計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理

1、第第1章章 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)概述1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)1.2 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.3 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.5 支持操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境支持操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境1.6 操作系統(tǒng)的特征和服務(wù)操作系統(tǒng)的特征和服務(wù)1.7 典型的現(xiàn)代操作系統(tǒng)典型的現(xiàn)代操作系統(tǒng) 正如計(jì)算機(jī)科學(xué)中許多其它的技術(shù)名詞都沒(méi)有統(tǒng)一的定義一樣，操作系統(tǒng)也沒(méi)有唯一的一種定義與解釋。如何看待一個(gè)操作系統(tǒng)，人們從不同的角度出發(fā)有不同的觀點(diǎn)，通常有下面三種觀點(diǎn)： 虛擬機(jī)的觀點(diǎn)虛擬機(jī)的觀點(diǎn)操作系統(tǒng)作為擴(kuò)展機(jī)器操作系統(tǒng)作為擴(kuò)展機(jī)器如果僅僅是裸機(jī)（圖1

2、.1底層陰影部分），則僅有機(jī)器語(yǔ)言可供用戶利用，關(guān)于內(nèi)存、文件、外設(shè)等的操作是相當(dāng)麻煩和晦澀的。1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng) 機(jī)器指令系統(tǒng)機(jī)器指令系統(tǒng) CPU 內(nèi)存、內(nèi)存、I/O接口接口裸機(jī) 命令解釋程序、語(yǔ)言編譯程序、匯編程序命令解釋程序、語(yǔ)言編譯程序、匯編程序 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件等數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件等財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)、航空定票系統(tǒng)、CAD系統(tǒng)、稅務(wù)系統(tǒng)、銀行帳務(wù)系統(tǒng)、鐵路定票系統(tǒng)、保險(xiǎn)系統(tǒng)、人事管理系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件核心核心應(yīng)用軟件用戶1用戶2用戶n圖圖1.1 1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次，每一層的擴(kuò)充都為向上虛擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次，每一層的擴(kuò)充都為向上虛擬能力擴(kuò)展能力擴(kuò)展操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)1.1

3、 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng) 資源管理的觀點(diǎn)資源管理的觀點(diǎn)OS作為系統(tǒng)資源管理者作為系統(tǒng)資源管理者四大類四大類：處理機(jī)、存儲(chǔ)器、外設(shè)及信息處理機(jī)、存儲(chǔ)器、外設(shè)及信息（程序和數(shù)據(jù)等） 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 操作系操作系統(tǒng)軟件統(tǒng)軟件用戶程序用戶程序和數(shù)據(jù)集和數(shù)據(jù)集 處理器處理器I/O控制器控制器I/O控制器控制器I/O控制器控制器外部設(shè)備外部設(shè)備圖1.2 操作系統(tǒng)作為資源管理器打印機(jī)、鍵盤(pán)等操作系統(tǒng)程序數(shù)據(jù).存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)資源管理的目的在于資源管理的目的在于：為用戶提供一種簡(jiǎn)單、有效使用資源的方法，充分發(fā)揮各種資源利用率，為此，對(duì)每種資源管理，要

4、研究如下幾方面的內(nèi)容： _n 記錄資源使用狀態(tài)；使用或未使用，誰(shuí)使用等n 資源分配原則；確定如何分配(策略)，何時(shí)分配n 執(zhí)行分配；根據(jù)分配的策略進(jìn)行資源分配。n 資源回收；在某些用戶，或程序不再需要資源時(shí)， 系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)回收(修改記錄)，以便進(jìn)行再分配。1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng) 人機(jī)交互的觀點(diǎn)人機(jī)交互的觀點(diǎn)OS作為機(jī)器與用戶之間的接口作為機(jī)器與用戶之間的接口 最初的計(jì)算機(jī)在沒(méi)有操作系統(tǒng)的情況下，在使用計(jì)算機(jī)時(shí)用戶需要進(jìn)行大量的手工操作。例如，選擇何種輸入設(shè)備進(jìn)行輸入，在什么地址上啟動(dòng)相應(yīng)的編譯程序進(jìn)行編譯，編譯的結(jié)果（目的代碼）再重新在指定的輸入設(shè)備上進(jìn)行輸入，指定具體的啟動(dòng)地址啟

5、動(dòng)運(yùn)行等。 在有了操作系統(tǒng)之后，原來(lái)由人工所進(jìn)行的許許多多煩瑣而費(fèi)時(shí)的操作就由操作系統(tǒng)來(lái)代替完成?，F(xiàn)在的操作系統(tǒng)都配備了豐富的命令、鼠標(biāo)方式以及各種圖標(biāo)方便用戶與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互和操作，因此，也可以說(shuō)現(xiàn)在的操作系統(tǒng)是人機(jī)交互的界面與接口，用戶與計(jì)算機(jī)進(jìn)行的一切活動(dòng)都是要經(jīng)過(guò)操作系統(tǒng)。幾種典型計(jì)算機(jī)幾種典型計(jì)算機(jī)1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)不嚴(yán)格的定義；不嚴(yán)格的定義；是加載在硬件之上，支持其它軟件，是加載在硬件之上，支持其它軟件，并控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各種硬件和軟件資源，有并控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各種硬件和軟件資源，有效地組織各程序運(yùn)行的系統(tǒng)軟件，或程序集合效地組織各程序運(yùn)行的系統(tǒng)軟件，

6、或程序集合。以下幾點(diǎn)有助于我們理解操作系統(tǒng)的定義。以下幾點(diǎn)有助于我們理解操作系統(tǒng)的定義。 系統(tǒng)軟件；是第1次加載在硬件上的一組計(jì)算機(jī)程序(程序意圖不同程序意圖不同)。 控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各種資源，控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各種資源，有效有效地組織作業(yè)或程序在地組織作業(yè)或程序在 CPU上運(yùn)行。上運(yùn)行。 提供服務(wù)，方便用戶使用，擴(kuò)充硬件功能。提供服務(wù)，方便用戶使用，擴(kuò)充硬件功能。1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)1.2.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)操作系統(tǒng)的目標(biāo) 方便性；方便性；通過(guò)命令，或鼠標(biāo)等便可完成所希望的要求(包括網(wǎng)上信息查詢)。 有效性；有效性；如實(shí)現(xiàn)CPU、I/O設(shè)備的并行操作、對(duì)內(nèi)外存中存放

7、的信息進(jìn)行統(tǒng)一管理避免無(wú)避免無(wú)序和空間的浪費(fèi)序和空間的浪費(fèi)。 可擴(kuò)展性；可擴(kuò)展性；允許在不妨礙服務(wù)前提下，開(kāi)發(fā)、測(cè)試和引進(jìn)新的系統(tǒng)功能。如高性能芯片出現(xiàn)控制寄存器硬件機(jī)制后，操作系統(tǒng)經(jīng)過(guò)擴(kuò)展就實(shí)現(xiàn)了頁(yè)式存儲(chǔ)分配機(jī)制等。1.2 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.2 操作系統(tǒng)的功能（之一）操作系統(tǒng)的功能（之一） 存儲(chǔ)器管理功能存儲(chǔ)器管理功能 n 內(nèi)存分配；內(nèi)存分配；記錄整個(gè)內(nèi)存，按照某種策略實(shí)施分配，或回收釋放的內(nèi)存空間。n 地址映射；地址映射；硬件支持下解決地址映射，即邏輯到物理地址轉(zhuǎn)換邏輯到物理地址轉(zhuǎn)換。 n 內(nèi)存保護(hù)；內(nèi)存保護(hù)；保證各程序空間不受“進(jìn)犯” 。n 內(nèi)存擴(kuò)充；內(nèi)存擴(kuò)

8、充；通過(guò)虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)通過(guò)虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)虛擬成比實(shí)際內(nèi)存大的多的空間來(lái)滿足實(shí)際運(yùn)行的需要。 1.2 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能 處理機(jī)管理功能處理機(jī)管理功能 n 作業(yè)和進(jìn)程調(diào)度；作業(yè)和進(jìn)程調(diào)度；后備隊(duì)列上（外存空間）的調(diào)度，作業(yè)調(diào)度作業(yè)調(diào)度(并不是所有類型機(jī)器都具有) 。CPU調(diào)度，進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程調(diào)度。n 進(jìn)程通信；由于進(jìn)程通信；由于多個(gè)程序(進(jìn)程)彼此間會(huì)發(fā)生相互制約關(guān)系，需要設(shè)置進(jìn)程同步機(jī)制。進(jìn)程之間往往需要交換信息，為此系統(tǒng)要提供通信機(jī)制。1.2 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.2 操作系統(tǒng)的功能（之二）操作系統(tǒng)的功能（之二） 設(shè)備管理功能設(shè)備管理功能 n 緩

9、沖區(qū)管理；緩沖區(qū)管理；管理各類I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，解決解決CPU和外設(shè)速度不匹配的矛盾和外設(shè)速度不匹配的矛盾。 n 設(shè)備無(wú)關(guān)性；設(shè)備無(wú)關(guān)性；應(yīng)用程序獨(dú)立于實(shí)際的物理設(shè)備，由操作系統(tǒng)將邏輯設(shè)備映射到物理設(shè)備邏輯設(shè)備映射到物理設(shè)備。n 設(shè)備分配；設(shè)備分配；根據(jù)I/O請(qǐng)求和相應(yīng)分配策略分配外部設(shè)備以及通道、控制器等。 n 設(shè)備驅(qū)動(dòng)；設(shè)備驅(qū)動(dòng)；實(shí)現(xiàn)用戶提出的I/O操作請(qǐng)求，完成數(shù)據(jù)的輸入輸出。這個(gè)過(guò)程是系統(tǒng)建立和維持的這個(gè)過(guò)程是系統(tǒng)建立和維持的。 1.2 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.2 操作系統(tǒng)的功能（之三）操作系統(tǒng)的功能（之三） 文件管理功能文件管理功能 n 文件存儲(chǔ)空間的管

10、理；文件存儲(chǔ)空間的管理；包括：記錄空閑空間、為新文件分配必要的外存空間，回收釋放的文件空間，提高外存的利用率等。n 目錄管理；目錄管理；目錄文件的組織、及實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)文件的“按名存取”、目錄的快速查詢和文件共享等。 n文件的讀寫(xiě)管理和存取控制；文件的讀寫(xiě)管理和存取控制；根據(jù)用戶請(qǐng)求，讀取或?qū)懭胪獯?。并防止未授?quán)用戶的存取或破壞，對(duì)各文件（包括目錄文件）進(jìn)行存取控制。 1.2 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.2 操作系統(tǒng)的功能（之四）操作系統(tǒng)的功能（之四） 用戶接口用戶接口 n 命令界面；命令界面；系統(tǒng)提供一套命令，每個(gè)命令都由系統(tǒng)的命令解釋程序所接收、分析，然后調(diào)用相應(yīng)模塊完成命

11、令所需求功能。 n 圖形界面；圖形界面；考慮用戶使用計(jì)算機(jī)的方便性，現(xiàn)代操作系統(tǒng)都提供了圖形用戶界面。它也是一種交互形式，只不過(guò)將命令形式改成了圖形提示和鼠標(biāo)點(diǎn)擊。 n 程序界面；程序界面；也稱系統(tǒng)調(diào)用界面，是程序級(jí)上程序級(jí)上用戶與操作系統(tǒng)打交道的方式。1.2 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.2 操作系統(tǒng)的功能（之五）操作系統(tǒng)的功能（之五）1.3.1 操作系統(tǒng)的形成操作系統(tǒng)的形成 手工操作階段（串行工作，手工操作階段（串行工作，2020世紀(jì)世紀(jì)4040年代）年代） 用戶直接與計(jì)算機(jī)硬件打交道用戶直接與計(jì)算機(jī)硬件打交道。機(jī)器運(yùn)行靠控制臺(tái)（面板），包括顯示燈、觸發(fā)器、某類型輸入設(shè)備

12、。其缺點(diǎn)：其缺點(diǎn)： n 一旦有某用戶開(kāi)始操作，計(jì)算機(jī)的全部資源都為該用戶獨(dú)占，直到下機(jī)將資源轉(zhuǎn)給下個(gè)用戶為止。 n 操作是聯(lián)機(jī)的操作是聯(lián)機(jī)的，輸入輸出也是聯(lián)機(jī)的（由CPU完成），因此程序運(yùn)行時(shí)間拉的很長(zhǎng)（手工操作手工操作），即在程序運(yùn)行之前需要花費(fèi)大量的準(zhǔn)備時(shí)間。1.3 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程 批處理階段（批處理階段（20世紀(jì)世紀(jì)50年代末）年代末） 從一個(gè)作業(yè)到另一個(gè)作業(yè)的過(guò)度擺脫人工干預(yù)，使其自動(dòng)化，這就出現(xiàn)了批處理（這是系統(tǒng)追求資這是系統(tǒng)追求資源利用率源利用率），而批處理也經(jīng)歷了兩個(gè)階段： n 早期的聯(lián)機(jī)批處理；早期的聯(lián)機(jī)批處理；操作員將若干個(gè)作業(yè)合成一批，依次放在卡片讀入

13、機(jī)上，監(jiān)督程序監(jiān)督程序負(fù)責(zé)輸入到磁帶上，然后監(jiān)督程序監(jiān)督程序再開(kāi)始自動(dòng)地處理各個(gè)作業(yè)（包括讀入內(nèi)存、匯編或編譯、連接裝配），并啟動(dòng)程序運(yùn)行。 n 脫機(jī)批處理：脫機(jī)批處理：在主機(jī)之外另設(shè)一臺(tái)功能較為簡(jiǎn)單的小型衛(wèi)星機(jī)，如圖1.3所示。1.3 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.3.1 操作系統(tǒng)的形成操作系統(tǒng)的形成卡片輸入機(jī)卡片輸入機(jī)打印機(jī)打印機(jī)衛(wèi)星機(jī)衛(wèi)星機(jī)輸入帶輸入帶輸出帶輸出帶執(zhí)行帶執(zhí)行帶系統(tǒng)帶系統(tǒng)帶日志日志調(diào)入調(diào)入作業(yè)作業(yè)輸出結(jié)果輸出結(jié)果圖圖1.3 1.3 脫機(jī)成批處理脫機(jī)成批處理主機(jī)主機(jī)批處理系統(tǒng)是形成后來(lái)操作系統(tǒng)的雛形。它的產(chǎn)生批處理系統(tǒng)是形成后來(lái)操作系統(tǒng)的雛形。它的產(chǎn)生促進(jìn)了其它軟件

14、的發(fā)展，其主要有以下幾個(gè)方面：促進(jìn)了其它軟件的發(fā)展，其主要有以下幾個(gè)方面：結(jié)束結(jié)束 批處理階段批處理階段 輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)程序和程序庫(kù)；輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)程序和程序庫(kù)；手工操作階段，所有輸入輸手工操作階段，所有輸入輸出指令都是程序員直接寫(xiě)在程序中的出指令都是程序員直接寫(xiě)在程序中的。采用脫機(jī)輸入輸出后，系統(tǒng)就必須提供一套標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出程序供用戶調(diào)用，這樣導(dǎo)致了程序庫(kù)建立（包括匯編程序、編譯程序、裝配程序等）。庫(kù)程序放在磁帶上，只有監(jiān)督程序放在內(nèi)存。 運(yùn)行日志和記帳；負(fù)責(zé)記錄運(yùn)行日志和記帳；負(fù)責(zé)記錄系統(tǒng)資源的使用日志。 覆蓋技術(shù)；覆蓋技術(shù)；將程序和數(shù)據(jù)分成若干塊，其中某些塊放在輔存上，運(yùn)行時(shí)調(diào)入內(nèi)存覆蓋已執(zhí)行

15、完程序，或數(shù)據(jù)。 批處理階段（批處理階段（20世紀(jì)世紀(jì)50年代末）年代末）1.3 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.3.1 操作系統(tǒng)的形成操作系統(tǒng)的形成u 批處理系統(tǒng)的問(wèn)題：批處理系統(tǒng)的問(wèn)題：雖然成批處理系統(tǒng)縮短了手工操作的時(shí)間，促進(jìn)了軟件的發(fā)展，但仍存在不少缺點(diǎn)：n 監(jiān)督程序、系統(tǒng)程序和用戶程序之間是通過(guò)相監(jiān)督程序、系統(tǒng)程序和用戶程序之間是通過(guò)相互調(diào)用的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移的互調(diào)用的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移的。因此，若執(zhí)行了一條非法指令，則整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)停頓下來(lái)；若陷入死循環(huán)，則整個(gè)系統(tǒng)也無(wú)法向前推進(jìn)。n 無(wú)法防止用戶程序會(huì)沖掉一部分監(jiān)督程序，因而可能使整個(gè)系統(tǒng)混亂。進(jìn)入執(zhí)行系統(tǒng)階段進(jìn)入執(zhí)行系統(tǒng)階段1.

16、3 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.3.1 操作系統(tǒng)的形成操作系統(tǒng)的形成 執(zhí)行系統(tǒng)階段（執(zhí)行系統(tǒng)階段（20世紀(jì)世紀(jì)60年代初期）年代初期） 這個(gè)時(shí)期硬件獲得了兩個(gè)重要進(jìn)展，一是通道，二是一是通道，二是中斷中斷。對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)體系來(lái)說(shuō)都是極為重要的。有了中斷和通道就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)方面的功能：n 主機(jī)與輸入輸出的并行操作n 系統(tǒng)輸入輸出控制程序和中斷處理程序永駐內(nèi)存成為執(zhí)行程序（或監(jiān)督程序、控制程序）。通過(guò)時(shí)鐘記時(shí)中斷防止程序死循環(huán)；非法操作也會(huì)產(chǎn)生中斷通知系統(tǒng)。圖1.4給出了此時(shí)內(nèi)存空間用戶程序用戶程序控制語(yǔ)言和命令解釋器控制語(yǔ)言和命令解釋器作業(yè)序列號(hào)作業(yè)序列號(hào)輸入輸出控制程序輸入輸出控制程序

17、中斷處理程序中斷處理程序用戶程序用戶程序區(qū)域區(qū)域執(zhí)行執(zhí)行/監(jiān)控監(jiān)控程序程序圖圖1.4 1.4 常駐監(jiān)控程序內(nèi)容常駐監(jiān)控程序內(nèi)容1.3 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.3.1 操作系統(tǒng)的形成操作系統(tǒng)的形成執(zhí)行系統(tǒng)也推動(dòng)軟件發(fā)展，主要有兩個(gè)方面執(zhí)行系統(tǒng)也推動(dòng)軟件發(fā)展，主要有兩個(gè)方面：n 系統(tǒng)程序模塊化：為保障系統(tǒng)系統(tǒng)程序模塊化：為保障系統(tǒng)修改方便，需要 將整個(gè)系統(tǒng)模塊化。n 命令語(yǔ)言的出現(xiàn)：命令語(yǔ)言的出現(xiàn)：執(zhí)行系統(tǒng)的出現(xiàn)促進(jìn)了作業(yè)控制語(yǔ)言的發(fā)展，但那時(shí)主要采用的是卡片式。執(zhí)行系統(tǒng)仍然存在若干缺陷，最主要的，此時(shí)仍是執(zhí)行系統(tǒng)仍然存在若干缺陷，最主要的，此時(shí)仍是單道系統(tǒng)單道系統(tǒng)，并不能很好地消

18、除處理機(jī)對(duì)外部設(shè)備傳，并不能很好地消除處理機(jī)對(duì)外部設(shè)備傳輸?shù)却ㄈ缬脩舻妮敵隽亢艽螅?。輸?shù)却ㄈ缬脩舻妮敵隽亢艽螅榭朔@樣問(wèn)題，就促進(jìn)了多道批處理系統(tǒng)及后續(xù)系統(tǒng)的產(chǎn)生。1.3 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.3.1 操作系統(tǒng)的形成操作系統(tǒng)的形成手工操作階段手工操作階段:用戶上機(jī)完全手工操作, 用戶干預(yù)整個(gè)過(guò)程批處理階段批處理階段:實(shí)現(xiàn)用戶之間轉(zhuǎn)接自動(dòng)化, 無(wú)需用戶干預(yù)執(zhí)行系統(tǒng)階段執(zhí)行系統(tǒng)階段:由于中斷和通道的產(chǎn)生, 使得監(jiān)督有了控制能力, 有了管理者.1.3 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.3.1 操作系統(tǒng)的形成操作系統(tǒng)的形成 以上3個(gè)階段可以看成是操作系統(tǒng)的產(chǎn)生過(guò)程，由多

19、道批處理和多道程序設(shè)計(jì)概念的發(fā)展開(kāi)始了操作系統(tǒng)趨于完善的又一發(fā)展歷程。 多道批處理系統(tǒng)最大的問(wèn)題就是不支持交互，為了克服這一弱點(diǎn)，又很快就產(chǎn)生了分時(shí)系統(tǒng)等不同類型的操作系統(tǒng)。多道和分多道和分時(shí)的出現(xiàn)標(biāo)志著較為完善的操作系統(tǒng)形成。時(shí)的出現(xiàn)標(biāo)志著較為完善的操作系統(tǒng)形成。1.3 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.3.2 操作系統(tǒng)的完善操作系統(tǒng)的完善 多道批處理操作系統(tǒng)的工作原理多道批處理操作系統(tǒng)的工作原理 體現(xiàn)兩個(gè)特征，一是“多道多道”，二是“成批成批”。如圖1.5 圖1.5 多道批處理系統(tǒng)工作原理作業(yè)作業(yè)卡片機(jī)卡片機(jī)作業(yè)1作業(yè)2作業(yè)nOS磁盤(pán)磁盤(pán)（輸入井）（輸入井）磁盤(pán)磁盤(pán)（輸出井）（輸出井

20、）內(nèi)存后備后備作業(yè)作業(yè)完成完成作業(yè)作業(yè)打印機(jī)打印機(jī)處理器處理器作業(yè)作業(yè)卡片機(jī)卡片機(jī)內(nèi)存作業(yè)1作業(yè)2作業(yè)nOS后備后備作業(yè)作業(yè)完成完成作業(yè)作業(yè)打印機(jī)打印機(jī)處理器處理器結(jié)束結(jié)束1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.1多道批處理多道批處理操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)圖1.5 中輸入井和輸出井輸入井和輸出井分別為磁盤(pán)或磁鼓上的兩個(gè)區(qū)域，是系統(tǒng)特別劃分出來(lái)用于輸入輸出的區(qū)域。設(shè)置輸入井和輸出井的目的有兩個(gè)：n 協(xié)調(diào)輸入?yún)f(xié)調(diào)輸入/輸出設(shè)備速度與處理機(jī)速度的差異。輸出設(shè)備速度與處理機(jī)速度的差異。n 為作業(yè)調(diào)度提供條件。為作業(yè)調(diào)度提供條件。多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是： 系統(tǒng)資源利用率比較高。系統(tǒng)

21、資源利用率比較高。 吞吐率高。吞吐率高。圖1.6 給出了單道與多道程序運(yùn)行示意圖。1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.1多道批處理多道批處理操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)（a）單道情形：）單道情形：打印請(qǐng)求打印請(qǐng)求打印請(qǐng)求打印請(qǐng)求圖圖1.6 1.6 單道與單道與多道程序運(yùn)行情況多道程序運(yùn)行情況（b）多道情形：）多道情形：程序A監(jiān)督程序I/O設(shè)備繪圖儀請(qǐng)求繪圖儀請(qǐng)求t1t2t3t4t5t6t7t8CPU打印機(jī)繪圖儀程序B打印完成打印完成繪圖完成繪圖完成CPU空閑空閑t9t10仍有空閑仍有空閑A/B運(yùn)行運(yùn)行?結(jié)束結(jié)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 用戶程序用戶程序監(jiān)督程序監(jiān)督程序I/O操作操作I/O中斷中斷請(qǐng)求請(qǐng)求 啟動(dòng)啟動(dòng)I/OI/O完成中斷完成中斷I/O中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求啟動(dòng)啟動(dòng)I/Ot1I/O中斷中斷處理結(jié)束處理結(jié)束t2t3t4t5t6t7t8CPU CPU空閑空閑 空閑空閑多道批處理系統(tǒng)的缺點(diǎn)也是明顯的：多道批處理系統(tǒng)的缺點(diǎn)也是明顯的：n 沒(méi)有交互能力，用戶無(wú)法干預(yù)自己作業(yè)的運(yùn)行， 使用起來(lái)不方便。n 用戶作業(yè)可能需要等待很長(zhǎng)時(shí)間才能得到運(yùn)行。l 多道批處理操作系統(tǒng)下需要解決的問(wèn)題：多道批處理操作系統(tǒng)下需要解決的問(wèn)題：多道批處理系統(tǒng)是一種有效但又十分復(fù)雜的系統(tǒng)，為使系統(tǒng)中的多道程序間能協(xié)調(diào)地運(yùn)行，必須解決在1.2.2節(jié)所

23、述的操作系統(tǒng)主要功能：這些概念將在后續(xù)章節(jié)中分別加以詳細(xì)討論。這些概念將在后續(xù)章節(jié)中分別加以詳細(xì)討論。1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.1多道批處理多道批處理操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)（Time Sharing Operating System），簡(jiǎn)稱分時(shí)系統(tǒng)，就是支持多道程序，以聯(lián)機(jī)操作為標(biāo)支持多道程序，以聯(lián)機(jī)操作為標(biāo)志的操作系統(tǒng)。志的操作系統(tǒng)。 分時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)生分時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)生用戶對(duì)系統(tǒng)功能需求不斷增長(zhǎng)，主要以下3個(gè)方面：n 人人機(jī)交互；機(jī)交互；程序調(diào)試、修改可直接對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。n 共享主機(jī)；共享主機(jī)；多個(gè)用戶都希望以“獨(dú)占”方式共享一臺(tái)計(jì)算機(jī)。 n 方便上機(jī)；方便上機(jī)；用戶希

24、望有一個(gè)終端設(shè)備直接將作業(yè)傳遞給計(jì)算中心主機(jī)，并能直接對(duì)其作業(yè)控制。 為滿足以上要求，便產(chǎn)生了分時(shí)多終端系統(tǒng)，如圖為滿足以上要求，便產(chǎn)生了分時(shí)多終端系統(tǒng)，如圖 1.61.61.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.2 分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)終端終端終端圖圖1.7 1.7 分時(shí)系統(tǒng)示意圖分時(shí)系統(tǒng)示意圖響應(yīng)時(shí)間 1 2 3 n時(shí)間片計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件終端分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)終端終端終端響應(yīng)時(shí)間 1 2 3 n時(shí)間片計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件終端終端終端終端終端終端終端終端終端終端終端結(jié)束結(jié)束1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.2 分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)n 提供

25、一組交互終端命令提供一組交互終端命令n 將系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間劃分很小的片段將系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間劃分很小的片段時(shí)間片時(shí)間片q=M/n：以q為單位輪流為每個(gè)終端服務(wù)(M=響應(yīng)周期，n=終端個(gè)數(shù))。 n 能及時(shí)接收用戶的命令；能及時(shí)接收用戶的命令；有兩個(gè)配置；多路轉(zhuǎn)接多路轉(zhuǎn)接器器（或多路卡）和每個(gè)終端配置一個(gè)緩沖區(qū)（緩沖區(qū)（暫存鍵入的命令） n 及時(shí)處理用戶鍵入的命令及時(shí)處理用戶鍵入的命令 （終端）分時(shí)系統(tǒng)需解決的終端）分時(shí)系統(tǒng)需解決的4個(gè)問(wèn)題個(gè)問(wèn)題 :1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.2 分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)也存在過(guò)不同形式，如單道分時(shí)系統(tǒng)、前/后臺(tái)分時(shí)系統(tǒng)、以及正在討論的多道分時(shí)系統(tǒng)。

26、 分時(shí)系統(tǒng)的分時(shí)系統(tǒng)的4個(gè)主要特征個(gè)主要特征 ：n 多路性多路性/同時(shí)性；同時(shí)性；宏觀上同時(shí)有多個(gè)用戶在運(yùn)行。n 交互性；交互性；在終端上編輯、運(yùn)行程序，或其它操作。 n 獨(dú)占性；獨(dú)占性；每個(gè)用戶一個(gè)終端，獨(dú)立操作，互不干擾n 及時(shí)性；及時(shí)性；在很短時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)，小于23秒。 1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.2 分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System）能對(duì)隨機(jī)發(fā)生的外部事件做出及時(shí)響應(yīng)和處理。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的引入 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，從傳統(tǒng)科學(xué)計(jì)算擴(kuò)展到商業(yè)數(shù)據(jù)處理、生產(chǎn)過(guò)程控制、飛機(jī)導(dǎo)航、情報(bào)檢索等。這

27、樣就出現(xiàn)了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這種系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)。 實(shí)時(shí)系實(shí)時(shí)系統(tǒng)按其應(yīng)用分為實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)信息處理兩大類：統(tǒng)按其應(yīng)用分為實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)信息處理兩大類：n 實(shí)時(shí)控制；實(shí)時(shí)控制；如生產(chǎn)過(guò)程控制、飛機(jī)導(dǎo)航、導(dǎo)彈和衛(wèi)星發(fā)射、鐵路交通控制等都屬于這一類。n 實(shí)時(shí)信息處理；實(shí)時(shí)信息處理；情報(bào)檢索等就屬于這一類。 1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)任務(wù)的類型實(shí)時(shí)任務(wù)的類型 ：可以從不同的角度對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)加以分類： n 按任務(wù)執(zhí)行時(shí)是否呈現(xiàn)周期性劃分按任務(wù)執(zhí)行時(shí)是否呈現(xiàn)周期性劃分： 周期性實(shí)時(shí)任務(wù)；按指定周期循環(huán)執(zhí)行控制某外部事件。如控制工業(yè)生產(chǎn)流水線、飛機(jī)導(dǎo)航等。

28、非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)；任務(wù)執(zhí)行無(wú)明顯周期性，但都聯(lián)系一個(gè)截止時(shí)間（deadline）；它又分為：u 開(kāi)始截止時(shí)間；開(kāi)始截止時(shí)間；任務(wù)在某時(shí)間之前必須開(kāi)始執(zhí)行。u 完成截止時(shí)間；完成截止時(shí)間；任務(wù)在某時(shí)間之前必須完成。1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)n 根據(jù)對(duì)截止時(shí)間的要求來(lái)劃分根據(jù)對(duì)截止時(shí)間的要求來(lái)劃分： 硬實(shí)時(shí)要求；系統(tǒng)必須滿足任務(wù)對(duì)截止時(shí)間的要求，否則后果難以預(yù)測(cè)。 軟實(shí)時(shí)要求；也聯(lián)系一個(gè)截止時(shí)間，但并非嚴(yán)格，錯(cuò)過(guò)截止時(shí)間，后果不嚴(yán)重。 1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)的差別：實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)

29、的差別：與分時(shí)比較，有些特性相似，但某些方面差別很大。 n 實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常屬于專用系統(tǒng)專用系統(tǒng)，分時(shí)系統(tǒng)一般為通用系統(tǒng)通用系統(tǒng)。n 交互性不同；交互性不同；分時(shí)有較強(qiáng)交互作用，實(shí)時(shí)相對(duì)要差的多，提供的交互命令較簡(jiǎn)單，也不存在分時(shí)系統(tǒng)的資源共享。n 對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求不同；對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求不同；對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，聯(lián)系截止時(shí)間，對(duì)象是所控制的外部設(shè)備，而不是一般終端用戶。n 可靠性不同；可靠性不同；實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求可靠性更高，通常進(jìn)行硬件/軟件冗余。 1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通用操作系統(tǒng)（Multi-Purpose Operating System）是在實(shí)

30、時(shí)系統(tǒng)之后，為使系統(tǒng)應(yīng)用范圍更廣泛，處理能力更強(qiáng)，有些系統(tǒng)兼有實(shí)時(shí)、分時(shí)和批處理的兩種，或三種處理能力，從而形成通用操作系統(tǒng)。 當(dāng)代同時(shí)具備兩種以上功能的系統(tǒng)有很多，例如，UNIX操作系統(tǒng)：SUN公司的Solaris；Microsoft公司的Windows系列。Linux操作系統(tǒng)：Redhat，紅旗Linux等。1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.4 通用操作系統(tǒng)通用操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（Network Operating System）是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信與網(wǎng)絡(luò)資源管理的操作系統(tǒng)。將分布各地的計(jì)算機(jī)/終端設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)聯(lián)結(jié)在一起，構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，形成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)網(wǎng)

31、絡(luò)操作系統(tǒng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施管理，并為用戶提供統(tǒng)一的，方便的網(wǎng)絡(luò)接口。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)一般建立在各主機(jī)的本地操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)一般建立在各主機(jī)的本地操作系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)中各計(jì)算機(jī)配有獨(dú)立操作系統(tǒng)）基礎(chǔ)之上，（網(wǎng)絡(luò)中各計(jì)算機(jī)配有獨(dú)立操作系統(tǒng)）基礎(chǔ)之上，其功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)操作、資源共享和保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)服其功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)操作、資源共享和保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)接口等務(wù)和網(wǎng)絡(luò)接口等。1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.5 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)（Distributed Operating System）分為兩類：n 一類是建立在緊耦合（Tightly Coupled）分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的，每個(gè)處理單

32、元為處理器和局部存儲(chǔ)器。n 另一類是建立在松散耦合（loosely Coupled）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上的。1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.6 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng) 分布式系統(tǒng)分布式系統(tǒng) 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接而成的統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從這一點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一樣的，但分布式系統(tǒng)除了通信之外，仍具有與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不同的5個(gè)方面的特征： n 分布式處理；分布式處理；資源、功能、任務(wù)及控制都分散在各個(gè)處理機(jī)上，這是網(wǎng)絡(luò)所沒(méi)有的一個(gè)很重要的特征，這要求連網(wǎng)的計(jì)算機(jī)有一個(gè)統(tǒng)一的操作系統(tǒng)。 n 并行性；并行性；分布式系統(tǒng)可以并行處理多個(gè)子任務(wù)，以達(dá)到共同完成某個(gè)任務(wù)，加快了整體任務(wù)的完成。 這是

33、網(wǎng)絡(luò)所沒(méi)有的一個(gè)很重要的特征資源功能任務(wù)1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.6 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)n 透明性；透明性；系統(tǒng)中各子任務(wù)執(zhí)行位置、資源位置等對(duì)用戶是透明的。網(wǎng)絡(luò)也具備透明性，但主要指操作實(shí)現(xiàn)上的。n 共享性；共享性；分布在各個(gè)計(jì)算機(jī)上的軟、硬資源可供整個(gè)系統(tǒng)所共享，并以透明的方式訪問(wèn)，這也是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所沒(méi)有的。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的共享多半是指在服務(wù)器上的。 n 健壯性；健壯性；分布式系統(tǒng)處理和控制功能都是分布的，因此，從理論上來(lái)說(shuō)，任何結(jié)點(diǎn)上的故障，對(duì)整體系統(tǒng)影響不大。 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng) 是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的更高級(jí)形式。 目前真正可用的分布式軟件

34、很少，還有些問(wèn)題有待解決。 1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.6 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)微機(jī)操作系統(tǒng)（Microcomputer Operating System）作為操作系統(tǒng)的一個(gè)類型，是由于隨著VLSI的發(fā)展，芯片集成度越來(lái)越高，價(jià)格越來(lái)越低而帶來(lái)了微機(jī)時(shí)代，在微機(jī)上配置的操作系統(tǒng)就稱為微機(jī)操作系統(tǒng)。在微機(jī)上的操作系統(tǒng)可以分為單用戶和多用戶兩類： 單用戶操作系統(tǒng)單用戶操作系統(tǒng)可以執(zhí)行單任務(wù)，或多任務(wù)，即單用戶單任務(wù)/多任務(wù)系統(tǒng)。單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)較為常見(jiàn)的為單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)較為常見(jiàn)的為 CP/M，MS-DOS。提供簡(jiǎn)單、易于操作的工作環(huán)境成為所追求的主要目標(biāo)?，F(xiàn)在的單

35、用戶操作系統(tǒng)已為Windows 系列系列所取代成為主流，它們支持多道程序并發(fā)，成為了單用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)成為了單用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)。 1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.7 微機(jī)操作系統(tǒng)微機(jī)操作系統(tǒng) 多用戶操作系統(tǒng)多用戶操作系統(tǒng)多用戶操作系統(tǒng)是多個(gè)用戶通過(guò)終端共同使用同一個(gè)主機(jī)，共享主機(jī)資源。在微機(jī)上配置的多用戶操作系統(tǒng)有代表性的是 UNIX 和近來(lái)得到迅速應(yīng)用的 LINUX。 1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.7 微機(jī)操作系統(tǒng)微機(jī)操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating System）根據(jù)IEEE（國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義：是“用于控制、監(jiān)視

36、或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置” ，是從應(yīng)用上考慮的。 嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，可以涵蓋機(jī)電等附屬裝置。它更一般性的定義：以應(yīng)用為中心、以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 由此，嵌入式操作系統(tǒng)大多用于機(jī)電設(shè)備、儀器等專用控制方面，因此大多采用微內(nèi)核微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.8 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)的幾個(gè)重要特征：嵌入式操作系統(tǒng)的幾個(gè)重要特征：n 系統(tǒng)內(nèi)核?。幌到y(tǒng)內(nèi)核??；由于

37、是應(yīng)用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。 n 專用性強(qiáng)；專用性強(qiáng)；個(gè)性化很強(qiáng)，軟件系統(tǒng)和硬件結(jié)合非常緊密。n 系統(tǒng)精簡(jiǎn)；系統(tǒng)精簡(jiǎn)；一般沒(méi)有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，以安全可靠為主。 n 高實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)；高實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)；這是嵌入式軟件的基本要求這是嵌入式軟件的基本要求，而且軟件要求固態(tài)存儲(chǔ)，以提高速度。1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.8 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)與微機(jī)比較嵌入式系統(tǒng)與微機(jī)比較 ：n 嵌入式系統(tǒng)是專用系統(tǒng)，而微機(jī)是通用系統(tǒng)。 n 嵌入式系統(tǒng)的資源比微機(jī)少得多。 n 嵌入式系統(tǒng)軟件故障帶來(lái)的后果比微機(jī)大得多。 n

38、 嵌入式系統(tǒng)一般采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而微機(jī)大多采用通用操作系統(tǒng)。 n 嵌入式系統(tǒng)大都有成本、功耗的要求。 n 嵌入式系統(tǒng)需要專用的開(kāi)發(fā)工具。 1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.8 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) 圖圖1.8 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用： 隨著消費(fèi)電子、工業(yè)應(yīng)用、軍事國(guó)防、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、醫(yī)療電子病歷、微小型智能武器等發(fā)展，社會(huì)迫切需求嵌入式技術(shù)，可以說(shuō)嵌入式技術(shù)無(wú)處不在，正在逐漸改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)生活和服務(wù)方式，是計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)后微機(jī)技術(shù)發(fā)展階段。1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類 多處理機(jī)操作系統(tǒng)（Multi-Processor Operating Sy

39、stem）是指具有兩個(gè)以上的處理機(jī)，并在其上建立的操作系統(tǒng)。 多處理機(jī)系統(tǒng)的引入多處理機(jī)系統(tǒng)的引入 使用多處理機(jī)或多處理機(jī)系統(tǒng)主要基于兩種考慮； 利用多臺(tái)處理機(jī)進(jìn)行多任務(wù)處理，協(xié)同求解一個(gè)而復(fù)雜的問(wèn)題來(lái)提高速度。 依靠冗余的處理機(jī)及其重組能力來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性、適應(yīng)性和可用性。 由于應(yīng)用目的和結(jié)構(gòu)不同，多處理機(jī)有不同的構(gòu)型。1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.9 多處理機(jī)操作系統(tǒng)多處理機(jī)操作系統(tǒng)n 緊耦合多處理機(jī)；緊耦合多處理機(jī)；通過(guò)共享主存來(lái)實(shí)現(xiàn)處理機(jī)間通信。多處理機(jī)的主存多采用模m多體交叉存取結(jié)構(gòu)（m為存儲(chǔ)分體的個(gè)數(shù)）。n 松散耦合多處理機(jī)；松散耦合多處理機(jī)；不同的處理機(jī)間或者通過(guò)

40、通道互連實(shí)現(xiàn)通信，以共享某些外部設(shè)備；或者通過(guò)通信線路來(lái)交換通信信息。在松散耦合系統(tǒng)中，每臺(tái)處理機(jī)也都配備有操作系統(tǒng)來(lái)管理本地的資源和進(jìn)程，因此，每臺(tái)處理機(jī)能夠獨(dú)立運(yùn)行。1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.9 多處理機(jī)操作系統(tǒng)多處理機(jī)操作系統(tǒng) 多處理機(jī)操作系統(tǒng)的類型多處理機(jī)操作系統(tǒng)的類型: n 非對(duì)稱多處理機(jī)（非對(duì)稱多處理機(jī)（ Asymmetric MultiProcessor）；）；其中每臺(tái)處理機(jī)都指派專門(mén)的任務(wù)，有一臺(tái)主處理機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)，其余處理機(jī)執(zhí)行主處理機(jī)下達(dá)的指令，或執(zhí)行預(yù)先規(guī)定好的任務(wù)。這是一種主這是一種主從關(guān)系從關(guān)系。 n 對(duì)稱多處理機(jī)（對(duì)稱多處理機(jī)（ symmetri

41、c MultiProcessor）；）；這是一種常見(jiàn)的形式，所有處理機(jī)都是相同的，且都運(yùn)行一個(gè)相同的操作系統(tǒng)副本。所有處理機(jī)是對(duì)等的，沒(méi)有主從之分，成為多處理機(jī)系統(tǒng)的主要形式。1.4 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類1.4.9 多處理機(jī)操作系統(tǒng)多處理機(jī)操作系統(tǒng)為了理解操作系統(tǒng)的功能和所涉及的問(wèn)題，有必要對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的某些部分有進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。 處理器寄存器處理器寄存器寄存器分為兩類，用戶可見(jiàn)和用戶不可見(jiàn)的寄存器。 n 用戶可見(jiàn)的寄存器；用戶可見(jiàn)的寄存器；用戶可見(jiàn)寄存器可以通過(guò)機(jī)器語(yǔ)言來(lái)引用，它一般對(duì)所有的程序都是可用的，包括數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器（段指針和棧指針等）和條件碼寄存器。 n 用戶不可見(jiàn)的寄

42、存器；用戶不可見(jiàn)的寄存器；處理器中有多種寄存器是用于控制處理器操作。其中部分可在內(nèi)核模式（核心態(tài)、管態(tài)）下由某些機(jī)器指令訪問(wèn)。這些寄存器包括：程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、狀態(tài)字寄存器、存儲(chǔ)管理控制寄存器等。 1.5 支持操作系統(tǒng)硬件環(huán)境支持操作系統(tǒng)硬件環(huán)境 定時(shí)裝置定時(shí)裝置 硬件上時(shí)鐘有兩種形式；絕對(duì)時(shí)鐘和相對(duì)時(shí)鐘絕對(duì)時(shí)鐘和相對(duì)時(shí)鐘。n 絕對(duì)時(shí)鐘；絕對(duì)時(shí)鐘；當(dāng)于電子表電子表，它的值可由程序設(shè)定和修改，一般由特權(quán)指令完成。絕對(duì)時(shí)鐘管理作業(yè)、文件建立等的時(shí)間、資源占用和日志記錄的時(shí)間，是必不可少的。 n 間隔時(shí)間；間隔時(shí)間；一種相對(duì)時(shí)間（類似與鬧鐘類似與鬧鐘），每隔固定時(shí)間產(chǎn)生一次時(shí)鐘中斷。時(shí)鐘中斷的

43、產(chǎn)生是操作系統(tǒng)獲得系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理和程序并發(fā)一個(gè)極為重要的條件。1.5 支持操作系統(tǒng)硬件環(huán)境支持操作系統(tǒng)硬件環(huán)境 系統(tǒng)棧系統(tǒng)棧 系統(tǒng)棧是系統(tǒng)的一塊區(qū)域，它的作用就是保存來(lái)自兩個(gè)方面的信息；u 中斷現(xiàn)場(chǎng)的信息；u 系統(tǒng)子程序間相互調(diào)用的參數(shù)、返回值和返回時(shí)下條執(zhí)行指令的地址。1.5 支持操作系統(tǒng)硬件環(huán)境支持操作系統(tǒng)硬件環(huán)境 特權(quán)指令特權(quán)指令 在多任務(wù)操作系統(tǒng)下，存在著系統(tǒng)控制與用戶程序之分，因?yàn)樗鼈兊哪康暮妥饔貌煌?，所?zhí)行的指令有所不同。那些只能由操作系統(tǒng)程序使用，而不能被用戶程序使用的指令就為特權(quán)指令特權(quán)指令。一般包括：開(kāi)/關(guān)中斷、修改地址控制寄存器、修改系統(tǒng)時(shí)鐘，I/O啟動(dòng)指令、置程序

44、狀態(tài)字、停機(jī)等。1.5 支持操作系統(tǒng)硬件環(huán)境支持操作系統(tǒng)硬件環(huán)境 處理機(jī)狀態(tài)處理機(jī)狀態(tài) / 處理機(jī)執(zhí)行模式處理機(jī)執(zhí)行模式 操作系統(tǒng)要有特殊權(quán)利以控制和管理整個(gè)系統(tǒng)有條不紊地運(yùn)行，則這種特殊權(quán)利的標(biāo)識(shí)就是處理機(jī)狀態(tài)處理機(jī)狀態(tài)。n 系統(tǒng)態(tài)系統(tǒng)態(tài)/管態(tài)管態(tài)/核心態(tài)；核心態(tài)；是操作系統(tǒng)程序運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，也是處理機(jī)為內(nèi)核模式，操作系統(tǒng)可以執(zhí)行指令系統(tǒng)中的全部指令，訪問(wèn)全部寄存器，全部存儲(chǔ)器。 n目態(tài)目態(tài)/用戶態(tài)；用戶態(tài)；是用戶程序運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，它們可以執(zhí)行除了特權(quán)指令之外的指令。但禁止訪問(wèn)系統(tǒng)區(qū)域。如果用戶程序在目態(tài)執(zhí)行了特權(quán)指令，硬件便產(chǎn)生一個(gè)中斷，進(jìn)入操作系統(tǒng)，特權(quán)指令的執(zhí)行將被禁止。 1.5 支持

45、操作系統(tǒng)硬件環(huán)境支持操作系統(tǒng)硬件環(huán)境 地址映射機(jī)構(gòu)地址映射機(jī)構(gòu) 在多道程序的操作系統(tǒng)中，用戶程序的編址通常從“0”地址開(kāi)始編址，形成邏輯地址。硬件需要提供地址映射機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)將運(yùn)行時(shí)的邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址。1.5 支持操作系統(tǒng)硬件環(huán)境支持操作系統(tǒng)硬件環(huán)境 中斷機(jī)構(gòu)中斷機(jī)構(gòu) 中斷機(jī)構(gòu)或機(jī)制是由硬件和軟件共同組成的。硬件部分為中斷裝置。 通道與通道與DMA 為了提高處理機(jī)與外設(shè)、外設(shè)與外設(shè)的高度并行，在硬件上的支持為通道，或DMA。并發(fā)并發(fā)（Program Concurrence）在多道程序環(huán)境下，在多道程序環(huán)境下，是指在一段時(shí)間內(nèi)可有多道程序同時(shí)運(yùn)行。是一個(gè)是指在一段時(shí)間內(nèi)可有多道程序同時(shí)運(yùn)行。

46、是一個(gè)宏觀上概念，微觀上是串行的宏觀上概念，微觀上是串行的。這里需要區(qū)分兩個(gè)既相關(guān)又有區(qū)別的的概念；并發(fā)與并行u 并行要求在微觀上同步，即在時(shí)間的一點(diǎn)上時(shí)間的一點(diǎn)上同時(shí)u 并發(fā)并不要求在微觀上同步，只是在宏觀上同時(shí) 并發(fā)性并發(fā)性 1.6 操作系統(tǒng)的特征和服務(wù)操作系統(tǒng)的特征和服務(wù) 1.6.1 操作系統(tǒng)的基本特征之一操作系統(tǒng)的基本特征之一資源共享性（資源共享性（Resource Sharing）由于資源的屬性不同，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隊(duì)使用。u 同時(shí)共享方式；同時(shí)共享方式；一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)可有多個(gè)訪問(wèn)者（指宏觀上同時(shí)）；如磁盤(pán)磁盤(pán)設(shè)備。 資源共享性

47、資源共享性 1.6 操作系統(tǒng)的特征和服務(wù)操作系統(tǒng)的特征和服務(wù) 1.6.1 操作系統(tǒng)的基本特征之二操作系統(tǒng)的基本特征之二 一些可重入程序也可以作為共享資源被同時(shí)訪問(wèn)。所謂可重入程序可重入程序有兩個(gè)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，二是調(diào)用者自帶數(shù)據(jù)區(qū)能自身修改，二是調(diào)用者自帶數(shù)據(jù)區(qū)。 應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，并發(fā)和共享之間是互為并發(fā)和共享之間是互為存在條件；存在條件；一方面，資源共享是并發(fā)執(zhí)行為條件，因?yàn)槿粝到y(tǒng)不允許并發(fā)執(zhí)行，也就不存在資源共享問(wèn)題。另一方面，若系統(tǒng)不能對(duì)共享資源有效管理，也就必將影響并發(fā)執(zhí)行程度。 由以上并發(fā)和共享帶來(lái)了第3個(gè)特征異步性。 1.6 操作系統(tǒng)的特征和服務(wù)

48、操作系統(tǒng)的特征和服務(wù) 異步性（Asynchronism）是指系統(tǒng)中發(fā)生的各種事件發(fā)生的順序的不可預(yù)測(cè)性。在多道環(huán)境中，各個(gè)程序的執(zhí)行在并發(fā)的機(jī)制下“走走停?！?，并非是一直在運(yùn)行，何時(shí)運(yùn)行，需要多少時(shí)間等是事先不可預(yù)知的，也許最先運(yùn)行的程序最后完成，最后開(kāi)始的最先完成，各個(gè)程序都是以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，即程序以異步方式運(yùn)行。 異步性異步性1.6 操作系統(tǒng)的特征和服務(wù)操作系統(tǒng)的特征和服務(wù) 1.6.1 操作系統(tǒng)的基本特征之三操作系統(tǒng)的基本特征之三n 程序執(zhí)行和終止；程序執(zhí)行和終止；裝入內(nèi)存運(yùn)行；完成/出錯(cuò)終止。 n I/O操作；操作；以I/O請(qǐng)求方式請(qǐng)求系統(tǒng)服務(wù)。 n 文件系統(tǒng)操作；文件系統(tǒng)操作

49、；利用系統(tǒng)接口三種形式對(duì)文件進(jìn)行各種操作請(qǐng)求，達(dá)到按名存取和訪問(wèn)。 n 通信；通信；本機(jī)內(nèi)通過(guò)內(nèi)存提供進(jìn)程間信息交換，計(jì)算機(jī)之間通過(guò)消息傳遞機(jī)制實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)內(nèi)通信。 n 差錯(cuò)檢測(cè)；差錯(cuò)檢測(cè)；差錯(cuò)大致分兩類；一類為硬件故障，如內(nèi)存等，另一類為軟件異常，如除零溢出，訪問(wèn)地址越界等。 1.6 操作系統(tǒng)的特征和服務(wù)操作系統(tǒng)的特征和服務(wù) 1.6.2 操作系統(tǒng)的服務(wù)操作系統(tǒng)的服務(wù)從1983年微軟宣布Windows誕生到現(xiàn)在的Windows XP、Windows Vista，已經(jīng)走過(guò)了20多年的歷史。 Windows的開(kāi)發(fā)過(guò)程的開(kāi)發(fā)過(guò)程 Windows的起源可以追溯到美國(guó)Xerox公司工作。該公司著名的研究

50、機(jī)構(gòu)Palo Alto Research Center （PARC）于1981年宣布推出世界上第一個(gè)商用的GUI（Graphic User Interface，圖形用戶界面）系統(tǒng)，Star 8010 工作站。隨后不久，Apple Computer 公司成功地推出了第一個(gè)商用的GUI系統(tǒng) Apple Macintosh。 1.7 典型的現(xiàn)代操作系統(tǒng)典型的現(xiàn)代操作系統(tǒng) 1.7.1 Windows 圖形界面的優(yōu)勢(shì)人人可見(jiàn)，這是未來(lái)的趨勢(shì)；1981年，微軟內(nèi)部制定發(fā)展“界面管理者”計(jì)劃。到1983年5月，微軟決定把這一計(jì)劃命名為Microsoft Windows。1983年11月，比爾蓋茨宣布推出Wi

51、ndows，但是一直到1985年11月微軟公司才正式發(fā)布Windows1.0 版。Windows 在微軟公司歷史上創(chuàng)造了投入開(kāi)發(fā)人員最多、開(kāi)發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)、延遲交貨次數(shù)最多、銷售成績(jī)最佳的歷史記錄。 1990年5月，微軟公司推出Windows 3.0。該版本的Windows 許多功能都比以前大有提高。從此，在許多獨(dú)立軟件開(kāi)發(fā)商和硬件廠商的支持下，微軟的Windows 在市場(chǎng)上逐漸開(kāi)始取代 DOS 成為操作系統(tǒng)平臺(tái)的主流軟件。1.7 典型的現(xiàn)代操作系統(tǒng)典型的現(xiàn)代操作系統(tǒng) 1.7.1 Windows Windows的開(kāi)發(fā)過(guò)程的開(kāi)發(fā)過(guò)程 Windows NT系統(tǒng)系統(tǒng) Windows NT開(kāi)發(fā)，主要包括以下4個(gè)方面： n 可擴(kuò)充性；可擴(kuò)充性；隨著時(shí)間推移，可對(duì)軟件進(jìn)行改動(dòng)。n 可移植性；可移植性；系統(tǒng)只需做很小的再編碼就可工作于不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)。n 可靠性；可靠性；包括正確性和健壯性。主動(dòng)保護(hù)自身及其用戶，免遭用戶程序偶然