操作系统实用教程

操作系统实用教程第1章操作系统概述第1章操作系统概述1.1操作系统的定义1.2操作系统的功能1.3操作系统的分类和发展1.4操作系统的实现1.1操作系统的定义1.1.1计算机系统层次结构图1-1计算机系统的层次视图用户应用程序系统调用命令图标、窗口操作系统计算机硬件1.1操作系统的定义近年来，大型软件都是采用层次式结构进行构建的，也就是将一个软件分成若干个层次。在此，同样可以用一个层次式的0S模型来描述操作系统，该模型分为三个层次（如图1-2所示），包括：用户接口；对对象操纵和管理的软件集合；操作系统对象。1.1操作系统的定义用户接口（命令接口、程序接口、图形用户接口）对对象操纵和管理的软件集合（处理机管理软件、存储器管理软件、设备管理软件、文件管理软件）操作系统对象（处理机、存储器、设备、文件和作业）图1-20S层次模型1.1操作系统的定义1.1.2操作系统的定义•狭义操作系统包含程序:核心态运行程序，用户态运行的命令解释器和系统调用库。•广义操作系统包含程序:除上述外，许多提供系统常用功能的实用程序，库程序。因此，操作系统可以被定义为集如下三方面为一体的程序集合：（1）控制和管理计算机系统的硬件和软件资源；（2）合理的组织计算机的工作流程；（3）方便用户使用。•管理目标：使硬件、软件资源的利用率最高；•服务宗旨：给用户尽可能多的服务和最大的方便；•服务项目：程序界面—由系统调用命令组成，给用户编程提供方便；联机用户界面—由键盘命令、屏幕命令组成；脱机用户界面—作业控制命令。1.1操作系统的定义1.1.3操作系统的发展1．人工操作阶段2．早期的批处理3．多道程序系统4．分时操作系统5．实时操作系统6．通用操作系统1.2操作系统的功能1.2.1操作系统在计算机系统中的地位及运行环境1．操作系统在计算机系统中的地位（1）计算机系统管理中心（相当于社会中的政府地位）；（2）最复杂最精确的人工开发的管理系统；（3）在计算机系统中不可缺少，如果缺少操作系统，用户不可能上机使用计算机资源。2．操作系统运行环境操作系统是一个众多程序模块的集合。根据运行环境，这些模块大致分为3类：第1类是在系统初启时便与用户程序一起主动参与并发运行的，如作业管理程序、输入输出程序等。它们由时钟中断、外设中断所驱动。第2类是直接面对用户态（亦称常态、或目态）程序的，这是一些“被动”地为用户服务的程序。这类程序的每一个模块都与一条系统调用指令对应，仅当用户执行系统调用指令时，对应的程序模块才被调用、被执行。系统调用指令的执行是经过陷入中断机构处理的。因此从这个意义上说，第2类程序也是由中断驱动的。第3类是那些既不主动运行也不直接面对用户程序的、隐藏在操作系统内部的、由前2类程序调用的模块。既然前2类程序是由中断驱动的，那么第3类程序也是由中断驱动的。应当注意，操作系统本身的代码运行在核心态（亦称管态、特态）。从用户态进入核心态的惟一途径是中断。1.2操作系统的功能1.2.2操作系统的特征操作系统具有五大特征，其中前两项是操作系统的基本特征，不具备这两项的管理程序不能被称为操作系统。1．并发性2．共享性3．虚拟性4．异步性5．可重构性1.2操作系统的功能1.2.3操作系统的功能从资源管理的角度看，操作系统主要功能分四大模块，包括处理机管理，存储器管理，设备管理，文件、作业管理、通信事务管理。此外，为了方便用户使用操作系统，还给用户提供了一个友好的用户接口。1.2操作系统的功能1.2.4操作系统的结构设计模式1．模块化结构2．层次化结构3．微内核OS结构4．客户/服务器模式5．对象模式6．对称多处理模式1.2操作系统的功能1.2.5操作系统的设计规范1．系统效率系统效率是操作系统的一个重要性能指标。它包括资源利用率（高）、吞吐量（大）、周转时间（短）及响应时间（少）等。2．系统可靠性系统可靠性是指系统发现、诊断和恢复硬件与软件故障的能力。可以通过以下三个指标说明。•可靠性R(Reliability)：通常用系统的平均无故障时间MTBF(MeanTimeFailures)来度量。指系统能正常工作的平均时间值。R越大，系统可靠性越高。•可维护性S(Serviceability)：通常用平均故障修复时间MTRF(MeanTimeRepairFault)来度量。指从故障发生到故障修复所需要的平均时间。S越小，系统可修复能力越强，•可维护性越高。可用性A(Availability)：指系统运行的整个时间内，能正常工作的概率。1.2操作系统的功能3．可移植性可移植性是指把一个操作系统从一种硬件环境移植到另一种硬件环境时，系统仍能正常工作的能力。操作系统发生移植时，代码修改的量越小，系统效率越高。4．可伸缩性可伸缩性是指操作系统对添加软、硬件资源的适应能力，尤其是指可添加到硬件中的CPU资源的能力。亦即操作系统可运行在不同种类的计算机上，例如从原来的单处理机扩充到多处理机的系统上，操作系统仍能正常运行。5．兼容性它主要指软件的兼容性，是操作系统能够执行为其他版本操作系统或为属同一系列的早期版本操作系统所编写的软件的能力。6．安全性安全性是指操作系统应具有一定的安全保护措施，包括保护和保密。诸如密码设置、账号检查、系统接入检测、各用户资源分配和资源保护、用户的资源不受他人侵犯等。1.3操作系统的分类和发展1.3.1操作系统的分类1．批处理操作系统批处理操作系统是一种早期的大型机用操作系统。批处理出现的目的在于提高系统资源的利用率和系统的吞吐量，现代操作系统大都具有批处理功能。（1）单道批量处理系统单道批处理系统是操作系统的雏形。优点是：①自动性。顺利情况下，磁带上的作业可一个接一个地运行，无需人工干预。②顺序性。按进入磁带的顺序进入主存。③单道性。主存中只有一个作业在运行。缺点是：一次只能运行一个作业，这对于昂贵的计算机系统来说，资源的利用率就显得有点低了。1.3操作系统的分类和发展（2）多道批处理系统多道批处理系统，就是在外存中存在有大量作业，并将这些作业按一定要求排成队列，从这些队列中，选出几个作业进入内存多道运行。当有作业运行完成退出系统时，就自动从作业队列中选取若干作业进入内存，从而使作业批量运行，而无需人工干预。在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处：①提高CPU的利用率。②可提高内存和I/O设备利用率。③增加系统吞吐量。多道批处理系统的特征：多道性、无序性、调度性。多道批处理系统的优缺点：资源利用率高、系统吞吐量大、平均周转时间长、无交互能力。1.3操作系统的分类和发展2．分时操作系统分时系统实现中的关键问题是及时接收、及时处理。一般采用时间片轮转的方式，使一台计算机为多个终端用户服务，能保证足够快的响应时间，并提供交互会话能力。因此它具有下述特点：（1）交互性。（2）及时性。（3）多用户同时性。（4）独立性。分时系统技术为现代操作系统的设计奠定了基础，也为网络时代的到来开辟了新路。1.3操作系统的分类和发展3．实时操作系统实时系统是另外一类联机的操作系统。它主要随着计算机应用于实时控制和实时信息处理领域中而发展起来的。所谓“实时”就是表示要“及时”，实时系统就是指系统能及时（或即时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。实时系统的主要特点是提供即时响应和高可靠性，往往具有一定的专用性。实时系统在一般领域具有五个独特的要求：决定性、响应性、用户控制、可靠性和弱失效操作。实时系统的特征为多路性、独立性、及时性、交互性、高可靠性。实时系统与批处理系统、分时系统相比，资源的利用率可能较低。1.3操作系统的分类和发展实时系统与分时系统是有区别的，主要是：（1）分时系统提供一种随时可供多个用户使用的、通用性很强的计算机系统工程，用户与系统之间具有较强的交互作用或会话能力；而实时系统的交互作用能力相对来说较差。一般地，实时系统是具有特殊用途的专用系统，仅允许终端操作员访问数量有限的专用程序，即命令较简单，操作员不能书写程序或修改一组已存在的程序。（2）分时系统对响应时间的要求是以人们能接受的等待时间为依据的，其数量级通常规定为秒；而实时系统对响应时间一般有严格要求，它是以控制过程或信息处理过程所能接受的延迟来确定的，数量级可达毫秒，甚至微秒级。（3）虽然分时系统也要求系统可靠，但实时系统对可靠性的要求更高。因为实时系统控制、管理的目标往往是重要的经济、军事、商业目标，而且需要现场立即进行处理，任何差错都可能带来巨大的经济损失，甚至引发灾难性的后果。因此，在实时系统中必须采取相应的硬件和软件措施来提高系统的可靠性，如硬件往往采取双机工作方式，软件加入多种安全保护措施等。1.3操作系统的分类和发展4．通用操作系统批处理系统、分时系统和实时系统是操作系统的三种基本类型，在此基础上又发展了具有多种类型操作特征的操作系统，称为通用操作系统。它可以同时兼有批处理、分时、实时处理和多重处理的功能，或其中两种以上的功能。5．个人计算机上的操作系统个人计算机上的操作系统是一联机的交互式的单用户操作系统，它提供的联机交互功能与通用分时系统所提供的十分相似。6．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计算机系统互连起来，实现具有网络通信、资源管理、网络服务、网络管理和相互操作能力功能的系统。计算机网络按拓扑结构可以分为星形网络、树形网络、总线型网络、环形网络以及网状型网络。计算机网络按照地域范围又可分为广域网和局域网。配置在网络上的操作系统就是网络操作系统。网络操作系统的研制开发是在原来各自计算机操作系统的基础上进行的。按照网络体系结构的各个协议标准进行开发，包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和多种网络应用服务等。1.3操作系统的分类和发展7．分布式操作系统所谓分布式处理系统，是指由多个分散的处理单元，经互连网络的连接而形成的系统。其中，每个处理单元既具有高度的自治性，又相互协同，能在系统范围内实现资源管理、动态地分配任务，并能并行地运行分布式程序。分布式系统中的各项系统工作对用户来说完全透明。分布式操作系统具有网络操作系统的功能，是网络操作系统的更高级形式，比网络操作系统更有特色、更有优点。其优点在于它的分布式，这种分布式可以以较低成本获得较高的运算性能。而分布式的可靠性又是其他系统所望尘莫及的，在一个CPU出现故障时，整个系统仍能正常工作，并不影响整个任务的运行，只是速度略慢一些。这种高可靠性环境，特别适用于高新技术领域。现代操作系统将分布式系统、网络操作系统统称为分布式操作系统。1.3操作系统的分类和发展1.3.2操作系统的发展进入20世纪80年代，大规模集成电路工艺技术的飞跃发展，微处理机的出现和发展，掀起了计算机大发展、大普及的浪潮。一方面迎来了个人操作系统的时代，另一方面又向计算机网络、分布式处理、巨型计算机和智能化方向发展，操作系统有了进一步发展。1．大型机操作系统2．服务器操作系统3．多处理机操作系统4．个人计算机操作系统5．实时操作系统6．嵌入式操作系统7．智能卡操作系统1.3操作系统的分类和发展1.3.3操作系统的实例随着大规模和超大规模集成电路技术的发展，面向个人使用的微型计算机得到了极大的发展和普及，微机操作系统也得以发展。早期微机操作系统基本上是单用户系统。所有资源采用独占方式。微机操作系统通常提供较强的文件管理功能，通过命令解释器支持用户以交互方式使用计算机，微机操作系统随着微机复杂系统向多用户多任务系统及多媒体方向发展，为计算机走向千家万户，遍及各行各业、深入各个领域打下了坚实的基础。较典型的微机操作系统MS-DOS、Windows、UNIX、Linux的运行环境可以通过实际的操作进行了解和掌握。1.4操作系统的实现1.4.1操作系统开发与升级1．交叉开发（1）建立交叉开发环境，主要包括五方面：①目标机：操作系统将运行的机器；②工作机：开发操作系统的机器；③交叉编译：在工作机上将源代码编译成目标机可运行代码；④模拟调试工具：在工作机上模拟执行目标机代码；⑤内核生成环