计算机操作系统原理培训及实操第1章.pdf

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1、第1 1章 引 论 第1 1章 引 论 1.1 操作系统的基本概念操作系统的基本概念1.2 操作系统的发展操作系统的发展1.3 操作系统的特征与功能操作系统的特征与功能1.4 操作系统的结构设计操作系统的结构设计第1 1章 引 论 1.1 操作系统的基本概念操作系统的基本概念 我们将未配置任何软件的计算机称为裸机，即由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）设备等硬件组成的计算机。裸机是无法充分发挥硬件性能的，不适合一般的用户使用，只有配备了软件以后，计算机才可以更好地完成对信息的存储、检索和处理等一系列工作。所以我们可以把计算机系统划分为两大部分：硬件和软件。硬件是计算机系统的物质

2、基础，它包括多种多样的物理设备。而软件可以分为应用软件和系统软件。应用软件，例如字处理软件Word、图像处理软件Photoshop、Web浏览器 IE、编译软件等，可以为用户解决具体的问题。而系统软件是指使计算机能够工作的一些基础软件，只有在系统软件的支持下，应用软件才能够正常的运行。我们将要研究的操作系统（Operating System）就是系统软件的典型代表。1.1.1 操作系统的定义操作系统的定义 第1 1章 引 论 图1-1 计算机系统组成用户1Word用户2Photoshop用户3IE用户nDelphi应用软件与部分系统软件操作系统(Operating System)硬件(物理设备

3、)第1 1章 引 论 从操作系统在计算机系统中所处的位置，我们可以看到，操作系统处在硬件与其它软件之间的一个特殊位置上，引入操作系统主要可完成以下两个方面的工作：(1)方便用户使用。操作系统应该提供给用户一个良好的界面，用户不必了解硬件和其它软件的细节，就可以方便地使用计算机。(2)充分利用资源。操作系统应该最大限度地发挥计算机系统资源的使用效率，合理地组织工作流程，使得计算机资源能为多用户共享。据此，我们可以给出操作系统的定义：操作系统是为了方便用户和提高计算机的利用率，而对计算机资源进行组织和管理的程序集合。其中，用户是一个广义的概念，包括一般用户和软件开发人员等；资源包括处理器、存储器、

4、输入/输出设备等硬件资源和程序与数据等软件资源。第1 1章 引 论 1.1.2 操作系统在计算机系统中的作用操作系统在计算机系统中的作用 1对外职能对外职能用户与计算机之间的接口用户与计算机之间的接口 操作系统作为用户与计算机之间的接口，必须为用户提供良好的界面，使用户能够感觉计算机是可用而且易用的。这是一个最主要的职能。早期的计算机没有操作系统，使用计算机时只能使用机器语言，既繁琐又费时，没有计算机专业知识的人使用计算机时会感到困难重重。有了操作系统，用户通过操作系统提供的操作命令和系统调用命令就可以方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机，运行自己的程序。这些命令对于用户来说要容易掌握得多。而随

5、着图形用户接口的出现，使用户尤其是普通用户操作计算机变得更为简单。第1 1章 引 论 2对内职能组织和管理计算机资源，充分发挥资源的效能，提高利用率在一个计算机系统中，通常包含了多种硬件与软件资源，为了实现某种功能需要使用相应的资源，在分配资源时首先不能“张冠李戴”，比如某用户程序要求打印一篇文档，系统就不应该为其分配一台扫描仪。另外，系统的资源数目是有限的，因此在一些环境下用户程序在执行过程中会发生资源竞争的现象，引起冲突，造成系统的一些工作无法继续进行，这就需要一个仲裁者在相互竞争资源的程序间有序地控制资源的分配，操作系统就起这样的作用。操作系统可以跟踪资源的使用情况，满足用户资源请求，做

6、到合理分配，尽可能使得系统中的各类资源处于“忙”状态，缩短任务完成时间，提高资源利用率。第1 1章 引 论 1.1.3 研究操作系统的几种观点研究操作系统的几种观点 操作系统本身是一个相当复杂的系统，为了彻底了解它，我们可以从不同的角度研究操作系统。1用户观点用户观点 用户是计算机的使用主体，软件开发的主要目的就是让用户能够方便地使用计算机。用户观点是指站在用户立场上对计算机提出要求。用户对操作系统的内部结构没有太大兴趣，他们主要从功能要求、服务质量、使用维护及安装价格等方面提出要求。作为使用者，最关心的是如何利用操作系统提供的服务有效地使用计算机，即操作系统提供什么样的用户界面。第1 1章

7、引 论 2资源管理的观点资源管理的观点 资源管理的观点是从系统资源的角度刻画整个操作系统的组成及其功能。通常把计算机系统资源按性质归纳为四类：CPU、内存、外部设备以及信息文件，这些资源是操作系统和用户程序赖以活动的物质基础和工作环境。用户使用计算机的过程就是通过使用这些资源达到解决问题的一个过程。资源管理是指对上述硬、软件资源进行管理。一般说来，一个计算机系统中常常同时运行多个程序，操作系统的任务就是在相互竞争资源的程序之间有序地控制资源的分配。对于操作系统来说，资源管理要做如下工作：第1 1章 引 论 (1)对资源使用情况进行登记，这是资源管理的依据。(2)决定分配策略。根据资源使用情况分

8、析分配的可行性，并决定分配所应采取的策略。(3)提供分配与回收算法。通过资源分配的具体程序达到资源分配的目的，为了保证资源的后续利用，在当前使用完该资源后应该立即释放，即执行资源回收程序。第1 1章 引 论 如图1-2所示，系统中存在两个不同的队列，分别为请求分配资源队列和请求释放资源队列。这两个队列按照某种原则形成，系统首先根据它们不同的请求方式加以判断。如果是请求分配资源方式，系统将进一步判断所需资源是否可用，如果资源可用并且够用，就进行资源分配并修改资源分配状态表，否则这次请求就没有被成功响应，该请求将被插入到请求分配资源队列，等待下一次系统响应。如果不是请求分配资源方式，那么就有两种可

9、能：一种是请求释放资源方式，这时系统正常回收资源；另一种是异常方式，系统将调用出错处理程序进行相应的处理。第1 1章 引 论 图1-2 资源分配与释放过程请求分配?该资源可用?释放?资源够用?插队NYYN分配Y回收修改资源分配状态表请求分配资源队列按原则进入请求释放资源队列NYN出错处理第1 1章 引 论 3进程观点进程观点 通过以前的学习，我们了解到计算机是通过运行程序来满足用户要求的，但是我们并不清楚程序在计算机内运行的基本过程和一些规则，只是“知其然而不知其所以然”，操作系统将会解决一些存在于我们思想中的疑问。在澄清这些疑问的过程中，有一个非常重要的动态对象进程，它是分析计算机操作系统在

10、处理过程中的基本对象，是系统中的活动实体。我们在后面的章节中会详细描述并经常用到它来研究系统的工作状况。第1 1章 引 论 1.2 操作系统的发展操作系统的发展1.2.1 问题的提出问题的提出 1速度问题速度问题 20世纪40年代出现的第一台计算机由电子真空管和插板组成。这种机器运算速度很低。在计算机出现的早期，每台计算机都有一个小组专门进行设计、编程和维护。所有的程序都采用机器语言，计算机上没有操作系统，更没有其它软件。机器的使用方式是程序员提前预约机时，上机时用手工方式启动设备。将记录程序的卡片或纸带用输入机送入计算机，接着在控制台上用按钮启动程序运行。在程序运行的几个小时里用户独占计算机

11、，他既是程序员又是操作员。第1 1章 引 论 20世纪60年代，晶体管的发明改变了计算机的状况，使处理机的速度提高了几十倍。当时计算机的价格十分昂贵，大学或研究所的机房已经配有专门的操作员。程序员要使用计算机时，将程序写在纸上，利用穿孔机制成卡片，称为一个作业，然后交给操作员。由于在计算机的使用过程中操作员需要手工操作的工作很多，例如取一个作业，操作运行，打印输出，再取下一个作业等，造成机器长时间空闲，人工操作的速度和处理机的计算速度严重不匹配。由此可见，减少人工干预对提高机器利用率有着重要意义，人们开始希望有专门的监督程序或管理程序来进行作业的自动依次处理。第1 1章 引 论 2作业差异作业

12、差异 除了速度问题之外，由于每个作业使用的语言不同，也给操作员带来了很大的麻烦。因为不同语言的作业在进行处理前，首先必须将相应的编译系统装入计算机并置换旧的程序，这样就使计算机的大量时间耗费在输入/输出上。例如，为了完成一道也许计算机处理只需要两分钟的程序，而将相应的编译系统装入也许会花费两个小时，且在这两个小时中，宝贵的CPU资源却一直处于空闲状态，白白浪费，另外也使操作员不胜其烦。因此设计使用专门程序进行作业自动转换和处理的想法被提了出来。第1 1章 引 论 另外，作业也有I/O繁忙型与CPU繁忙型之分。对于I/O繁忙型作业，在完成过程中大部分时间利用外部设备进行I/O操作，在这些时间内，

13、宝贵的CPU资源却处于空闲状态，成为一种严重的资源浪费。对于CPU繁忙型作业，虽然CPU利用率比较高，但是外部设备却经常处于空闲状态，仍然属于一种资源浪费。也就是说，对于不同应用的作业来说，计算机系统给予了“一视同仁”的对待。虽然在控制上比较简单，却付出了宝贵的时间代价。第1 1章 引 论 1.2.2 解决办法解决办法 1减少人工干预减少人工干预 为了尽量减少多个作业交接时的人工负担，批处理技术应运而生。操作员把用户提交的作业分类，把一批作业编成一个作业执行序列，成批地提交给计算机进行输入、运行和输出，同时也专门编制了监督程序或管理程序，对它们进行自动地依次处理，实现作业的自动转换。在早期的批

14、处理中，操作员通过输入设备将多个作业一次存入磁带，然后监督程序先从磁带上读入一个作业，接着又调入编译程序来将用户作业翻译成目标代码，经连接和装配后执行并输出结果。紧接着又调入下一个作业，不断地循环反复操作。这样大大减少了人工操作的时间，这种处理方式被称为联机批处理方式。第1 1章 引 论 2改善速度匹配改善速度匹配 批处理方式解决了作业的自动转接，但其缺点是无论成批输入还是作业的转接执行都是在主机CPU控制下完成的。在系统进行慢速的输入/输出工作的时候，CPU只好停止工作，处于等待状态。为了改善速度匹配问题，产生了脱机批处理技术。该技术是增加不与主机相连而专门用于输入/输出的外围计算机，由外围

15、输入计算机负责将作业送入磁带，由主机和磁带机配合读入作业，主机完成程序的执行后将输出结果送到磁带，再由外围输出计算机将结果送到输出设备并显示给用户。这样，主机不是直接与慢速的输入/输出设备打交道，而是与速度相对快得多的磁带机发生联系。主机和外围计算机分工明确，在监督程序的管理下，充分发挥了主机的高速度处理能力，大大减少了因手工操作而带来的主机机时浪费，提高了主机的使用效率，比较明显地缓解了高速主机和低速输入/输出设备之间的矛盾。第1 1章 引 论 3实现多道程序系统实现多道程序系统 20世纪60年代中期，处理机速度进一步提高，主存容量加大，出现了大容量的辅助存储器。计算机的系统结构从以中央处理

16、机为中心改变为以主存为中心。其中最重要的是中断技术和通道技术的出现和发展，使操作系统有了进一步发展。借助通道和中断技术，主机可以在中断的时刻向I/O通道中的缓冲区进行读/写操作，更迅速地完成输入/输出任务。但是包括CPU和I/O设备在内的各种资源不能并行工作仍然是造成系统性能低效的主要原因，所以在硬件系统的支持下，通过软件技术使得系统中的CPU和其它的I/O设备并行工作，推出了多道程序系统。我们从图1-3中可以了解CPU与I/O并行的大致协调过程。第1 1章 引 论 所谓多道程序系统，是指允许多个相互独立的程序同时存在于内存中，而且处于同时运行的过程中。各道程序轮流占用CPU，交替执行。这里需

17、要解决一些技术问题，例如，如何共享硬件、软件资源，怎样解决同步和互斥的问题，如何提高内存的使用效率，如何保证程序的安全等，这些将是操作系统这门课程要介绍的重要内容。第1 1章 引 论 图1-3 CPU与I/O并行图程序A程序B程序C调度程序I/O请求I/O请求I/O请求I/O结束A再调度I/O结束B再调度A完成B完成CPU执行:I/O操作:T第1 1章 引 论 1.2.3 基本操作系统类型基本操作系统类型 1批处理系统批处理系统 批处理系统中，用户的作业分批提交并处理，即系统将作业成批地输入系统并暂存在外存中，组成后备作业队列，每次按一定的调度原则从后备作业中选择一个或多个装入主存进行处理，作

18、业完成后退出。这些操作由系统自动实现，大大缩短了两个作业之间的转接时间，在系统中形成了一个自动转接的作业流，当一批作业运行完毕，输出结果后，系统便接收下一批作业。第1 1章 引 论 在批处理系统中，用户不能直接干预作业的运行过程，而是将其对作业的控制意图在作业提交之前用作业控制语言编制成作业说明书或作业控制卡，这些控制意图可以是作业运行时的资源请求，或是对可能产生的运行错误的相应处理等。作业说明书或作业控制卡在提交作业时，与程序和数据一起提交给系统，由作业控制程序或命令解释程序解释执行，并且提供相应的服务。在引入多道程序设计技术后，批处理系统具有以下的特征：(1)多道性：在内存中同时驻留多道程

19、序，它们并发执行，以提高系统的资源利用率和系统的吞吐量。第1 1章 引 论 (2)无序性：作业的执行顺序与作业进入系统的先后顺序没有严格的对应关系。(3)调度性：作业从提交到运行完成需要经过两次调度，即作业调度和进程调度。作业调度是指按照一定作业调度算法，从后备作业队列中选择一个或几个作业调入内存。进程调度是指按照一定进程调度算法，从在内存的进程中选择一个进程，将处理机分配给它，使之执行。批处理系统，特别是多道批处理系统的主要优点是资源利用率高。由于在内存中装入了多道程序，系统中的资源被它们充分共享和利用，而且它们之间的切换所造成的系统开销较小，使系统在单位时间内所完成的总的工作量增加，即提高

20、了系统的吞吐量。第1 1章 引 论 批处理系统的缺点主要体现在以下两个方面：(1)平均周转时间长。作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直到作业完成并退出系统为止所经历的时间。在批处理系统中，由于作业需要排队来依次进行处理，因而作业的周转时间较长。(2)无交互能力。在作业提交后，用户不能与自己的作业进行交互，不便于对作业的控制。第1 1章 引 论 2分时系统分时系统 所谓“分时”，就是多个用户对系统资源进行时间上的分享。在分时操作系统中，一个计算机系统与若干台本地或远程终端相连，每个用户可以在所使用的终端上以人机会话的交互方式使用计算机。微观上，每个用户作业轮流运行一个时间片；宏观上，多个用户

21、同时工作，共享系统资源。当用户通过键盘或者鼠标向系统提交一个请求后，会在1 s（甚至更短）之内给出响应，实现了及时交互。“分时”的设想最初是在20世纪60年代提出的，但是具体的分时系统的设计实现是很困难的，成本非常昂贵，所以直到20世70年代才得到逐步推广。目前尽管批处理系统仍然在某些方面继续使用，但是分时系统作为多道程序系统的一个典型代表，集中体现了多道程序系统的一些技术特征，成为当今的计算机操作系统主流，所以我们将会以分时系统为主要对象来学习操作系统。第1 1章 引 论 3实时系统实时系统 “实时”是指系统能够及时响应发生的外部事件(一般为一些随机事件)，并以足够快的速度完成对事件的处理。

22、从这个定义中我们可以看到，在对时间响应的要求上，实时系统比分时系统要严格得多，一般在毫秒级、微秒级；而批处理系统甚至可以不作响应时间的要求。为了保证程序可靠运行，系统应提供安全措施，比如多级容错、硬件冗余等，避免因发生错误或丢失信息而造成重大经济损失甚至导致灾难性的后果。实时系统相对于其它操作系统来说，其优点是系统的及时响应以及系统的可靠性。第1 1章 引 论 实时系统可以分为两种类型：一种称作硬实时系统，另一种称作软实时系统。硬实时系统对响应时间的要求最为严格，一个实时任务绝对不允许出现等待的情况。一旦有实时任务到来，系统核心必须立即中止正在处理的任务而转去处理它，一定要在规定的延迟时间之内

23、作出信息反馈。从辅存中存取数据的方式在硬实时系统中是被限制使用甚至被禁止使用的，数据被存放在可以高速访问的内存或者只读存储器ROM中。ROM是一种系统断电后仍然能够保留其信息的存储介质，而内存中存储的信息在系统断电后将会丢失。实际上大部分先进的系统并不采用这种硬实时方式，因为在这些系统中更倾向于使用户能够与计算机硬件尽可能分离，这种分离会导致延迟时间难以确定。比如我们将要在存储器管理中学习的虚拟存储技术，在实时系统当中几乎都没有使用，而且硬实时系统与分时系统会产生冲突，没有一个通用的分时系统支持硬实时功能，所以我们在本书中对这种技术不予分析。第1 1章 引 论 在软实时系统中，系统通过用户任务

24、的优先级来保证实时性。一个实时任务需要在一定的截止时间内作出反馈，它的优先级通常是高于其它任务的。软实时系统可以应用于多媒体、虚拟现实、海底探测等科学领域以及一些工业自动化控制领域和军事自动化控制领域中。软实时系统有相对“宽松”的延迟，允许它很好地与其它类型的操作系统相混合，比如在UNIX中我们就可以看到软实时的控制技术。以上介绍的是三种基本的操作系统类型，实际的操作系统可能兼有三者或其中两种系统的功能。第1 1章 引 论 1.2.4 新型操作系统新型操作系统 操作系统经过一个大发展时期，到20世纪80年代已趋于成熟，随着集成电路技术和计算机体系结构的发展，操作系统也在不断地发展，先后形成了微

25、型计算机操作系统、多处理机操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。1微机操作系统微机操作系统 随着超大规模集成电路（简称VLSI）的发展而产生了微型计算机，配置在微型计算机上的操作系统称为微型计算机操作系统（简称微机操作系统）。微机操作系统按照处理机的字长可分成8位、16位以及32位等操作系统。典型的操作系统有DOS、Windows、OS/2，以及近年来引起广泛关注的Linux等一些自由软件操作系统。第1 1章 引 论 MSDOS是单用户单任务操作系统的代表。单用户单任务的操作系统每次只允许一个用户上机，且一个用户程序只能作为一个任务运行。早期的DOS因为配置在IBMPC机上，而随着该机种及其

26、兼容机的畅销，MSDOS操作系统事实上也就成了当时的个人计算机操作系统的标准。DOS中提供了许多命令接口，该操作系统具有较强的功能及性能优良的文件系统。第1 1章 引 论 1990年Microsoft公司在MSDOS的基础上推出了Windows 3.0操作系统，它凭借友好的图形用户界面、支持多任务等优点而迅速流行开来，占领了操作系统大部分的市场份额，成为单用户多任务操作系统的代表。单用户多任务操作系统是指每次只允许一个用户上机，但允许将一个用户的工作分为若干个任务，使它们并发执行，从而提高系统的性能。Microsoft公司于1993年推出了全新的32位操作系统Windows NT，它具有很强的

27、网络功能。随着新一代Windows系列操作系统的陆续推出与应用，它们已经成为目前个人计算机操作系统的主流。第1 1章 引 论 前面介绍的DOS、Windows操作系统都是单用户操作系统，每次只允许一个用户上机，上机的用户独自占有了系统中的所有资源。UNIX操作系统克服了这种资源被独占的问题。UNIX是一种多用户多任务的操作系统，允许多个用户通过各自的终端使用一台主机，共享主机系统的各类资源，而每个用户工作又可以分为几个任务，使它们并行执行，从而可以提高资源的利用率和增加系统的吞吐量。目前许多大、中、小型计算机上配置的都是多用户多任务的操作系统。第1 1章 引 论 2多处理机操作系统多处理机操作

28、系统 较早的计算机系统基本上都是单处理机系统，后来出现了多处理机系统MPS(Multiprocessor System)，从计算机体系结构上来改善系统性能。随着系统中处理机数目的增多，既提高了系统的吞吐量，又可以共用其它部件以节约成本。而且多处理机系统的系统重构功能提高了系统的可靠性，即当其中任何一台处理机发生故障时，系统能立即将该处理机上所处理的任务迁移到其它的一个或多个处理机上去处理，整个系统仍能正常运行，仅使系统的性能略有降低。根据各处理机之间的紧密程度，我们可以把多处理机系统从硬件结构上分为紧密耦合型和松散耦合型两大类。第1 1章 引 论 多处理机系统所配置的操作系统可以分为对称式和非

29、对称式（又称为主从式）的。对称式是每个处理机上运行着同一操作系统的拷贝，这些拷贝可以与其它拷贝之间根据任务需要进行通信。非对称式是指每个处理机执行特定的任务，由一台主处理机控制整个系统，其它处理机根据主处理机的指令完成指定的任务，主处理机和其它处理机之间具有主-从关系。目前大多数多处理机系统采用的是对称式操作系统。第1 1章 引 论 3网络操作系统网络操作系统 计算机网络定义为一些具有独立处理能力的计算机在网络协议控制下实现通信和相互合作的计算机复合系统，是在计算机技术和通信技术高度发展的基础上相互结合的产物。计算机网络的发展，尤其是Internet和WWW（World Wide Web）的出

30、现，对当今操作系统的发展起到了深远影响。当PC机在20世纪70年代出现时，仅仅面向个人独立使用。20世纪80年代，随着人们开始通过Internet发送电子邮件E-mail、进行文件传输FTP等工作，许多PC机被连接到计算机网络上。到20世纪90年代中期，网络连接被认为是计算机系统最基本的功能之一，于是操作系统开始提供有关网络的管理，比如TCP/IP和PPP协议、网络浏览器等。第1 1章 引 论 4分布式操作系统分布式操作系统 分布式处理系统是指由多个分散的处理单元经互连网络的连接而形成的，且可以实现分布处理的系统。其中，每个处理单元既具有高度的自治性，又相互协调，能在系统范围内实现资源管理、动

31、态地分配任务，并能并行地运行分布式程序。在分布式系统上配置的操作系统，称为分布式操作系统。网络操作系统与分布式操作系统的特点如表1-1所示。第1 1章 引 论 表表1-1 网络操作系统与分布式系统比较网络操作系统与分布式系统比较操作系统分布性并行性透明性共享性健壮性网络操作系统分布处理，集中控制任务在本地计算机上运行操作透明，但需指明物理位置一般只能共享服务器上的资源控制集中于服务器，可靠性弱分布式操作系统分布处理，分布控制多任务在多处理单元中并行执行操作透明，而且物理位置透明各站点资源可供全系统共享容错能力强，可靠性高第1 1章 引 论 1.3 操作系统的特征与功能操作系统的特征与功能1.3

32、.1 操作系统的特征操作系统的特征 1并发（并发（Concurrence）并行性和并发性是描述计算机工作时经常使用的两个概念，它们既相似又有区别。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表现为同时运行。在单处理机系统中，每一时刻仅能执行一道程序，故微观上这些程序是在交替执行的。而在多处理机系统中，它们可以做到真正并行执行。但是在这里我们需要指出，对于程序来说，它属于一个静态对象，是不能并发执行的，为了描述一个执行过程，在操作系统中引入一个动态对象进程，而程序则仅仅是一个进程包含的一部分内容。

33、第1 1章 引 论 2共享（共享（Sharing）共享是指内存中多个并发执行的进程共同使用系统中的资源。根据资源的属性不同，进程采取两种资源共享方式。一种方式是当一个进程正在访问某资源时，其它欲访问该资源的进程必须等待，仅当该进程访问完毕并释放该资源后，才允许另一个进程对该资源进行访问，例如对于打印机、磁带机的共享。另一种方式是允许在一段时间内由多个进程同时访问的资源，例如访问磁盘、共享文件等。这里所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程是交替地对该资源进行访问。第1 1章 引 论 并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在条件的。一方面，资源共享是以程序（进程）的并发

34、执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，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，则也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。第1 1章 引 论 3虚拟（虚拟（Virtual）“虚拟”是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应体。在计算机系统中，采用了大量的虚拟技术，从而可以方便用户应用并提高工作效率。例如在分时系统中，多个用户通过联机终端使用一个CPU，通过划分适当的时间片，使各个用户轮流使用CPU，但是因为切换速度非常快，使用户感觉上是各自拥有一个CPU。第1 1章 引 论 4异步性（异步性（Asynchronism）多道程序环境下多个进程并发

35、执行，但由于资源等因素的限制，一个进程的执行可能会受到其它进程的影响，以不可预知的速度向前推进，这种推进方式称为进程异步执行。例如进程A与一组进程并发执行，因为竞争某类资源，在完成过程中有三个阶段的暂停；但A与另外一组进程并发执行时可能会有五个阶段的暂停，或者说没有出现暂停，但无论如何，只要运行环境相同，这两次运行应该获得完全相同的结果。这种异步特征的出现是随操作系统保证资源共享而产生的。第1 1章 引 论 1.3.2 操作系统的功能操作系统的功能 1处理机管理的功能处理机管理的功能 1)进程控制 在多道程序环境下，为完成作业而进行的进程创建，进程在运行过程中的状态转换控制，撤消已结束的进程等

36、细节实现，以及相关的进程的基本特征描述等。2)进程同步 进程同步的主要任务是对诸进程的运行进行协调，保证各进程可以安全、有效地访问系统资源，或者实现它们之间的相互合作。第1 1章 引 论 3)进程通信 在多道程序环境下，系统为一个应用程序建立多个进程，进程之间相互合作去完成一个共同任务。在此过程中，进程往往需要交换信息，如何实现和保证这些交换，就是进程通信的任务。4)调度 调度包括进程调度和作业调度，是指采用适当的调度策略（即调度算法）来调度作业进入内存或者调度进程进入CPU获得执行。在不同类型的操作系统中，所需的环节可能会有所差异。而其中的某些作业调度算法与进程调度算法策略上是相似的，比如先

37、来先服务（FCFS）调度算法等。第1 1章 引 论 2存储器管理的功能存储器管理的功能 存储器管理是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充内存。1)内存分配 内存分配的主要任务是为每道程序分配足够完整运行的内存空间，而且要提高存储器的利用率。第1 1章 引 论 为了实现内存分配，在内存分配的机制中应具有以下结构和功能：内存分配数据结构：该结构用于记录内存空间的使用情况，作为内存分配的依据。内存分配功能：系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存空间。内存回收功能：系统对用户不再需要的内存根据释放请求进行回收。第1 1章 引 论 2)内存保

38、护 内存保护是指通过设置内存保护机制来确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，不能访问操作系统存放在系统区中的程序和数据，也不允许访问非共享的其它用户程序内存区。3)地址变换 用户应用程序（源程序）经编译、链接而形成的可装入程序，它所形成的逻辑单元编号（即逻辑地址）与装入内存后具体的内存存储单元编号（即物理地址）之间的对应变换，需借助于相应的地址变换硬件机构实现，以保证程序在执行过程中可以在正确的内存单元访问所需的指令或数据。第1 1章 引 论 4)内存扩充 请求调入功能。允许在仅装入一部分用户程序和数据的情况下，启动该进程运行。在运行过程中，当发现继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存时，

39、可向OS发出请求，由OS将所需部分调入内存，以便继续运行。对换功能。若内存中已无足够的空间来装入需要调入的部分时，系统应将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调至磁盘上，以便腾出内存空间，然后再将所需部分调入内存。第1 1章 引 论 3设备管理的功能设备管理的功能 设备管理是指根据用户的I/O请求分配相应的I/O设备，控制I/O操作过程，达到提高I/O速度和设备利用率的目的。设备管理具体包括以下内容。1)缓冲管理 缓冲管理的基本任务是管理好各种类型的缓冲区，以缓和CPU和I/O速度不匹配的矛盾，最终达到提高CPU和I/O设备利用率，进而提高系统吞吐量的目的。对于不同的系统，可以采用不同类型的缓冲

40、区机制。最常见的缓冲区机制有单缓冲机制，可实现双向同时传送数据的双缓冲机制，以及可供多个设备同时使用的公用缓冲池机制。第1 1章 引 论 2)设备分配 设备分配的基本任务是根据用户的I/O请求，为其分配所需的设备，其中包括可能需要的相应的控制器和通道。在设备分配中，系统应配置系统设备表、设备控制表、控制器控制表、通道控制表等数据结构，用于记录设备、控制器及通道的标识符和状态。这些控制表可用以说明该设备是否可用、是否忙碌，以供设备分配时参考，另外还可根据设备的资源属性进行共享时的同步管理。第1 1章 引 论 3)设备处理 设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务通常是实现CPU和设备控制器之间

41、的通信，由CPU向设备控制器发出I/O指令，要求它完成指定的I/O操作，并能接收由设备控制器发来的中断请求，给予及时的响应和相应的处理。4)设备独立性和虚拟设备 设备独立性是指应用程序使用的逻辑设备名独立于具体的物理设备，以使用户编制的程序与实际使用的物理设备无关。虚拟设备就是虚拟技术在设备管理中的一种具体应用。第1 1章 引 论 4文件管理的功能文件管理的功能 文件管理是指对存储在磁盘或磁带上的文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。文件管理具体包括对文件存储空间的管理，目录管理，文件的读、写管理以及文件的共享与保护等功能。1)文件存储空间的管理 由文件系统对诸多文件在存储空间的占

42、用情况进行记录，以供分配和回收空间时参考。分配和回收是以提高存储空间的利用率为目标的。第1 1章 引 论 2)目录管理 目录管理的主要任务是为每个文件建立目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取（即用户只需提供文件名，即可对该文件进行存取）。其次，目录管理还应能实现文件共享，这样只需在外存上保留一份该共享文件的副本即可。此外，目录管理还应能提供快速的目录查询手段，以提高对文件的检索速度。3)文件的读、写管理和存取控制 该功能规定文件读、写的具体方式，以提高读写效率。为了保障文件系统的安全，应对文件存取施加限制措施，保证各个用户以适当的权限来使用文件系统，达到系统的安全性要求

43、。第1 1章 引 论 5.用户接口用户接口 为了方便用户使用计算机，操作系统向用户提供了更易理解和进行工作的命令接口、程序接口和图形接口。这些接口对于不同层次、不同水平的用户提供了快速、高效访问计算机的手段，对于计算机的普及与发展起到了非常重要的促进作用。第1 1章 引 论 1.4 操作系统的结构设计操作系统的结构设计1.4.1 整体式系统整体式系统 整体式系统是一种非模块化的简单结构。它把操作系统写成一系列的过程，每个过程都有明确定义的接口，一个过程只要需要就可以随意调用任何其它过程，即任意一个过程都是不透明的。为了构造操作系统的实际目标程序，需要首先分别编译所有的单个过程或包含过程的文件，

44、然后用连接程序把它们组合成一个单一的目标文件。第1 1章 引 论 整体式结构的操作系统与外部程序有统一的接口，即一组系统调用命令。所有的用户程序和系统应用程序都必须使用系统调用命令请求操作系统提供的服务。整体式结构的操作系统通常会在系统态（管态）下运行，而用户程序和系统应用程序都在用户态（目态）下运行。系统调用命令的执行把机器从用户态切换到系统态，将控制传递给操作系统。操作系统解释调用参数，然后查找相应的系统过程并进行调用，最后完成系统调用并把控制返回给用户态程序。第1 1章 引 论 虽然整体式系统是非模块化的，但它蕴含着一种基本的结构关系：(1)一个主过程，它接受和解释系统调用命令，并调用相

45、应的过程。(2)一组执行系统调用的服务过程，每个系统调用都有对应的服务过程。(3)一组支持服务过程的实用过程，每个实用过程完成若干个服务过程所必须执行的公共事务。所有过程可大致分成三层，如图1-4所示。第1 1章 引 论 图1-4 整体式操作系统简单结构模型主过程服务过程公用过程第1 1章 引 论 1.4.2 模块层次式系统模块层次式系统 模块层次式系统是一种模块化的系统结构，它把操作系统划分成若干模块，并按这些模块的控制或服务关系进行分层，每层包含一个或若干个模块。底层（第0层）是宿主机（即硬件系统），最高层（第N层）是用户接口。层与层之间存在着一种单向依赖关系高层依赖于低层，而低层不依赖于

46、高层，即高层模块可以调用低层模块，反之则不行。如果同层中的各模块之间不存在相互调用关系，则这种分层结构是全序的，否则是半序的。模块分层结构通常也称为有序分层结构。构造分层结构的操作系统有两种基本方法：自底向上法和自顶向下法。第1 1章 引 论 图1-5 自底向上分层设计AnAiA2A1A0自底向上第1 1章 引 论 1自底向上（自底向上（Bottom-up）法法 以宿主系统A0（底层）为基础，对A0的各项功能（如CPU、存储器、外部设备等）进行第一次扩充，得到一个比A0功能更强的虚拟机A1；然后再以A1为基础进行第二次扩充，得到新虚拟机A2。如此自底向上一层层地依次扩充，最终达到目标系统An（

47、顶层），如图1-5所示。在扩充过程中，各级虚拟机具有下列性质：(1)Ai所提供的资源和功能构成了建立Ai+1的全部基础（单向依赖关系）。第1 1章 引 论 (2)从Ai扩充到Ai+1时，并不一定是Ai的全部功能都同时被扩充了，Ai的那些未经扩充的功能被看成是延续到Ai+1中去，故Ai+1中有一些功能等同于Ai的功能，在建立Ai+2时，把它看成是Ai+1的功能。(3)在定义Ai+1的新资源时所用到的Ai的资源，在Ai+1中不应再出现。(4)顶层An的正确性可通过逐步证明以下的每一级虚拟机Ai的正确性来得到证实。第1 1章 引 论 2自顶向下（自顶向下（Top-down）法法 与自底向上法相反，自

48、顶向下法是从目标系统An出发，过渡到宿主系统A0的。为了实现An，设计一个适当的虚拟机An-1，使得An能在An-1上实现。但An-1本身还无法独立运行，因此再设计一个新的虚拟机An-2来实现An-1。如此重复，便产生虚拟机序列An，An-1，A1，A1能在A0上独立运行，如图1-6所示。图1-6 自顶向下分层设计AnAiA2A1A0自顶向下第1 1章 引 论 模块分层结构的最主要优点是模块化，它总是把整体局部化，使得对系统的设计、调试及维护变得很容易。第一层仅依赖于硬件系统，设计时仅利用硬件来实现该层的功能，在调试时与系统的其它部分无关；当第一层被调试通过后，第二层就可以在正确的第一层上进行

49、调试；依此类推，直至最高层被调试通过，整个系统的正确性可得以保证。如果在调试某一层时发现错误，则错误的搜索定位是很容易的，由于在该层下的各层均已调试通过了，故这种错误必定是该层引起的。此外，每一层都向较高层隐蔽了一些数据结构、过程或硬件的存在，任一层的实现都依赖于较低层提供的一些操作，但它无需清楚这些操作是如何实现的，而只需知道这些操作是做什么的以及如何调用。这种信息隐蔽特点提高了系统的灵活性，使得对系统的修改和扩充变得比较容易。第1 1章 引 论 分层结构这种高层依赖于低层的特点也为操作系统的设计带来了一些困难，首先对于各模块需要精心分析，确保相关模块的依赖与被依赖的正确关系。例如，对于虚拟

50、存储管理当中完成数据回写功能的模块，它的分层就必须要在CPU调度模块的高层，又要在存储器管理的低层。还有一个问题就是分层结构的系统性能比较低，这甚至成为近年来模块分层设计遭受反对的重要原因。例如，当用户程序进行I/O操作时，向I/O层发送一个系统调用，这个系统调用又依次传递到存储器管理层、CPU调度层，直到硬件层。在每层传递过程当中都要修改参数和添加信息，结果最终的系统调用会花费更多的调用时间。所以，分层结构应该按照用尽可能少的层，而每层又具备较多功能且模块清晰的原则进行实际的设计。例如，Windows NT最初发布的版本就是高度层次化的结构，其性能与Windows 95相比就要逊色一些。而W