操作系統(tǒng) 課件 第1章 操作系統(tǒng)概述

第1章操作系統(tǒng)概述1.1操作系統(tǒng)的概念1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展1.3操作系統(tǒng)分類1.4操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.5操作系統(tǒng)啟動(dòng)1.6本章小結(jié)目錄CONTENTS本章學(xué)習(xí)目標(biāo)<3

>1）理解定義、特征和研究觀點(diǎn)2）掌握進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、文件管理、作業(yè)管理等核心功能3）掌握用戶態(tài)、核心態(tài)的定義和切換方式4）了解操作系統(tǒng)發(fā)展歷程5）掌握批處理操作系統(tǒng)的工作方式、特點(diǎn)及分類、設(shè)計(jì)思想、系統(tǒng)調(diào)用過程、一般指令、特權(quán)指令和SPOOLing技術(shù)6）理解分時(shí)操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)和其他類型操作系統(tǒng)的概念和特點(diǎn)7）理解操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)、設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)目標(biāo)8）掌握整體式結(jié)構(gòu)、層次式結(jié)構(gòu)、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)和外核結(jié)構(gòu)9）理解Unix、Linux、鴻蒙、OpenEuler等系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)10）掌握引導(dǎo)方式、引導(dǎo)過程和啟動(dòng)機(jī)制PART1.1操作系統(tǒng)的概念定義、特征、功能、運(yùn)行級(jí)別及研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)<5

>計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一種按用戶的要求接收和存儲(chǔ)信息、自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并輸出結(jié)果信息的系統(tǒng)，包括硬件（子）系統(tǒng)和軟件（子）系統(tǒng)硬件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)賴以工作的實(shí)體軟件系統(tǒng)保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，各種程序和數(shù)據(jù)組成了計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，集中了資源管理功能和控制程序執(zhí)行功能的軟件，稱為操作系統(tǒng)1.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.1.2操作系統(tǒng)的定義<6

>具有各種功能的、大量程序模塊的集合，使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高效運(yùn)行：有效組織和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件及軟件資源。通過表格或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，登記保存資源名稱、類型、數(shù)量、用途、完好狀態(tài)、目前使用狀態(tài)等，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)更新根據(jù)用戶不同的要求、作業(yè)各自特點(diǎn)及緊急程度，合理組織計(jì)算機(jī)工作流程，控制程序執(zhí)行。“公平”對(duì)待不同的用戶程序，保證系統(tǒng)不發(fā)生“死鎖”和“饑餓”的現(xiàn)象向用戶提供各種服務(wù)功能。向程序開發(fā)和設(shè)計(jì)人員提供高效的程序設(shè)計(jì)接口；向使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的用戶提供接口，使用戶能方便、有效地使用計(jì)算機(jī)1.1.3操作系統(tǒng)的特征<7

>系統(tǒng)中同時(shí)運(yùn)行若干個(gè)程序，用戶程序與用戶程序之間并發(fā)執(zhí)行或用戶程序與操作系統(tǒng)程序之間并發(fā)執(zhí)行并發(fā)性系統(tǒng)程序與用戶程序共用系統(tǒng)中的資源，如：中央處理單元、內(nèi)存儲(chǔ)器、外存儲(chǔ)器及外部設(shè)備。資源的共享分為互斥共享和同時(shí)共享共享性操作系統(tǒng)在隨機(jī)環(huán)境下運(yùn)行，且不能對(duì)所運(yùn)行的程序的行為以及硬件設(shè)備的情況做出事先的假定，操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮各種可能性隨機(jī)性虛擬性是一種管理技術(shù)，該技術(shù)把物理上的一個(gè)實(shí)體變成邏輯上的多個(gè)對(duì)應(yīng)物，或把物理上的多個(gè)實(shí)體變成邏輯上的一個(gè)對(duì)應(yīng)物虛擬性多道程序環(huán)境下，多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行，但由于資源有限，進(jìn)程的執(zhí)行是走走停停、以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)異步性1.1.4研究操作系統(tǒng)的觀點(diǎn)<8

>對(duì)操作系統(tǒng)本質(zhì)的不同觀點(diǎn)，會(huì)影響操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想軟件的觀點(diǎn)操作系統(tǒng)是一種大型軟件系統(tǒng)，集合多種功能程序，有軟件的外在特性和內(nèi)在特性：外在特性：外部表現(xiàn)形式，即操作命令定義集和界面完全能確定操作系統(tǒng)的使用方式內(nèi)在特性：具有一般軟件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過研討軟件結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，更好地把握操作系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)資源管理的觀點(diǎn)登記在用資源、空閑資源、當(dāng)前響應(yīng)資源、以及收回不再使用資源等。提供一系列機(jī)制協(xié)調(diào)程序間的競(jìng)爭(zhēng)與同步，提供機(jī)制對(duì)資源進(jìn)行合理使用、施加保護(hù)，以及采取虛擬技術(shù)來“擴(kuò)充”資源等1.1.4研究操作系統(tǒng)的觀點(diǎn)<9

>服務(wù)提供者觀點(diǎn)從用戶的角度，即從外部觀察操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)被視為服務(wù)提供者，為用戶提供比裸機(jī)功能更強(qiáng)、服務(wù)質(zhì)量更高、更方便靈活的虛擬機(jī)器進(jìn)程的觀點(diǎn)操作系統(tǒng)可視為多個(gè)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。進(jìn)程分為用戶進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)程，操作系統(tǒng)控制和協(xié)調(diào)進(jìn)程的運(yùn)行虛機(jī)器的觀點(diǎn)操作系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)（裸機(jī)）擴(kuò)充為功能強(qiáng)、使用方便的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即虛擬計(jì)算機(jī)，而把操作系統(tǒng)的全部功能，包括系統(tǒng)調(diào)用、命令、作業(yè)控制語言等，統(tǒng)稱為操作系統(tǒng)虛機(jī)器1.1.5操作系統(tǒng)的功能-進(jìn)程管理<10

>操作系統(tǒng)功能主要分為進(jìn)程管理（處理器管理）、存儲(chǔ)管理、文件管理、作業(yè)管理和設(shè)備管理進(jìn)程管理進(jìn)程管理對(duì)中央處理器進(jìn)行管理，協(xié)調(diào)多道程序之間的關(guān)系，解決處理器分配調(diào)度策略、分配的實(shí)施和回收等問題，提升CPU資源利用率（1）進(jìn)程控制包括創(chuàng)建進(jìn)程、撤銷結(jié)束的進(jìn)程以及控制進(jìn)程運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)轉(zhuǎn)換（2）進(jìn)程同步操作系統(tǒng)提供進(jìn)程同步機(jī)制，協(xié)調(diào)進(jìn)程的執(zhí)行，包括互斥和同步兩種形式?；コ庵付鄠€(gè)進(jìn)程對(duì)臨界資源訪問時(shí)采用互斥的形式；同步指相互協(xié)作共同完成任務(wù)的進(jìn)程之間，用同步機(jī)制協(xié)調(diào)執(zhí)行順序（3）進(jìn)程間通信進(jìn)程間通信發(fā)生在相互協(xié)作的進(jìn)程之間。由操作系統(tǒng)提供的進(jìn)程間通信機(jī)制是協(xié)作的進(jìn)程之間相互交換數(shù)據(jù)和消息的手段（4）調(diào)度調(diào)度又稱為處理器調(diào)度，包括線程調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度和作業(yè)調(diào)度等1.1.5操作系統(tǒng)的功能-存儲(chǔ)管理<11

>存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)管理計(jì)算機(jī)內(nèi)存的資源（1）內(nèi)存的分配與回收操作系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程分配內(nèi)存空間，回收已退出運(yùn)行的進(jìn)程所占據(jù)的內(nèi)存空間并重新使用（2）存儲(chǔ)保護(hù)內(nèi)存由多個(gè)程序共享，必須考慮程序越界問題。如程序自身可能存在一些錯(cuò)誤、隱患或某個(gè)程序具有惡意，防止危害其他用戶和整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（3）內(nèi)存擴(kuò)充借助虛擬存儲(chǔ)技術(shù)在邏輯上增加進(jìn)程運(yùn)行空間，操作系統(tǒng)通常將空間劃分為4K字節(jié)大小的頁面，以頁面為單位進(jìn)行存儲(chǔ)空間的調(diào)度1.1.5操作系統(tǒng)的功能-文件管理<12

>文件管理文件管理的任務(wù)是有效支持文件的存儲(chǔ)、檢索和修改等操作，解決文件的共享、保密和保護(hù)問題，以使用戶方便、安全地訪問文件（1）文件存儲(chǔ)空間的管理文件系統(tǒng)設(shè)置專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄文件存儲(chǔ)空間的使用情況。為提高空間利用率，通常采用離散分配方式（2）目錄管理目錄管理給出組織文件的方法，為每個(gè)文件建立目錄項(xiàng)，對(duì)目錄項(xiàng)進(jìn)行有效組織，為用戶提供方便的按名存?。?）文件系統(tǒng)的安全性安全性包括文件的讀寫權(quán)限管理以及存取控制，防止未經(jīng)核準(zhǔn)的用戶存取文件，防止越權(quán)訪問文件，防止使用不正確的方式訪問文件1.1.5操作系統(tǒng)的功能-作業(yè)管理&設(shè)備管理<13

>作業(yè)管理作業(yè)管理為用戶提供一個(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，并使整個(gè)系統(tǒng)高效運(yùn)行設(shè)備管理設(shè)備管理指計(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)備的管理。操作系統(tǒng)的設(shè)備管理功能負(fù)責(zé)外部設(shè)備的分配、啟動(dòng)和故障處理1.1.6操作系統(tǒng)的運(yùn)行特權(quán)級(jí)別-用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)<14

>為了防止對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)操作帶來嚴(yán)重后果，操作系統(tǒng)支持應(yīng)用程序運(yùn)行的流程分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)用戶態(tài)：非特權(quán)的執(zhí)行狀態(tài)。操作系統(tǒng)內(nèi)核禁止此狀態(tài)下的代碼進(jìn)行潛在危險(xiǎn)的操作，如寫入系統(tǒng)配置文件、銷毀其他用戶的進(jìn)程、重啟系統(tǒng)等內(nèi)核態(tài)：操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行的模式，運(yùn)行在該模式的代碼，可無限制地對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)、外部設(shè)備進(jìn)行訪問1.1.6操作系統(tǒng)的運(yùn)行特權(quán)級(jí)別-用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)切換方式<15

>（1）系統(tǒng)調(diào)用：用戶態(tài)進(jìn)程可主動(dòng)發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用切換到內(nèi)核態(tài)，用戶態(tài)進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用申請(qǐng)使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)程序完成工作（2）異常：當(dāng)CPU在執(zhí)行運(yùn)行在用戶態(tài)下的程序時(shí)，發(fā)生事先不可知的異常，觸發(fā)由當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程切換到處理此異常的內(nèi)核相關(guān)程序中，即切換到內(nèi)核態(tài)（3）外圍設(shè)備的中斷：當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶請(qǐng)求的操作后，向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷信號(hào)，CPU會(huì)暫停執(zhí)行下一條即將執(zhí)行的指令轉(zhuǎn)而執(zhí)行與中斷信號(hào)對(duì)應(yīng)的處理程序，如果先前執(zhí)行的指令是用戶態(tài)程序，此時(shí)就發(fā)生用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換背景-2：北京大學(xué)圖書館PART1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展<17

>1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的基本概念在不同時(shí)期出現(xiàn)并逐步發(fā)展成熟，其發(fā)展歷程如下：1964第二代晶體管時(shí)代1957第一代電子管時(shí)代（1946年～1957年）1970第三代集成電路時(shí)代2018-03-24第四代大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路時(shí)代（1965年～1970年）（1971年起至今）（1958年～1964年）1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史線索<18

>1.手工操作：二戰(zhàn)時(shí)期對(duì)武器裝備設(shè)計(jì)的需要，美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)等國(guó)家，陸續(xù)開始使用真空管建造數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。通過在插板上的硬連線控制計(jì)算機(jī)的基本功能，程序設(shè)計(jì)全部采用機(jī)器語言，沒有程序設(shè)計(jì)語言（甚至沒有匯編語言）。20世紀(jì)50年代早期，出現(xiàn)穿孔卡片，可以將程序?qū)懺诳ㄆ?，此階段特點(diǎn)是手工操作、獨(dú)占方式1.2

操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史線索<19

>2.監(jiān)控程序（早期批處理)：50年代晶體管的發(fā)明后，出現(xiàn)了FORTRAN、ALGOL以及COBOL等高級(jí)語言。要運(yùn)行一個(gè)作業(yè)（JOB），程序員首先將程序?qū)懺诩埳?，穿孔成卡片，將卡片盒帶到輸入室，交給操作員，計(jì)算結(jié)果從打印機(jī)上輸出，操作員到打印機(jī)上取下運(yùn)算結(jié)果并送到輸出室，程序員取到結(jié)果。由于處理器速度提高，導(dǎo)致手工操作設(shè)備輸入/輸出信息與計(jì)算機(jī)計(jì)算速度不匹配，人們?cè)O(shè)計(jì)了監(jiān)督程序（或管理程序），來實(shí)現(xiàn)作業(yè)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換處理。操作員將作業(yè)“成批”地輸入到計(jì)算機(jī)中，由監(jiān)督程序識(shí)別一個(gè)作業(yè)，進(jìn)行處理后再取下一個(gè)作業(yè)。這種自動(dòng)定序的處理方式稱為“批處理（BatchProcessing）”方式，由于是串行執(zhí)行作業(yè)，因此稱為單道批處理1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史線索<20

>3.多道批處理：進(jìn)入第三代計(jì)算機(jī)以后，硬件有了很大發(fā)展，通道使得輸入/輸出操作與CPU操作并行處理成為可能。與此同時(shí)軟件系統(tǒng)也隨之相應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)了在硬件提供并行處理之上的多道程序設(shè)計(jì)所謂多道是指它允許多個(gè)程序同時(shí)存在于主存之中，由中央處理器以切換方式為之服務(wù)，使得多個(gè)程序可以同時(shí)執(zhí)行。計(jì)算機(jī)資源不再是“串行”地被一個(gè)個(gè)用戶獨(dú)占，而可以同時(shí)為幾個(gè)用戶共享，從而極大地提高了系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)處理作業(yè)的能力。這時(shí)管理程序已迅速地發(fā)展成為一個(gè)重要的軟件分支——操作系統(tǒng)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史線索<21

>4.分時(shí)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)：批處理系統(tǒng)不適合交互式的作業(yè)，對(duì)交互式工作方式的需求導(dǎo)致了分時(shí)系統(tǒng)（TimeSharingSystem）的出現(xiàn)。分時(shí)系統(tǒng)是指多個(gè)用戶通過終端設(shè)備與計(jì)算機(jī)交互作用來運(yùn)行自己的作業(yè)，并且共享一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而互不干擾。由于調(diào)試程序的用戶常常只發(fā)出簡(jiǎn)短的命令（如編譯一個(gè)五頁的源文件），而很少有長(zhǎng)的費(fèi)時(shí)命令（如上百萬條記錄的文件排序），所以計(jì)算機(jī)能夠?yàn)樵S多用戶提供交互式快速的服務(wù)，同時(shí)在CPU空閑時(shí)還能運(yùn)行大的后臺(tái)作業(yè)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史線索<22

>5.UNIX通用操作系統(tǒng)：20世紀(jì)60年代末，貝爾實(shí)驗(yàn)室的KenThompson和DennisM.Ritchie設(shè)計(jì)了UNIX操作系統(tǒng)，以下是UNIX的特點(diǎn)：用C語言編寫，可移植世界上惟一能在筆記本計(jì)算機(jī)、PC機(jī)、工作站直至巨型機(jī)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)系統(tǒng)源代碼非常有效，系統(tǒng)容易適應(yīng)特殊的需求良好的、通用的、多用戶、多任務(wù)、分時(shí)操作系統(tǒng)樹形文件系統(tǒng)和一定的安全機(jī)制簡(jiǎn)潔的字符流文件和文件保護(hù)機(jī)制具備功能強(qiáng)大的shell，它既是命令解釋器，又是編程用高級(jí)語言，可用于擴(kuò)充系統(tǒng)的功能1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史線索<23

>6.個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)：20世紀(jì)70年代末期出現(xiàn)了面向個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)，例如微軟公司的MSDOS操作系統(tǒng)，屬于單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)1984年，蘋果推出交互式圖形功能的操作系統(tǒng)1992年，微軟推出交互式圖形功能的Windows3.11995年，Windows95出現(xiàn)，Windows成為個(gè)人計(jì)算機(jī)主流操作系統(tǒng)1991年，Linus公布Linux操作系統(tǒng)，繼承UNIX全部?jī)?yōu)點(diǎn)，開放源碼，Linux極其健壯1.2.1操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史線索<24

>分布式系統(tǒng)：多個(gè)連接的處理資源組成，在整個(gè)系統(tǒng)控制下合作執(zhí)行任務(wù)，最少依賴于集中的程序、數(shù)據(jù)或硬件，資源可物理上相鄰，也可地理上分散機(jī)群操作系統(tǒng)：適用于多臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的機(jī)群嵌入式操作系統(tǒng)：在工業(yè)控制、家電、智能設(shè)備中廣泛使用陸火星飛行器“極地探路者”，采用了VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)7.當(dāng)代操作系統(tǒng)兩大發(fā)展方向——宏觀應(yīng)用與微觀應(yīng)用：大型系統(tǒng)：分布式操作系統(tǒng)、機(jī)群操作系統(tǒng)微型系統(tǒng)：嵌入式操作系統(tǒng)背景-3：西門華表操作系統(tǒng)分類PART1.3<26

>1.3操作系統(tǒng)分類按照用戶界面的使用環(huán)境和功能特征的不同，操作系統(tǒng)分為三種基本類型，批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)操作系統(tǒng)分類批處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分布式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)1.3.1批處理操作系統(tǒng)<27

>基本工作方式收到一定數(shù)量的用戶作業(yè)后，組成一批作業(yè)，輸入到計(jì)算機(jī)，在系統(tǒng)中形成一個(gè)連續(xù)的、自動(dòng)轉(zhuǎn)接的作業(yè)流特點(diǎn)與分類優(yōu)點(diǎn)：成批處理、系統(tǒng)資源利用率高、作業(yè)吞吐率高、作業(yè)流程自動(dòng)化較高、作業(yè)吞吐量大缺點(diǎn)：用戶不能直接與計(jì)算機(jī)交互，不適合調(diào)試程序分類：簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)和多道批處理系統(tǒng)1.3.1批處理操作系統(tǒng)<28

>設(shè)計(jì)思想簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)在操作系統(tǒng)發(fā)展早期出現(xiàn)，被稱為早期批處理系統(tǒng)，或監(jiān)控程序。在監(jiān)控程序啟動(dòng)前，操作員有選擇地把若干作業(yè)合并成一批作業(yè)，將這批作業(yè)安裝在輸入設(shè)備上。然后啟動(dòng)監(jiān)控程序，監(jiān)控程序?qū)⒆詣?dòng)控制這批作業(yè)的執(zhí)行，作業(yè)的運(yùn)行以及作業(yè)之間的銜接都由監(jiān)控程序自動(dòng)控制，有效地提高了作業(yè)運(yùn)行的效率作業(yè)控制說明書在簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)中，作業(yè)的運(yùn)行步驟是由作業(yè)控制說明書傳遞給監(jiān)控程序。作業(yè)控制說明書是由作業(yè)控制語言編寫的一段程序，通常存放在被處理作業(yè)前面。在運(yùn)行過程中，監(jiān)控程序讀入并解釋作業(yè)控制說明書中的語句，以控制各個(gè)作業(yè)步的執(zhí)行1.3.1批處理操作系統(tǒng)<29

>一般指令和特權(quán)指令運(yùn)行模式：用戶模式和特權(quán)模式機(jī)器指令：一般指令和特權(quán)指令特權(quán)指令：輸入/輸出指令、停機(jī)指令，只有監(jiān)控程序能執(zhí)行特權(quán)指令，用戶程序只能執(zhí)行一般指令，用戶程序向操作系統(tǒng)請(qǐng)求功能，請(qǐng)求通過系統(tǒng)調(diào)用（廣義指令）完成系統(tǒng)調(diào)用的過程1.系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生時(shí)，處理器通過一種特殊的機(jī)制，中斷或者異常處理，把控制流程轉(zhuǎn)移到監(jiān)控程序內(nèi)的一些特定的位置，同時(shí)，處理器模式轉(zhuǎn)變成特權(quán)模式2.監(jiān)控程序執(zhí)行被請(qǐng)求的功能代碼3.結(jié)束之后，監(jiān)控程序恢復(fù)系統(tǒng)調(diào)用之前的現(xiàn)場(chǎng)，從特權(quán)模式恢復(fù)成為用戶方式，將控制權(quán)轉(zhuǎn)移回原來的用戶程序1.3.1批處理操作系統(tǒng)<30

>SPOOLing技術(shù)為了提高硬件資源的利用率，批處理系統(tǒng)發(fā)展為更加高級(jí)的多道批處理系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)就是多道程序運(yùn)行、假脫機(jī)（SPOOLing）技術(shù)等假脫機(jī)技術(shù)，全稱是“同時(shí)的外部設(shè)備聯(lián)機(jī)操作”，借助硬件通道技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸入輸出操作和處理器動(dòng)作的自動(dòng)并行處理。通道是指專門用來控制輸入輸出的硬件設(shè)備，可以看作是專門的I/O處理機(jī)。通道基本上是自主控制外設(shè)的，可以與CPU并行工作。假脫機(jī)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)多道批處理系統(tǒng)中的多道程序設(shè)計(jì)思想提供了重要的基礎(chǔ)1.3.2分時(shí)系統(tǒng)<31

>分時(shí)操作系統(tǒng)出現(xiàn)在批處理操作系統(tǒng)之后，彌補(bǔ)批處理方式不能向用戶提供交互式快速服務(wù)的缺點(diǎn)基本工作方式用戶通過終端交互式地向系統(tǒng)提出命令請(qǐng)求，系統(tǒng)接受用戶的命令之后，采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式處理服務(wù)請(qǐng)求，并通過交互方式在終端上向用戶顯示結(jié)果。用戶根據(jù)系統(tǒng)送回的處理結(jié)果發(fā)出下一道交互命令設(shè)計(jì)思想將CPU的時(shí)間劃分成若干個(gè)小片段，稱時(shí)間片。操作系統(tǒng)以時(shí)間片為單位，輪流為每個(gè)終端用戶服務(wù)1.3.2分時(shí)系統(tǒng)<32

>特點(diǎn)分時(shí)操作系統(tǒng)具有多路性、交互性、獨(dú)占性和及時(shí)性的特點(diǎn)：多路性指有多個(gè)用戶在同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)交互性指用戶根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)的結(jié)果提出下一個(gè)請(qǐng)求，用戶直接干預(yù)操作每一步的進(jìn)行獨(dú)占性指每個(gè)用戶感覺不到計(jì)算機(jī)為其他人服務(wù)及時(shí)性指系統(tǒng)能夠?qū)τ脩籼岢龅恼?qǐng)求及時(shí)給予響應(yīng)通用操作系統(tǒng)結(jié)合了分時(shí)系統(tǒng)與批處理系統(tǒng)兩種系統(tǒng)的特點(diǎn)。對(duì)于分時(shí)與批處理的處理原則是：分時(shí)優(yōu)先，批處理在后。在通用操作系統(tǒng)中，一般把系統(tǒng)的分時(shí)和批處理運(yùn)行狀態(tài)，稱為前臺(tái)和后臺(tái)。在系統(tǒng)的“前臺(tái)”響應(yīng)需頻繁交互的作業(yè)，如大量終端的處理要求；而“后臺(tái)”則處理處理對(duì)時(shí)間性要求不強(qiáng)的作業(yè)1.3.3實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)<33

>實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS：RealTimeOperatingSystem）：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，及時(shí)響應(yīng)外部事件請(qǐng)求，完成事件處理，控制實(shí)時(shí)設(shè)備和實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致工作分類：①硬實(shí)時(shí)：對(duì)關(guān)鍵事件的響應(yīng)和處理時(shí)間嚴(yán)格要求，否則產(chǎn)生嚴(yán)重后果②軟實(shí)時(shí)：對(duì)事件響應(yīng)和處理時(shí)間有一定要求，不滿足要求會(huì)影響服務(wù)質(zhì)量，但不會(huì)引發(fā)嚴(yán)重后果1.3.3實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)<34

>實(shí)時(shí)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)或軟實(shí)時(shí)的要求，需要具備以下能力：（1）實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理實(shí)時(shí)任務(wù)根據(jù)時(shí)間要求可以分為兩類：定時(shí)任務(wù)，它依據(jù)用戶的定時(shí)啟動(dòng)并按照嚴(yán)格的時(shí)間間隔重復(fù)運(yùn)行延時(shí)任務(wù)，它非周期地運(yùn)行，允許被延后執(zhí)行，但是往往有一個(gè)嚴(yán)格的時(shí)間界限依據(jù)任務(wù)功能的不同，可分為主動(dòng)式任務(wù)和從動(dòng)式任務(wù)：主動(dòng)式任務(wù)依據(jù)時(shí)間間隔主動(dòng)運(yùn)行，多用于實(shí)時(shí)監(jiān)控從動(dòng)式任務(wù)依賴于外部事件的發(fā)生（2）過載防護(hù)實(shí)時(shí)任務(wù)的啟動(dòng)時(shí)間和數(shù)量具有很大的隨機(jī)性，突發(fā)的大量實(shí)時(shí)任務(wù)極有可能超出系統(tǒng)的處理能力，從而發(fā)生過載。實(shí)時(shí)系統(tǒng)在出現(xiàn)過載現(xiàn)象時(shí)，要有能力迅速分析判斷并找出最重要的實(shí)時(shí)任務(wù)，通過拋棄或者延后次要任務(wù)以保證最重要任務(wù)成功執(zhí)行（3）高可靠性高可靠性是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要有很強(qiáng)的健壯性和堅(jiān)固性1.3.4個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)<35

>個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（PersonalComputerOperatingSystem）是一種單用戶的操作系統(tǒng)個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間內(nèi)為單個(gè)用戶服務(wù)采用圖形界面人機(jī)交互的工作方式，界面友好使用簡(jiǎn)單方便1.3.5網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)<36

>網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NetworkOperatingSystem）是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的、在各種計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)之上按網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)開發(fā)的軟件計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不同模式集中式模式運(yùn)算處理在主計(jì)算機(jī)里發(fā)生，終端僅作為輸入/輸出設(shè)備使用，通過連接兩臺(tái)或更多主機(jī)的方式構(gòu)成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分布式模式

每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有運(yùn)算處理能力，多臺(tái)計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)并共享資源和服務(wù)。在分布式模式中，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的計(jì)算機(jī)不僅能共享數(shù)據(jù)、資源及服務(wù)，還能夠共享運(yùn)算處理能力1.3.6分布式操作系統(tǒng)<37

>分布式系統(tǒng)（DistributedSystem）將大量的計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連結(jié)在一起，獲得極高的運(yùn)算能力及廣泛的數(shù)據(jù)共享分布式操作系統(tǒng)（DistributedOperatingSystem）是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的更高級(jí)形式，分布式操作系統(tǒng)除了保持了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的各種功能之外，還具備如下的特征：（1）系統(tǒng)中的所有主機(jī)使用統(tǒng)一的操作系統(tǒng)（2）資源深度共享。通過統(tǒng)一的操作系統(tǒng)的調(diào)度，在某臺(tái)主機(jī)的一個(gè)計(jì)算任務(wù)可以遷移到另一臺(tái)主機(jī)上執(zhí)行（3）透明性。用戶不知道分布式系統(tǒng)運(yùn)行在多少臺(tái)計(jì)算機(jī)上，各個(gè)主機(jī)地理位置上的差異對(duì)用戶透明（4）自治性。各個(gè)主機(jī)之間沒有主從關(guān)系，一個(gè)主機(jī)的失效一般不會(huì)影響整個(gè)分布式系統(tǒng)1.3.6分布式操作系統(tǒng)<38

>分布式系統(tǒng)把系統(tǒng)中的所有計(jì)算機(jī)構(gòu)成一個(gè)完整的、功能更加強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)相互協(xié)作，共同完成一個(gè)大型計(jì)算任務(wù)，一個(gè)計(jì)算任務(wù)可分解成若干可以并行執(zhí)行的子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)分別在不同的計(jì)算機(jī)上執(zhí)行分布式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：分布式。以較低的成本獲得較高的運(yùn)算性能可靠性。當(dāng)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)分布式系統(tǒng)仍舊能夠工作。適用于高可靠的環(huán)境1.3.6分布式操作系統(tǒng)<39

>機(jī)群（cluster）是分布式系統(tǒng)的一種，一個(gè)機(jī)群通常由一群處理器密集構(gòu)成，機(jī)群操作系統(tǒng)專門服務(wù)于這樣的機(jī)群。在機(jī)群操作系統(tǒng)的指揮下，可以用低成本的微型計(jì)算機(jī)和以太網(wǎng)設(shè)備等產(chǎn)品，構(gòu)造出性能相當(dāng)于超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能的機(jī)群網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)與分布式操作系統(tǒng)在概念上的主要不同之處：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)可以構(gòu)架于不同的操作系統(tǒng)之上，可以在不同的本機(jī)操作系統(tǒng)上通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一配置分布式操作系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)單一操作系統(tǒng)對(duì)整個(gè)分布式系統(tǒng)的管理、調(diào)度，無論本地、異地資源，都用同一方式管理與訪問，用戶不必關(guān)心資源所在的真正物理位置，或者是如何存儲(chǔ)1.3.7嵌入式操作系統(tǒng)<40

>嵌入式操作系統(tǒng)用于工業(yè)控制、交通管理、信息家電等嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)緊湊、高效，只保留運(yùn)行在其上的特定應(yīng)用程序所需要的功能嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)內(nèi)核小。由于資源有限，嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核要比傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)小得多（2）專業(yè)性強(qiáng)。與硬件緊密結(jié)合，針對(duì)不同的任務(wù)和設(shè)備進(jìn)行定制和移植，不能通用（3）系統(tǒng)精簡(jiǎn)。不需要過于復(fù)雜的功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，降低系統(tǒng)成本和提高系統(tǒng)安全性（4）高實(shí)時(shí)性。能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件和中斷，保證任務(wù)的執(zhí)行順序和完成時(shí)間（5）多任務(wù)的操作系統(tǒng)。能夠支持多任務(wù)的調(diào)度和管理，合理地分配和利用系統(tǒng)資源1.3.8其他類型操作系統(tǒng)<41

>（1）大型機(jī)操作系統(tǒng)，能夠處理海量的數(shù)據(jù)和事務(wù)，提供高度的安全性、可靠性和可伸縮性，通常用于銀行、政府、保險(xiǎn)等行業(yè)（2）服務(wù)器操作系統(tǒng)，支持多個(gè)用戶和多個(gè)任務(wù)，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和資料共享。具有高效的內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)和安全機(jī)制，通常用于互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)等領(lǐng)域（3）多處理操作系統(tǒng)，利用多個(gè)處理器并行執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，提高性能和吞吐量。具有復(fù)雜的調(diào)度算法、同步機(jī)制和通信協(xié)議，通常用于科學(xué)計(jì)算、圖形處理等領(lǐng)域（4）移動(dòng)計(jì)算操作系統(tǒng)，支持移動(dòng)通信、定位、傳感等功能，提供用戶友好的界面和應(yīng)用。具有低功耗、小內(nèi)存占用和高可移植性，通常用于智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備（5）傳感器節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)，支持傳感器數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸，提供無線網(wǎng)絡(luò)和自組織能力。具有極低的資源需求、高度的可配置性和實(shí)時(shí)性，通常用于物聯(lián)網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域（6）智能卡操作系統(tǒng)，支持智能卡的存儲(chǔ)、計(jì)算和安全功能，提供身份認(rèn)證和支付服務(wù)。具有高度的安全性、穩(wěn)定性和兼容性，通常用于金融、交通等領(lǐng)域1.3.9典型操作系統(tǒng)的特點(diǎn)<42

>單道批處理：自動(dòng)：作業(yè)自動(dòng)運(yùn)行，無需干預(yù)批量：磁帶上的各個(gè)作業(yè)按順序地進(jìn)入內(nèi)存，先調(diào)入先完成單道：內(nèi)存中僅有一道程序運(yùn)行，可以看成是串行的CPU資源利用率和系統(tǒng)吞吐量低多道批處理：多道：內(nèi)存同時(shí)存放多道程序宏觀上并行：進(jìn)入系統(tǒng)的多道程序先后開始運(yùn)行微觀上串行：內(nèi)存中多道程序輪流占有CPU，交替執(zhí)行作業(yè)處理時(shí)間長(zhǎng)，交互能力差，運(yùn)行過程不確定1.3.9典型操作系統(tǒng)的特點(diǎn)<43

>分時(shí)系統(tǒng)：多路調(diào)制性：多用戶聯(lián)機(jī)使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)獨(dú)占性：用戶感覺獨(dú)占計(jì)算機(jī)交互性：及時(shí)響應(yīng)用戶的請(qǐng)求無法在時(shí)間片更短時(shí)間內(nèi)做出處理不可搶占實(shí)時(shí)系統(tǒng)：高精度計(jì)時(shí)：計(jì)時(shí)精度是影響實(shí)時(shí)性的重要因素，精確實(shí)時(shí)地操作某個(gè)設(shè)備或執(zhí)行某個(gè)任務(wù)多級(jí)中斷：建立多級(jí)中斷嵌套處理機(jī)制，確保緊迫程度較高的實(shí)時(shí)事件得到及時(shí)響應(yīng)和處理實(shí)時(shí)調(diào)度：在調(diào)度策略和算法上保證優(yōu)先調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)可搶占1.3.9典型操作系統(tǒng)的特點(diǎn)<44

>網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：體系結(jié)構(gòu)上具有所有操作系統(tǒng)的職能，如任務(wù)管理，緩沖區(qū)管理等多用戶共享資源允許存在于多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)：分布性：計(jì)算機(jī)物理上分布在不同的地理位置，通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起并發(fā)性：計(jì)算機(jī)可同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，更快地完成工作缺乏全局時(shí)鐘：沒有統(tǒng)一的全局時(shí)鐘，只能通過時(shí)間戳等方式來實(shí)現(xiàn)事件的排序和同步故障獨(dú)立性：計(jì)算機(jī)可以獨(dú)立運(yùn)行，即使其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，其他計(jì)算機(jī)仍然可以繼續(xù)工作可擴(kuò)展性：通過增加計(jì)算機(jī)來擴(kuò)展其處理能力，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能透明性：通過各種機(jī)制實(shí)現(xiàn)透明性，包括訪問透明性、位置透明性、復(fù)制透明性、故障透明性等，用戶可以像使用單個(gè)計(jì)算機(jī)一樣使用分布式系統(tǒng)1.3.9典型操作系統(tǒng)的特點(diǎn)<45

>嵌入式系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)核小專用性強(qiáng)運(yùn)行環(huán)境差異大可靠性要求高系統(tǒng)精簡(jiǎn)和高實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的專用環(huán)境1.3.9典型操作系統(tǒng)的特點(diǎn)<46

>典型操作系統(tǒng)特點(diǎn)劃分：根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，分為桌面操作系統(tǒng)、服務(wù)器操作系統(tǒng)、主機(jī)操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)根據(jù)支持用戶數(shù)目，分為單用戶系統(tǒng)（MSDOS、OS/2）、多用戶系統(tǒng)（UNIX、MVS、Windows）根據(jù)源碼開放程度，分為開源操作系統(tǒng)（Linux、ChromeOS）和閉源操作系統(tǒng)（Windows、MacOS）根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)，分為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（Netware、WindowsNT）、分布式系統(tǒng)（Amoeba）、多媒體系統(tǒng)（Amiga）根據(jù)使用環(huán)境和作業(yè)處理方式，分為批處理系統(tǒng)（MVX、DOS/VSE）、分時(shí)系統(tǒng)（Linux、UNIX、XENIX、MacOS）、實(shí)時(shí)系統(tǒng)（iEMX、VRTX）背景-4：未名湖PART1.4操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.4操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)<48

>操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的主要困難：設(shè)計(jì)復(fù)雜程度高程序長(zhǎng)、接口信息多、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、并行性強(qiáng)，不同部分之間可以同時(shí)操作正確性難以保證操作系統(tǒng)包含很多功能成份，各種外部設(shè)備的接口復(fù)雜，導(dǎo)致操作系統(tǒng)源代碼的正確性較難以保證。操作系統(tǒng)的正確性依靠軟件工程的規(guī)范來保證研制周期長(zhǎng)一般的軟件研制開發(fā)周期包括：需求分析，用戶提供軟件的需求，并根據(jù)需求制作軟件規(guī)格說明書設(shè)計(jì)者根據(jù)軟件規(guī)格說明書進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)者編寫程序，調(diào)試、測(cè)試并整理各種開發(fā)文檔，提交給用戶使用，在應(yīng)用的過程中不斷改進(jìn)和提高軟件的品質(zhì)1.4.1操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程<49

>操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程可分為三個(gè)部分：功能設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。操作系統(tǒng)的三方面設(shè)計(jì)是互相滲透的，不能截然分開功能設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)指根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和使用要求，確定所設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)應(yīng)具備哪些功能，以及操作系統(tǒng)的類型算法設(shè)計(jì)算法設(shè)計(jì)是根據(jù)計(jì)算機(jī)的性能和操作系統(tǒng)的功能，選擇和設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)功能的算法和策略，并分析和估算其效能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是按照系統(tǒng)的功能和特性要求，選擇合適的結(jié)構(gòu)，使用相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法將系統(tǒng)逐步地分解、抽象和綜合，使操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、簡(jiǎn)明、可靠、易讀、易修改，而且使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)1.4.2操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)<50

>一個(gè)高質(zhì)量的操作系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性、高效性、易維護(hù)性、易移植性、安全性和簡(jiǎn)明性等特征可靠性可靠性包括正確性和健壯性。正確性受并發(fā)、共享以及隨之帶來的不確定性影響，要求系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)地應(yīng)付隨時(shí)發(fā)生的各種內(nèi)部和外部事件高效性提高系統(tǒng)中各種資源的利用率易維護(hù)性易維護(hù)性包括易讀性、易擴(kuò)充性、易剪裁性、易修改性等含義可移植性可移植性指，把一個(gè)程序系統(tǒng)從一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境中移到另一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境中并能正常運(yùn)行的特性安全性操作系統(tǒng)的安全性是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)，為保護(hù)用戶的程序和數(shù)據(jù)提供了最基本的安全機(jī)制簡(jiǎn)明性操作系統(tǒng)缺乏簡(jiǎn)明性，那么在系統(tǒng)的修改和維護(hù)過程中，將會(huì)產(chǎn)生許多意想不到的困難1.4.3操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)<51

>操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性早期操作系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，規(guī)模小，邏輯關(guān)系簡(jiǎn)單，只注重功能設(shè)計(jì)和效率，忽視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隨計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，應(yīng)用范圍擴(kuò)大，要求提高，需要較強(qiáng)的功能、可適應(yīng)性和可靠性操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的目標(biāo)（1）系統(tǒng)模塊化

將模塊看做一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及定義在其上的一組操作（2）模塊標(biāo)準(zhǔn)化①標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，模塊規(guī)格劃一，遵循相同模塊構(gòu)造準(zhǔn)則和模塊（構(gòu)件）標(biāo)準(zhǔn)

②總結(jié)、提煉基本成份并定型化（3）通信規(guī)范化

模塊之間接口清晰劃一，聯(lián)系方式統(tǒng)一1.4.4操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)-整體式結(jié)構(gòu)<52

>常見的操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有整體式結(jié)構(gòu)、層次式結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核（客戶/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)、外核結(jié)構(gòu)等整體式結(jié)構(gòu)首先確定操作系統(tǒng)的總體功能，將總功能分解為若干個(gè)子功能，實(shí)現(xiàn)每個(gè)子功能的程序稱為模塊。按照功能將每個(gè)大模塊分解為若干個(gè)較小的模塊，直至每個(gè)模塊僅包含單一功能或緊密聯(lián)系的小功能為止，通過接口將所有模塊連接起來形成一個(gè)整體，稱之為模塊組合結(jié)構(gòu)模塊組合法的優(yōu)點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)緊密，接口簡(jiǎn)單直接，系統(tǒng)效率較高2）系統(tǒng)中的模塊不是根據(jù)程序和數(shù)據(jù)本身的特性而是根據(jù)它們完成的功能來劃分的，數(shù)據(jù)基本上作為全程量使用3）不同模塊的程序之間可以不加控制地互相調(diào)用和轉(zhuǎn)移，信息的傳遞方式也可以根據(jù)需要隨意約定，因而可能造成模塊間的循環(huán)調(diào)用1.4.4操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)-整體式結(jié)構(gòu)<53

>模塊組合法的缺點(diǎn)：1）模塊間轉(zhuǎn)接隨意，各模塊互相牽連，獨(dú)立性差，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不清晰2）數(shù)據(jù)基本上作為全程量處理，系統(tǒng)內(nèi)所有模塊的任一程序均可對(duì)其進(jìn)行存取和修改，從而造成了各模塊間有著更為隱蔽的關(guān)系，要更換一個(gè)模塊或修改一個(gè)模塊都比較困難3）模塊組合結(jié)構(gòu)常以大型表格為中心，為保證數(shù)據(jù)完整性，往往采用全局封中斷辦法，從而限制了系統(tǒng)的并發(fā)性1.4.4操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)-層次式結(jié)構(gòu)<54

>層次式結(jié)構(gòu)層次式結(jié)構(gòu)力求使模塊間調(diào)用的無序性變?yōu)橛行蛐浴０巡僮飨到y(tǒng)的所有功能模塊，按功能流圖的調(diào)用次序，分別將這些模塊排列成若干層，各層之間的模塊只能是單向依賴或單向調(diào)用關(guān)系，結(jié)構(gòu)清晰，且不構(gòu)成循環(huán)層次式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：各模塊之間的組織結(jié)構(gòu)和依賴關(guān)系清晰明了。增加了系統(tǒng)的可讀性和可適應(yīng)性，每一步都建立在可靠的基礎(chǔ)上，只要下層的各模塊設(shè)計(jì)是正確的，就為上層功能模塊的設(shè)計(jì)提供了可靠基礎(chǔ)，從而增加了系統(tǒng)的可靠性對(duì)操作系統(tǒng)增加或替換掉一層而不影響其他層次。層次結(jié)構(gòu)法設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)具有易于調(diào)試、易于修改、易于擴(kuò)充、易于維護(hù)、易于保證正確性等優(yōu)點(diǎn)1.4.4操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)-層次式結(jié)構(gòu)<55

>模塊放在哪一層，共有多少層，依據(jù)功能流圖和數(shù)據(jù)流圖分層，原則如下：（1）為增加可適應(yīng)性，方便移植，把與機(jī)器特點(diǎn)緊密相關(guān)的軟件，如中斷處理、輸入輸出管理等放在緊靠硬件的最低層。為便于修改移植，把與硬件有關(guān)和與硬件無關(guān)的模塊截然分開，把與硬件有關(guān)的BIOS(管理輸入輸出設(shè)備)放在最內(nèi)層。當(dāng)硬件環(huán)境改變時(shí)只需修改這一層（2）為便于一種操作方式轉(zhuǎn)變到另一種操作方式，把共同使用的基本部分放在內(nèi)層，把改變部分放在外層（3）為給進(jìn)程提供環(huán)境和條件，系統(tǒng)調(diào)用的各功能，為進(jìn)程提供服務(wù)，這些功能構(gòu)成操作系統(tǒng)內(nèi)核，放在系統(tǒng)內(nèi)層1.4.4操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)-微內(nèi)核（客戶/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)<56

>微內(nèi)核（客戶/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)適于應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下分布式處理的計(jì)算環(huán)境中，又稱為微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)如下：（1）運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的內(nèi)核：內(nèi)核提供所有操作系統(tǒng)都具有的操作，如線程調(diào)度、虛擬存儲(chǔ)、消息傳遞、設(shè)備驅(qū)動(dòng)以及內(nèi)核的原語操作集和中斷處理等（2）運(yùn)行在用戶態(tài)的并以客戶/服務(wù)器方式運(yùn)行的進(jìn)程層：除內(nèi)核部分外，操作系統(tǒng)所有的其他部分被分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)程，每一個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)一組服務(wù)，稱為服務(wù)進(jìn)程。這些服務(wù)進(jìn)程可以提供各種系統(tǒng)功能、文件系統(tǒng)服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。服務(wù)進(jìn)程的任務(wù)是檢查是否有客戶機(jī)提出要求服務(wù)的請(qǐng)求，并在滿足客戶機(jī)進(jìn)程的請(qǐng)求后將結(jié)果返回1.4.4操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)-微內(nèi)核（客戶/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)<57

>優(yōu)點(diǎn)：分成若干小的自包含分支（服務(wù)進(jìn)程），分支運(yùn)行在獨(dú)立進(jìn)程中，通過規(guī)范一致方式收發(fā)消息。內(nèi)核中建立最小機(jī)制，策略留給服務(wù)進(jìn)程，靈活性強(qiáng)（1）可靠：分支獨(dú)立自包含，某個(gè)服務(wù)器失敗，不會(huì)引起其他服務(wù)器崩潰（2）靈活：便于新功能，接口規(guī)范，修改服務(wù)器代碼不影響系統(tǒng)其他部分，可維護(hù)性好（3）適于分布式處理環(huán)境：不同服務(wù)運(yùn)行在不同計(jì)算機(jī)上，具有分布式處理能力缺點(diǎn)：只能通過微內(nèi)核通信，通信頻繁時(shí)，效率低1.4.4操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)-外核結(jié)構(gòu)<58

>外核結(jié)構(gòu)外核結(jié)構(gòu)（Exokernel）是一種操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)的主要工作僅僅為簡(jiǎn)單的申請(qǐng)操作以及釋放和復(fù)用硬件資源，其由以往操作系統(tǒng)提供的抽象全部在用戶空間中運(yùn)行。這種方式實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用級(jí)資源管理，即由應(yīng)用程序而不是操作系統(tǒng)管理硬件資源1.4.4操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)-典型實(shí)例<59

>典型實(shí)例1）UnixUnix是一種多用戶、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的可移植性和開放性。它采用分層結(jié)構(gòu)，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理硬件資源，提供系統(tǒng)調(diào)用接口給上層應(yīng)用程序2）LinuxLinux是一種類似于Unix的操作系統(tǒng)，它采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，內(nèi)核負(fù)責(zé)硬件驅(qū)動(dòng)、進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理等基本功能，而其他功能則通過模塊化的方式實(shí)現(xiàn)3）WindowsWindows是微軟公司推出的一種操作系統(tǒng)，它采用了混合內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)核負(fù)責(zé)硬件驅(qū)動(dòng)、進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理等基本功能，同時(shí)也提供了圖形用戶界面和豐富的應(yīng)用程序接口1.4.4操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)-典型實(shí)例<60

>典型實(shí)例4）AndroidAndroid是谷歌公司推出的一種基于Linux內(nèi)核的移動(dòng)操作系統(tǒng)，它采用虛擬機(jī)技術(shù)來運(yùn)行應(yīng)用程序，并提供了豐富的應(yīng)用程序接口和開發(fā)工具5）鴻蒙操作系統(tǒng)鴻蒙操作系統(tǒng)（HarmonyOS）是華為推出的一款面向萬物互聯(lián)的全場(chǎng)景分布式操作系統(tǒng)，支持手機(jī)、平板、智能穿戴、智慧屏等多種終端設(shè)備運(yùn)行，提供應(yīng)用開發(fā)、設(shè)備開發(fā)的一站式服務(wù)的平臺(tái)。它采用微內(nèi)核設(shè)計(jì)，僅包括了操作系統(tǒng)必要的功能模塊（任務(wù)管理、內(nèi)存分配等）1.4.4操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)-典型實(shí)例<61

>典型實(shí)例6）OpenEuler操作系統(tǒng)。OpenEuler是開放原子開源基金會(huì)（OpenAtomFoundation）孵化及運(yùn)營(yíng)的開源項(xiàng)目。OpenEuler是一款面向數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的操作系統(tǒng)，支持服務(wù)器、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、嵌入式等應(yīng)用場(chǎng)景，支持多樣性計(jì)算，致力于提供安全、穩(wěn)定、易用的操作系統(tǒng)7）銀河麒麟操作系統(tǒng)銀河麒麟是由天津麒麟信息技術(shù)有限公司開發(fā)和維護(hù)的一款國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)。它支持以x86、x86_64、PowerPC、SPARC為代表的國(guó)際主流CPU和以飛騰為代表的國(guó)產(chǎn)CPU，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)防、軍工、政務(wù)、電力、航天、金融、電信、教育、大中型企業(yè)等行業(yè)或領(lǐng)域8）中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)中標(biāo)麒麟是中國(guó)麒麟軟件有限公司基于Linux開發(fā)的商業(yè)操作系統(tǒng)，其社區(qū)版為UbuntuKylin。目前中標(biāo)麒麟最新版本為V7.0，包括中標(biāo)麒麟高級(jí)服務(wù)器操作系統(tǒng)軟件V7.0和中標(biāo)麒麟桌面操作系統(tǒng)軟件V7.01背景-5：翻尾石魚PART1.5操作系統(tǒng)啟動(dòng)1.5.1引導(dǎo)方式<63

>（1）BIOS引導(dǎo)。BIOS是存儲(chǔ)在BIOS芯片中的程序，當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，BIOS會(huì)執(zhí)行硬件自檢并初始化硬件配置，后根據(jù)CMOS中用戶指定的硬件啟動(dòng)順序，讀取相應(yīng)設(shè)備的啟動(dòng)或引導(dǎo)記錄，引導(dǎo)相應(yīng)設(shè)備上的操作系統(tǒng)啟動(dòng)（2）UEIF引導(dǎo)。UEFI是一種新型的固件接口，采用模塊化、高級(jí)語言（主要是C語言）構(gòu)建的一個(gè)小型化系統(tǒng)，直接利用加載EFI驅(qū)動(dòng)的方式，識(shí)別系統(tǒng)硬件并完成硬件初始化1.5.2操作系統(tǒng)的引導(dǎo)過程<64

>計(jì)算機(jī)開機(jī)，BIOS自檢并檢測(cè)第一個(gè)能夠引導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)備，如硬盤或光驅(qū)運(yùn)行MBR扇區(qū)的啟動(dòng)程序，如GRUB引導(dǎo)程序GRUB引導(dǎo)程序讀取配置文件獲取內(nèi)核和鏡像文件系統(tǒng)的設(shè)置以及路徑位置內(nèi)核和鏡像文件系統(tǒng)加載到內(nèi)存加載硬件驅(qū)動(dòng)程序，初始化進(jìn)程1.5.3操作系統(tǒng)的啟動(dòng)機(jī)制<65

>操作系統(tǒng)的啟動(dòng)過程：BIOS自檢、系統(tǒng)引導(dǎo)、啟動(dòng)內(nèi)核、初始化系統(tǒng)計(jì)算機(jī)開機(jī)，BIOS程序?qū)⒋鎯?chǔ)設(shè)備的引導(dǎo)記錄（BootRecord）載入內(nèi)存，執(zhí)行引導(dǎo)記錄中的引導(dǎo)程序（Boot）引導(dǎo)程序?qū)⒋鎯?chǔ)設(shè)備中的操作系統(tǒng)內(nèi)核載入內(nèi)存，進(jìn)入內(nèi)核入口點(diǎn)開始執(zhí)行內(nèi)核完成系統(tǒng)初始化，允許用戶進(jìn)行交互1.5.4典型程序執(zhí)行流程<66

>一個(gè)程序的典型執(zhí)行流程：（1）用戶通過操作系統(tǒng)啟動(dòng)程序（2）操作系統(tǒng)將程序從磁盤加載到內(nèi)存中（3）操作系統(tǒng)為程序分配資源，如CPU時(shí)間、內(nèi)存空間和輸入/輸出設(shè)備（4）程序開始執(zhí)行，由CPU按順序執(zhí)行指令（5）程序可能會(huì)與操作系統(tǒng)交互，請(qǐng)求服務(wù)，如讀寫文件或訪問網(wǎng)絡(luò)（6）程序執(zhí)行完畢后，操作系統(tǒng)回收其占用的資源背景-1：北京大學(xué)西門PART1.6本章小結(jié)本章回顧<68

>計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)部分，操作系統(tǒng)屬于系統(tǒng)軟件，是擴(kuò)充硬件功能，提供軟件運(yùn)行環(huán)境的一類重要系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)是這樣一些程序模塊的集合——它們能有效地組織和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，控制程序的執(zhí)行，并向用戶提供各種服務(wù)功能，使得用戶能夠靈活、方便、有效地使用計(jì)算機(jī)，使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能高效地運(yùn)行操作系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件管理、作業(yè)管理等系統(tǒng)功能，它具有并發(fā)、共享、隨機(jī)三個(gè)主要特征本章回顧<69

>根據(jù)在用戶界面的使用環(huán)境和功能特征的不同，操作系統(tǒng)可以分為多種類型：批處理操作系統(tǒng)分為簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)和多道批處理系統(tǒng)。批處理操作系統(tǒng)的特點(diǎn)是