操作系統(tǒng)的基本概念

1、 第1章 操作系統(tǒng)的基本概念 1.0 本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1.1 什么是操作系統(tǒng) 1.2 為何需要操作系統(tǒng) 1.3 操作系統(tǒng)的功能 1.4 操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)1.5 研究操作系統(tǒng)的觀點(diǎn)1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境1.7 小結(jié) 11.0 本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 計(jì)算機(jī)發(fā)展到今天，從個(gè)人計(jì)算機(jī)到巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，毫無(wú)例外都配置一種或多種操作系統(tǒng)。如果要讓用戶去使用一臺(tái)沒(méi)有操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，那將是難以想象的。那么，什么是操作系統(tǒng)，為何需要操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中具有什么地位，它應(yīng)有什么樣的功能，等等，我們將在本章學(xué)習(xí)。本章學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、了解操作系統(tǒng)的基本類型。 2、掌握操作系統(tǒng)的功能。3、理解操作系統(tǒng)的組成。4、

2、了解操作系統(tǒng)的接口。21.1 什么是操作系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)=硬件+軟件裸機(jī)=未配置任何軟件的計(jì)算機(jī)用戶所用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)=經(jīng)過(guò)若干層軟件改造的系統(tǒng)操作系統(tǒng)（OS：Operating System）： 位于各種軟件的最底層它與硬件軟件的關(guān)系：見(jiàn)圖1.1： 3 應(yīng)用軟件層 系統(tǒng)軟件層 硬件層 圖1.1 操作系統(tǒng)的地位 用戶銀行系統(tǒng)、航空訂票系統(tǒng)、編譯軟件、編輯軟件、命令解釋程序操作系統(tǒng)裸機(jī)4 由圖中可看出，操作系統(tǒng)：是與計(jì)算機(jī)硬件關(guān)系最為密切的系統(tǒng)軟件， 是硬件的第一層軟件擴(kuò)充，其它軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)；是一些程序模塊的集合用于管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件和軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，有效地利用這些資

3、源為用戶提供一個(gè)功能強(qiáng)、使用方便的工作環(huán)境，從而在計(jì)算機(jī)與其用戶之間起到接口的作用；是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中必不可少的最重要的系統(tǒng)軟件。5課堂練習(xí)P21：二：1-5 6 1.2 為何需要操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)并不是與計(jì)算機(jī)硬件一起誕生的，它是在人們使用計(jì)算機(jī)的過(guò)程中，為了滿足兩大需求：提高資源利用率、增強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)本身及其應(yīng)用的日益發(fā)展，而逐步地形成和完善起來(lái)的。71.2.1 操作系統(tǒng)的發(fā)展史 手工操作批處理系統(tǒng)多道程序系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)通用操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展81.手工操作（無(wú)操作系統(tǒng)） 1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生-20世紀(jì)50年代中期： 未出現(xiàn)操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)工作采

4、用手工操作方式。其過(guò)程見(jiàn)圖1.2：9結(jié)果紙帶、卡片程序、數(shù)據(jù)輸入機(jī)計(jì)算機(jī)輸出機(jī)用戶圖1.2 手工操作計(jì)算機(jī)用戶（程序員）：將對(duì)應(yīng)于程序和數(shù)據(jù)的已穿孔的紙帶（或卡片）裝入輸入機(jī)啟動(dòng)輸入機(jī)把程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)存通過(guò)控制臺(tái)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)程序針對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)行計(jì)算完畢，打印機(jī)輸出計(jì)算結(jié)果用戶取走結(jié)果并卸下紙帶（或卡片）讓下一個(gè)用戶上機(jī)。10手工操作方式兩大特點(diǎn)：（1）用戶獨(dú)占全機(jī)。不會(huì)出現(xiàn)因資源已被其他用戶占用而等待的現(xiàn)象，但資源的利用率低。（2）CPU 等待手工操作。CPU的利用不充分。 20世紀(jì)50年代后期，出現(xiàn)人機(jī)矛盾：手工操作的慢速度和計(jì)算機(jī)的高速度之間形成了尖銳矛盾，手工操作方式已嚴(yán)重?fù)p害了系統(tǒng)資源

5、的利用率（使資源利用率降為百分之幾，甚至更低），不能容忍。唯一的解決辦法：只有擺脫人的手工操作，實(shí)現(xiàn)作業(yè)的自動(dòng)過(guò)渡。成批處理 112批處理系統(tǒng)批處理系統(tǒng)：加載在計(jì)算機(jī)上的一個(gè)系統(tǒng)軟件，在它的控制下，計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)地、成批地處理一個(gè)或多個(gè)用戶的作業(yè)。作業(yè)=程序+數(shù)據(jù)+命令。121）聯(lián)機(jī)批處理系統(tǒng)是首先出現(xiàn)的批處理系統(tǒng)，聯(lián)機(jī)：作業(yè)的輸入/輸出由CPU來(lái)處理。見(jiàn)圖1.3。13監(jiān)督程序 作業(yè)用戶結(jié)果紙帶、卡片 作業(yè)輸入機(jī)磁帶主機(jī)圖1.3 聯(lián)機(jī)批處理系統(tǒng)輸出機(jī)主機(jī)與輸入機(jī)之間增加一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備：磁帶，在運(yùn)行于主機(jī)上的監(jiān)督程序的自動(dòng)控制下，計(jì)算機(jī)可自動(dòng)完成：成批地把輸入機(jī)上的用戶作業(yè)讀入磁帶，依次把磁帶上的

6、用戶作業(yè)讀入主機(jī)內(nèi)存并執(zhí)行并把計(jì)算結(jié)果向輸出機(jī)輸出。完成了上一批作業(yè)后，監(jiān)督程序又從輸入機(jī)上輸入另一批作業(yè)， 保存在磁帶上，并按上述步驟重復(fù)處理。14優(yōu)：監(jiān)督程序不停地處理各個(gè)作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)了作業(yè)到作業(yè)的自動(dòng)轉(zhuǎn)接，減少了作業(yè)建立時(shí)間和手工操作時(shí)間，有效克服了人機(jī)矛盾，提高了計(jì)算機(jī)的利用率。缺：在作業(yè)輸入和結(jié)果輸出時(shí)，主機(jī)的高速CPU仍處于空閑狀態(tài)，等待慢速的輸入/輸出設(shè)備完成工作： 主機(jī)處于“忙等”狀態(tài)。改進(jìn)152）脫機(jī)批處理系統(tǒng) 為克服與緩解：高速主機(jī)與慢速外設(shè)的矛盾，提高CPU的利用率，又引入了脫機(jī)批處理系統(tǒng)，脫機(jī)：輸入/輸出脫離主機(jī)控制。如圖1.4所示。16增加一臺(tái)衛(wèi)星機(jī)：不與主機(jī)直接相

7、連而專門用于與輸入/輸出設(shè)備打交道。 其功能是：（1）從輸入機(jī)上讀取用戶作業(yè)并放到輸入磁帶上。（2）從輸出磁帶上讀取執(zhí)行結(jié)果并傳給輸出機(jī)。這樣，主機(jī)：不直接與慢速的輸入/輸出設(shè)備打交道，而與速度相對(duì)較快的磁帶機(jī)發(fā)生關(guān)系， 有效緩解了主機(jī)與設(shè)備的矛盾。主機(jī)與衛(wèi)星機(jī)可并行工作，二者分工明確，可以充分發(fā)揮主機(jī)的高速計(jì)算能力。監(jiān)督程序輸入機(jī)衛(wèi)星機(jī)輸出機(jī)高速磁帶高速磁帶主機(jī)圖1.4 脫機(jī)批處理系統(tǒng)17脫機(jī)批處理系統(tǒng):20世紀(jì)60年代應(yīng)用十分廣泛，優(yōu)：極大緩解了人機(jī)矛盾及主機(jī)與外設(shè)的矛盾。IBM-7090/7094：配備的監(jiān)督程序就是脫機(jī)批處理系統(tǒng)，是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的原型。缺：每次主機(jī)內(nèi)存中僅存放一道作業(yè)，

8、每當(dāng)它運(yùn)行期間發(fā)出輸入/輸出（I/O）請(qǐng)求后，高速的CPU便處于等待低速的I/O完成狀態(tài)，致使CPU空閑。為改善CPU的利用率，又引入了多道程序系統(tǒng)。183.多道程序系統(tǒng) 1）多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)所謂多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，就是：允許多個(gè)程序同時(shí)進(jìn)入內(nèi)存并運(yùn)行。即：同時(shí)把多個(gè)程序放入內(nèi)存，并允許它們交替在CPU中運(yùn)行，它們共享系統(tǒng)中的各種硬、軟件資源。當(dāng)一道程序因I/O請(qǐng)求而暫停運(yùn)行時(shí)，CPU便立即轉(zhuǎn)去運(yùn)行另一道程序。單道程序與多道程序的運(yùn)行過(guò)程如圖1.5和圖1.6所示。 19在A程序計(jì)算時(shí)，I/O空閑， A程序I/O操作時(shí)，CPU空閑（B程序也是同樣）；必須A工作完成后，B才能進(jìn)入內(nèi)存中開(kāi)始工作，兩者

9、是串行的，全部完成共需時(shí)間=T1+T2。改進(jìn)A程序計(jì)算 A I/O請(qǐng)求 A計(jì)算 B程序計(jì)算 B I/O請(qǐng)求 B計(jì)算 T1 T2A I/O操作 B I/O操作CPU工作I/O 工作圖1.5 單道程序工作示例20可將A、B兩道程序同時(shí)存放在內(nèi)存中，它們?cè)谙到y(tǒng)的控制下，可相互穿插、交替地在CPU上運(yùn)行：當(dāng)A程序因請(qǐng)求I/O操作而放棄CPU時(shí)，B程序就可占用CPU運(yùn)行，這樣： CPU不再空閑，而正進(jìn)行A I/O操作的I/O設(shè)備也不空閑，顯然，CPU和I/O設(shè)備都處于“忙”狀態(tài)，大大提高了資源的利用率，從而也提高了系統(tǒng)的效率, A、B全部完成所需時(shí)間T1+T2。 T2A I/O請(qǐng)求 B I/O請(qǐng)求 B

10、I/O操作A計(jì)算 B計(jì)算 A計(jì)算 B計(jì)算 T1 A I/O操作 CPU 工作圖1.6 多道程序工作示例21多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)：使CPU得到充分利用，改善I/O設(shè)備和內(nèi)存的利用率，提高了整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率和系統(tǒng)吞吐量（單位時(shí)間內(nèi)處理作業(yè)（程序）的個(gè)數(shù)）提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。單處理機(jī)系統(tǒng)中多道程序運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)：（1）多道：計(jì)算機(jī)內(nèi)存中同時(shí)存放幾道相互獨(dú)立的程序；（2）宏觀上并行：同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的幾道程序都處于運(yùn)行過(guò)程中，即它們先后開(kāi)始了各自的運(yùn)行，但都未運(yùn)行完畢；（3）微觀上串行：實(shí)際上，各道程序輪流地用CPU， 交替運(yùn)行。22多道程序系統(tǒng)的出現(xiàn)，標(biāo)志著操作系統(tǒng)漸趨成熟的階段，先后出現(xiàn)了:作業(yè)調(diào)度

11、管理、處理機(jī)管理、存儲(chǔ)器管理、外部設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、等功能。232）多道批處理系統(tǒng) 20世紀(jì)60年代中期，在前述的批處理系統(tǒng)中，引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)后形成多道批處理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：批處理系統(tǒng)）。兩個(gè)特點(diǎn)：（1）多道：系統(tǒng)內(nèi)可同時(shí)容納多個(gè)作業(yè)。這些作業(yè)放在外存中，組成一個(gè)后備隊(duì)列，系統(tǒng)按一定的調(diào)度原則每次從后備作業(yè)隊(duì)列中選取一個(gè)或多個(gè)作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行，運(yùn)行作業(yè)結(jié)束、退出運(yùn)行和后備作業(yè)進(jìn)入運(yùn)行均由系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，從而在系統(tǒng)中形成一個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)接的、連續(xù)的作業(yè)流。（2）成批：在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，不允許用戶與其作業(yè)發(fā)生交互作用，即：作業(yè)一旦進(jìn)入系統(tǒng)，用戶就不能直接干預(yù)其作業(yè)的運(yùn)行。24批處理系統(tǒng)的追求目標(biāo)：

12、提高系統(tǒng)資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，以及作業(yè)流程的自動(dòng)化。批處理系統(tǒng)的一個(gè)重要缺點(diǎn)：不提供人機(jī)交互能力，給用戶使用計(jì)算機(jī)帶來(lái)不便。25課堂練習(xí)P22：8-1426批處理系統(tǒng)的重要缺點(diǎn)：不提供人機(jī)交互能力，給用戶使用計(jì)算機(jī)帶來(lái)不便。用戶歡迎：手工操作階段的聯(lián)機(jī)工作方式。用戶獨(dú)占全機(jī)資源，并且直接控制程序的運(yùn)行，可以隨時(shí)了解程序運(yùn)行情況。但：這種工作方式因獨(dú)占全機(jī)造成資源效率極低。一種新的追求目標(biāo)：既能保證計(jì)算機(jī)效率，又能方便用戶使用計(jì)算機(jī)。 20世紀(jì)60年代中期，計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展使這種追求成為可能。274.分時(shí)系統(tǒng) 由于：CPU速度不斷提高、采用分時(shí)技術(shù)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)可同時(shí)連接多個(gè)用戶終端，

13、而每個(gè)用戶可在自己的終端上聯(lián)機(jī)使用計(jì)算機(jī)，好象自己獨(dú)占機(jī)器一樣。見(jiàn)圖1.7所示。28分時(shí)技術(shù)：把處理機(jī)的運(yùn)行時(shí)間分成很短的時(shí)間片，按時(shí)間片輪流把處理機(jī)分配給各聯(lián)機(jī)作業(yè)使用。若某個(gè)作業(yè)在分配給它的時(shí)間片內(nèi)不能完成其計(jì)算，則該作業(yè)暫時(shí)中斷，把處理機(jī)讓給另一作業(yè)使用，等待下一輪時(shí)再繼續(xù)其運(yùn)行。由于計(jì)算機(jī)速度很快，作業(yè)運(yùn)行輪轉(zhuǎn)得很快，給每個(gè)用戶的印象是，好象他獨(dú)占了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。而每個(gè)用戶可以通過(guò)自己的終端向系統(tǒng)發(fā)出各種操作控制命令，在充分的人機(jī)交互情況下，完成作業(yè)的運(yùn)行。 終端終端終端終端主機(jī)用戶用戶用戶用戶圖1.7 分時(shí)系統(tǒng)29具有上述特征的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為分時(shí)系統(tǒng)，其 允許多個(gè)用戶同時(shí)聯(lián)機(jī)使用計(jì)算機(jī)

14、。特點(diǎn)有4：（1）多路性。若干個(gè)用戶同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)。微觀上看是各用戶輪流使用計(jì)算機(jī)；宏觀上看是各用戶并行工作。（2）交互性。用戶可根據(jù)系統(tǒng)對(duì)請(qǐng)求的響應(yīng)結(jié)果，進(jìn)一步向系統(tǒng)提出新的請(qǐng)求。這種能使用戶與系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的工作方式，明顯地有別于批處理系統(tǒng)，因而，分時(shí)系統(tǒng)又被稱為交互式系統(tǒng)。30（3）獨(dú)立性。用戶之間可以相互獨(dú)立操作，互不干擾。系統(tǒng)保證各用戶程序運(yùn)行的完整性，不會(huì)發(fā)生相互混淆或破壞現(xiàn)象。（4）及時(shí)性。系統(tǒng)可對(duì)用戶的輸入及時(shí)作出響應(yīng)。分時(shí)系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)之一是響應(yīng)時(shí)間，它是指：從終端發(fā)出命令到系統(tǒng)予以應(yīng)答所需的時(shí)間。分時(shí)系統(tǒng)的主要目標(biāo)：對(duì)用戶響應(yīng)的及時(shí)性，即： 不至于用戶等待每一個(gè)命

15、令的處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。31分時(shí)系統(tǒng)：可以同時(shí)接納數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)用戶，由于內(nèi)存空間有限，往往采用對(duì)換（又稱交換）方式的存儲(chǔ)方法。即：將未“輪到”的作業(yè)放入磁盤(pán)，一旦“輪到”，再將其調(diào)入內(nèi)存；而時(shí)間片用完后，又將作業(yè)存回磁盤(pán)（俗稱“滾進(jìn)”、“滾出“法），使同一存儲(chǔ)區(qū)域輪流為多個(gè)用戶服務(wù)。多用戶分時(shí)系統(tǒng)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中最普遍使用的一類操作系統(tǒng)。32課堂練習(xí)P22：15-16P23：20-21 335.實(shí)時(shí)系統(tǒng) 多道批處理系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)：能獲得較令人滿意的資源利用率和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，不能滿足實(shí)時(shí)控制與實(shí)時(shí)信息處理兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的需求實(shí)時(shí)系統(tǒng)：系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件，并在嚴(yán)格的時(shí)間范圍內(nèi)完成

16、對(duì)該事件的處理。實(shí)時(shí)系統(tǒng)在一個(gè)特定的應(yīng)用中常作為一種控制設(shè)備來(lái)使用: 物理設(shè)備模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)狀態(tài)控制34 實(shí)時(shí)系統(tǒng)可分成兩類：（1）實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。當(dāng)用于飛機(jī)飛行、導(dǎo)彈發(fā)射等的自動(dòng)控制時(shí)，要求計(jì)算機(jī)能盡快處理測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，及時(shí)地對(duì)飛機(jī)或?qū)椷M(jìn)行控制，或?qū)⒂嘘P(guān)信息通過(guò)顯示終端提供給決策人員。當(dāng)用于軋鋼、石化等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制時(shí)，也要求計(jì)算機(jī)能及時(shí)處理由各類傳感器送來(lái)的數(shù)據(jù)，然后控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（2）實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)。當(dāng)用于預(yù)定飛機(jī)票、查詢有關(guān)航班、航線、票價(jià)等事宜時(shí)，或當(dāng)用于銀行系統(tǒng)、情報(bào)檢索系統(tǒng)時(shí)，都要求計(jì)算機(jī)能對(duì)終端設(shè)備發(fā)來(lái)的服務(wù)請(qǐng)求及時(shí)予以正確的回答。此類對(duì)響應(yīng)及時(shí)性的要求

17、稍弱于第一類。 35實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：（1）及時(shí)響應(yīng)。每一個(gè)信息接收、分析處理和發(fā)送的過(guò)程必須在嚴(yán)格的時(shí)間限制內(nèi)完成。（2）高可靠性。需采取冗余措施，雙機(jī)系統(tǒng)前后臺(tái)工作，也包括必要的保密措施等。36課堂練習(xí)P23：19、22 376.通用操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的三種基本類型：多道批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)。通用操作系統(tǒng)：具有多種類型操作特征的操作系統(tǒng)?？梢酝瑫r(shí)兼有多道批處理、分時(shí)、實(shí)時(shí)處理的功能，或其中兩種以上的功能。例如：實(shí)時(shí)處理+批處理=實(shí)時(shí)批處理系統(tǒng)。首先保證優(yōu)先處理實(shí)時(shí)任務(wù)，插空進(jìn)行批處理作業(yè)。常把實(shí)時(shí)任務(wù)稱為前臺(tái)作業(yè)，批作業(yè)稱為后臺(tái)作業(yè)。再如：批處理+分時(shí)處理=分時(shí)批處理系統(tǒng)。

18、即：時(shí)間要求不強(qiáng)的作業(yè)放入“后臺(tái)”（批處理）處理，需頻繁交互的作業(yè)在“前臺(tái)”（分時(shí)）處理，處理機(jī)優(yōu)先運(yùn)行“前臺(tái)”作業(yè)。38從上世紀(jì)60年代中期，國(guó)際上開(kāi)始研制一些大型的通用操作系統(tǒng)。這些系統(tǒng)試圖達(dá)到功能齊全、可適應(yīng)各種應(yīng)用范圍和操作方式變化多端的環(huán)境的目標(biāo)。但是，這些系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜和龐大，不僅付出了巨大的代價(jià)，且在解決其可靠性、可維護(hù)性和可理解性方面都遇到很大的困難。相比之下，UNIX操作系統(tǒng)卻是一個(gè)例外。這是一個(gè)通用的多用戶分時(shí)交互型的操作系統(tǒng)。它首先建立的是一個(gè)精干的核心，而其功能卻足以與許多大型的操作系統(tǒng)相媲美，在核心層以外，可以支持龐大的軟件系統(tǒng)。它很快得到應(yīng)用和推廣，并不斷完善，對(duì)現(xiàn)代

19、操作系統(tǒng)有著重大的影響。至此，操作系統(tǒng)的基本概念、功能、基本結(jié)構(gòu)和組成都已形成并漸趨完善。397.操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展 進(jìn)入20世紀(jì)80年代，大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)的飛躍發(fā)展，微處理機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，掀起了計(jì)算機(jī)大發(fā)展大普及的浪潮。一方面迎來(lái)了個(gè)人計(jì)算機(jī)的時(shí)代，同時(shí)又向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式處理、巨型計(jì)算機(jī)和智能化方向發(fā)展。于是，操作系統(tǒng)有了進(jìn)一步的發(fā)展，如：個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)等。40 1）個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 是聯(lián)機(jī)交互的單用戶操作系統(tǒng)，它提供的聯(lián)機(jī)交互功能與通用分時(shí)系統(tǒng)提供的功能很相似。由于是個(gè)人專用，因此一些功能會(huì)簡(jiǎn)單得多。然而，由于個(gè)人計(jì)算機(jī)的應(yīng)用普及，對(duì)于提供更

20、方便友好的用戶接口和豐富功能的文件系統(tǒng)的要求會(huì)愈來(lái)愈迫切。41計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：通過(guò)通信設(shè)施，將地理上分散的、具有自治功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息交換、資源共享、互操作和協(xié)作處理的系統(tǒng)。見(jiàn)圖1.8所示。 2）網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 個(gè)人計(jì)算機(jī) 服務(wù)器 工作站 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)圖1.8 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：在原來(lái)各自計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)上，按照網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的各個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)增加網(wǎng)絡(luò)管理模塊，其中包括：通信、資源共享、系統(tǒng)安全和各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)。42表面上看：分布式系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)沒(méi)有多大區(qū)別。分布式操作系統(tǒng)：也是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)，將地理上分散的具有自治功能的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息交換和資源共享

21、，協(xié)作完成任務(wù)。硬件連接相同。但有如下一些明顯的區(qū)別： 3）分布式操作系統(tǒng) 43（1）分布式系統(tǒng)要求一個(gè)統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作的統(tǒng)一性。（2）分布式操作系統(tǒng)管理分布式系統(tǒng)中的所有資源，它負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度、任務(wù)劃分、信息傳輸和控制協(xié)調(diào)工作，并為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的界面。（3）用戶通過(guò)這一界面，實(shí)現(xiàn)所需要的操作和使用系統(tǒng)資源，至于操作定在哪一臺(tái)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，或使用哪臺(tái)計(jì)算機(jī)的資源，則是操作系統(tǒng)完成的，用戶不必知道，此謂：系統(tǒng)的透明性。（4）分布式系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)分布式計(jì)算和處理，因此對(duì)于多機(jī)合作和系統(tǒng)重構(gòu)、堅(jiān)強(qiáng)性和容錯(cuò)能力有更高的要求，希望系統(tǒng)有：更短的響應(yīng)時(shí)間、高吞吐量和高可靠性。以上四

22、點(diǎn)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都沒(méi)有。44課堂練習(xí)P23：23-25 45通過(guò)回顧操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展史可知，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)有兩個(gè)重要的作用：1.2.2 操作系統(tǒng)的作用 46（1）管理系統(tǒng)中的各種資源。 資源= 硬件 (所有的硬件部件,如CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備） + 軟件 (程序和數(shù)據(jù)等信息) 。從微觀上看，使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) = 使用各種硬件資源和軟件資源。 特別在多道程序系統(tǒng)中:同時(shí)有多個(gè)程序在運(yùn)行， 它們?cè)趫?zhí)行的過(guò)程中可能會(huì)要求使用系統(tǒng)中的各種資源。操作系統(tǒng)= 資源的管理者和仲裁者，由它 負(fù)責(zé)：資源在各個(gè)程序之間的調(diào)度， 保證：系統(tǒng)中的各種資源得以有效利用。47（2）為用戶提供良好的界面

23、。使用戶：無(wú)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(jì)算機(jī)。因此，現(xiàn)代任何一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都必須配置一種或多種操作系統(tǒng)，才能正常高效地工作。48課堂練習(xí)P21：二：749由操作系統(tǒng)的發(fā)展史可知，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)形成了各種類型的操作系統(tǒng)，以滿足不同的應(yīng)用要求。根據(jù)操作系統(tǒng)使用環(huán)境和對(duì)作業(yè)處理方式來(lái)考慮，操作系統(tǒng)的基本類型有：（1）批處理操作系統(tǒng)（2）分時(shí)操作系統(tǒng)（3）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（4）個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（5）網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（6）分布式操作系統(tǒng)1.2.3 操作系統(tǒng)的類型50 20世紀(jì)80年代，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生微型計(jì)算機(jī)，配置在微機(jī)上的操作系統(tǒng)稱為微機(jī)

24、操作系統(tǒng)。由于微機(jī)應(yīng)用的普遍性廣泛性，特此對(duì)微機(jī)操作系統(tǒng)另作一分類：（1）單用戶單任務(wù)微機(jī)操作系統(tǒng)（2）單用戶多任務(wù)微機(jī)操作系統(tǒng)（3）多用戶多任務(wù)微機(jī)操作系統(tǒng) 51這種操作系統(tǒng)管理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，每次僅允許一個(gè)用戶使用，且只允許用戶程序作為一個(gè)任務(wù)運(yùn)行。（1）CP/M：1975年，Digital Research公司，Intel 8080、8085、Z80芯片，是事實(shí)上的8位微機(jī)操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。（2）MS-DOS：1981年，Microsoft（微軟）公司，Intel 8086/8088芯片為基礎(chǔ)的IBM-PC，是事實(shí)上的16位微機(jī)單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。1）單用戶單任務(wù)微機(jī)操作系統(tǒng) 52這種操

25、作系統(tǒng)管理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，每次僅允許一個(gè)用戶使用，但允許將一個(gè)用戶程序分為若干個(gè)任務(wù)，使它們并發(fā)執(zhí)行，從而有效改善系統(tǒng)性能。（1）OS/2：1987年，IBM公司，以Intel 80286/80386/80486芯片為基礎(chǔ)的PS/2，16/32位微機(jī)操作系統(tǒng)。真正的多任務(wù)處理，允許16個(gè)任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。（2）Windows系列：1990年：Windows3.0，微軟公司，圖形用戶界面、支持多任務(wù)。1992年：Windows3.1 ；1995年：Windows 95；1998年：Windows 98；2000年：Windows ME，32位多任務(wù)操作系統(tǒng)主流。2）單用戶多任務(wù)微機(jī)操作系統(tǒng) 53允許多

26、個(gè)用戶通過(guò)各自的終端，使用同一臺(tái)主機(jī)，共享主機(jī)系統(tǒng)中的各類資源，而每個(gè)用戶程序又可進(jìn)一步分為若干個(gè)任務(wù)，使它們并發(fā)執(zhí)行，從而進(jìn)一步提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。在大、中、小微型計(jì)算機(jī)上都可配置。（1）UNIX：1969年，美國(guó)電報(bào)電話公司的貝爾實(shí)驗(yàn)室，DEC公司PDP小型機(jī)，微機(jī)。目前唯一能在微機(jī)、工作站、小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)上都能運(yùn)行，當(dāng)今世界最流行的多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)。變種繁多：Xenix、Linux、Minux，等等。3）多用戶多任務(wù)微機(jī)操作系統(tǒng) 54（2）Windows系列：1993年：微軟公司，Windows NT，32位多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)，很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)支持功能。2000年：Win

27、dows 2000，2001年：Windows XP， 2003年：Windows 2003。55 課堂練習(xí) P23：17-18P24：26 56綜合前述各種不同的操作系統(tǒng)，可總結(jié)出，現(xiàn)代操作系統(tǒng)都有以下兩個(gè)特征。1.并發(fā)性在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中同時(shí)存在有多個(gè)程序，宏觀上看，這些程序是同時(shí)向前推進(jìn)的。實(shí)際上，在單CPU環(huán)境下，這些并發(fā)執(zhí)行的程序是交替在CPU上運(yùn)行的。程序的并發(fā)性具體體現(xiàn)在兩個(gè)方面： 用戶程序與用戶程序之間并發(fā)執(zhí)行； 用戶程序與操作系統(tǒng)程序之間并發(fā)執(zhí)行。1.2.4 操作系統(tǒng)的特征 572.共享性操作系統(tǒng)程序與多個(gè)用戶程序共用系統(tǒng)中的各種資源，這種共享是在操作系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)的。并發(fā)和共享

28、是操作系統(tǒng)的兩個(gè)最基本的特征，它們互為存在條件:首先，資源共享是以程序的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，也就不存在資源共享問(wèn)題；另一方面，若系統(tǒng)不能對(duì)資源共享實(shí)施有效管理， 則程序的并發(fā)執(zhí)行也不能順利實(shí)現(xiàn)。58課堂練習(xí)P24：30 59如前所述，操作系統(tǒng)的職能是：管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的所有硬、軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，并為用戶提供一個(gè)良好的工作環(huán)境和友好的接口。已知，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要硬件資源有：處理機(jī)（CPU）、存儲(chǔ)器（內(nèi)存）、輸入/輸出設(shè)備（包括外存儲(chǔ)器）；軟件資源往往以文件的形式存在外存儲(chǔ)器。因此，為正常履行職能，操作系統(tǒng)必須具有以下五方面的基本功能。1.3 操作系

29、統(tǒng)的功能 60主要是對(duì)處理機(jī)(CPU)進(jìn)行管理。主要任務(wù)是：對(duì)處理機(jī)的分配和運(yùn)行實(shí)施有效的管理。在多道程序環(huán)境下，處理機(jī)的分配和運(yùn)行又都是以進(jìn)程為單位的，因此，對(duì)處理機(jī)的管理可歸納為對(duì)進(jìn)程的管理（詳見(jiàn)第3章）。由于操作系統(tǒng)對(duì)處理機(jī)管理策略的不同，其提供的作業(yè)處理方式也就不同，例如：批處理方式、分時(shí)處理方式、實(shí)時(shí)處理方式，從而，呈現(xiàn)在用戶面前的就是具有不同性質(zhì)的操作系統(tǒng)。1.3.1 進(jìn)程管理61主要是管理內(nèi)存資源。存儲(chǔ)管理的主要任務(wù)是：對(duì)內(nèi)存進(jìn)行分配、保護(hù)和擴(kuò)充。內(nèi)存需求量大但容量有限,當(dāng)多個(gè)程序共享有限的內(nèi)存資源時(shí)，要解決：如何為它們分配內(nèi)存空間，同時(shí)使用戶存放在內(nèi)存中的程序和數(shù)據(jù)彼此隔離、互

30、不侵?jǐn)_，又能保證在一定條件下共享。當(dāng)內(nèi)存不夠用時(shí)，需解決內(nèi)存擴(kuò)充問(wèn)題，即：將內(nèi)存和外存結(jié)合起來(lái)管理，為用戶提供一個(gè)容量比實(shí)際內(nèi)存大得多的虛擬存儲(chǔ)器（詳見(jiàn)第4章）。這部分功能與硬件存儲(chǔ)器的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。1.3.2 存儲(chǔ)管理 62對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除了CPU和內(nèi)存以外的所有輸入、輸出設(shè)備（統(tǒng)稱外部設(shè)備）的管理。外部設(shè)備的種類繁多、功能差異很大。設(shè)備管理負(fù)責(zé)外部設(shè)備的分配、啟動(dòng)和故障處理。為提高設(shè)備的使用效率和整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度，可采用中斷技術(shù)、通道技術(shù)、虛擬設(shè)備技術(shù)和緩沖技術(shù)（詳見(jiàn)第5章）。此外，設(shè)備管理應(yīng)為用戶提供一個(gè)良好的界面，使用戶不必涉及具體的設(shè)備物理特性，不必詳細(xì)了解設(shè)備及接口的技術(shù)細(xì)節(jié)

31、，就可方便靈活地使用這些設(shè)備。1.3.3 設(shè)備管理 63系統(tǒng)中的信息資源（如程序和數(shù)據(jù)）是以文件的形式存放在外存儲(chǔ)器（如磁盤(pán)、磁帶）上的，需要時(shí)再把它們裝入內(nèi)存。文件管理的任務(wù)是：有效地支持文件的存儲(chǔ)、檢索和修改等操作，解決文件的共享、保密和保護(hù)問(wèn)題，以使用戶方便、安全地訪問(wèn)文件（詳見(jiàn)第6章）。操作系統(tǒng)一般都提供很強(qiáng)的文件系統(tǒng)。1.3.4 文件管理 64除了上述四項(xiàng)功能之外，操作系統(tǒng)還應(yīng)該向用戶提供使用操作系統(tǒng)的手段，這就是操作系統(tǒng)的作業(yè)管理功能。按照用戶觀點(diǎn)，操作系統(tǒng)是：用戶與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的接口。因此，作業(yè)管理的任務(wù)是：為用戶提供一個(gè)使用系統(tǒng)的良好環(huán)境，使用戶能有效地組織自己的工作流程，并

32、使整個(gè)系統(tǒng)能高效地運(yùn)行（詳見(jiàn)第2章）。1.3.5 作業(yè)管理65除上述5項(xiàng)基本功能之外，操作系統(tǒng)還要具備中斷處理、錯(cuò)誤處理等功能。操作系統(tǒng)的各功能之間并非是完全獨(dú)立的，它們之間存在著相互依賴的關(guān)系。66課堂練習(xí)P24：27-28 67近年來(lái)，大型軟件都是采用層次結(jié)構(gòu)，也就是，將一個(gè)軟件內(nèi)部分為若干個(gè)邏輯層次，各層次之間具有單項(xiàng)依賴關(guān)系，即：高層依賴于低層（高層中的程序調(diào)用低層中的程序），而低層不依賴于高層（低層中的程序?yàn)楦邔又械某绦蛱峁┓?wù)），由此形成了層次結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)。見(jiàn)圖1.9所示。1.4 操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu) 68用戶接口（作業(yè)接口、程序接口）對(duì)對(duì)象操縱和管理的軟件集合（處理機(jī)管理軟件、存

33、儲(chǔ)器管理軟件、設(shè)備管理軟件、文件管理軟件）操作系統(tǒng)對(duì)象（處理機(jī)、存儲(chǔ)器、設(shè)備、文件）圖1.9 操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu) 用戶69即:操作系統(tǒng)操縱和管理的硬件和軟件資源，含：一個(gè)或多個(gè)處理機(jī)、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、各類I/O設(shè)備、各類文件。這部分不屬于操作系統(tǒng)本身。1.4.1 操作系統(tǒng)對(duì)象 70是操作系統(tǒng)的核心部件，集中反映了操作系統(tǒng)的功能。其中各部分軟件的層次關(guān)系見(jiàn)圖1.10所示。1.4.2 對(duì)對(duì)象操縱和管理的軟件集合 第5層：文件管理（文件建立、刪除、打開(kāi)） 第4層：設(shè)備管理（設(shè)備分配、設(shè)備處理程序）第3層：高級(jí)進(jìn)程管理（進(jìn)程控制：創(chuàng)建、撤消、通信） 第2層：存儲(chǔ)器管理（存儲(chǔ)分配、釋放） 第1層：低級(jí)進(jìn)程管

34、理（進(jìn)程調(diào)度、P-V操作、時(shí)鐘管理） 圖1.10 一個(gè)操作系統(tǒng)的簡(jiǎn)略分層結(jié)構(gòu)圖71屬于操作系統(tǒng)的作業(yè)管理功能，反映了操作系統(tǒng)向用戶提供的服務(wù)方式。這些服務(wù)主要分為：（1）作業(yè)接口：這是用戶與操作系統(tǒng)直接的接口。用戶可以直接從鍵盤(pán)等終端設(shè)備輸入命令等，來(lái)取得操作系統(tǒng)的服務(wù)。（2）程序接口：這是應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)的接口。用戶通過(guò)在程序中安排系統(tǒng)調(diào)用指令，讓程序取得操作系統(tǒng)的服務(wù)。1.4.3 用戶接口 72課堂練習(xí)P24：31、33、34 73操作系統(tǒng)是一個(gè)大型軟件系統(tǒng)，對(duì)它的分析、設(shè)計(jì)等都是一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題。為此，長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，提出了各種觀點(diǎn)，試圖給出一種系統(tǒng)方法，以

35、利于研究、剖析和設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)的功能、組成部分、工作過(guò)程以及體系結(jié)構(gòu)。研究操作系統(tǒng)可以有不同的觀點(diǎn)，以下介紹三種觀點(diǎn)。 它們雖各有特色，但彼此并不矛盾，它們代表了對(duì)同一事物（操作系統(tǒng)）的不同看法，而每種看法能從不同角度加深對(duì)操作系統(tǒng)的分析和理解。 1.5 研究操作系統(tǒng)的觀點(diǎn) 74由此觀點(diǎn)來(lái)看，操作系統(tǒng)的管理對(duì)象是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的資源，操作系統(tǒng)則是：管理系統(tǒng)資源的程序集合，根據(jù)資源類別來(lái)考慮操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。它在共享的前提下，以資源分配、使用和回收為出發(fā)點(diǎn)，考慮操作系統(tǒng)各部分程序的功能和算法，解決并發(fā)環(huán)境中的資源管理問(wèn)題。1.5.1 資源管理觀點(diǎn)75通常把操作系統(tǒng)分為處理機(jī)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文

36、件管理、作業(yè)管理等五個(gè)主要部分，由這幾部分程序的協(xié)調(diào)配合運(yùn)行來(lái)完成用戶的作業(yè)要求。雖然操作系統(tǒng)所管理的各類資源的性質(zhì)各不相同，但所需要解決的問(wèn)題以及資源管理的策略又都具有類似之處。因此，每種資源管理模塊都要研究以下幾方面的內(nèi)容：76（1）記住資源的使用狀態(tài)。記住哪些資源處于空閑，哪些資源已被使用和被誰(shuí)使用等。（2）確定資源的分配策略。根據(jù)各類資源的不同特點(diǎn)，確定一組原則，以決定如何進(jìn)行資源的分配和調(diào)度。（3）執(zhí)行資源的分配。根據(jù)用戶的要求和資源分配策略，具體執(zhí)行資源的分配工作。（4）回收資源。當(dāng)某些用戶作業(yè)已不再需要某種資源時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)回收資源，以便重新分配給其它的作業(yè)使用。77這種觀點(diǎn)認(rèn)為操

37、作系統(tǒng)是：由若干個(gè)可以同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行的程序和一個(gè)對(duì)這些程序進(jìn)行協(xié)調(diào)的核心所組成，這些同時(shí)運(yùn)行的程序稱為進(jìn)程。每個(gè)進(jìn)程都完成某一特定任務(wù)；而操作系統(tǒng)的核心則控制和協(xié)調(diào)這些進(jìn)程的運(yùn)行，解決進(jìn)程之間的通信。通常，進(jìn)程可以分為用戶進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)程兩大類，由這兩類進(jìn)程在核心控制下的協(xié)調(diào)運(yùn)行，來(lái)完成用戶的作業(yè)要求。1.5.2 進(jìn)程觀點(diǎn) 78從服務(wù)用戶的機(jī)器擴(kuò)充的觀點(diǎn)來(lái)看，操作系統(tǒng)為用戶使用計(jì)算機(jī)提供了許多服務(wù)功能和良好的工作環(huán)境。用戶不再直接使用硬件機(jī)器（稱為：裸機(jī)），而是通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)控制和使用計(jì)算機(jī)，從而把計(jì)算機(jī)擴(kuò)充為功能更強(qiáng)、使用更方便的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（稱為：虛擬計(jì)算機(jī)）。操作系統(tǒng)的全部功能，如系統(tǒng)調(diào)用、命

38、令、作業(yè)控制語(yǔ)言等，稱為操作系統(tǒng)虛機(jī)器。1.5.3 虛機(jī)器觀點(diǎn) 79虛機(jī)器觀點(diǎn)從功能分解的角度出發(fā)，考慮操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將操作系統(tǒng)分成若干個(gè)層次，每一層次完成特定的功能，從而構(gòu)成一個(gè)虛機(jī)器，并為上一層次提供支持，構(gòu)成它的運(yùn)行環(huán)境。通過(guò)逐個(gè)層次的功能擴(kuò)充，最終完成操作系統(tǒng)虛機(jī)器，從而向用戶提供全套的服務(wù)，完成用戶的作業(yè)要求。80課堂練習(xí)P25：38-39 81已知，操作系統(tǒng)是對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的第一次擴(kuò)充，它直接與硬件打交道。因此，硬件是構(gòu)造操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，硬件對(duì)操作系統(tǒng)的構(gòu)造提供必要的支持。通常，操作系統(tǒng)所涉及的硬件環(huán)境主要包括以下六個(gè)方面。1.6 操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境 821.特權(quán)指令和非特權(quán)指令每

39、臺(tái)計(jì)算機(jī)都有自己的指令系統(tǒng)。在多道程序設(shè)計(jì)環(huán)境中，為了保證系統(tǒng)安全，將指令系統(tǒng)中的指令分成兩部分：特權(quán)指令和非特權(quán)指令。1.6.1 特權(quán)指令與處理機(jī)狀態(tài) 83（1）特權(quán)指令只允許操作系統(tǒng)使用，不允許一般用戶使用的指令。如：修改程序狀態(tài)字、設(shè)置中斷屏蔽、啟動(dòng)設(shè)備執(zhí)行I/O操作、設(shè)置時(shí)鐘、置中斷向量、清內(nèi)存、停機(jī)等。這些指令如果允許用戶隨便使用，就可能使系統(tǒng)陷入混亂。（2）非特權(quán)指令特權(quán)指令之外的指令，它們的執(zhí)行不影響其他用戶以及系統(tǒng)，如：算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、取數(shù)、存數(shù)指令、訪管指令等。842.CPU狀態(tài) CPU交替執(zhí)行操作系統(tǒng)程序和用戶程序。在執(zhí)行不同程序時(shí)，根據(jù)運(yùn)行程序?qū)C(jī)器指令的使用

40、權(quán)限，而將CPU置為不同的狀態(tài)。大多數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將CPU執(zhí)行狀態(tài)劃分為管態(tài)和目態(tài)。（1）管態(tài)又稱:特權(quán)狀態(tài)、系統(tǒng)態(tài)或核心態(tài)。 CPU在管態(tài)下可以執(zhí)行指令系統(tǒng)的全集。通常，操作系統(tǒng)在管態(tài)下運(yùn)行。85（2）目態(tài)又稱:常態(tài)或用戶態(tài)。機(jī)器處于目態(tài)時(shí)，程序只能執(zhí)行非特權(quán)指令。用戶程序只能在目態(tài)下運(yùn)行，如果用戶程序在目態(tài)下執(zhí)行了特權(quán)指令，硬件將產(chǎn)生中斷，由操作系統(tǒng)獲得控制，特權(quán)指令的執(zhí)行被制止，這樣便可防止用戶程序有意或無(wú)意地破壞系統(tǒng)。 CPU的狀態(tài)表示屬于程序狀態(tài)字PSW的一位。86（3）處理機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，處理機(jī)狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化著，即：時(shí)而運(yùn)行于目態(tài)，時(shí)而運(yùn)行于管態(tài)。從目態(tài)轉(zhuǎn)換為管態(tài)的唯一途徑是

41、中斷，中斷發(fā)生時(shí)，新的中斷向量中的PSW應(yīng)表明CPU狀態(tài)處于管態(tài)。從管態(tài)到目態(tài)的轉(zhuǎn)換可通過(guò)修改程序狀態(tài)字來(lái)實(shí)現(xiàn)，這將伴隨著由操作系統(tǒng)程序到用戶程序的轉(zhuǎn)換。87中斷機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的基本設(shè)施之一，它在系統(tǒng)中起著通信聯(lián)絡(luò)作用，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)對(duì)各種外部事件的響應(yīng)和處理。中斷是與進(jìn)程管理密切相關(guān)的，確切地說(shuō)，中斷是實(shí)現(xiàn)多道程序設(shè)計(jì)的必要條件，有了中斷，操作系統(tǒng)才可以獲得系統(tǒng)的控制權(quán)，將CPU資源分派給不同的進(jìn)程。1.6.2 中斷機(jī)構(gòu) 881.中斷概念所謂中斷，是指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)的處理程序，處理完該事件后，再返回?cái)帱c(diǎn)繼續(xù)

42、執(zhí)行被“打斷”的程序。圖1.11表示中斷時(shí)，CPU活動(dòng)的軌跡。斷點(diǎn)：運(yùn)行程序中斷處理 程序圖1.11 中斷示意圖89有關(guān)詞匯：中斷源:引起中斷的事件；中斷請(qǐng)求:中斷源向CPU提出進(jìn)行處理的請(qǐng)求；斷點(diǎn):發(fā)生中斷時(shí)， 被打斷程序的暫停點(diǎn)；中斷響應(yīng):CPU暫停現(xiàn)行程序而轉(zhuǎn)去響應(yīng)中斷請(qǐng)求的過(guò)程；中斷處理程序:處理中斷源的程序；中斷處理:CPU執(zhí)行有關(guān)的中斷處理程序；中斷返回:返回?cái)帱c(diǎn)的過(guò)程。90中斷的實(shí)現(xiàn)需要硬件和軟件結(jié)合完成，硬件部分稱為：中斷裝置，軟件部分稱為：中斷處理程序。中斷裝置和中斷處理程序統(tǒng)稱為：中斷系統(tǒng)。912.中斷類型與中斷向量一般將中斷源分為兩大類，即：強(qiáng)迫性中斷和自愿性中斷。1）強(qiáng)

43、迫性中斷這類中斷事件是正在運(yùn)行程序所不期望的，它們是否發(fā)生、何時(shí)發(fā)生，事先無(wú)法預(yù)料，因而運(yùn)行程序可能在任意位置處被打斷。這類中斷大致有如下幾種：92 輸入輸出中斷：來(lái)自通道或者各種外部設(shè)備，反映通道或設(shè)備的工作情況。如：數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束、設(shè)備出錯(cuò)等。 硬件故障中斷：機(jī)器發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)產(chǎn)生的，反映硬件在執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障。如：掉電、內(nèi)存校驗(yàn)錯(cuò)誤等。 時(shí)鐘中斷：如硬件實(shí)時(shí)鐘到時(shí)等。 控制臺(tái)中斷：如系統(tǒng)操作員通過(guò)控制臺(tái)發(fā)出命令等。 程序性中斷：因運(yùn)行程序中的問(wèn)題而引起的，反映程序執(zhí)行過(guò)程中發(fā)生的例外情況。如：目態(tài)程序執(zhí)行特權(quán)指令、地址越界、虛擬存儲(chǔ)中的缺頁(yè)、缺段、溢出、除零等。932）自愿性中斷這類中斷事

44、件是正在運(yùn)行程序有意識(shí)安排的。通常是由于：程序員在編制程序時(shí)，因要求操作系統(tǒng)提供服務(wù)，而有意使用訪管指令或系統(tǒng)調(diào)用，從而導(dǎo)致中斷的發(fā)生，所以又稱其為訪管中斷。這類中斷的發(fā)生具有必然性，而且發(fā)生位置確定。94一般情況下，系統(tǒng)為每類中斷設(shè)置一個(gè)中斷處理程序。每個(gè)中斷處理程序都有一個(gè)入口地址（PC）及其運(yùn)行環(huán)境PSW，它們被稱為中斷向量，保存在內(nèi)存中固定的單元。當(dāng)中斷事件發(fā)生時(shí)，中斷裝置根據(jù)中斷類別，自動(dòng)地將對(duì)應(yīng)的中斷向量送入程序狀態(tài)字和指令計(jì)數(shù)器中，如此，便轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)的中斷處理程序。953.中斷響應(yīng)是：解決中斷的發(fā)現(xiàn)和接收問(wèn)題，由中斷裝置完成。 CPU每執(zhí)行完一條指令，便去掃描中斷字寄存器，查詢有

45、無(wú)中斷請(qǐng)求。若有中斷請(qǐng)求，則通過(guò)交換中斷向量，進(jìn)入中斷處理程序，這就是中斷響應(yīng)。中斷響應(yīng):是硬件對(duì)中斷請(qǐng)求作出響應(yīng)的過(guò)程，包括:識(shí)別中斷源，保留現(xiàn)場(chǎng)，引出中斷處理程序，等過(guò)程， 見(jiàn)圖1.12所示。96斷點(diǎn)：裝入新PSW恢復(fù)老PSW保存老PSW內(nèi)存隱指令 保留現(xiàn)場(chǎng) 分析原因 處理 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 程序現(xiàn)行PSW老程序狀態(tài)字新程序狀態(tài)字送PSW圖1.12 中斷響應(yīng)的過(guò)程974.中斷優(yōu)先級(jí)與中斷屏蔽1）中斷優(yōu)先級(jí)在計(jì)算機(jī)執(zhí)行的任一時(shí)刻，可能有幾個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生。為使系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)并處理發(fā)生的所有中斷，系統(tǒng)根據(jù)引起中斷事件的重要性和緊迫程度，硬件將中斷源分為若干個(gè)級(jí)別，稱做中斷優(yōu)先級(jí)。如果有多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生，

46、硬件將首先響應(yīng)優(yōu)先級(jí)別最高的中斷請(qǐng)求。對(duì)于相同優(yōu)先級(jí)別的中斷，硬件將按照事先規(guī)定好的次序依次響應(yīng)。982）中斷屏蔽中斷屏蔽是指：在提出中斷請(qǐng)求后，CPU不予響應(yīng)的狀態(tài)。它常常用來(lái)在處理某一中斷時(shí)，防止同級(jí)中斷的干擾，或處理一段不可分割、必須連續(xù)執(zhí)行的程序時(shí)，防止任何中斷事件的干擾。CPU是否允許某類中斷，由當(dāng)前程序狀態(tài)字中的中斷屏蔽位決定。為此，硬件提供了中斷屏蔽指令，利用該指令，可暫時(shí)禁止任意一個(gè)或多個(gè)中斷源向處理機(jī)發(fā)中斷請(qǐng)求。在需要的時(shí)候，還可以解除被屏蔽的中斷源。99屏蔽中斷源相當(dāng)于關(guān)中斷，處于關(guān)中斷狀態(tài)下執(zhí)行的程序段應(yīng)當(dāng)盡量短，否則可能會(huì)丟失信息，也會(huì)影響系統(tǒng)的并發(fā)性。中斷優(yōu)先級(jí)是由硬

47、件規(guī)定的，因而不可改變。但通過(guò)中斷屏蔽可調(diào)整中斷事件的響應(yīng)次序。1005.中斷處理中斷處理過(guò)程分為四個(gè)階段：（1）保存被中斷程序的現(xiàn)場(chǎng)，其目的是為了在中斷處理完之后，可以返回到原來(lái)被中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行；（2）分析中斷源，確定中斷原因；（3）轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的處理程序；（4）恢復(fù)被中斷程序現(xiàn)場(chǎng)（即中斷返回），繼續(xù)執(zhí)行被中斷程序。 101為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理和維護(hù)，硬件必須提供時(shí)鐘，即定時(shí)裝置。硬件時(shí)鐘通常分為兩類，即：絕對(duì)時(shí)鐘和相對(duì)時(shí)鐘。1.絕對(duì)時(shí)鐘用硬件寄存器模擬絕對(duì)時(shí)鐘，并根據(jù)脈沖頻率定時(shí)加1。絕對(duì)時(shí)鐘是必須的。操作系統(tǒng)需要根據(jù)絕對(duì)時(shí)鐘記錄作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)的時(shí)間、開(kāi)始處理的時(shí)間、處理完畢的時(shí)間以及占有各

48、種資源的時(shí)間等。用戶也需要絕對(duì)時(shí)鐘以確定當(dāng)前時(shí)刻等。1.6.3 定時(shí)裝置 1022.相對(duì)時(shí)鐘相對(duì)時(shí)鐘也稱間隔時(shí)鐘或鬧鐘。它每隔固定的時(shí)間間隔發(fā)生一次時(shí)鐘中斷，時(shí)鐘中斷發(fā)生后，操作系統(tǒng)獲得控制權(quán)，以便運(yùn)行系統(tǒng)管理和維護(hù)程序。103為了使處理機(jī)從繁忙的I/O事物中解放出來(lái)，同時(shí)為了提高處理機(jī)與設(shè)備之間、設(shè)備與設(shè)備之間的并行程度，硬件設(shè)置了通道。通道是一種專門負(fù)責(zé)I/O操作的處理機(jī)，可以接收CPU的指令執(zhí)行通道程序，完成輸入輸出任務(wù)。關(guān)于通道，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱第5章。1.6.4 通道 104在多道程序系統(tǒng)中，內(nèi)存中同時(shí)存在多個(gè)程序，一個(gè)程序在內(nèi)存空間中的地址是隨機(jī)確定的，而且通常可以改變。 為使每個(gè)程

49、序或程序的各個(gè)基本單位能夠在邏輯上，從0開(kāi)始編址，硬件需要提供地址映射機(jī)構(gòu)，用以將程序中所產(chǎn)生的邏輯地址轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)空間中實(shí)際的物理地址。1.6.5 地址映射機(jī)構(gòu)105在多道程序系統(tǒng)中，一個(gè)程序所產(chǎn)生的錯(cuò)誤地址可能會(huì)侵犯另外一個(gè)程序的地址空間，甚至操作系統(tǒng)空間，一個(gè)程序?qū)τ诠矃^(qū)域可能試圖進(jìn)行非法操作，這些都可能影響其它進(jìn)程甚至破壞整個(gè)系統(tǒng)。為防止發(fā)生這類情況，硬件必須提供存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施。當(dāng)發(fā)生地址越界錯(cuò)誤或存取非法錯(cuò)誤時(shí)，硬件存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施能夠立即發(fā)現(xiàn)，并產(chǎn)生中斷，由操作系統(tǒng)處理。1.6.6 存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施 106課堂練習(xí)P25-27：40-51 107計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，操作系統(tǒng)是：

50、與計(jì)算機(jī)硬件關(guān)系最為密切的系統(tǒng)軟件，它是硬件的第一層軟件擴(kuò)充，是其它軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)；它是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中必不可少的最重要的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)是在人們使用計(jì)算機(jī)的過(guò)程中，為了滿足提高資源利用率和增強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的需求，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)本身及其應(yīng)用的日益發(fā)展，而逐步地形成和完善起來(lái)的。在其發(fā)展過(guò)程中，多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)起了關(guān)鍵性的作用。1.7 小結(jié) 108在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)有兩個(gè)重要的作用：管理系統(tǒng)中的各種資源、為用戶提供良好的界面。操作系統(tǒng)的基本類型有：批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)都有兩個(gè)特征：并發(fā)性、共享性。操

51、作系統(tǒng)必須具有五方面的基本功能：進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件管理、作業(yè)管理。109操作系統(tǒng)是有層次結(jié)構(gòu)的：操作系統(tǒng)對(duì)象（硬、軟件資源）對(duì)對(duì)象操縱和管理的軟件集合（4大管理模塊）用戶接口（作業(yè)接口、程序接口）。研究操作系統(tǒng)可以有不同的觀點(diǎn)：資源管理觀點(diǎn)、進(jìn)程觀點(diǎn)、虛機(jī)器觀點(diǎn)等。操作系統(tǒng)所涉及的硬件環(huán)境是：特權(quán)指令與處理機(jī)狀態(tài)、中斷機(jī)構(gòu)、定時(shí)裝置、通道、地址映射機(jī)構(gòu)、存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施。110課外習(xí)題P20：一：6、13 111(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C

52、1z)w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoW

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