第一章 操作系统引论

知识框架

主导：PV操作

核心：（1）进程管理，存储管理，文件管理，I/O管理

　　　（2）多处理机，多媒体 (408中没有)

概念：进程，线程，死锁，中断，DMA等

1.1  操作系统的目标和作用

操作系统的目标与应用环境有关。

（1）在查询系统中所用的OS，希望能提供良好的人机交互性；

（2）对于应用于工业控制、武器控制以及多媒体环境下的OS，要求其具有实时性；

（3）对于微机上配置的OS，则更看重的是其使用的方便性；

1.1.1  操作系统的目标

1.  方便性---用户

2.  有效性---系统管理

3.  可扩充性

4.  开放性

1.1.2  操作系统的作用

1.  OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

       OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：OS处于用户于计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。

       用户在OS帮助下能够方便、快捷、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序

2.  OS作为计算机系统资源的管理者

　　在一个计算机系统中，通常都含有多种硬件和软件资源，分为四类：处理机、存储器、I/O设备、文件（数据和程序）。

　　OS的主要功能：

• 处理机管理是用于分配和控制处理机；
• 存储器管理主要负责内存的分配与回收；
• I/O设备管理使负责I/O设备的分配（回收）与操纵；
• 文件管理使用于实现对文件的存取、共享与保护。

3.  OS实现了对计算机资源的抽象

（1）为了方便用户使用I/O设备，人们在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件

（2）实现对I/O设备操作的细节，并向上将I/O设备抽象为一组数据结构以及一组I/O操作命令，如read和write命令，这样用户即可利用这些数据结构及操作命令来进行数据输入或输出，而无需关心I/O是如何具体实现的。

 

1.1.3   推动操作系统发展的主要动力（了解）

1.  不断提高计算机资源的利用率

2.  方便用户

3.  期间的不断更新换代

4.  计算机体系结构的不断发展

5.  不断提出新的应用需求

1.2  操作系统的发展过程

　　在20世纪50年代中期，出现第一个简单的批处理OS---->60年代中期开发出多道程序批处理系统---->分时系统，实时CS也相继问世---->20世纪70到90年代，微机OS、多处理机OS和网络OS ，得到极为迅猛的发展

1.2.1  未配置操作系统的计算机系统

1.  人工操作方式缺点：

（1）用户独占全机，即一台计算机的全部资源由上机用户所独占。

（2）CPU等待人工操作。当用户进行装带（卡）、卸带（卡）等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。

 

2.  脱机输入/输出方式

　　为解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，20世纪50年大代末出现了脱机I/O技术

　　事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在一台外围机的控制下，把纸带上的数据（程序）输入到磁带上。当CPU需要这些数据和程序时，再从磁带上高速的调入内存

注：不需要用主机

1.2.2  单道批处理系统

1.  为实现对作业的连续处理，需要先把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序，在它控制下，使这批作业能一个接一个的连续处理

2.   单道批处理系统的缺点

（1）系统的资源得不到充分的利用：

 　　由于内存仅有一道程序，每逢该程序运行中发出I/O请求后，CPU便处于等待状态，必须在其I/O完成后才继续运行。又因为I/O设备的低速性，更使CPU的利用率显著降低

1.2.3  多道批处理系统

1.  多道程序设计的基本概念

　　为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在20世纪60年代中期引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统。

注：（1）甘特图很重要，会出计算题（408选择题）；

   　（2）操作系统单CPU，单处理器，I/O设备可以多个（I/O具体看题）；

　   （3）虚线下的小__就是 -----> 进程切换 / 调度

2.  多道批处理系统的优缺点

（1）资源利用率高。引入多道批处理能使多道程序交替运行，以保持CPU处于忙碌状态；在内存中装入多道程序可提高内存的利用率；此外还可以提高I/O设备的利用率。

（2）系统吞吐量大。能提高系统吞吐量的主要原因可归结为：

• CPU和其他资源保持忙碌状态；

• 仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。

 （3）平均周转时间长。由于作业要排队依次进行处理，因而作业的周转时间较长。（周转时间=等待时间 + 执行时间  或  周转时间=主机结束 - 从主机开始）

（4）无交互能力。用户一旦把作业交给操作系统，直至作业完成，永华都不能与自己的作业进行交互，修改和调试程序极不方便。

3.  多道批处理系统需要解决的问题

（1）处理机争用问题。既要能满足各道程序运行的需要，又要能提高处理机的利用率。

（2）内存分配和保护问题。系统应能为每道程序分配必要的内存空间，使它们“各得其所”，且不会因某渠道程序出现异常情况而破坏其它程序。

（3）I/O设备分配问题。系统应采取适当的策略来分配系统中的I/O设备，以达到既能方便用户对设备的使用，又能提高设备利用率的目的

（4）文件的组织和管理问题。系统应能有效地组织存放在系统中的大量的程序和数据，使它们既便于用户使用，又能保证数据的安全性。

（5）作业管理问题。系统中存在着各种作业(应用程序)，系统应能对系统中所有的作业进行合理的组织，以满足这些作业用户的不同要求。

（6）用户与系统的接口问题。为使用户能方便的使用操作系统，OS还应提供用户与OS之间的接口

1.2.4  分时系统

1.  分时系统的引入

　　推动分时系统形成和发展的主要动力，是为了满足用户对人机交互的需求，由此形成了新型OS。

　　用户的需求表现：（1）人机交互；（2）共享主机；

2.  分时系统实现中的关键问题

　　在多道批处理系统中，用户无法与自己的作业进行交互的主要原因是：作业都先驻留在外存上，即使以后被调入内存，也要经过较长时间的等待后方能运行，用户无法与自己的作业进行交互。

（1）及时接收    多路卡
（2）及时处理    常驻内存/时间片

3.  分时系统的特征

　　分时系统与多道批处理系统相比，具有非常明显的不同特征，可归纳以下四个方面：

• 多路性
• 独立性
• 及时性
• 交互性

1.2.5  实时系统

1.  实时系统的类型

• 工业（武器）控制系统
• 信息查询系统
• 多媒体系统
• 嵌入式系统

2.  实时任务的类型

（1）周期性实时任务和非周期性实时任务

（2）硬实时任务和软实时任务

3.  实时系统和分时系统特征比较

• 多路性
• 独立性
• 及时性（实时）
• 交互性（分时）
• 可靠性（实时性系统比分时性系统高）

1.2.6  微机操作系统的发展

1.  单用户单任务操作系统：CP/M、MS-DOS

2.  单用户多任务操作系统

　　单用户多任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，但允许用户把程序分成若干个任务，使他们并行执行，从而有效改善系统的性能

3.  多用户多任务操作系统

　　允许多个用户通过各自的终端，使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务,使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。

　　在大、中和小型机中所配置的大多是多用户多任务操作系统，而在32位微机上，也有不少配置的是多用户多任务操作系统，其中最有代表性的是UNIX OS。

1.3  操作系统的基本特性

　　多道批处理系统、分时系统和实时系统这三种基本操作系统都具有各自不同的特征,

• 批处理系统有提高的资源利用率和系统吞吐量；

• 分时系统能获得及时响应；

• 实时系统具有实时特征。

　　共同具有并发、共享、虚拟和异步四个基本特征。

1.3.1  并发(Concurrence)

1.  并行与并发

　　并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。

　　（1）并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。

　　（2）并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

注：在用单处理机的时候（一个CPU），一般都叫并发的（并行也是有的）；在用多处理机时（多CPU），一般都叫并行的。

2.  引入进程

      在一个未引入进程的系统中，在属于同一个应用程序的计算程序和I/O程序之间只能是顺序执行。

      在为计算程序和I/O程序分别建立一个进程(Process)后，这两个进程便可并发执行。若对内存中的多个程序都分别建立一个进程，它们就可以并发执行，这样便能极大地提高系统的利用率，增加系统的吞吐量。

1.3.2  共享(Sharing)

　　一般情况下的共享与操作系统环境下的共享其含义并不完全相同。

1.  互斥共享方式（需要保护）

　　系统中的某些资源，如打印机、磁带机等，虽然可以提供给多个进程(线程)使用，但应规定在一段时间内，只允许一个进程访问该资源。为此，在系统中应建立一种机制，以保证多个进程对这类资源的互斥访问。

2.  同时访问方式

　　系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”，在单处理机环境下是宏观意义上的，而在微观上，这些进程对该资源的访问是交替进行的。

　　典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备。一些用重入码编写的文件也可以被“同时”共享，即允许若干个用户同时访问该文件。

1.3.3  虚拟

1.  时分复用技术

• 虚拟处理及技术
• 虚拟设备技术

注：逻辑CPU的就是支持超线程技术的处理器在一个单核心的CPU内，利用其中空闲的执行单元，模拟出另外一个核心，使整个CPU有两个逻辑核心，从而提高整个CPU的工作效率，逻辑CPU在进程中。

2.  空分复用技术

      把空分复用技术用于对存储空间的管理，用以提高存储空间的利用率

 

1.3.4  异步(Asynchronism)

在多道程序环境下，系统允许多个进程并发执行。在单处理机环境下，由于系统中只有一台处理机，因而每次只允许一个进程执行，其余进程只能等待。可见，由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不可能“一气呵成”，而是以"停停走走”的方式运行。

1.4  操作系统的主要功能---->操作系统后边主要内容

在传统OS中应具有处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理等基本功能。此外，还需要向用户提供方便的用户接口。

1.4.1  处理机管理功能

1.进程管理

2.进程同步

3.进程通信

4.调度：作业调度和进程调度

1.4.2  存储器管理功能

1.  内存分配

1.1  内存分配的主要任务是:

(1)为每道程序分配内存空间，使它们"各得其所"

(2)提高存储器的利用率，尽量减少不可用的内存空间(碎片)。

(3)允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。

1.2  内存分配可采取静态和动态两种方式:

(1)静态分配方式。

每个作业的内存空间是在作业装入时确定的，在作业装入后的整个运行期间不允许该作业再申请新的内存空间，也不允许作业在内存中“移动”

(2)动态分配方式。

每个作业所要求的基本内存空间虽然也是在装入时确定的，但允许作业在运行过程中继续申请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增长， 也允许作业在内存中”移动“

2.  内存保护

（1）确保每道用户程序都仅在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。

（2）绝不允许用户程序访问操作系统的程序和数据,也不允许用户程序转移到非共享的其它用户程序中去执行。

3.  地址映射（很重要）

在多道程序环境下，由于每道程序经编译和链接后所形成的可装入程序其地址都是从0开始的，但不可能将它们从"0"地址(物理)开始装入内存,致使(各程序段的)地址空间内的逻辑地址与其在

内存空间中的物理地址并不相一致。

地址映射功能，即能够将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的支持下完成。

4.  内存扩充

内存扩充并非是从物理上去扩大内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多，以便让更多的用户程序能并发运行。为

了能在逻辑上扩充内存，系统必须设置内存扩充机制(包含少量的硬件)，用于实现下述各功能：

• 请求调入功能。

• 置换功能。

注：虚拟存储放在磁盘中，CPU只能访问主存，不能访问虚拟存储

1.4.3  设备管理功能

设备管理的主要任务如下:

(1)完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配所需的I/O设备，并完成指定的I/O操作。

(2)提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度,方便用户使用I/O设备。

为实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理以及虚拟设备等功能。

• 缓冲管理
• 设备分配
• 设备处理

1.4.4  文件管理功能

1.文件存储空间的管理

2.目录管理

3.文件的读/写管理和保护

4.文件的实现问题

1.4.5  操作系统与用户之间的接口

1.  用户接口

• 联机用户接口
• 脱机用户接口
• 图形用户接口

2.  程序接口（系统调用）

       程序接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径。它是由一组系统调用组成的，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序。每当应用程序要求OS提供某种服务(功能)时，便调用具有相应功能的系统调用(子程序)。早期的系统调用都是用汇编语信提供的，只有在用汇编语言书写的程序中才能直接使用系统调用。

 

1.4.6  现代操作系统的新功能

现代操作系统是在传统操作系统基础上发展起来的，它除了具有传统操作系统的功能外，还增加了面向安全、面向网络和面向多媒体等功能。

1.  系统安全

• 认证技术
• 密码技术
• 访问控制技术
• 反病毒技术

2.  网络的功能和服务

• 网络通信
• 资源管理
• 应用互操作

3.  支持多媒体

• 接纳控制功能。
• 实时调度。
• 多媒体文件的存储。

1.5  OS结构设计

 1.5.1  微内核OS结构

1.  微内核操作系统的基本概念

（1）足够小的内核

　　内核是指精心设计的、能实现现代OS最基本核心功能的小型内核，微内核并非是一个完整的OS,而只是将操作系统中最基本的部分放入微内核，通常包含有:

• 与硬件处理紧密相关的部分;
• 一些较基本的功能;
• 客户和服务器之间的通信。

（2）基于客户/服务器模式（C/S模式）----非重点

       由于客户/服务器模式具有非常多的优点，故在单机微内核操作系统中几乎无一例外地都采用客户/服务器模式，将操作系统中最基本的部分放入内核中，而把操作系统的绝大部分功能都放在微内核外面的一组服务器(进程)中实现，如用于提供对进程(线程)进行管理的进程(线程)服务器、提供虚拟存储器管理功能的虚拟存储器服务器、提供I/O设备管理的I/O设备管理服务器等，它们都是被作为进程来实现的，运行在用户态，客户与服务器之间是借助微内核提供的消息传递机制来实现信息交互的。

（3）应用“机制与策略分离”原理

　　在现在操作系统的结构设计中，经常利用"机制与策略分离”的原理来构造OS结构。

　　机制,是指实现某一功能的具体执行机构。

　　策略，则是在机制的基础上借助于某些参数和算法来实现该功能的优化，或达到不同的功能目标。

（4）采用面向对象技术

        基于面向对象技术中的"抽象"和"隐蔽"原则控制系统的复杂性，利用"对象"、"封装" 和"继承"等概念来确保操作系统的"正确性"、"可靠性"、"易修改性"、 ”易扩展性"等，并提高操作系统的设计速度。正因为面向对象技术能带来如此多的好处，故面向对象技术被广泛应用于现代操作系统的设计中。

 

2.  微内核的基本功能

      微内核应具有哪些功能，或者说哪些功能应放在微内核内，哪些应放在微内核外，目前尚无明确的规定。现在一般都采用“机制与策略分离”的原理，将机制部分以及与硬件紧密相关的部分放入微内核中。

由此可知微内核通常具有如下几方面的功能:

• 进程(线程)管理
• 低级存储器管理
• 中断和陷入处理---->组成原理中的中断和异常

3.  微内核操作系统的优点

       由于微内核OS结构是建立在模块化、层次化结构的基础上的，并采用了客户/服务器模式和面向对象的程序设计技术，因此，微内核结构的操作系统是集各种技术优点之大成，因而使之具有如下优点:

• 提高了系统的可机展性。
• 增强了系统的可靠性。
• 可移植性强。
• 提供了对分布式系统的支持。
• 融入了面向对象技术。

4.  微内核操作系统的缺点

　　运行效率有所降低

小结：至此操作系统第一章落下帷幕，408同学注意选择题，自主命题的多看看概念，甘特图很重要。欢迎大家来挑错，谢谢