计算机操作系统第1章 绪论

第1章绪论计算机系统由硬件和软件两部分组成。硬件：CPU、主存储器、辅存储器及各种各样的外部设备都是硬件。软件：完成一定任务的程序及其数据。包括系统软件及应用软件。系统软件有操作系统、编译系统、编辑系统、数据库管理系统等；应用软件是为各种应用目的而编制的程序。单道和多道程序设计

单道程序设计是指在计算机系统内任何时候最多只存放和运行一道程序，这样的系统叫单道系统，也叫单用户单任务系统。在这样的系统内，一道程序享用计算机系统的全部资源，不存在资源的分配和回收这样的管理问题，因此其操作系统功能较简单，主要是管理磁盘和文件，如早期的DOS(Disk-OperatingSystem)系统。多道程序设计是指在计算机系统内同时存放和运行多道程序，这样的系统叫多道系统。在多道系统内，多个程序共享系统的各种资源，于是就存在在多个程序之间分配和回收系统资源这样较复杂的管理问题，因此，其操作系统的功能也较为复杂。本课程讲述的操作系统原理是建立在多道程序设计的基础之上的。

单道和多道系统图示CPUOSOSCPU单道系统多道系统1.1什么是操作系统操作系统(OS:OperatingSystem)是计算机系统中最重要和最基本的系统软件，是其他软件的支撑软件。它管理计算机系统资源，并通过这种管理为用户提供公共的和基本的服务，从而成为用户与计算机之间的接口。这段话说了操作系统是什么，也说了操作系统干什么。

1，操作系统是系统软件，例如：UnixV7+:17650行；43个程序文件(6个汇编.s，37个“C”.c)；34个数据定义文件(.h)；314个函数；

2，管理系统资源，硬件和软件，管理的目的；3，提供用户需要的公共和基本的服务(P2)；看待操作系统的两种观点

资源管理观点：操作系统是计算机系统资源的管理者。从管理观点出发，可以把操作系统比喻成一个国家的政府机构；服务用户观点：操作系统是用户与计算机硬件之间的接口，为用户使用计算机提供公共的和基本的服务。从服务观点看，操作系统也可比喻成一个国家的政府机构。因此，可以用两种观点看待操作系统：操作系统与其它软件的关系操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对计算机硬件的第一次扩充，位于硬件与其他软件之间。其它软件的运行要得到它的支持和服务。应用程序编译程序编辑程序

……操作系统硬件用户操作系统是其他软件的基础和支撑1.2操作系统的分类当前，在各种机器上运行的操作系统多达几十种，其中最著名的是Windows、Linux、Unix、MVS和VMS等。总体上讲，各种操作系统可以分成以下三种类型:批处理操作系统；分时操作系统；实时操作系统；■1.2.1批处理操作系统

批处理系统(BatchSystem)，是从后备作业中一批一批地调度作业到主存运行的系统，支持这种运行方式的操作系统叫批处理操作系统，简称批处理系统。批处理系统的工作方式如下图所示。CPU主存储器....后备作业结果输出收容后备运行完成1.2.2分时操作系统分时系统是一台主机带多个终端(terminals)的系统，每个终端都有一个用户，以交互会话方式共用一台主机，因此也叫多用户多任务系统。支持这种系统的操作系统叫分时操作系统；分时操作系统的工作方式是以“时间片”为单位轮转地为每个在线用户服务，其追求的目标是使每个用户都感觉不到其他用户的存在，就好像他单独使用一台机器一样。分时系统的工作方式如下图所示。CPU主存用户以命令的方式请求主机的服务，主机以时间片轮转的方式为每个在线用户服务。终端1终端2终端3终端n分时操作系统的特征多路性：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使用计算机；交互性：用户通过终端采用人机会话的方式直接控制程序的运行，同程序和主机进行交互；独立性：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：用户请求能在很短时间内获得响应。1.2.3实时操作系统实时系统是能及时响应外部事件的请求，并在规定的时间内完成对该事件的处理的系统。实时系统一般都是专用系统，大体上又可以分为两种类型，即“过程控制系统”和“信息处理系统”。支持实时系统的操作系统叫实时操作系统，它追求的目标是“及时性”和“可靠性”。

上面我们介绍了操作系统的三种类型，事实上，操作系统也可以按其它标准分类，例如，可以分成单用户单任务系统，单用户多任务系统和多用户多任务系统等。1.3操作系统的结构1.3.1从整体上看，操作系统可分为两部分：内核（kernel）：实现操作系统最基本功能的程序模块的集合。包含中断、时钟管理及各种原语，进程管理、存储器管理、设备管理和文件管理等；外壳（shell）：运行于内核之上，完成操作系统外层功能的程序。如编辑程序、编译程序、诊断程序、命令解释程序等。内核外壳操作系统整体结构示意图■内核的结构

不同操作系统的内核有大有小，功能有强有弱。其内部结构，是一种类似“洋葱”的层次结构，但层次的多少和每层的功能不同的系统各有不同。本书P5-6给出了一种内核的结构，一共分12层(解释)。下面给出早期UnixOS内核的一种结构，作为一种参考和比较。7系统调用界面6高级进程管理5文件系统4设备管理3存储管理2低级进程调度1中断处理和P、V操作Unix内核结构示意图(解释确定上下层关系的原则)1.3.2.两种运行状态和两种系统界面1.3.2.1由于操作系统分内核和外壳两大部分，故任何计算机都有两种运行状态:

用户态：又称目态，是非操作系统内核程序执行时机器所处的状态。这种状态具有较低特权，只能执行规定的指令，访问指定的寄存器和存储区；核心态：又称管态、系统态，是操作系统内核程序运行时机器所处的状态。这种状态具有较高特权，能执行一切指令，访问所有寄存器和存储区。区别两种机器运行状态的目的是要赋予操作系统内核某种特权，以保护内核程序和系统硬件免遭破坏和正常运行。这里要特别指出两点：(1)，用户态程序和用户程序是两个不同的概念，用户程序是由用户编写的应用程序，而用户态程序是操作系统内核以外的所有程序，包括属于系统程序的编辑、编译和命令解释等程序都是在用户态下运行，因此都是用户态程序。用户程序肯定是用户态程序，但用户态程序不一定都是用户程序。(2)，如何给出机器的运行状态?以运行Unix的PDP-11机器为例，是在处理机状态(PS)寄存器内给出。............TNZVC7654321015141312机器现运行态机器先前运行态处理机优先级1.3.2.2两种系统界面(interface)还是由于操作系统分内核和外壳，操作系统向用户提供两种系统(使用)界面，即命令界面(也叫人-机界面)和程序界面(也叫状态界面)。命令界面通常由键盘命令组成，而程序界面由中断调用或系统调用指令组成。命令界面是面向普通用户的，而程序界面是面向用汇编或“C”语言写程序的程序员的。两种界面的示意图如下:内核外壳命令界面程序界面命令界面命令界面：即人-机界面，也叫命令接口，它又可分为两种类型：联机命令接口：键盘命令；脱机命令接口：作业控制语言(JCL)；键盘命令一般用在交互式系统，如我们用得最多的微机系统；JCL主要是用在大型批处理系统，如国防科技大学研制的”银河”(YH)系列；一般而言，一台机器有几十到几百条命令不等；图形界面：图形界面是命令界面的图形化。现在的人-机界面越来越形象，越来越友好，越来越人性化，用户使用计算机也越来越方便。程序界面如前所说，程序界面是操作系统内核与程序员之间的接口，它由中断调用(DOS，Windows)或系统调用(Unix，Linux)指令组成，这些指令可以在汇编语言或”C”语言里直接使用。它是操作系统内核显示在程序员面前的功能描述，是应用程序调用操作系统内核程序和功能的唯一途径，可看作是汇编或”C”语言的一个特殊的函数库。每一条系统调用指令调用操作系统内核的一个程序模块，以实现某种功能。在调用操作系统内核模块时，机器要从用户态进入系统态，故程序界面也叫状态界面。系统调用与子程序调用的区别是:系统调用要通过中断机构来实现并且有运行状态的改变，而子程序调用是通过内部转移来实现，没有运行状态的改变。

系统调用指令举例下面以UnixV6为例说明系统调用的具体清况。UnixV6共有42条系统调用指令，大致上分成以下三类:1，与进程管理和控制有关的共有14条，它们是:(1)进程的创建、睡眠和终止:fork,sleep,exit；

(2)进程间的同步:wait；

(3)进程间的相互控制:signal,kill,ptrace；

(4)进程优先数偏置值的设置:nice；

(5)进程各种标识数的设置和获得:

setgid,getgid,setuid,getuid,getpid；

(6)进程占用存储区的分配:break；2，与文件系统有关的共有21条，它们是:(1)文件的生成和撤消:creat,unlink；

(2)文件的打开与关闭:open,close；

(3)文件的读写:read,write,seek；

(4)文件的执行:exec；(5)文件的共享:link；接上屏

(6)文件状态查询:fstat,stat；

(7)改变文件或文件工作方式:chown,chmod；

(8)改变工作文件目录:chdir；

(9)构成目录文件或特殊文件项:mknod；

(10)装卸子文件系统:mount,umount；

(11)生成进程通信文件:pipe；

(12)复制和打开文件表目项:dup；

(13)更新文件系统资源管理信息块:sync；

(14)文件各部分执行频度统计:profil；3，其它这一类共有7条，它们是:(1)设置和获得终端状态:stty,gtty；

(2)设置和获得系统或进程时间:stime.time,times；

(3)读控制台开关:csw；

(4)间接系统调用:indir；在”C”语言程序中使用系统调用指令的举例main{

inti;while((i=fork())==-1);

if(i){

printf(“Itisparentprocess.\n”);}else{

printf(“Itischildprocess.\n”);}

printf(“Itisparentorchildprocess.\n”);}1.4操作系统的特征

1.4.1操作系统的基本特征操作系统有4个基本特征：并发(concurrence)；共享(sharing)；虚拟(virtual)；不确定性(nondeterministic)；1.并发(concurrence)并行(parallel)：是指两个或多个事件在同一时刻发生；并发(concurrence)：是指两个或多个事件在同一时间段内发生；在计算机内，在多道程序环境下，并发是指在一段时间内有多道程序宏观上在同时运行，但在微观上，如果系统只有一台处理机(CPU)，则这些程序是交替执行的，也就是说，在任一指定时刻，至多只有一道程序是处于真正的运行状态，而其它的程序只能说是处在”宏观上”的运行状态(实际是暂停状态)。例如，多个人读一本书，……；2.共享(sharing)共享是指系统中的资源可供多个并发执行的进程共同使用这样一种情况。资源共享有两种方式：互斥共享：一次只能由一个进程使用的资源叫互斥共享资源，就是说，在一个进程未使用完之前，不能分给另一个进程使用。如打印机；“同时”共享：一段时间内允许多个进程“同时”使用，这里的同时是宏观上的同时，例如磁盘就是这样一种设备，系统允许多个进程”同时”读盘，但在某一指定时刻，在磁盘驱动器只有一套读写线路的情况下，真正读写磁盘的进程至多只有一个。3，虚拟(Virtual)这里所说的虚拟的概念，指的是在单机系统内，通过操作系统的管理，要么把物理上的一个变成逻辑上的多个，例如虚拟处理机；要么把物理上的多个变成逻辑上的一个，例如虚拟存储器。虚拟事物的共同特点是，它们只是人或用户的一种错觉，并不是或者不完全是客观存在的东西。44，4，不确定性(nondeterministic)这里所说的不确定性，不是指操作系统的功能不确定，也不是指同一道程序的多次运行其运行结果不确定。这里所说的不确定指的是:(1)同一道程序在同一台机器上的多次运行所用的时间是不确定的；(2)同一批程序在同一台机器上的多次运行，其执行序列和完成的先后次序可能是各不相同的，例如，p1,p2,p3；……；系统外部表现出的这种不确定性是有其内在原因的。系统内部的各种活动是复杂的，例如，各种中断、各种故障、程序的I/O请求等，都是随机发生的，它们都有可能带来程序执行时间和顺序的不确定。1.4.2现代操作系统的某些新特征1.微内核

所谓微内核就是将操作系统的内核部分做得很小，只包含中断处理、设备驱动、地址变换等简单功能，而将操作系统的其它功能都放到外壳去实现。这样做的好处是，内核较稳定，占内存空间较小，外层的功能修改也较为方便。接上屏2.多线程：

一个进程内包含多个线程，从而支持更小粒度的程序的并发执行，支持多任务系统；3.对称多处理：

对称多处理系统(SMP:SymmetricMulti--Processing)由多个处理器(CPU)组成，这多个处理器共享内存和外部设备，所有的处理器可以执行相同的功能。支持这种系统的操作系统叫SMP操作系统；4.面向对象技术：

将程序设计语言中的面向对象技术用于操作系统的设计。1.5中断在操作系统中的地位中断(interrupts)机构是现代计算机系统重要的组成部分，它在操作系统中的地位在于:它是多道程序并发执行的推动力，也是操作系统本身运行的推动力--操作系统是由中断驱动的。操作系统的5种运行方式；（初始，进程，中断，系调，调调）程序(进程)间的切换由时钟中断驱动；系统调用通过中断机构处理；操作系统中的管理程序，如I/O程序(进程)，也是由中断驱动执行的；1.6网络操作系统支持各种网络功能及其工作模式的操作系统称之为网络操作系统，这些功能是:网络通信：建立及拆除通信链路、传输控制、差错控制、流量控制、路由选择；资源管理：管理网络中的共享资源，协调诸用户对共享资源的使用，保证数据的安全性和一致性；网络服务：向用户提供电子邮件、文件传输及存取、共享硬盘及打印服务；网络管理：即安全管理，通过存取控制确保存取数据安全，通过容错保证故障时的数据安全，监视网络性能，进行网络维护等；互操作能力：网络客户机能访问服务器文件，或网络间的客户机之间能相互通信。网络工作模式客户/服务器模式(C/S)：网络中有两类站点，服务器是网络的中心站点，它向客户提供各种服务；客户在本地站点运行和访问服务器；对等模式(P-to-P)：网络中的各站点对等，它既可作为客户去访问其他站点，也可作为服务器向其他站点提供服务，网络服务和控制功能分布于各个站点。网络操作系统是在单机操作系统的基础上增加网络功能而成，其中最有代表的三种网络操作系统系列是:1，Novell公司的Netware系列；

2，Microsoft公司的WindowsNTServer系列；

3，IBM公司的LANServer系列；1.7分布式操作系统分布式系统是由多台独立的计算机经网络互连而成的可以合作运行同一程序的局域网系统。支持这种工作模式的操作系统称之为分布式操作系统，它具有的新功能是:

1，任务的派生和分配；

2，任务的调度和迁移；

3，系统的负载平衡；

4，机间通讯的控制。

分布式操作系统也是在单机操作系统的基础上增加分布式功能而成，到目前为止，尚未见到专用于分布式系统的操作系统。

1.8操作系统的启动和工作过程开机，执行硬件自测程序将系统盘上的引导块程序读入内存执行引导块程序，将操作系统常驻内存部分加载进内存执行操作系统初始化程序，对操作系统本身进行初始化启动完成，等待用户的操作本章作业P19:

1，3，5，8，9，12，19；UNIX系统概述（P242）UNIX操作系统诞生于1969年，至今已有30多年的历史。它已从一个非常简单的操作系统发展成为性能先进、功能强大、使用广泛的操作系统，并成为事实上的多用户、多任务操作系统标准。UNIX系统发展史（1）1969年底，美国AT&T公司下属贝尔实验室的DennisRitchie和KenThompson在PDP-7机器上实现了UNIX系统。最初的UNIX版本是用汇编语言编写的1973年，Ritchie又用C语言对UNIX进行了重写。1975年正式公开发表了UNIX