计算机操作系统原理

1、第第1章章 操作系统概述操作系统概述1.1 什么是操作系统什么是操作系统1.2 操作系统的目标和功能操作系统的目标和功能1.3 操作系统的发展历程操作系统的发展历程1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.5 支持操作系统的硬件环境支持操作系统的硬件环境1.6 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务1.7 典型的现代操作系统典型的现代操作系统 正如计算机科学中许多其它的技术名词都没有统一的定义一样，操作系统也没有唯一的一种定义与解释。如何看待一个操作系统，人们从不同的角度出发有不同的观点，通常有下面三种观点： 虚拟机的观点虚拟机的观点操作系统作为扩展机器操作系统作为扩展机器如果仅仅是裸机（图1

2、.1底层阴影部分），则仅有机器语言可供用户利用，关于内存、文件、外设等的操作是相当麻烦和晦涩的。1.1 什么是操作系统什么是操作系统 机器指令系统机器指令系统 CPU 内存、内存、I/O接口接口裸机 命令解释程序、语言编译程序、汇编程序命令解释程序、语言编译程序、汇编程序 数据库系统、网络软件等数据库系统、网络软件等财务管理系统、航空定票系统、CAD系统、税务系统、银行帐务系统、铁路定票系统、保险系统、人事管理系统等系统软件核心核心应用软件用户1用户2用户n图图1.1 1.1 计算机系统层次，每一层的扩充都为向上虚拟计算机系统层次，每一层的扩充都为向上虚拟能力扩展能力扩展操作系统操作系统1.1

3、 什么是操作系统什么是操作系统 资源管理的观点资源管理的观点OS作为系统资源管理者作为系统资源管理者四大类四大类：处理机、存储器、外设及信息处理机、存储器、外设及信息（程序和数据等） 存储器存储器 操作系操作系统软件统软件用户程序用户程序和数据集和数据集 处理器处理器I/O控制器控制器I/O控制器控制器I/O控制器控制器外部设备外部设备图1.2 操作系统作为资源管理器打印机、键盘等操作系统程序数据.存储设备存储设备计算机系统计算机系统1.1 什么是操作系统什么是操作系统资源管理的目的在于资源管理的目的在于：为用户提供一种简单、有效使用资源的方法，充分发挥各种资源利用率，为此，对每种资源管理，要

4、研究如下几方面的内容： _n 记录资源使用状态；使用或未使用，谁使用等n 资源分配原则；确定如何分配(策略)，何时分配n 执行分配；根据分配的策略进行资源分配。n 资源回收；在某些用户，或程序不再需要资源时， 系统应及时回收(修改记录)，以便进行再分配。1.1 什么是操作系统什么是操作系统 人机交互的观点人机交互的观点OS作为机器与用户之间的接口作为机器与用户之间的接口 最初的计算机在没有操作系统的情况下，在使用计算机时用户需要进行大量的手工操作。例如，选择何种输入设备进行输入，在什么地址上启动相应的编译程序进行编译，编译的结果（目的代码）再重新在指定的输入设备上进行输入，指定具体的启动地址启

5、动运行等。 在有了操作系统之后，原来由人工所进行的许许多多烦琐而费时的操作就由操作系统来代替完成。现在的操作系统都配备了丰富的命令、鼠标方式以及各种图标方便用户与计算机进行交互和操作，因此，也可以说现在的操作系统是人机交互的界面与接口，用户与计算机进行的一切活动都是要经过操作系统。几种典型计算机几种典型计算机1.1 什么是操作系统什么是操作系统不严格的定义；不严格的定义；是加载在硬件之上，支持其它软件，是加载在硬件之上，支持其它软件，并控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，有并控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，有效地组织各程序运行的系统软件，或程序集合效地组织各程序运行的系统软件，

6、或程序集合。以下几点有助于我们理解操作系统的定义。以下几点有助于我们理解操作系统的定义。 系统软件；是第1次加载在硬件上的一组计算机程序(程序意图不同程序意图不同)。 控制和管理计算机系统内各种资源，控制和管理计算机系统内各种资源，有效有效地组织作业或程序在地组织作业或程序在 CPU上运行。上运行。 提供服务，方便用户使用，扩充硬件功能。提供服务，方便用户使用，扩充硬件功能。1.1 什么是操作系统什么是操作系统1.2.1 操作系统的目标操作系统的目标 方便性；方便性；通过命令，或鼠标等便可完成所希望的要求(包括网上信息查询)。 有效性；有效性；如实现CPU、I/O设备的并行操作、对内外存中存放

7、的信息进行统一管理避免无避免无序和空间的浪费序和空间的浪费。 可扩展性；可扩展性；允许在不妨碍服务前提下，开发、测试和引进新的系统功能。如高性能芯片出现控制寄存器硬件机制后，操作系统经过扩展就实现了页式存储分配机制等。1.2 操作系统的目标和功能操作系统的目标和功能1.2.2 操作系统的功能（之一）操作系统的功能（之一） 存储器管理功能存储器管理功能 n 内存分配；内存分配；记录整个内存，按照某种策略实施分配，或回收释放的内存空间。n 地址映射；地址映射；硬件支持下解决地址映射，即逻辑到物理地址转换逻辑到物理地址转换。 n 内存保护；内存保护；保证各程序空间不受“进犯” 。n 内存扩充；内存扩

8、充；通过虚拟存储器技术通过虚拟存储器技术虚拟成比实际内存大的多的空间来满足实际运行的需要。 1.2 操作系统的目标和功能操作系统的目标和功能 处理机管理功能处理机管理功能 n 作业和进程调度；作业和进程调度；后备队列上（外存空间）的调度，作业调度作业调度(并不是所有类型机器都具有) 。CPU调度，进程调度进程调度。n 进程通信；由于进程通信；由于多个程序(进程)彼此间会发生相互制约关系，需要设置进程同步机制。进程之间往往需要交换信息，为此系统要提供通信机制。1.2 操作系统的目标和功能操作系统的目标和功能1.2.2 操作系统的功能（之二）操作系统的功能（之二） 设备管理功能设备管理功能 n 缓

9、冲区管理；缓冲区管理；管理各类I/O设备的数据缓冲区，解决解决CPU和外设速度不匹配的矛盾和外设速度不匹配的矛盾。 n 设备无关性；设备无关性；应用程序独立于实际的物理设备，由操作系统将逻辑设备映射到物理设备逻辑设备映射到物理设备。n 设备分配；设备分配；根据I/O请求和相应分配策略分配外部设备以及通道、控制器等。 n 设备驱动；设备驱动；实现用户提出的I/O操作请求，完成数据的输入输出。这个过程是系统建立和维持的这个过程是系统建立和维持的。 1.2 操作系统的目标和功能操作系统的目标和功能1.2.2 操作系统的功能（之三）操作系统的功能（之三） 文件管理功能文件管理功能 n 文件存储空间的管

10、理；文件存储空间的管理；包括：记录空闲空间、为新文件分配必要的外存空间，回收释放的文件空间，提高外存的利用率等。n 目录管理；目录管理；目录文件的组织、及实现用户对文件的“按名存取”、目录的快速查询和文件共享等。 n文件的读写管理和存取控制；文件的读写管理和存取控制；根据用户请求，读取或写入外存。并防止未授权用户的存取或破坏，对各文件（包括目录文件）进行存取控制。 1.2 操作系统的目标和功能操作系统的目标和功能1.2.2 操作系统的功能（之四）操作系统的功能（之四） 用户接口用户接口 n 命令界面；命令界面；系统提供一套命令，每个命令都由系统的命令解释程序所接收、分析，然后调用相应模块完成命

11、令所需求功能。 n 图形界面；图形界面；考虑用户使用计算机的方便性，现代操作系统都提供了图形用户界面。它也是一种交互形式，只不过将命令形式改成了图形提示和鼠标点击。 n 程序界面；程序界面；也称系统调用界面，是程序级上程序级上用户与操作系统打交道的方式。1.2 操作系统的目标和功能操作系统的目标和功能1.2.2 操作系统的功能（之五）操作系统的功能（之五）1.3.1 操作系统的形成操作系统的形成 手工操作阶段（串行工作，手工操作阶段（串行工作，2020世纪世纪4040年代）年代） 用户直接与计算机硬件打交道用户直接与计算机硬件打交道。机器运行靠控制台（面板），包括显示灯、触发器、某类型输入设备

12、。其缺点：其缺点： n 一旦有某用户开始操作，计算机的全部资源都为该用户独占，直到下机将资源转给下个用户为止。 n 操作是联机的操作是联机的，输入输出也是联机的（由CPU完成），因此程序运行时间拉的很长（手工操作手工操作），即在程序运行之前需要花费大量的准备时间。1.3 操作系统的发展历程操作系统的发展历程 批处理阶段（批处理阶段（20世纪世纪50年代末）年代末） 从一个作业到另一个作业的过度摆脱人工干预，使其自动化，这就出现了批处理（这是系统追求资这是系统追求资源利用率源利用率），而批处理也经历了两个阶段： n 早期的联机批处理；早期的联机批处理；操作员将若干个作业合成一批，依次放在卡片读入

13、机上，监督程序监督程序负责输入到磁带上，然后监督程序监督程序再开始自动地处理各个作业（包括读入内存、汇编或编译、连接装配），并启动程序运行。 n 脱机批处理：脱机批处理：在主机之外另设一台功能较为简单的小型卫星机，如图1.3所示。1.3 操作系统的发展历程操作系统的发展历程1.3.1 操作系统的形成操作系统的形成卡片输入机卡片输入机打印机打印机卫星机卫星机输入带输入带输出带输出带执行带执行带系统带系统带日志日志调入调入作业作业输出结果输出结果图图1.3 1.3 脱机成批处理脱机成批处理主机主机批处理系统是形成后来操作系统的雏形。它的产生批处理系统是形成后来操作系统的雏形。它的产生促进了其它软件

14、的发展，其主要有以下几个方面：促进了其它软件的发展，其主要有以下几个方面：结束结束 批处理阶段批处理阶段 输入输出标准程序和程序库；输入输出标准程序和程序库；手工操作阶段，所有输入输手工操作阶段，所有输入输出指令都是程序员直接写在程序中的出指令都是程序员直接写在程序中的。采用脱机输入输出后，系统就必须提供一套标准输入输出程序供用户调用，这样导致了程序库建立（包括汇编程序、编译程序、装配程序等）。库程序放在磁带上，只有监督程序放在内存。 运行日志和记帐；负责记录运行日志和记帐；负责记录系统资源的使用日志。 覆盖技术；覆盖技术；将程序和数据分成若干块，其中某些块放在辅存上，运行时调入内存覆盖已执行

15、完程序，或数据。 批处理阶段（批处理阶段（20世纪世纪50年代末）年代末）1.3 操作系统的发展历程操作系统的发展历程1.3.1 操作系统的形成操作系统的形成u 批处理系统的问题：批处理系统的问题：虽然成批处理系统缩短了手工操作的时间，促进了软件的发展，但仍存在不少缺点：n 监督程序、系统程序和用户程序之间是通过相监督程序、系统程序和用户程序之间是通过相互调用的方法来实现转移的互调用的方法来实现转移的。因此，若执行了一条非法指令，则整个系统就会停顿下来；若陷入死循环，则整个系统也无法向前推进。n 无法防止用户程序会冲掉一部分监督程序，因而可能使整个系统混乱。进入执行系统阶段进入执行系统阶段1.

16、3 操作系统的发展历程操作系统的发展历程1.3.1 操作系统的形成操作系统的形成 执行系统阶段（执行系统阶段（20世纪世纪60年代初期）年代初期） 这个时期硬件获得了两个重要进展，一是通道，二是一是通道，二是中断中断。对整个计算机体系来说都是极为重要的。有了中断和通道就实现了两个方面的功能：n 主机与输入输出的并行操作n 系统输入输出控制程序和中断处理程序永驻内存成为执行程序（或监督程序、控制程序）。通过时钟记时中断防止程序死循环；非法操作也会产生中断通知系统。图1.4给出了此时内存空间用户程序用户程序控制语言和命令解释器控制语言和命令解释器作业序列号作业序列号输入输出控制程序输入输出控制程序

17、中断处理程序中断处理程序用户程序用户程序区域区域执行执行/监控监控程序程序图图1.4 1.4 常驻监控程序内容常驻监控程序内容1.3 操作系统的发展历程操作系统的发展历程1.3.1 操作系统的形成操作系统的形成执行系统也推动软件发展，主要有两个方面执行系统也推动软件发展，主要有两个方面：n 系统程序模块化：为保障系统系统程序模块化：为保障系统修改方便，需要 将整个系统模块化。n 命令语言的出现：命令语言的出现：执行系统的出现促进了作业控制语言的发展，但那时主要采用的是卡片式。执行系统仍然存在若干缺陷，最主要的，此时仍是执行系统仍然存在若干缺陷，最主要的，此时仍是单道系统单道系统，并不能很好地消

18、除处理机对外部设备传，并不能很好地消除处理机对外部设备传输等待（如用户的输出量很大）。输等待（如用户的输出量很大）。为克服这样问题，就促进了多道批处理系统及后续系统的产生。1.3 操作系统的发展历程操作系统的发展历程1.3.1 操作系统的形成操作系统的形成手工操作阶段手工操作阶段:用户上机完全手工操作, 用户干预整个过程批处理阶段批处理阶段:实现用户之间转接自动化, 无需用户干预执行系统阶段执行系统阶段:由于中断和通道的产生, 使得监督有了控制能力, 有了管理者.1.3 操作系统的发展历程操作系统的发展历程1.3.1 操作系统的形成操作系统的形成 以上3个阶段可以看成是操作系统的产生过程，由多

19、道批处理和多道程序设计概念的发展开始了操作系统趋于完善的又一发展历程。 多道批处理系统最大的问题就是不支持交互，为了克服这一弱点，又很快就产生了分时系统等不同类型的操作系统。多道和分多道和分时的出现标志着较为完善的操作系统形成。时的出现标志着较为完善的操作系统形成。1.3 操作系统的发展历程操作系统的发展历程1.3.2 操作系统的完善操作系统的完善 多道批处理操作系统的工作原理多道批处理操作系统的工作原理 体现两个特征，一是“多道多道”，二是“成批成批”。如图1.5 图1.5 多道批处理系统工作原理作业作业卡片机卡片机作业1作业2作业nOS磁盘磁盘（输入井）（输入井）磁盘磁盘（输出井）（输出井

20、）内存后备后备作业作业完成完成作业作业打印机打印机处理器处理器作业作业卡片机卡片机内存作业1作业2作业nOS后备后备作业作业完成完成作业作业打印机打印机处理器处理器结束结束1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.1多道批处理多道批处理操作系统操作系统图1.5 中输入井和输出井输入井和输出井分别为磁盘或磁鼓上的两个区域，是系统特别划分出来用于输入输出的区域。设置输入井和输出井的目的有两个：n 协调输入协调输入/输出设备速度与处理机速度的差异。输出设备速度与处理机速度的差异。n 为作业调度提供条件。为作业调度提供条件。多道批处理系统的优点是：多道批处理系统的优点是： 系统资源利用率比较高。系统

21、资源利用率比较高。 吞吐率高。吞吐率高。图1.6 给出了单道与多道程序运行示意图。1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.1多道批处理多道批处理操作系统操作系统（a）单道情形：）单道情形：打印请求打印请求打印请求打印请求图图1.6 1.6 单道与单道与多道程序运行情况多道程序运行情况（b）多道情形：）多道情形：程序A监督程序I/O设备绘图仪请求绘图仪请求t1t2t3t4t5t6t7t8CPU打印机绘图仪程序B打印完成打印完成绘图完成绘图完成CPU空闲空闲t9t10仍有空闲仍有空闲A/B运行运行?结束结束下下一一步步下下一一步步下下一一步步下下一一步步下下一一步步下下一一步步下下一一步步下下

22、一一步步 用户程序用户程序监督程序监督程序I/O操作操作I/O中断中断请求请求 启动启动I/OI/O完成中断完成中断I/O中断请求中断请求启动启动I/Ot1I/O中断中断处理结束处理结束t2t3t4t5t6t7t8CPU CPU空闲空闲 空闲空闲多道批处理系统的缺点也是明显的：多道批处理系统的缺点也是明显的：n 没有交互能力，用户无法干预自己作业的运行， 使用起来不方便。n 用户作业可能需要等待很长时间才能得到运行。l 多道批处理操作系统下需要解决的问题：多道批处理操作系统下需要解决的问题：多道批处理系统是一种有效但又十分复杂的系统，为使系统中的多道程序间能协调地运行，必须解决在1.2.2节所

23、述的操作系统主要功能：这些概念将在后续章节中分别加以详细讨论。这些概念将在后续章节中分别加以详细讨论。1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.1多道批处理多道批处理操作系统操作系统分时操作系统（Time Sharing Operating System），简称分时系统，就是支持多道程序，以联机操作为标支持多道程序，以联机操作为标志的操作系统。志的操作系统。 分时系统的产生分时系统的产生用户对系统功能需求不断增长，主要以下3个方面：n 人人机交互；机交互；程序调试、修改可直接对计算机进行控制。n 共享主机；共享主机；多个用户都希望以“独占”方式共享一台计算机。 n 方便上机；方便上机；用户希

24、望有一个终端设备直接将作业传递给计算中心主机，并能直接对其作业控制。 为满足以上要求，便产生了分时多终端系统，如图为满足以上要求，便产生了分时多终端系统，如图 1.61.61.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.2 分时操作系统分时操作系统分时操作系统分时操作系统终端终端终端图图1.7 1.7 分时系统示意图分时系统示意图响应时间 1 2 3 n时间片计算机硬件计算机硬件终端分时操作系统分时操作系统终端终端终端响应时间 1 2 3 n时间片计算机硬件计算机硬件终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端结束结束1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.2 分时操作系统分时操作系统n 提供

25、一组交互终端命令提供一组交互终端命令n 将系统时钟时间划分很小的片段将系统时钟时间划分很小的片段时间片时间片q=M/n：以q为单位轮流为每个终端服务(M=响应周期，n=终端个数)。 n 能及时接收用户的命令；能及时接收用户的命令；有两个配置；多路转接多路转接器器（或多路卡）和每个终端配置一个缓冲区（缓冲区（暂存键入的命令） n 及时处理用户键入的命令及时处理用户键入的命令 （终端）分时系统需解决的终端）分时系统需解决的4个问题个问题 :1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.2 分时操作系统分时操作系统分时系统也存在过不同形式，如单道分时系统、前/后台分时系统、以及正在讨论的多道分时系统。

26、 分时系统的分时系统的4个主要特征个主要特征 ：n 多路性多路性/同时性；同时性；宏观上同时有多个用户在运行。n 交互性；交互性；在终端上编辑、运行程序，或其它操作。 n 独占性；独占性；每个用户一个终端，独立操作，互不干扰n 及时性；及时性；在很短时间内得到响应，小于23秒。 1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.2 分时操作系统分时操作系统 实时操作系统（Real-Time Operating System）能对随机发生的外部事件做出及时响应和处理。 实时操作系统的引入实时操作系统的引入 随着计算机应用领域扩大，从传统科学计算扩展到商业数据处理、生产过程控制、飞机导航、情报检索等。这

27、样就出现了实时操作系统，这种系统一般是专用系统。 实时系实时系统按其应用分为实时控制和实时信息处理两大类：统按其应用分为实时控制和实时信息处理两大类：n 实时控制；实时控制；如生产过程控制、飞机导航、导弹和卫星发射、铁路交通控制等都属于这一类。n 实时信息处理；实时信息处理；情报检索等就属于这一类。 1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.3 实时操作系统实时操作系统 实时任务的类型实时任务的类型 ：可以从不同的角度对实时任务加以分类： n 按任务执行时是否呈现周期性划分按任务执行时是否呈现周期性划分： 周期性实时任务；按指定周期循环执行控制某外部事件。如控制工业生产流水线、飞机导航等。

28、非周期性实时任务；任务执行无明显周期性，但都联系一个截止时间（deadline）；它又分为：u 开始截止时间；开始截止时间；任务在某时间之前必须开始执行。u 完成截止时间；完成截止时间；任务在某时间之前必须完成。1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.3 实时操作系统实时操作系统n 根据对截止时间的要求来划分根据对截止时间的要求来划分： 硬实时要求；系统必须满足任务对截止时间的要求，否则后果难以预测。 软实时要求；也联系一个截止时间，但并非严格，错过截止时间，后果不严重。 1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.3 实时操作系统实时操作系统 实时系统与分时系统的差别：实时系统与分时系统

29、的差别：与分时比较，有些特性相似，但某些方面差别很大。 n 实时系统通常属于专用系统专用系统，分时系统一般为通用系统通用系统。n 交互性不同；交互性不同；分时有较强交互作用，实时相对要差的多，提供的交互命令较简单，也不存在分时系统的资源共享。n 对系统响应时间要求不同；对系统响应时间要求不同；对时间要求严格，联系截止时间，对象是所控制的外部设备，而不是一般终端用户。n 可靠性不同；可靠性不同；实时系统要求可靠性更高，通常进行硬件/软件冗余。 1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.3 实时操作系统实时操作系统通用操作系统（Multi-Purpose Operating System）是在实

30、时系统之后，为使系统应用范围更广泛，处理能力更强，有些系统兼有实时、分时和批处理的两种，或三种处理能力，从而形成通用操作系统。 当代同时具备两种以上功能的系统有很多，例如，UNIX操作系统：SUN公司的Solaris；Microsoft公司的Windows系列。Linux操作系统：Redhat，红旗Linux等。1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.4 通用操作系统通用操作系统 网络操作系统（Network Operating System）是实现网络通信与网络资源管理的操作系统。将分布各地的计算机/终端设备通过数据通信系统联结在一起，构成一个系统，形成计算机网络。 计算机网络需要一个网

31、络操作系统对整个网络实施管理，并为用户提供统一的，方便的网络接口。网络操作系统一般建立在各主机的本地操作系统网络操作系统一般建立在各主机的本地操作系统（网络中各计算机配有独立操作系统）基础之上，（网络中各计算机配有独立操作系统）基础之上，其功能是实现网络操作、资源共享和保护、网络服其功能是实现网络操作、资源共享和保护、网络服务和网络接口等务和网络接口等。1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.5 网络操作系统网络操作系统分布式操作系统（Distributed Operating System）分为两类：n 一类是建立在紧耦合（Tightly Coupled）分布式系统基础之上的，每个处理单

32、元为处理器和局部存储器。n 另一类是建立在松散耦合（loosely Coupled）计算机网络基础之上的。1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.6 分布式操作系统分布式操作系统 分布式系统分布式系统 经网络连接而成的统一的计算机系统，从这一点上来说，与计算机网络是一样的，但分布式系统除了通信之外，仍具有与计算机网络不同的5个方面的特征： n 分布式处理；分布式处理；资源、功能、任务及控制都分散在各个处理机上，这是网络所没有的一个很重要的特征，这要求连网的计算机有一个统一的操作系统。 n 并行性；并行性；分布式系统可以并行处理多个子任务，以达到共同完成某个任务，加快了整体任务的完成。 这是

33、网络所没有的一个很重要的特征资源功能任务1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.6 分布式操作系统分布式操作系统n 透明性；透明性；系统中各子任务执行位置、资源位置等对用户是透明的。网络也具备透明性，但主要指操作实现上的。n 共享性；共享性；分布在各个计算机上的软、硬资源可供整个系统所共享，并以透明的方式访问，这也是网络系统所没有的。网络系统的共享多半是指在服务器上的。 n 健壮性；健壮性；分布式系统处理和控制功能都是分布的，因此，从理论上来说，任何结点上的故障，对整体系统影响不大。 分布式操作系统分布式操作系统 是一个非常复杂的系统，是网络操作系统的更高级形式。 目前真正可用的分布式软件

34、很少，还有些问题有待解决。 1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.6 分布式操作系统分布式操作系统微机操作系统（Microcomputer Operating System）作为操作系统的一个类型，是由于随着VLSI的发展，芯片集成度越来越高，价格越来越低而带来了微机时代，在微机上配置的操作系统就称为微机操作系统。在微机上的操作系统可以分为单用户和多用户两类： 单用户操作系统单用户操作系统可以执行单任务，或多任务，即单用户单任务/多任务系统。单用户单任务操作系统较为常见的为单用户单任务操作系统较为常见的为 CP/M，MS-DOS。提供简单、易于操作的工作环境成为所追求的主要目标。现在的单

35、用户操作系统已为Windows 系列系列所取代成为主流，它们支持多道程序并发，成为了单用户多任务的操作系统成为了单用户多任务的操作系统。 1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.7 微机操作系统微机操作系统 多用户操作系统多用户操作系统多用户操作系统是多个用户通过终端共同使用同一个主机，共享主机资源。在微机上配置的多用户操作系统有代表性的是 UNIX 和近来得到迅速应用的 LINUX。 1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.7 微机操作系统微机操作系统嵌入式操作系统（Embedded Operating System）根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：是“用于控制、监视

36、或者辅助操作机器和设备的装置” ，是从应用上考虑的。 嵌入式系统是软件和硬件的综合体，可以涵盖机电等附属装置。它更一般性的定义：以应用为中心、以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 由此，嵌入式操作系统大多用于机电设备、仪器等专用控制方面，因此大多采用微内核微内核结构。1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.8 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 嵌入式操作系统的几个重要特征：嵌入式操作系统的几个重要特征：n 系统内核小；系统内核小；由于

37、是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 n 专用性强；专用性强；个性化很强，软件系统和硬件结合非常紧密。n 系统精简；系统精简；一般没有系统软件和应用软件的明显区分，以安全可靠为主。 n 高实时性操作系统；高实时性操作系统；这是嵌入式软件的基本要求这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.8 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 嵌入式系统与微机比较嵌入式系统与微机比较 ：n 嵌入式系统是专用系统，而微机是通用系统。 n 嵌入式系统的资源比微机少得多。 n 嵌入式系统软件故障带来的后果比微机大得多。 n

38、 嵌入式系统一般采用实时操作系统，而微机大多采用通用操作系统。 n 嵌入式系统大都有成本、功耗的要求。 n 嵌入式系统需要专用的开发工具。 1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.8 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 图图1.8 嵌入式系统应用：嵌入式系统应用： 随着消费电子、工业应用、军事国防、网络设备、医疗电子病历、微小型智能武器等发展，社会迫切需求嵌入式技术，可以说嵌入式技术无处不在，正在逐渐改变着传统的工业生产、社会生活和服务方式，是计算机技术开始进入一个后微机技术发展阶段。1.4 操作系统的分类操作系统的分类 多处理机操作系统（Multi-Processor Operating Sy

39、stem）是指具有两个以上的处理机，并在其上建立的操作系统。 多处理机系统的引入多处理机系统的引入 使用多处理机或多处理机系统主要基于两种考虑； 利用多台处理机进行多任务处理，协同求解一个而复杂的问题来提高速度。 依靠冗余的处理机及其重组能力来提高系统的可靠性、适应性和可用性。 由于应用目的和结构不同，多处理机有不同的构型。1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.9 多处理机操作系统多处理机操作系统n 紧耦合多处理机；紧耦合多处理机；通过共享主存来实现处理机间通信。多处理机的主存多采用模m多体交叉存取结构（m为存储分体的个数）。n 松散耦合多处理机；松散耦合多处理机；不同的处理机间或者通过

40、通道互连实现通信，以共享某些外部设备；或者通过通信线路来交换通信信息。在松散耦合系统中，每台处理机也都配备有操作系统来管理本地的资源和进程，因此，每台处理机能够独立运行。1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.9 多处理机操作系统多处理机操作系统 多处理机操作系统的类型多处理机操作系统的类型: n 非对称多处理机（非对称多处理机（ Asymmetric MultiProcessor）；）；其中每台处理机都指派专门的任务，有一台主处理机控制整个系统，其余处理机执行主处理机下达的指令，或执行预先规定好的任务。这是一种主这是一种主从关系从关系。 n 对称多处理机（对称多处理机（ symmetri

41、c MultiProcessor）；）；这是一种常见的形式，所有处理机都是相同的，且都运行一个相同的操作系统副本。所有处理机是对等的，没有主从之分，成为多处理机系统的主要形式。1.4 操作系统的分类操作系统的分类1.4.9 多处理机操作系统多处理机操作系统为了理解操作系统的功能和所涉及的问题，有必要对计算机硬件的某些部分有进一步认识。 处理器寄存器处理器寄存器寄存器分为两类，用户可见和用户不可见的寄存器。 n 用户可见的寄存器；用户可见的寄存器；用户可见寄存器可以通过机器语言来引用，它一般对所有的程序都是可用的，包括数据寄存器、地址寄存器（段指针和栈指针等）和条件码寄存器。 n 用户不可见的寄

42、存器；用户不可见的寄存器；处理器中有多种寄存器是用于控制处理器操作。其中部分可在内核模式（核心态、管态）下由某些机器指令访问。这些寄存器包括：程序计数器、指令寄存器、状态字寄存器、存储管理控制寄存器等。 1.5 支持操作系统硬件环境支持操作系统硬件环境 定时装置定时装置 硬件上时钟有两种形式；绝对时钟和相对时钟绝对时钟和相对时钟。n 绝对时钟；绝对时钟；当于电子表电子表，它的值可由程序设定和修改，一般由特权指令完成。绝对时钟管理作业、文件建立等的时间、资源占用和日志记录的时间，是必不可少的。 n 间隔时间；间隔时间；一种相对时间（类似与闹钟类似与闹钟），每隔固定时间产生一次时钟中断。时钟中断的

43、产生是操作系统获得系统控制，实现系统管理和程序并发一个极为重要的条件。1.5 支持操作系统硬件环境支持操作系统硬件环境 系统栈系统栈 系统栈是系统的一块区域，它的作用就是保存来自两个方面的信息；u 中断现场的信息；u 系统子程序间相互调用的参数、返回值和返回时下条执行指令的地址。1.5 支持操作系统硬件环境支持操作系统硬件环境 特权指令特权指令 在多任务操作系统下，存在着系统控制与用户程序之分，因为它们的目的和作用不同，所执行的指令有所不同。那些只能由操作系统程序使用，而不能被用户程序使用的指令就为特权指令特权指令。一般包括：开/关中断、修改地址控制寄存器、修改系统时钟，I/O启动指令、置程序

44、状态字、停机等。1.5 支持操作系统硬件环境支持操作系统硬件环境 处理机状态处理机状态 / 处理机执行模式处理机执行模式 操作系统要有特殊权利以控制和管理整个系统有条不紊地运行，则这种特殊权利的标识就是处理机状态处理机状态。n 系统态系统态/管态管态/核心态；核心态；是操作系统程序运行时的状态，也是处理机为内核模式，操作系统可以执行指令系统中的全部指令，访问全部寄存器，全部存储器。 n目态目态/用户态；用户态；是用户程序运行时的状态，它们可以执行除了特权指令之外的指令。但禁止访问系统区域。如果用户程序在目态执行了特权指令，硬件便产生一个中断，进入操作系统，特权指令的执行将被禁止。 1.5 支持

45、操作系统硬件环境支持操作系统硬件环境 地址映射机构地址映射机构 在多道程序的操作系统中，用户程序的编址通常从“0”地址开始编址，形成逻辑地址。硬件需要提供地址映射机构，负责将运行时的逻辑地址转换成物理地址。1.5 支持操作系统硬件环境支持操作系统硬件环境 中断机构中断机构 中断机构或机制是由硬件和软件共同组成的。硬件部分为中断装置。 通道与通道与DMA 为了提高处理机与外设、外设与外设的高度并行，在硬件上的支持为通道，或DMA。并发并发（Program Concurrence）在多道程序环境下，在多道程序环境下，是指在一段时间内可有多道程序同时运行。是一个是指在一段时间内可有多道程序同时运行。

46、是一个宏观上概念，微观上是串行的宏观上概念，微观上是串行的。这里需要区分两个既相关又有区别的的概念；并发与并行u 并行要求在微观上同步，即在时间的一点上时间的一点上同时u 并发并不要求在微观上同步，只是在宏观上同时 并发性并发性 1.6 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务 1.6.1 操作系统的基本特征之一操作系统的基本特征之一资源共享性（资源共享性（Resource Sharing）由于资源的属性不同，有不同的共享方式： u 互斥共享方式；互斥共享方式；共享方式只能是串行排队使用。u 同时共享方式；同时共享方式；一段时间内同时可有多个访问者（指宏观上同时）；如磁盘磁盘设备。 资源共享性

47、资源共享性 1.6 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务 1.6.1 操作系统的基本特征之二操作系统的基本特征之二 一些可重入程序也可以作为共享资源被同时访问。所谓可重入程序可重入程序有两个特性；一是程序中的指令不一是程序中的指令不能自身修改，二是调用者自带数据区能自身修改，二是调用者自带数据区。 应当说明的是，并发和共享之间是互为并发和共享之间是互为存在条件；存在条件；一方面，资源共享是并发执行为条件，因为若系统不允许并发执行，也就不存在资源共享问题。另一方面，若系统不能对共享资源有效管理，也就必将影响并发执行程度。 由以上并发和共享带来了第3个特征异步性。 1.6 操作系统的特征和服务

48、操作系统的特征和服务 异步性（Asynchronism）是指系统中发生的各种事件发生的顺序的不可预测性。在多道环境中，各个程序的执行在并发的机制下“走走停停”，并非是一直在运行，何时运行，需要多少时间等是事先不可预知的，也许最先运行的程序最后完成，最后开始的最先完成，各个程序都是以不可预知的速度向前推进，即程序以异步方式运行。 异步性异步性1.6 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务 1.6.1 操作系统的基本特征之三操作系统的基本特征之三n 程序执行和终止；程序执行和终止；装入内存运行；完成/出错终止。 n I/O操作；操作；以I/O请求方式请求系统服务。 n 文件系统操作；文件系统操作

49、；利用系统接口三种形式对文件进行各种操作请求，达到按名存取和访问。 n 通信；通信；本机内通过内存提供进程间信息交换，计算机之间通过消息传递机制实现计算机网内通信。 n 差错检测；差错检测；差错大致分两类；一类为硬件故障，如内存等，另一类为软件异常，如除零溢出，访问地址越界等。 1.6 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务 1.6.2 操作系统的服务操作系统的服务从1983年微软宣布Windows诞生到现在的Windows XP、Windows Vista，已经走过了20多年的历史。 Windows的开发过程的开发过程 Windows的起源可以追溯到美国Xerox公司工作。该公司著名的研究

50、机构Palo Alto Research Center （PARC）于1981年宣布推出世界上第一个商用的GUI（Graphic User Interface，图形用户界面）系统，Star 8010 工作站。随后不久，Apple Computer 公司成功地推出了第一个商用的GUI系统 Apple Macintosh。 1.7 典型的现代操作系统典型的现代操作系统 1.7.1 Windows 图形界面的优势人人可见，这是未来的趋势；1981年，微软内部制定发展“界面管理者”计划。到1983年5月，微软决定把这一计划命名为Microsoft Windows。1983年11月，比尔盖茨宣布推出Wi

51、ndows，但是一直到1985年11月微软公司才正式发布Windows1.0 版。Windows 在微软公司历史上创造了投入开发人员最多、开发时间最长、延迟交货次数最多、销售成绩最佳的历史记录。 1990年5月，微软公司推出Windows 3.0。该版本的Windows 许多功能都比以前大有提高。从此，在许多独立软件开发商和硬件厂商的支持下，微软的Windows 在市场上逐渐开始取代 DOS 成为操作系统平台的主流软件。1.7 典型的现代操作系统典型的现代操作系统 1.7.1 Windows Windows的开发过程的开发过程 Windows NT系统系统 Windows NT开发，主要包括以下4个方面： n 可扩充性；可扩充性；随着时间推移，可对软件进行改动。n 可移植性；可移植性；系统只需做很小的再编码就可工作于不同的计算机平台不同的计算机平台。n 可靠性；可靠性；包括正确性和健壮性。主动保护自身及其用户，免遭用户程序偶然