2022年《操作系统高分笔记》试读版 .pdf

天勤论坛 第一章绪论大纲要求（一）操作系统的概念、特征、功能和提供的服务（二）操作系统的发展与分类（三）操作系统的运行环境内核态与用户态中断、异常系统调用（四）操作系统体系结构考点与要点分析核心考点1、（）操作系统的基本概念：操作系统的功能、特征和层次结构。2、（）操作系统的发展过程，操作系统的分类以及每类操作系统的特性。3、（）操作系统的软硬件运行环境：内核态与用户态的区别，中断与异常的区别，系统调用的概念。4、（）操作系统体系结构的基本概念。基础要点1、现代操作系统的两个最基本的特征是并发和共享。2、操作系统的五大功能是：处理机管理、存储器管理、信息管理、设备管理和提供用户接口（有的书上还提到了作业管理）。3、从系统观点看，操作系统是计算机系统中的一个系统软件，其管理和控制计算机系统中的资源。从用户的观点看，操作系统是用户与计算机之间的接口。从软件观点看，操作系统是程序和数据结构的集合。4、允许多个用户以交互方式使用计算机的操作系统称为分时操作系统；允许多个用户将多个作业交给计算机集中处理的操作系统称为批处理操作系统；能及时处理过程、控制数据并做出相应的操作的计算机系统称为实时操作系统。5、批处理操作系统的主要缺点是缺少交互性。虽然提高了计算机系统的工作效率，但用户不能直接干预作业的执行。6、实时系统应具有两个基本特征：及时性和高可靠性。即实时操作系统必须在规定时间内处理完来自外部的事件并且保证系统的安全性和稳定性，因此实时操作系统常用在订票系统、银行系统等对反馈时间及可靠性要求高的地方。7、操作系统中采用多道程序设计技术后，提高了CPU和外部设备的利用率。多道运行的名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 23 页 -天勤论坛 特征之一是宏观上并行，它的含义是同时进入系统的几道程序都处于运行状态中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。8、多道程序设计技术是指将一个以上的作业放入主存，并且同时处于运行状态，这些作业共享处理机和外围设备等资源。9、操作系统程序的运行状态称为内核态（或管态），用户程序的运行状态称为用户态（或目态）。10、通常异常会引起中断，而中断未必是由异常引起的。11、系统中与资源有关的操作，都必须用过系统调用向操作系统提出请求，由操作系统代为完成。历年考察情况年份2009 2010 2011 单项选择题1 题 2 1 题 2 1 题 2 综合应用题0 题0 题0 题考查内容计 算 机 的 可 并 行 设备；系统调用是应用程序的接口；用户态下执行的程序小计2 2 2 知识体系框图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 23 页 -天勤论坛 知识点讲解1.1 操作系统的基本概念1.1.1 冯诺依曼模型图 1.1 冯诺依曼模型计算机硬件的基本组成如图1.1，通常也称为冯诺依曼结构，由五部分组成：主机部分由运算器、控制器、存储器组成，外设部分由输入设备和输出设备组成。1.1.2 计算机系统的层次关系没有配置软件的计算机称为裸机，仅仅构成了计算机系统的物质基础，而实际呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层的软件改造之后的计算机。如图1.2 所示。图 1.2 计算机系统层次关系计算机的硬件和软件以及软件的各部分之间是一种层次结构的关系。硬件在最下层，它的上面是操作系统，经过操作系统提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能把裸机改造成为功能更强、使用方便的机器，通常称之为虚拟机或扩展机，而各种实用程序和应用程序在操作系统之上，它们以操作系统为支撑系统，同时又向用户提供完成其工作所需的各种服务。操作系统是裸机上的第一层软件，是对硬件功能的首次扩充。引入操作系统的目的是：提供一个计算机用户与计算机硬件系统之间的接口，使计算机系统更易于使用；有效地控制和管理计算机系统中的各种硬件和软件资源，使之得到更有效的利用；合理地组织计算机系统的工作流程，以改善系统性能。实线代表数据信息虚线代表控制信息名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 23 页 -天勤论坛 1.1.3 操作系统的概念下面简单讨论一下操作系统研究中的不同观点，这些观点彼此并不矛盾，而是站在不同角度对同一事物（操作系统）分析的结果。每一种观点都有助于理解、分析和设计操作系统。1 软件的观点从软件的观点来看，操作系统有其作为软件的外在特征和内在特征。所谓外在特征是指操作系统是一种软件，它的外部表现形式（即它的操作命令集和它的界面）完全确定了操作系统的使用方式。我们需要从操作系统的使用界面上（即操作系统的各种命令、各种系统调用及其语法定义等）学习和研究操作系统，只有这样才能从外部特征上把握住每一个操作系统的性能。所谓内在特性是指操作系统是一种软件，它具有一般软件的结构特点，然而这种软件不是一般的应用软件，它具有一般软件所不具备的特殊结构。因此，我们学习和研究操作系统时就需要研究其结构上的特点，从而更好地把握住它的内部结构特点。比如，操作系统是直接同硬件打交道的，那么就要研究同硬件交互的软件是怎么组成的，每个组成部分的功能作用和各部分之间的关系等，换言之，即要研究其内部算法。2 资源管理的观点操作系统的资源管理观点是将操作系统看成是计算机系统的资源管理程序。在计算机系统中有两类资源：硬件资源和软件资源，按其作用又可以将它们分为四大类资源：处理机、存储器、外部设备和信息（程序和数据）。这四类资源构成了操作系统本身和用户作业赖以活动的物质基础和工作环境。它们的使用方法和管理策略决定了整个操作系统的规模、类型、功能和实现。基于这一观点，就可以将操作系统看成是由一组资源管理程序所组成的。对应于上述四类资源，可以把操作系统划分成处理机管理、存储器管理、设备管理和信息管理（即文件系统）这四大部分，并分别进行分析研究。由此，我们就可以用资源管理的观点组织操作系统的有关内容。上述篇幅中操作系统功能就是按照资源管理的观点展开阐述的。3 进程的观点这种观点把操作系统看作是由若干个可以独立运行的程序和一个对这些程序进行协调的核心所组成。这些运行的程序称为进程，每个进程都完成某一项特定任务（如控制用户作业的运行、处理某个设备的输入输出,）。而操作系统的核心则控制和协调这进程的运行，解决进程之间的通信；它从系统各部分可以并发工作为出发点，考虑管理任务的分割和相互之间的关系，通过进程之间的通信来解决共享资源时所带来的竞争问题。通常，进程可以分为用户进程和系统进程两大类，由这两类进程在核心控制下的协调运行来完成用户的要求。4 虚拟机的观点虚拟机的观点也称为及其扩充的观点，从这一观点来看，操作系统为用户使用计算机提供了许多服务功能和良好的工作环境。用户不再直接使用硬件机器（称为裸机），而是通过操作系统来控制和使用计算机，从而把计算机扩充为功能更强、使用更加方便的虚拟计算机。从功能分解的角度出发，考虑操作系统的结构，将操作系统分为若干个层次，每一层次完成特定的功能，从而构成一个虚拟机，并为上一层提供支持，构成它的运行环境。通过逐层的功能扩充，最终完成操作系统虚拟机，从而向用户提供全套的服务，完成用户的要求。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 23 页 -天勤论坛 1.1.4 操作系统的特征虽然不同操作系统具有不同的特征，但它们也都具有以下四个基本特征：1 并发性并发性和并行性是既相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指宏观上在一段时间内有多道程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻仅有一道程序在执行，故微观上这些程序是在交替执行的。程序的并发执行能有效改善系统资源利用率，但使系统复杂化，因此操作系统必须具有控制和管理各种并发活动的能力。注：并发性和并行性是一对容易混淆的概念，因此要尤其注意两者在概念上的区别。2 共享性资源共享是指系统中的硬件和软件资源不再为某个程序所独占，而是供多个用户共同使用。并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，二者之间互为存在条件。一方面，资源的共享是以程序的并发执行为条件的，若系统不允许程序的并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效的管理，也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。3 虚拟性在操作系统中，虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物，前者是实际存在的，后者是虚的，只是用户的一种感觉。例如，在操作系统中引入多道程序设计技术后，虽然只有一个CPU，每次只能执行一道程序，但通过分时使用，在一段时间间隔内，宏观上这台处理机能同时运行多道程序。它给用户的感觉是每道程序都有一个CPU为其服务。亦即，多道程序设计技术可以把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU。4 异步性在多道程序环境中，由于资源等因素的限制，程序是以走走停停的方式运行的。系统中的每个程序何时执行、多个程序间的执行顺序亦即完成每道程序所需的时间都是不确定的，因而也是不可预知的。1.1.5 操作系统的主要功能与提供的服务如前所述，操作系统的职能是负责系统中软硬件资源的管理，合理地组织计算机的工作流程，并为用户提供一个良好的工作环境和友好的使用界面。下面我们来说明操作系统的基本功能。1 处理机管理处理机管理的主要任务是对处理机的分配和运行实施有效的管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行是以进程为基本单位的，因此对处理机的管理可归结为对进程的管理。进程管理应实现下述主要功能：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 23 页 -天勤论坛 进程控制。负责进程的创建、撤销及状态转换。进程同步。对并发执行的进程进行协调。进程通信。负责完成进程间的信息交换。进程调度。按一定算法进行处理机分配。2 存储器管理存储器管理的主要任务是对内存进行分配、保护和扩充。存储器管理应实现下述主要功能：内存分配。按一定的策略为每道程序分配内存。内存保护。保证各程序在自己的内存区域内运行而不相互干扰。内存扩充。为允许大型作业或多作业的运行，必须借助虚拟存储技术去获得增加内存的效果。3 设备管理计算机外部设备的管理是操作系统中最庞杂、琐碎的部分。设备管理的主要任务是对计算机系统内的所有设备实施有效地管理。设备管理应具有下述功能：设备分配。根据一定的设备分配原则对设备进行分配。为了使设备与主机并行工作，还需采用缓冲技术和虚拟技术。设备传输控制。实现物理的输入输出操作，即启动设备、中断处理、结束处理等。设备独立性。即用户程序中的设备与实际使用的物理设备无关。4 信息管理操作系统中负责信息管理的部分称为文件系统，因此信息管理又可称为文件管理。文件管理的主要任务都是有效地支持文件的存储、检索和修改等操作，解决文件的共享、保密和保护问题。文件管理应实现下述功能：文件存储空间的管理。负责对文件存储空间进行管理，包括存储空间的分配与回收等功能。目录管理。目录是为方便文件管理而设置的数据结构，它能提供按名存取的功能。文件操作管理。实现文件的操作，负责完成数据的读写。文件保护。提供文件保护功能，防止文件遭到破坏。5 用户接口为方便用户使用操作系统，操作系统还提供了用户接口。通常操作系统以三种方式提供给用户使用：命令接口。提供一组命令供用户直接或间接控制自己的作业。程序接口。也称为系统调用，是程序级的接口，由系统提供一组系统调用命令供用户程序和其他系统程序调用。图形接口。近年来出现的图形接口（也成图形界面）是命令接口的图形化。由操作系统的功能就可以知道操作系统所提供的服务有哪些：操作系统提供了一个用以执行程序的环境，提供的服务有程序执行、I/O 操作、文件操作、资源分配与保护、错误检测与排除等等。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 23 页 -天勤论坛 1.2 操作系统的发展与分类1.2.1 操作系统的形成与发展操作系统是由于客观需要而产生的，它伴随着计算机技术本身及其应用的日益发展而逐渐发展和不断完善。与计算机发展过程相对应，与操作系统相关的技术也经历了如下的发展过程：手工操作阶段（无操作系统）、脱机输入输出技术、批处理技术、多道程序设计技术。1 手工操作阶段在第一代计算机时期，构成计算机的主要元器件是电子管，计算机运行速度慢，没有操作系统，甚至没有任何软件，人们采用手工操作方式操作计算机。在手工操作方式下，用户一个接一个地轮流使用计算机，每个用户的使用过程大致如下：先将程序纸带（或卡片）装入输入机，然后启动输入机把程序和数据送入计算机，接着通过控制台开关启动程序运行，当程序运行完毕，由用户取走纸带和结果。由此可以推出这种操作方式具有用户独占计算机资源、资源利用率低以及CPU 等待人工操作的特点。随着 CPU 速度的大幅提高，手工操作的慢速与CPU运算的高速之间出现了矛盾，这就是所谓人机矛盾。另一方面，CPU和 I/O 设备之间速度不匹配的矛盾也日益突出。为了缓和此矛盾，先后出现了通道技术、缓冲技术，但都未能很好地解决上述矛盾，后来引入的脱机输入输出技术才获得了较为满意的效果。2 脱机输入输出技术脱机输入输出技术是为了解决CPU和 I/O 设备之间速度不匹配的矛盾而提出的，其减少了 CPU的空闲等待时间，提高了I/O 速度。其输入输出方式如图1.3 所示。图 1.3 脱机输入输出技术示意图为解决低速输入设备与CPU 速度不匹配的问题，可以将用户程序和数据在一台外围机（又称卫星机）的控制下，预先从低速输入设备（纸带机）输入到输入带上，当CPU 需要这些程序和数据时，再直接从输入带高速输入到内存，从而大大加快了输入速度，减少了CPU等待输入的时间。这就是脱机输入技术。类似地，当程序运行完毕或告一段落，CPU需要输出时，无需直接把计算结果送至低速输出设备（上图例子为打印机），而是高速地把结果送到输出带上，然后在外围机的控制下，把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出。这就是脱机输出技术。若输入输出操作在主机控制下进行则称为联机输入输出。采用脱机输入输出技术后，低速I/O 设备上数据的输入输出都在外围机的控制下进行，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 23 页 -天勤论坛 而 CPU只与高速的输入带及输出带打交道，从而有效地减少了CPU等待慢速设备输入输出的时间。详细说明本方法的目的在于使大家了解脱机输入输出的模型，之后的缓冲区技术以及SPOOLing 技术等，都是基于这种原理产生的，理解了这个模型，学习之后类似技术有比较大的帮助。3 批处理技术批处理技术是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。早期的计算机系统非常昂贵，为了能充分利用，应尽量让系统连续运行，以减少空闲时间。为此通常是把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上，并在系统中配置监督程序（管理作业的运行，负责装入和运行各种系统程序来完成作业的自动过渡），在其控制下，先把磁带上的第一个作业传送到内存，并把运行的控制权交给第一个作业，当第一个作业处理完后又把控制权交还给监督程序，由监督程序再把第二个作业调入内存。计算机系统按这种方式对磁带上的作业自动地、一个接一个地进行处理，直至把磁带上的所有作业全部处理完毕，这样便形成了早期的批处理系统。4 多道程序设计技术在早期批处理系统中，每次只将一个用户程序调入内存运行，这种作业运行方式称为单道运行，图1.4 给出了单道程序的工作情况示例。图 1.4 单道程序工作示例从上图可以看出，每当程序发出I/O 请求时，CPU便处于等待I/O 完成的状态，致使 CPU空闲。为进一步提高CPU的利用率，引入了多道程序设计技术。多道程序设计技术是“将一个以上的作业存放在主存中，并且同时处于运行状态。这些作业共享处理机、外围设备以及其他资源。”现代计算机系统一般都基于多道程序设计技术。图 1.5 给出了多道程序的工作情况示例。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 23 页 -天勤论坛 图 1.5 多道程序工作示例在单处理机系统中，多道程序运行的特点是：多道。计算机内存中同时存放多道相互独立的程序。宏观上并行。同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。微观上串行。实际上，内存中的多道程序轮流占有CPU，交替运行。多道程序设计技术能有效提高系统的吞吐量和改善资源利用率。但实现多道程序系统时，由于主存中总是同时存在几道作业，因而还需要妥善解决下述一系列问题：应如何分配处理机，以使处理机既能满足各程序运行的需要又有较高的利用率，将处理机分配给某程序后，应何时收回等问题。如何为每道程序分配必要的内存空间，使它们各得其所又不致因相互重叠而失去信息，应如何防止因某道程序出现异常情况而破坏其他程序等问题。系统中可能有多种类型的I/O 设备供多道程序共享，应如何分配这些I/O 设备，如何做到既方便用户对设备的使用，又能提高设备的利用率。在现在计算机系统中，通常都存放着大量的程序和数据。应如何组织它们才能便于用户使用并能保证数据的安全性和一致性。对于系统中的各种应用程序，它们有的属于计算型，有的属于 I/O 型，有些作业既重要又紧迫，有的作业又要求系统能及时响应，这是应如何组织这些作业。5 操作系统的形成为了解决上述问题，应在多道程序系统中增设一组软件，用这组软件对上述问题进行妥善有效的处理。此外，还应提供方便用户使用计算机的软件，这样便形成了操作系统。操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，以及方便用户的程序的集合。1.2.2 操作系统的基本类型操作系统有三种基本类型，即批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。随着计算机体系结构的发展，又出现了许多种操作系统，比如嵌入式操作系统、个人计算机操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 23 页 -天勤论坛 1 批处理操作系统描述任何一种操作系统都要用到作业的概念。所谓作业就是用户在一次解题或一个事务处理过程中要求计算机系统所做工作的集合，包括用户程序、所需的数据及命令等。单道批处理操作系统是早期计算机系统中配置的一种操作系统类型。其工作流程大致如下：用户将作业交给系统操作员，系统操作员将多个用户的作业组成一批输入并传送到外存。批处理操作系统每次将其中的一个作业调入内存并使之运行，只有一道作业处于运行状态，运行完成或出现错误而无法再进行下去时，输出有关信息并调入下一个作业运行。如此反复处理，直到这一批作业全部处理完毕为止。单道批处理操作系统大大减少了人工操作的时间，提高了机器的利用率。但是对于某些作业来说，当其发出输入输出请求后，CPU必须等待I/O 的完成，这就意味着机器空闲，特别是当 I/O 设备的速度较低时，将导致CPU的利用率很低。为了提高CPU的利用率，引入了多道程序设计技术。在单道批处理操作系统中引入多道程序设计技术就形成了多道批处理操作系统。在多道批处理操作系统中，不仅在主存（也称内存）中可以同时有多道作业运行，而且作业可随时（不一定集中成批）被接受进入系统，并存放在外存中形成作业队列，然后由操作系统按一定的原则从作业队列中调度一个或多个作业进入主存运行。多道批处理操作系统一般用于计算中心的大型计算机系统中。多道批处理操作系统的主要特点是：用户脱机使用计算机。用户提交作业之后直到获得结果之前几乎不和计算机交互。成批处理。操作员把用户提交的作业分批进行处理。由操作系统或监督程序负责每批作业间的自动调度。多道程序运行。按多道程序设计的调度原则，从一批后备作业中选取多道作业调入内存并组织其运行，成为多道批处理系统。由于多道批处理系统中的资源为多个作业所共享，作业之间自动调度执行，并且在运行过程中用户不干预自己的作业，从而大大提高了系统资源利用率和作业吞吐量。其不足之处是无交互性，用户一旦提交作业就失去了对其运行的控制能力，用户使用不方便。2 分时操作系统在批处理操作系统中，用户以脱机操作方式使用计算机，用户在提交作业以后就完全脱离了自己的作业，在作业运行过程中，不管出现什么情况都不能加以干预，只能等待该批处理作业处理结束，用户才能得到计算结果，根据计算结果再做下一步处理，若作业运行出错，还得重复上述过程。这种操作方式对用户而言极不方便，人们希望能以联机方式使用计算机，这种需求导致了分时操作系统的产生。所谓分时技术就是把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时停止运行，把处理机让给另一个作业使用，等待下一轮时再继续其运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转也很快，给每个用户的感觉好像自己独占一台计算机。在操作系统中采用分时技术就形成了分时操作系统。在分时操作系统中，一台计算机和许多终端设备连接，每个用户可以通过终端向系统发出命令，请求完成某项工作，而系统则分析从终端设备发来的命令，完成用户提出的要求，然后用户再根据系统提供的运行结果，向系统提出下一步请求，这样重复上述交互会话过程，直到用户完成预计的全部工作为止。实现分时操作系统有下述几种方法：简单分时操作系统。在简单分时操作系统中，内存只驻留一道作业，其他作业都在名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 23 页 -天勤论坛 外存上。每当内存中的作业运行一个时间片后，便被调至外存（称为调出），再从外存上选一个作业装入内存（称为调入）并运行一个时间片，按此方法使所有作业都能在规定的时间内轮流运行一个时间片，这样所有用户都能与自己的作业交互。具有“前台”和“后台”的分时操作系统。为了改善系统性能，引入了“前台”和“后台”的概念。这里，把作业划分为“前台”和“后台”两类。“前台”存放按时间片调入/调出的作业流，其工作方式同简单分时操作系统；“后台”存放批处理作业。仅当“前台”正在调入/调出或无调入/调出作业流时，才运行“后台”的批处理作业，并给它分配更长的时间片。多道分时操作系统。在分时操作系统中引入多道程序设计技术后，内存中可以同时装入多道作业，系统把所有具备运行条件的作业排成一个队列，使它们一次轮流获得一个时间片运行。分时操作系统具有以下的特征：多路性。指一台计算机与若干台终端相连接，终端上的这些用户可以同时或基本同时使用计算机。交互性。分时操作系统中用户的操作方式是联机方式，即用户通过终端采用人机会话的方式直接控制程序运行，同程序进行交互。独占性。由于分时操作系统采用时间片轮转的方法使一台计算机同时为许多终端用户服务（通常能够在2s3s 内响应用户请求），因此客观效果是这些用户彼此之间都感觉不到别人也在使用这台计算机，好像只有自己独占计算机一样。及时性。用户请求能够在很短时间内获得响应。3 实时操作系统实时操作系统是操作系统的又一种类型。对外部输入的信息，实时操作系统能够在规定的时间内处理完毕并做出反应。“实时”的含义是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控制对象允许的时间范围内做出快速反应。实时操作系统对响应时间的要求比分时操作系统更高，一般要求秒级、毫秒级甚至微秒级的响应时间。实时操作系统可以分成如下两类：实时控制系统。通常是指以计算机为中心的生产过程控制系统，又称为计算机控制系统。例如钢铁冶炼和钢板轧制的自动控制、化工、炼油生产过程的自动控制等。在这类系统中，要求实时采集现场数据，并对它们进行及时处理，进而自动地控制相应的执行机构，使某参数（如温度、压力、流量等）能按预定规律变化或保持不变，以达到保证产品质量、提高产量的目的。实时信息处理系统。计算机及时接收从远程终端发来的服务请求，根据用户提出的问题对信息进行检索和处理，并在很短时间对用户做出正确响应。如机票订购系统、情报检索系统等，都属于实时信息处理系统。实时操作系统的主要特点是提供及时响应和高可靠性。系统必须保证对实时信息的分析和处理的速度要快，而且系统本身要安全可靠，因为像生产过程的实时控制、航空订票等实时事务系统，信息处理的延误或丢失往往会带来不堪设想的后果。批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统是三种基本的操作系统。如果一个操作系统兼有批处理、分时和实时系统三者或其中两者的功能，则称该操作系统为通用操作系统。4 其他操作系统名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 23 页 -天勤论坛 嵌入式操作系统嵌入式操作系统是运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统以及它所操作和控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的软件系统。嵌入式操作系统支持嵌入式软件的运行，它的应用平台之一是各种电器，这样的系统面向普通家庭和个人用户，由于快速发展的市场网络，使得家用电器的市场比传统的计算机市场大很多，所以嵌入式软件可能成为21 世纪信息产业的支柱之一，嵌入式操作系统也必将成为软件厂商争夺的焦点，成为操作系统发展的另一个热门方向。个人计算机操作系统个人计算机上的操作系统是一种单用户多任务的操作系统。个人计算机操作系统主要供个人使用，它功能强，价格便宜，几乎可以在任何地方安装使用，能满足一般人工作、学习、游戏等方面的需求。由于个人计算机操作系统主要是个人专用，因此在处理机调度、存储保护方面比其他类型的操作系统简单得多。它的主要特点是计算机在某一段时间内为单个用户服务，采用图形界面人机交互地工作方式，界面友好，使用方便。网络操作系统计算机网络是通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互连起来的，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。它具有以下特点：计算机网络是一个互连的计算机系统的群体。这些计算机系统在物理上是分散的，可在一个房间里、在一个单位里、在一个城市或几个城市里、甚至全国或全球范围。这些计算机是自治的，每台计算机有自己的操作系统，各自独立工作，它们在网络协议控制下协同工作。系统互连要通过通信设施（硬件、软件）来实现。系统通过通信设施执行信息交换、资源共享、互操作和协作处理，实现多种应用要求。互操作和协作处理是计算机应用中更高层次的要求特征，它需要有一个环境，支持互连网络环境下的异种计算机系统之间的进程通信，实现协同工作和应用集成。网络操作系统是基于计算机网络的，是在各种计算机操作系统上按网络体系结构协议标准开发的软件，包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和各种网络应用服务。其目标是互相通信及资源共享。分布式操作系统分布式系统是指多个分散的处理单元经互连网络连接而成的系统，其中每个处理单元既具有高度自治性又相互协同，能在系统范围内实现资源管理、动态分配任务，并能并行地运行分布式程序。配置在分布式系统上的操作系统成为分布式操作系统。分布式操作系统具有以下特征：统一性，即它是一个统一的操作系统。共享性，即分布式系统中的所有资源是共享的。透明性，是指用户并不知道分布式系统是运行在多台计算机上，在用户眼里整个分布式系统像是一台计算机，用户并不知道自己请求系统完成的操作是哪一台计算机完成的，也就是说系统对用户来讲是透明的。自治性，即分布式系统中的多个主机都处于平等地位。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 23 页 -天勤论坛 分布式系统的优点是它的分布式。分布式系统可以用较低的成本获得较高的运算性能。分布式系统的另一个优点是它的可靠性。由于有多个CPU系统，因此当一个CPU系统发生故障时，整个系统仍旧能够工作。1.3 操作系统的运行环境操作系统可以运行在多种环境下，通常包括传统环境（PC机等日常常见的环境），网络环境（分布式操作系统等），嵌入式环境（手机操作系统，电器的操作系统等）。这是操作系统的硬件环境，还有人机接口和操作系统与其他软件的关系，这两个和其他内容的联系比较多，因此不会作为绪论的知识点考查，都是常识性的一些概念罢了，了解一下就可以了。下面介绍这部分的几个重要概念。1.3.1 核心态与用户态为了防止操作系统及其关键数据（如PCB 等）受到用户程序有意或无意的破坏，通常将处理机的执行状态分为两种：核心态与用户态。核心态 又称管态、系统态，是操作系统管理程序执行时机器所处的状态。它具有较高的特权，能执行包括特权指令的一切指令，访问所有的寄存器和存储区。用户态 又称目态，是用户程序执行时机器所处的状态。这是具有较低特权的执行状态，它只能执行规定的指令，访问指定的寄存器和存储区。划分核心态与用户态之后，严格区分了两类程序，严格区分了各自的存储空间，而且在CPU执行时有着完全不同的待遇。用户态程序不能直接调用核心态程序，而是通过执行访问核心态的执行，引起中断，由中断系统转入操作系统内的相应程序。例如在系统调用时，将由用户态转换到核心态。特权指令：只能由操作系统内核部分使用，不允许用户直接使用的指令。如，I/O 指令、置终端屏蔽指令、清内存、建存储保护、设置时钟指令。1.3.2 中断与异常中断与异常是一对类似但又有区别的概念。中断是系统正常功能的一部分，比如因进程调度使系统停止当前运行进程转而执行其他进程，或者因缺少所需资源而中断当前操作等待资源到达等，在系统处理完其他事情之后，会继续执行中断前的进程。而异常是由于错误引起的，比如文件损坏、进程越界等。通常异常会引起中断，而中断未必是由异常引起的。1.3.3 系统调用系统调用是操作系统提供的用户接口之一，是由操作系统实现的所有系统调用所构成的集合，即程序接口或应用编程接口（Application Programming Interface，API），是应用程序同系统之间的接口。操作系统的主要功能是为应用程序的运行创建良好的环境，为了达到这个目的，内核提名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 23 页 -天勤论坛 供一系列具备预定功能的多内核函数，通过一组称为系统调用的（system call）的接口呈现给用户。系统调用把应用程序的请求传给内核，调用相应的内核函数完成所需的处理，将处理结果返回给应用程序，如果没有系统调用和内核函数，用户将不能编写大型应用程序。操作系统提供的系统调用通常包括如下几个方面：进程控制、文件系统控制（文件读写操作、文件系统操作）、系统控制、内存管理、网络管理、socket 控制、用户管理、进程间通信（信号、消息、管道、信号量、共享内存）。1.4 操作系统的体系结构操作系统体系结构就是操作系统的组成结构，操作系统体系结构主要有如下几种：模块组合结构、层次结构和微内核结构。1.4.1 模块组合结构模块组合结构是在软件工程出现以前的早期操作系统以及目前一些小型操作系统的体系结构。操作系统是一个有多种功能的系统程序，可以看成是一个整体模块，也可以看成是若干个模块按一定的结构方式组成的。系统中的每一个模块是根据它们要完成的功能来划分的，这些功能模块按照一定的结构方式组合起来，协同完成整个系统的功能。优点：结构紧密、接口简单直接、系统的效率相对较高。缺点：模块之间可以随意转接，各模块相互牵连，不容易把握好模块的独立性，导致系统结构不清晰。另外，这种结构的可扩展性较差。在更换一个模块或修改一个模块时，首先要弄清模块间的接口，如果要按当初设计的模块接口来设计新的模块，而当初设计的模块接口很可能是随意约定的，那么要做这项工作就存在一定难度。最后，这种结构系统的可适应性差。随着系统规模的不断增大，采用这种结构构造的系统的复杂性会迅速增长，所以它只适用于系统小、模块少、使用环境比较稳定的系统。1.4.2 层次结构要弥补模块组合结构中模块间调用存在的固有不足之处，就必须减少模块间毫无规则的相互调用、相互依赖的关系，尤其要清除模块间的循环调用。层次结构的设计就是从这一点出发，力求使模块之间调用的无序性变为有序，减少了模块调用的无规则性。按层次结构来设计操作系统，就是将操作系统的所有功能模块按功能的调用次序排列成若干层，使得功能模块之间只存在单向调用和单向依赖。优点：模块间的组织和依赖关系清晰明了，上层功能是建立在下层功能基础之上的，系统的可读性、可适应性以及可靠性都得到了增强。此外，对某一层进行修改或替换时，最多只影响到邻近的两层，便于修改和扩充。缺点：在层次结构有操作系统的各功能模块应该放在哪一层，如何有效地进行分层是必须要考虑的问题，尤其对于操作系统采用这种体系结构风格还必须考虑一些特殊的分层原则。为了增强其适应性，必须把与机器特点紧密相关的软件（如中断处理、输入/输出管理等）放在最底层；其次，要将最常用的操作方式放在最内层，而把随着这些操作方式而改变的部分放在外层。另外，当前操作系统的设计都是基于进程的概念，通常要将为进程提供名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 23 页 -天勤论坛 服务的系统调用模块放在系统的内层等很多因素都是要考虑的问题。1.4.3 微内核结构网络技术的普遍应用和发展，很有必要为用户提供一个符合处理分布式信息的分布式系统环境。操作系统采用客户/服务器结构，即微内核结构，就非常适用于网络环境及分布式处理的计算环境。优点：每个服务进程运行在独立的用户进程中，即某个服务器失败或产生问题时，不会引起系统其他服务器和其他组成部分的崩溃，可靠性好；其次，系统具有很好的灵活性，只要接口规范，操作系统可以方便地增删服务功能;另外，也便于维护，即修改服务器的代码不会影响系统其他部分；这种结构的操作系统适宜于分布式处理的计算环境。缺点：这种结构的操作系统效率不高，因为所有的用户进程都要通过微内核相互通信，所以微内核本身就成了系统的瓶颈，尤其是通信频繁的系统。习题+真题1 真题2009 年：1、在单处理机系统中，可并行的是（）。I.进程与进程II.处理机与设备III.处理机与通道IV.设备与设备A.I、II 和 III B.I、II 和 IV C.I、III 和 IV D.II、III 和 IV 2010 年：1、下列选项中，操作系统提供给应用程序的接口是（）。A.系统调用B.中断C.库函数D.原语2011 年：1、下列选项中，在用户态执行的是（）。A.命令解释程序B.缺页处理程序C.进程调度程序D.时钟中断处理程序2 习题单项选择题1、下列特征中哪个不属于分时系统（）A.及时性B.多路性C.调度性名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 23 页 -天勤论坛 D.独立性2、操作系统最重要的两个目标是（）A.开放性和有效性B.可扩充性和方便性C.有效性和方便性D.方便性和开放性3、实时操作系统必须在（）内处理完来自外部的事件。A.一个机器周期B.被控对象规定时间C.周转时间D.时间片4、操作系统提供给编程人员的接口是（）A.库函数B.高级语言C.系统调用D.子程序5、下列哪个观点不是描述操作系统的典型观点（）A.操作系统是众多软件的集合B.操作系统是于用户和计算机之间的接口C.操作系统是资源的管理者D.操作系统是虚拟机6、从下面的关于并发性的论述中，选出一条正确的论述（）A.并发性是指若干事件在同一时刻发生B.并发性是指若干事件在不同时刻发生C.并发性是指若干事件在同一时间间隔内发生D.并发性是指若干事件在不同时间间隔内发生7、在设计分时操作系统时，首先要考虑的是（）；在设计批处理操作系统时，首先要考虑的是（）；在设计实时操作系统时，首先要考虑的是（）A.灵活性和可适应性B.交互性和响应时间C.周转时间和系统吞吐量D.实时性和可靠性8、以下几项中哪一项不是操作系统关心的主要问题（）A.管理计算机裸机B.设计、提供用户程序与计算机与计算机硬件系统的接口C.管理计算机中的信息资源D.高级程序设计语言的编译9、与早期的操作系统相比，采用微内核结构的操作系统具有很多优点，但是这些优点不包括（）A.提高了系统的可扩展性B.提高了操作系统的运行效率C.增强了系统的可靠性D.使操作系统的可移植性更好10、从下列关于操作系统的论述中，选出一条正确的论述（）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 23 页 -天勤论坛 A.对于批处理作业，必须提供相应的作业控制信息B.对于分时系统，不一定全部提供人机交互功能C.从响应角度看，分时系统与实时系统的要求相似D.采用分时操作系统的计算机系统中，用户可以独占计算机操作系统中的文件系