第1章操作系統(tǒng)引論

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)08網(wǎng)絡(luò)1、22010.9-2011.11《操作系統(tǒng)》課程簡介一.《操作系統(tǒng)》是重要的專業(yè)基礎(chǔ)課和主干課二.先修課：計(jì)算機(jī)組成原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法基礎(chǔ)、C/C++程序設(shè)計(jì)語言2參考資料推薦1.《操作系統(tǒng)習(xí)題與解析》第3版曾平曾林等著清華大學(xué)出版社3課程安排教學(xué)安排:講解教材第1章-第8章,自學(xué)第9章-第13章課時(shí)安排：1-16周平均每周3節(jié)上課，1節(jié)上機(jī)，學(xué)分：4分考核方式：考試最終成績：期末成績+期中成績+考勤+實(shí)驗(yàn)成績+作業(yè)4課程引子買回一臺新的計(jì)算機(jī)之后，毫無例外地，你要做的第一件事是什么？5課程引子1.你使用過或聽說過哪些操作系統(tǒng)？如果要建立一個(gè)企業(yè)網(wǎng)站，讓Internet上的用戶都能夠訪問它，那么該Web服務(wù)器是否一定要裝操作系統(tǒng)？裝什么樣的操作系統(tǒng)？2.你認(rèn)為操作系統(tǒng)有什么用？3.為什么要學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)這門課？6幾個(gè)硬件概念（一）計(jì)算機(jī)的5大部件：控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。組成計(jì)算機(jī)的部件（另一種提法）：中央處理器CPU（運(yùn)算器、控制器）存儲器輸入輸出設(shè)備。這些部件之間通過總線相連,它們通過總線來傳送數(shù)據(jù)信息、地址信息和控制信息。7幾個(gè)硬件概念（二）控制器主要用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)本身運(yùn)行過程的自動化，即實(shí)現(xiàn)程序的自動執(zhí)行。在控制器的控制下，從輸入設(shè)備輸入程序和數(shù)據(jù)，并自動存放在存儲器中，然后由控制器指揮各部件（運(yùn)算器、存儲器……)協(xié)同工作以執(zhí)行程序，最后將結(jié)果打印輸出。8幾個(gè)硬件概念（三）計(jì)算機(jī)中的存儲器分為主存儲器和和輔助存儲器兩大類。主存儲器用來存放正在使用或需要立即使用的程序和數(shù)據(jù)，要求存取速度快，通常由半導(dǎo)體存儲器構(gòu)成——為易失性存儲器。輔助存儲器用于存放當(dāng)前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主存成批地交換數(shù)據(jù)。輔存作為主存的后備和補(bǔ)充，是主機(jī)的外部設(shè)備，因此又稱為外存儲器——為非易失存儲器。9或者從另一個(gè)角度分類存儲器：主存儲器（主存、內(nèi)存）：中央處理機(jī)能直接訪問的存儲器稱為主存儲器，用來存放正在或?qū)⒁獔?zhí)行的系統(tǒng)及用戶的程序和數(shù)據(jù)（還包括程序執(zhí)行時(shí)要求的臨時(shí)存儲空間）。輔存儲器（輔存、外存）：中央處理機(jī)不能直接訪問的存儲器，如磁盤、磁帶、光盤等，用來存放大量的數(shù)據(jù)信息。10幾個(gè)硬件概念（四）輸入設(shè)備主要完成輸入程序、數(shù)據(jù)和操作命令的功能，也是進(jìn)行人機(jī)對話的主要部件。鍵盤是目前使用最普遍的一種輸入設(shè)備，與顯示器一起組成終端設(shè)備。鼠標(biāo)以其快捷、準(zhǔn)確、直觀的屏幕定位和選擇能力備受歡迎，已成為微機(jī)必備的輸入設(shè)備。掃描儀、操縱桿、觸摸屏、照相機(jī)、語音輸入設(shè)備等也屬于輸入設(shè)備。11輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)等都是典型的輸出設(shè)備。12幾個(gè)硬件概念（五）主機(jī)與外設(shè)：在計(jì)算機(jī)的幾大部件中，有時(shí)把CPU和存儲器(即內(nèi)存）合起來稱為“主機(jī)”，把余下的其它部分稱為外部設(shè)備，即“外設(shè)”。13第一章操作系統(tǒng)引論1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和任務(wù)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3操作系統(tǒng)的基本特征1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)141.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的概念：一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：即軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中那些“硬的”物理設(shè)施，是物質(zhì)基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須配置的程序和數(shù)據(jù)集合，?？煞譃閮纱箢悾合到y(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件151.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用系統(tǒng)軟件用于計(jì)算機(jī)的管理、維護(hù)，支持應(yīng)用程序的開發(fā)以及控制和運(yùn)行程序。如操作系統(tǒng)、多種語言處理程序（匯編和編譯程序等）、多種工具軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等都是系統(tǒng)軟件。其中操作系統(tǒng)是最復(fù)雜、最典型的系統(tǒng)軟件。161.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用

應(yīng)用軟件是為完成某一具體的應(yīng)用而開發(fā)的軟件如我們一直在用的學(xué)生選課系統(tǒng)、成績查詢系統(tǒng)、火車售票系統(tǒng)等等，都是典型的應(yīng)用軟件。171.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)

目前存在著多種類型的OS（OpreatingSystem），不同類型的OS，其目標(biāo)各有所側(cè)重。通常在計(jì)算機(jī)硬件上配置的OS，其目標(biāo)有以下幾點(diǎn)：

1.方便性

2.有效性

3.可擴(kuò)充性

4.開放性

181.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用

1.1.2操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)是為改善計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能、提高計(jì)算機(jī)的利用率、方便用戶使用計(jì)算機(jī)而配備的一種最基本的底層系統(tǒng)軟件，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。其作用可以概括如下：

191.1.2操作系統(tǒng)的作用

1.OS作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口

OS作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間接口的含義是：OS處于用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間，用戶通過OS來使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?；蛘哒f，用戶在OS幫助下，能夠方便、快捷、安全、可靠地操縱計(jì)算機(jī)硬件和運(yùn)行自己的程序。應(yīng)注意，OS是一個(gè)系統(tǒng)軟件，因而這種接口是軟件接口。

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1.1.2操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)提供給用戶的接口有兩大類：脫機(jī)用戶接口和聯(lián)機(jī)用戶接口脫機(jī)用戶接口主要是為批處理系統(tǒng)中的脫機(jī)用戶準(zhǔn)備的。用戶在提交作業(yè)時(shí)，不僅要提交源程序和初始數(shù)據(jù)，還要將反映控制意圖的說明書“作業(yè)控制說明書”一并交給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這時(shí)操作系統(tǒng)提供給用戶的接口稱為“作業(yè)控制語言（JCL）”，“作業(yè)控制說明書”就是用這種語言寫成的。21

聯(lián)機(jī)用戶接口：又可分為命令接口、程序接口（又叫系統(tǒng)調(diào)用）和圖形用戶接口。俗稱命令口、程序口和圖形口。

1.1.2操作系統(tǒng)的作用22

1.OS作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口（續(xù)）

(1)命令接口。這是指由OS提供了一組聯(lián)機(jī)命令(語言)，用戶可通過鍵盤輸入有關(guān)命令，來直接操縱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

(2)程序接口。又稱“系統(tǒng)調(diào)用”或應(yīng)用程序編程接口（API）。OS提供了一組系統(tǒng)調(diào)用，用戶可以在自己的程序中通過使用系統(tǒng)調(diào)用，來獲得操作系統(tǒng)的底層服務(wù)，訪問系統(tǒng)的各種軟硬件資源。

(3)圖形接口。用戶通過屏幕上的窗口和圖標(biāo)來操縱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和運(yùn)行自己的程序。

23圖1-1OS作為接口的示意圖

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1.1.2操作系統(tǒng)的作用

2.OS作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通常都含有各種各樣的硬件和軟件資源。歸納起來可將計(jì)算機(jī)資源分為四類：處理器、存儲器、

I/O設(shè)備信息(數(shù)據(jù)和程序)。25相應(yīng)地，OS的主要功能也正是針對這四類資源進(jìn)行有效的管理，即：（1）處理機(jī)管理：用于分配和控制處理機(jī)；（2）存儲器管理：主要負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配與回收；（3）I/O設(shè)備管理：負(fù)責(zé)I/O設(shè)備的分配與操縱；（4）文件管理：負(fù)責(zé)文件的存取、共享和保護(hù)。26可見，OS確是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者。事實(shí)上，當(dāng)今世界上廣為流行的一個(gè)關(guān)于OS作用的觀點(diǎn)，正是把OS作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者。

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1.1.2操作系統(tǒng)的作用3.OS用作擴(kuò)充機(jī)器對于一臺完全無軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(即裸機(jī))，即使其功能再強(qiáng)，也必定是難于使用的。如果我們在裸機(jī)上覆蓋上一層I/O設(shè)備管理軟件，用戶便可利用它所提供的I/O命令，來進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和打印輸出。此時(shí)用戶所看到的機(jī)器，將是一臺比裸機(jī)功能更強(qiáng)、使用更方便的機(jī)器。28

通常把覆蓋了軟件的機(jī)器稱為擴(kuò)充機(jī)器或虛機(jī)器。如果我們又在第一層軟件上再覆蓋上一層文件管理軟件，則用戶可利用該軟件提供的文件存取命令，來進(jìn)行文件的存取。29此時(shí)，用戶所看到的是臺功能更強(qiáng)的虛機(jī)器。如果我們又在文件管理軟件上再覆蓋一層面向用戶的窗口軟件，則用戶便可在窗口環(huán)境下方便地使用計(jì)算機(jī)，形成一臺功能更強(qiáng)的虛機(jī)器。

301.1.3推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力

不斷提高計(jì)算機(jī)資源利用率2.方便用戶3.器件的不斷更新?lián)Q代4.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展311.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

1.2.1無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1.人工操作方式從第一臺計(jì)算機(jī)誕生(1945年)到50年代中期的計(jì)算機(jī)，屬于第一代，這時(shí)還未出現(xiàn)OS。

32這時(shí)的計(jì)算機(jī)操作是由用戶(即程序員)采用人工操作方式直接使用計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，即由程序員將事先已穿孔(對應(yīng)于程序和數(shù)據(jù))的紙帶(或卡片)裝入紙帶輸入機(jī)(或卡片輸入機(jī))，再啟動它們將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，然后啟動計(jì)算機(jī)運(yùn)行。33當(dāng)程序運(yùn)行完畢并取走計(jì)算結(jié)果后，才讓下一個(gè)用戶上機(jī)。這種人工操作方式有以下兩方面的缺點(diǎn)：(1)用戶獨(dú)占全機(jī)。(2)CPU等待人工操作?！?.浪費(fèi)資源太大

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1.2.1無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)2.脫機(jī)輸入/輸出(Off-LineI/O)方式為了解決人機(jī)矛盾及CPU和I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，20世紀(jì)50年代末出現(xiàn)了脫機(jī)輸入輸出技術(shù)。該技術(shù)是指事先將裝有用戶程序和數(shù)據(jù)的紙帶或卡片裝入紙帶輸入機(jī)，在一臺外圍設(shè)備的控制下，把紙帶（卡片）上的數(shù)據(jù)輸入到高速設(shè)備磁帶上，當(dāng)CPU需要這些程序和數(shù)據(jù)時(shí)，再從磁帶上高速地調(diào)入內(nèi)存。35類似地，當(dāng)CPU需要輸出時(shí)，可由CPU直接高速地把數(shù)據(jù)從內(nèi)存送到磁帶上，然后再在另一個(gè)外圍設(shè)備的控制下，將磁帶上的結(jié)果通過相應(yīng)的輸出設(shè)備輸出。361.2.1無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由于程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出都是在外圍機(jī)的控制下而不是在主機(jī)的控制下完成的，所以叫“脫機(jī)輸入輸出”。若輸出輸出操作是在主機(jī)的控制下進(jìn)行的，就叫“聯(lián)機(jī)輸入輸出”。37這種脫機(jī)I/O方式的主要優(yōu)點(diǎn)如下：減少了CPU的空閑時(shí)間。提高I/O速度。381.2.2單道批處理系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)對一批作業(yè)進(jìn)行自動處理的技術(shù)早期的計(jì)算機(jī)資源非常昂貴，為了充分利用資源，應(yīng)盡量讓系統(tǒng)連續(xù)執(zhí)行。為此，把一批作業(yè)以脫機(jī)的方式輸入到磁帶上，并在系統(tǒng)中配置監(jiān)督程序。391.2.2單道批處理系統(tǒng)（續(xù)）在監(jiān)督程序的控制下，先把磁帶上的第一個(gè)作業(yè)裝入內(nèi)存，并把運(yùn)行控制權(quán)交給該作業(yè)，當(dāng)該作業(yè)處理完后，又把控制權(quán)交還給監(jiān)督程序，由監(jiān)督程序再把第二個(gè)作業(yè)裝入內(nèi)存，直至一批作業(yè)處理完。磁帶上的作業(yè)就這樣一個(gè)接一個(gè)地被處理，便形成了早期的批處理系統(tǒng)40

IBM的1401和7094，就是這樣的實(shí)例：

（1）用戶將自己的程序編在卡片或紙帶上，交給計(jì)算機(jī)管理員；（2）管理員收到一定數(shù)量的用戶程序后，將卡片上的數(shù)據(jù)通過IBM1401機(jī)器讀入，并寫到磁帶上，這樣每盤磁帶通常會含有多個(gè)用戶程序；（3）操作員將這盤磁帶加載到IBM7094上，一個(gè)一個(gè)地運(yùn)行用戶程序，運(yùn)行結(jié)果寫在另一個(gè)磁帶上。（4）程序都結(jié)束后，將結(jié)果磁帶取下，連接到IBM1041機(jī)器上打印結(jié)果，然后就可以交給各個(gè)用戶了。41注意，這時(shí)候文件的概念已經(jīng)出現(xiàn)。因?yàn)榈搅伺幚頃r(shí)代，磁帶上的多個(gè)用戶程序必須以某種方式進(jìn)行隔離，用戶的程序可以以文件的形式實(shí)現(xiàn)隔離。此時(shí)的操作系統(tǒng)還能夠管理讀卡機(jī)、磁帶、打印機(jī)等。此時(shí)操作系統(tǒng)的任務(wù)就是加載一個(gè)程序，運(yùn)行，打印結(jié)果，然后執(zhí)行下一個(gè)程序。42當(dāng)時(shí)單道批處理系統(tǒng)的重要實(shí)例有：IBM開發(fā)的FORTRAN監(jiān)視系統(tǒng)FMS，用在IBM709上；IBM開發(fā)的基于磁帶的工作監(jiān)控系統(tǒng)IBSYS，用在IBM7090和IBM7094上；密西根大學(xué)開發(fā)的UMES，被用在IBM7094上。43

單道批處理系統(tǒng)的特征：單道批處理系統(tǒng)是最早出現(xiàn)的一種OS，嚴(yán)格地說，它只能算作是OS的前身而并非是現(xiàn)在人們所理解的OS。盡管如此，該系統(tǒng)比起人工操作方式的系統(tǒng)已有很大進(jìn)步。該系統(tǒng)的主要特征如下：

(1)自動性。

(2)順序性。

(3)單道性。

441.2.3多道批處理系統(tǒng)（進(jìn)入操作系統(tǒng)時(shí)代）

1.多道程序設(shè)計(jì)的基本概念在單道批處理系統(tǒng)中，內(nèi)存中僅有一道作業(yè)，它無法充分利用系統(tǒng)中的所有資源，致使系統(tǒng)性能較差。為了進(jìn)一步提高資源的利用率和系統(tǒng)吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，由此而形成了多道批處理系統(tǒng)(MultiprogrammedBatchProcessingSystem)。45在OS中引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)可帶來以下好處：（1）提高CPU的利用率。

當(dāng)內(nèi)存中僅有一道程序時(shí)，CPU和I/O操作是串行的。每逢該程序在運(yùn)行中發(fā)出I/O請求后，CPU空閑，必須在其I/O完成后才繼續(xù)運(yùn)行；尤其因I/O設(shè)備的低速性，更使CPU的利用率顯著降低。46而在引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)后，由于同時(shí)在內(nèi)存中裝有若干道程序，并使它們交替地運(yùn)行。這樣，當(dāng)正在運(yùn)行的程序因I/O而暫停執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)可調(diào)度另一道程序運(yùn)行，從而保持了CPU處于忙碌狀態(tài)。47(2)可提高內(nèi)存和I/O設(shè)備的利用率。為了能運(yùn)行較大的作業(yè)，通常內(nèi)存都具有較大容量，但由于80%以上的作業(yè)都屬于中小型，因此在單道程序環(huán)境下，也必定造成內(nèi)存的浪費(fèi)。類似地，對于系統(tǒng)中所配置的多種類型的I/O設(shè)備，在單道程序環(huán)境下也不能充分利用。如果允許在內(nèi)存中裝入多道程序，并允許它們并發(fā)執(zhí)行，則無疑會大大提高內(nèi)存和I/O設(shè)備的利用率。48

(3)增加系統(tǒng)吞吐量。在保持CPU、I/O設(shè)備不斷忙碌的同時(shí)，也必然會大幅度地提高系統(tǒng)的吞吐量，從而降低作業(yè)加工所需的費(fèi)用。492.多道批處理系統(tǒng)的特征

多道性。(2)無序性。(3)調(diào)度性。

503.多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

資源利用率高。(2)系統(tǒng)吞吐量大。

(3)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長。(4)無交互能力。

514.多道批處理操作系統(tǒng)需要解決的問題就多了許多：（1）對處理機(jī)進(jìn)行管理。

（2）對內(nèi)存進(jìn)行管理。

（3）對I/O設(shè)備進(jìn)行管理。（4）對文件進(jìn)行管理。（5）對作業(yè)進(jìn)行管理。52典型的多道批處理操作系統(tǒng)是IBM的OS/360

：IBM的OS/360，它運(yùn)行在IBM的第三代計(jì)算機(jī)System/360、System/370、System/4300上；OS/360在技術(shù)和理念上都有劃時(shí)代的意義，但在商業(yè)上沒有使用，因?yàn)樗泻芏嘣谒y免的錯(cuò)誤。IBM隨后對OS/360進(jìn)行了完善，逐漸演變成一個(gè)功能強(qiáng)大、性能可靠的操作系統(tǒng)。53

1.2.4分時(shí)系統(tǒng)

1.分時(shí)系統(tǒng)(Time-SharingSystem)的產(chǎn)生

如果說，推動多道批處理系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要動力，是提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，那么，推動分時(shí)系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要動力，則是用戶的需求。

或者說，分時(shí)系統(tǒng)是為了滿足用戶需求所形成的一種新型OS。它與多道批處理系統(tǒng)之間，有著截然不同的性能差別。54

1.2.4分時(shí)系統(tǒng)

用戶的需求具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)人—機(jī)交互。

(2)多個(gè)用戶共享主機(jī)。

(3)便于用戶上機(jī)?！黾右粋€(gè)概念：計(jì)算機(jī)終端

55歷史上最有名的分時(shí)操作系統(tǒng)是MULTICS和UNIX。推動它們出現(xiàn)還有個(gè)小故事：IBM將其當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的機(jī)子IBM7094贈予密歇根大學(xué)（UM）和麻省里工學(xué)院（MIT）一遇帆船比賽必須停下一切工作為IBM服務(wù)從而有了程序的保存、多個(gè)用戶使用機(jī)器的需求出現(xiàn)562.分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題為實(shí)現(xiàn)分時(shí)系統(tǒng)，最關(guān)鍵的問題是如何使用戶能與自己的作業(yè)進(jìn)行交互，即當(dāng)用戶在自己的終端上鍵入命令時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)接收并及時(shí)處理該命令，再將結(jié)果返回給用戶。57此后，用戶可繼續(xù)鍵入下一條命令，此即人—機(jī)交互。應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出，即使有多個(gè)用戶同時(shí)通過自己的鍵盤鍵入命令，系統(tǒng)也應(yīng)能全部地及時(shí)接收并處理即做到（1）及時(shí)接收。

（2）及時(shí)處理。58其次還有一個(gè)重要問題要解決：如何將資源公平分配這在分時(shí)系統(tǒng)中尤其重要在分時(shí)操作系統(tǒng)中，常采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方法解決（當(dāng)然還可能還要考慮優(yōu)先級）此系統(tǒng)在這個(gè)時(shí)候已經(jīng)變得相當(dāng)復(fù)雜起來59目前分時(shí)操作系統(tǒng)最典型的例子就是Unix和Linux的操作系統(tǒng)。其可以同時(shí)連接多個(gè)終端并且每隔一秒重新掃描進(jìn)程，重新分配進(jìn)程的優(yōu)先級，動態(tài)分配系統(tǒng)資源。

603.分時(shí)系統(tǒng)的特征.

多路性。(2)獨(dú)立性。(3)及時(shí)性。(4)交互性。61

1.2.5實(shí)時(shí)系統(tǒng)所謂“實(shí)時(shí)”，是表示“及時(shí)”；而實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Real-TimeSystem)是指系統(tǒng)能及時(shí)(或即時(shí))響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。

應(yīng)用需求：實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)信息處理根據(jù)對截止時(shí)間的要求分為：硬實(shí)時(shí)任務(wù)和軟實(shí)時(shí)任務(wù)62對于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它除了要滿足應(yīng)用的功能需求以外，更重要的是還要滿足應(yīng)用提出的實(shí)時(shí)性要求而組成一個(gè)應(yīng)用的眾多實(shí)時(shí)任務(wù)對于實(shí)時(shí)性的要求是各不相同的，此外實(shí)時(shí)任務(wù)之間可能還會有一些復(fù)雜的關(guān)聯(lián)和同步關(guān)系，如執(zhí)行順序限制、共享資源的互斥訪問要求等，這就為系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的保證帶來了很大的困難。63因此，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所遵循的最重要的設(shè)計(jì)原則是：采用各種算法和策略，始終保證系統(tǒng)行為的可預(yù)測性(predictability)?？深A(yù)測性是指在系統(tǒng)運(yùn)行的任何時(shí)刻，在任何情況下，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的資源調(diào)配策略都能夠?yàn)闋帄Z資源(包括CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬等)的多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)合理地分配資源，使每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求都能得到滿足

64實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)注重的不是系統(tǒng)的平均表現(xiàn)，而是要求每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)在最壞情況下都要滿足其實(shí)時(shí)性要求，也就是說，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)注重的是個(gè)體表現(xiàn)，更準(zhǔn)確地講是個(gè)體最壞情況表現(xiàn)。舉例來說，如果實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的虛存技術(shù)，則一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行的最壞情況是每次訪存都需要調(diào)頁，如此累計(jì)起來的該任務(wù)在最壞情況下的運(yùn)行時(shí)間是不可預(yù)測的，因此該任務(wù)的實(shí)時(shí)性無法得到保證。從而可以看出在通用操作系統(tǒng)中廣泛采用的虛存技術(shù)在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中不宜直接采用。

653.實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)特征的比較(1)多路性。(2)獨(dú)立性。(3)及時(shí)性。(4)交互性。(5)可靠性。66通用操作系統(tǒng)把具有多種類型操作特征的操作系統(tǒng)稱作通用操作系統(tǒng)。一個(gè)通用操作系統(tǒng)可同時(shí)兼有多道批處理、分時(shí)、實(shí)時(shí)處理的功能，或只具有其中兩種的功能。

67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)稱為前臺作業(yè)，批作業(yè)稱為后臺作業(yè)。

再如：批處理+分時(shí)處理=分時(shí)批處理系統(tǒng)。即：時(shí)間要求不強(qiáng)的作業(yè)放入“后臺”（批處理）處理，需頻繁交互的作業(yè)在“前臺”（分時(shí)）處理，處理機(jī)會優(yōu)先運(yùn)行“前臺”作業(yè)。68

1.2.6現(xiàn)代操作系統(tǒng)（1980年之后）各種新計(jì)算機(jī)、新操作系統(tǒng)不斷出現(xiàn)尤其是隨著微處理器的出現(xiàn)，微型計(jì)算機(jī)誕生計(jì)算機(jī)開始走向普通家庭涌現(xiàn)出許多熟知的操作系統(tǒng)，如有DOS、MACOS、Windows系列、Unix、Linux等等。隨著網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和普及，現(xiàn)在又出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)。到現(xiàn)在為止，操作系統(tǒng)發(fā)展的腳步一刻也沒有停止。。。。。。69目前人們習(xí)慣上把操作系統(tǒng)分為以下幾種不同的類型：單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)（如DOS）單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)（如WindowsXP）多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)（Unix、Linux）701.3操作系統(tǒng)的基本特性多道批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)是三種基本的操作系統(tǒng)雖然三種操作系統(tǒng)都有各自的特征——

批處理具有成批處理的特征、分時(shí)系統(tǒng)具有交互特征、實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)特征，但它們都具有并發(fā)、共享、虛擬和異步四種基本特征。71曾以填空、簡答、判斷的形式出過題：如操作系統(tǒng)有哪幾種基本特征？簡述它們的含義。721.3操作系統(tǒng)的基本特性

1.3.1并發(fā)(Concurrence)

并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個(gè)概念，并行性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生；而并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。73

在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時(shí)間內(nèi)，宏觀上有多個(gè)程序在同時(shí)運(yùn)行，但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一時(shí)刻卻僅能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分時(shí)地交替執(zhí)行。741.3操作系統(tǒng)的基本特性倘若在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有多個(gè)處理機(jī)，則這些可以并發(fā)執(zhí)行的程序便可被分配到多個(gè)處理機(jī)上，實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行，即利用每個(gè)處理機(jī)來處理一個(gè)可并發(fā)執(zhí)行的程序，這樣，多個(gè)程序便可同時(shí)執(zhí)行。

75曾有考題曰：要想實(shí)現(xiàn)真正的并行處理，系統(tǒng)中至少要配置幾個(gè)處理機(jī)？系統(tǒng)中只有一個(gè)處理機(jī)，能實(shí)現(xiàn)真正的并發(fā)嗎？并行呢？761.3操作系統(tǒng)的基本特性

1.3.2共享(Sharing)

在操作系統(tǒng)環(huán)境下，所謂共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程(線程)共同使用。由于資源屬性的不同，進(jìn)程對資源共享的方式也不同，目前主要有以下兩種資源共享方式：互斥共享方式和同時(shí)訪問方式771.3操作系統(tǒng)的基本特性

1.互斥共享方式系統(tǒng)中的某些資源，如打印機(jī)、磁帶機(jī)，雖然它們可以提供給多個(gè)進(jìn)程(線程)使用，但為使所打印或記錄的結(jié)果不致造成混淆，應(yīng)規(guī)定在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程(線程)訪問該資源。78為此，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程A要訪問某資源時(shí)，必須先提出請求，如果此時(shí)該資源空閑，系統(tǒng)便可將之分配給請求進(jìn)程A使用，此后若再有其它進(jìn)程也要訪問該資源時(shí)(只要A未用完)則必須等待。79

1.3操作系統(tǒng)的基本特性僅當(dāng)A進(jìn)程訪問完并釋放該資源后，才允許另一進(jìn)程對該資源進(jìn)行訪問。我們把這種資源共享方式稱為互斥式共享，而把在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問的資源稱為臨界資源或獨(dú)占資源。80計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設(shè)備，以及某些軟件中所用的棧、變量和表格，都屬于臨界資源，它們要求被互斥地共享。

81

2.同時(shí)訪問方式系統(tǒng)中還有另一類資源，允許在一段時(shí)間內(nèi)由多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)”對它們進(jìn)行訪問。

這里所謂的“同時(shí)”往往是宏觀上的，而在微觀上，這些進(jìn)程可能是交替地對該資源進(jìn)行訪問。

82典型的可供多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)”訪問的資源是磁盤設(shè)備，一些用重入碼編寫的文件，也可以被“同時(shí)”共享，即若干個(gè)用戶同時(shí)訪問該文件。831.3操作系統(tǒng)的基本特性

并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個(gè)最基本的特征，它們又是互為存在的條件。

一方面，資源共享是以程序(進(jìn)程)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，自然不存在資源共享問題；另一方面，若系統(tǒng)不能對資源共享實(shí)施有效管理，協(xié)調(diào)好諸進(jìn)程對共享資源的訪問，也必然影響到程序并發(fā)執(zhí)行的程度，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。

841.3操作系統(tǒng)的基本特性

1.3.3虛擬(Virtual)

操作系統(tǒng)中的所謂“虛擬”，是指通過某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對應(yīng)物。物理實(shí)體(前者)是實(shí)的，即實(shí)際存在的；而后者是虛的，是用戶感覺上的東西。相應(yīng)地，用于實(shí)現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。85

在OS中利用了多種虛擬技術(shù)，分別用來實(shí)現(xiàn)虛擬處理機(jī)、虛擬內(nèi)存、虛擬外部設(shè)備和虛擬信道等。861.3操作系統(tǒng)的基本特性

在虛擬處理機(jī)技術(shù)中，是通過多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，讓多道程序并發(fā)執(zhí)行的方法，來分時(shí)使用一臺處理機(jī)的。此時(shí)，雖然只有一臺處理機(jī)，但它能同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)，使每個(gè)終端用戶都認(rèn)為是有一個(gè)CPU在專門為他服務(wù)。87

亦即，利用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，把一臺物理上的CPU虛擬為多臺邏輯上的CPU，也稱為虛擬處理機(jī)，我們把用戶所感覺到的CPU稱為虛擬處理器。

881.3操作系統(tǒng)的基本特性類似地，可以通過虛擬存儲器技術(shù)，將一臺機(jī)器的物理存儲器變?yōu)樘摂M存儲器，以便從邏輯上來擴(kuò)充存儲器的容量。此時(shí)，雖然物理內(nèi)存的容量可能不大(如128MB)，但它可以運(yùn)行比它大得多的用戶程序(如200MB)。891.3操作系統(tǒng)的基本特性這使用戶所感覺到的內(nèi)存容量比實(shí)際內(nèi)存容量大得多，認(rèn)為該機(jī)器的內(nèi)存至少也有200MB。當(dāng)然這時(shí)用戶所感覺到的內(nèi)存容量是虛的。我們把用戶所感覺到的存儲器稱為虛擬存儲器。901.3操作系統(tǒng)的基本特性我們還可以通過虛擬設(shè)備技術(shù)，將一臺物理I/O設(shè)備虛擬為多臺邏輯上的I/O設(shè)備，并允許每個(gè)用戶占用一臺邏輯上的I/O設(shè)備，這樣便可使原來僅允許在一段時(shí)間內(nèi)由一個(gè)用戶訪問的設(shè)備(即臨界資源)，變?yōu)樵谝欢螘r(shí)間內(nèi)允許多個(gè)用戶同時(shí)訪問的共享設(shè)備。911.3操作系統(tǒng)的基本特性例如，原來的打印機(jī)屬于臨界資源，而通過虛擬設(shè)備技術(shù)，可以把它變?yōu)槎嗯_邏輯上的打印機(jī)，供多個(gè)用戶“同時(shí)”打印。此外，也可以把一條物理信道虛擬為多條邏輯信道(虛信道)。在操作系統(tǒng)中，虛擬的實(shí)現(xiàn)主要是通過分時(shí)使用的方法。921.3操作系統(tǒng)的基本特性1.3.4異步性(Asynchronism)

在多道程序環(huán)境下，允許多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，但只有進(jìn)程在獲得所需的資源后方能執(zhí)行。在單處理機(jī)環(huán)境下，由于系統(tǒng)中只有一個(gè)處理機(jī)，因而每次只允許一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行，其余進(jìn)程只能等待。931.3操作系統(tǒng)的基本特性比如，當(dāng)正在執(zhí)行的進(jìn)程提出某種資源要求，如打印請求，而若此時(shí)打印機(jī)正在為其它某進(jìn)程打印，由于打印機(jī)屬于臨界資源，因此正在執(zhí)行的這個(gè)進(jìn)程必須等待，且放棄處理機(jī)，直到打印機(jī)空閑，并再次把處理機(jī)分配給該進(jìn)程時(shí)，該進(jìn)程方能繼續(xù)執(zhí)行。94等待其它資源也同樣?？梢?，由于資源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行通常都不是“一氣呵成”，而是以“停停走走”的方式運(yùn)行。951.3操作系統(tǒng)的基本特性內(nèi)存中的每個(gè)進(jìn)程在何時(shí)能獲得處理機(jī)運(yùn)行，何時(shí)又因提出某種資源請求而暫停，以及進(jìn)程以怎樣的速度向前推進(jìn)，每道程序總共需多少時(shí)間才能完成，等等，這些因素都是不可預(yù)知的。96還有，由于各用戶程序性能不同，比如，有的側(cè)重于計(jì)算而較少需要I/O；而又有的程序其計(jì)算少而I/O多，這樣，很可能是先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)后完成；而后進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)先完成。971.3操作系統(tǒng)的基本特性換句話說，進(jìn)程（先當(dāng)作業(yè)看吧）是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，此即進(jìn)程的異步性。

盡管如此，但只要運(yùn)行環(huán)境相同，作業(yè)經(jīng)多次運(yùn)行，都會獲得完全相同的結(jié)果。因此，異步運(yùn)行方式是允許的，它也是操作系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。

981.4操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的主要任務(wù)，就是為多道程序的運(yùn)行提供良好的運(yùn)行環(huán)境，以保證多道程序能有條不紊、高效地運(yùn)行，并能最大程度地提高系統(tǒng)中各種資源的利用率，且方便用戶的使用。99為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，操作系統(tǒng)應(yīng)具備這樣幾方面的功能：處理機(jī)管理、存儲器管理、設(shè)備管理和文件管理——又有題曰：操作系統(tǒng)的四大管理功能是什么？操作系統(tǒng)的五大管理功能是什么？（再加上作業(yè)管理）100

1.4.1處理機(jī)管理

（1）進(jìn)程控制：為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程、撤消已結(jié)束的進(jìn)程，以及控制進(jìn)程在運(yùn)行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。（2）進(jìn)程同步：為多個(gè)進(jìn)程(含線程)的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)。（3）進(jìn)程通信：進(jìn)程通信的任務(wù)就是用來實(shí)現(xiàn)在相互合作的進(jìn)程之間的信息交換。（4）調(diào)度1011.4操作系統(tǒng)的主要功能1.4.2存儲器管理功能內(nèi)存分配、內(nèi)存保護(hù)、地址映射、內(nèi)存擴(kuò)充。1021.4操作系統(tǒng)的主要功能1.4.3設(shè)備管理功能設(shè)備管理用于管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有的輸入輸出設(shè)備（外圍設(shè)備），它的一個(gè)重要作用就是按照一定的算法在進(jìn)程間調(diào)度和分配設(shè)備。設(shè)備管理還要按用戶要求啟動具體設(shè)備，完成數(shù)據(jù)傳輸操作，并且處理設(shè)備的中斷。

1031.4操作系統(tǒng)的主要功能

1.4.4文件管理功能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是以文件的形式保存在外存上的。文件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對外存上的信息進(jìn)行組織、管理、存取和保護(hù)。

具體包括文件存儲空間的管理、目錄管理、文件的讀/寫管理和保護(hù)等等。1041.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的大型系統(tǒng)軟件，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了四代變革：第一代：無結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)第二代：模塊式結(jié)構(gòu)第三代：層次式結(jié)構(gòu)第四代：微內(nèi)核結(jié)構(gòu)105第一代至第三代的OS結(jié)構(gòu)，稱為傳統(tǒng)的OS結(jié)構(gòu)，而把微內(nèi)核的OS結(jié)構(gòu)稱為現(xiàn)代OS結(jié)構(gòu)。1061.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.無結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)在早期開發(fā)操作系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者只是把他的注意力放在功能的實(shí)現(xiàn)和獲得高的效率上，缺乏首尾一致的設(shè)計(jì)思想。107此時(shí)的OS是為數(shù)眾多的一組過程的集合，各過程之間可以相互調(diào)用，在操作系統(tǒng)內(nèi)部不存在任何結(jié)構(gòu)，因此，這種OS是無結(jié)構(gòu)的，也有人把它稱為整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1081.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.無結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)（續(xù)）此時(shí)程序設(shè)計(jì)的技巧，只是如何編制緊湊的程序，以便于有效地利用內(nèi)存、對GOTO語句的使用不加任何限制。這樣，設(shè)計(jì)出的操作系統(tǒng)既龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結(jié)構(gòu)。109這一方面會使所編制出的程序錯(cuò)誤很多，給調(diào)試工作帶來很多困難；另一方面也使程序難以閱讀和理解，增加了維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。

1101.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.模塊化OS結(jié)構(gòu)

模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，是最早(20世紀(jì)60年代)出現(xiàn)的一種程序設(shè)計(jì)技術(shù)。該技術(shù)是基于“分解”和“模塊化”原則來控制大型軟件的復(fù)雜度的。111為使OS具有較清晰的結(jié)構(gòu)，OS不再是由眾多的過程直接構(gòu)成，而是將OS按其功能劃分為若干個(gè)具有一定獨(dú)立性和大小的模塊。112圖1-5模塊化操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1131.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.分層式OS結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)從改進(jìn)設(shè)計(jì)方式上說，應(yīng)使我們的每一步設(shè)計(jì)都是建立在可靠的基礎(chǔ)上。114從物理機(jī)器開始，在其上面先添加一層具有一定功能的軟件A1,由于A1是建立在完全確定的物理機(jī)器上的，在經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和幾乎是窮盡無遺的測試后，可以認(rèn)為A1是正確的；然后再在A1上添加一層新軟件A2，……，如此一層一層地自底向上增添軟件層，每一層都實(shí)現(xiàn)若干功能，最后總能構(gòu)成一個(gè)能滿足需要的OS。1151.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)為了提高OS的靈活性和可擴(kuò)充性而將OS劃分為兩部分：

一部分是用于提供各種服務(wù)的一組服務(wù)器(進(jìn)程)，另一部分是內(nèi)核，用來處理客戶和服務(wù)器之間的通信.

此外，在內(nèi)核中還應(yīng)具有其它一些機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)與硬件緊密相關(guān)的和一些較基本的功能。

116微內(nèi)核OS采用的技術(shù)（1）.客戶/服務(wù)器模式(Client-Server)

在