道和DMA器件等。圖1.7 存儲介質(zhì)的訪問速度1.5.4 指令的執(zhí)行與中斷 計算機提供的最基本功能是執(zhí)行指令。任何應(yīng)用程序都只有通過指令的執(zhí)行才能得以完成。執(zhí)行指令的基本過程分為兩步，即處理機從內(nèi)存把指令讀入的過程和執(zhí)行的過程。其中，讀指令是根據(jù)程序計數(shù)器PC所指的地址讀入，而執(zhí)行的指令則是指令寄存器IR中的指令。 把指令的讀入和執(zhí)行過程稱為一個執(zhí)行周期。如圖1.8所示。圖1.8 指令的

36、執(zhí)行周期 指令的執(zhí)行涉及到處理機與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸，或者是處理機與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｖ噶畹膱?zhí)行也涉及到數(shù)據(jù)處理，例如算術(shù)運算或邏輯運算。另外，指令的執(zhí)行還可以是對其他指令的控制過程。 一條指令的執(zhí)行可以是上述幾種情況的組合。 另外，在指令的執(zhí)行過程中或一條指令執(zhí)行結(jié)束時，盡管指令地址計數(shù)器中已指明了下一條被訪問指令的地址，但是，外部設(shè)備或計算機內(nèi)部可能會發(fā)來亟須處理的數(shù)據(jù)或其他緊急事件處理信號。這就需要處理機暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)的緊急事件，待處理完畢后再返回原處繼續(xù)執(zhí)行，這一過程稱為中斷，如圖1.9所示。 中斷給操作系統(tǒng)設(shè)計帶來許多好處，首先使得實時處理許多緊急事件成為可

37、能；再者，中斷可以增加處理機的執(zhí)行效率；另外，中斷還可以簡化操作系統(tǒng)的程序設(shè)計。圖1.9 中斷執(zhí)行過程具有中斷處理時的指令執(zhí)行過程如圖1.10所示。圖1.10 中斷處理時的指令執(zhí)行周期 系統(tǒng)發(fā)生中斷時，處理機收到中斷信號，從而不能繼續(xù)執(zhí)行程序計數(shù)器中所指的原程序。這時處理機將保存當(dāng)前的執(zhí)行現(xiàn)場（也就是各寄存器中的值）并調(diào)用新的程序到處理機上執(zhí)行。1.6 算法的描述 操作系統(tǒng)設(shè)計和原理描述中涉及到許多算法。為了描述簡單起見，本書定義下述關(guān)鍵詞描述算法中有關(guān)過程。beginend 分別表示算法的開頭和結(jié)束。Repeat操作Until 條件表示當(dāng)“條件”未被滿足時重復(fù)所描述的“操作”。While 條件do操作od表示當(dāng)“條件”滿足時，進(jìn)行相應(yīng)的“操作”。關(guān)鍵詞“ do” 和“od”分別表示“操作”的開始和結(jié)束。If 條件Then操作Else操作fi表示滿足“if”所指的“