1、 本章學習目標 本章主要講解操作系統(tǒng)的基本知識。通過本章學習，讀者應該掌握以下內(nèi)容： 操作系統(tǒng)的功能和地位 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 操作系統(tǒng)的特征 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1教學內(nèi)容3操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中具有一定功能的軟件系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的目標是方便用戶使用計算機系統(tǒng)和提高計算機系統(tǒng)資源利用率。41作業(yè)控制級接口 作業(yè)：用戶上機所作的一系列順序相關(guān)的工作。一道作業(yè)由若干順序相關(guān)的作業(yè)步構(gòu)成。例如，我們上機編程要經(jīng)歷如下步驟：5 6編 輯編 譯連 接運 行源程序目標程序可執(zhí)行程序7由一組鍵盤字符命令（或鼠標命令）和命令解釋器組成，使用戶可以聯(lián)機交互方式使用計算機。用戶每次鍵入一個合法命令（解釋器能執(zhí)行的命令）

2、，啟動一個作業(yè)步；一個作業(yè)步運行完畢后，再鍵入下一個命令名，啟動下一個作業(yè)步。在一個作業(yè)步結(jié)束后，若發(fā)現(xiàn)錯誤，可以由用戶修正錯誤，然后重新啟動該作業(yè)步。用戶可根據(jù)作業(yè)運行情況隨時進行作業(yè)步的調(diào)整。8操作命令的形式為作業(yè)控制語言，用戶以脫機批處理方式使用計算機。用戶對作業(yè)流程的控制意圖是利用作業(yè)控制語言書寫成一份作業(yè)說明書來表達的。上機時，用戶將作業(yè)控制說明書交給系統(tǒng)，系統(tǒng)逐條解釋執(zhí)行說明書中的命令。在這種方式下，用戶一旦提交了作業(yè)，作業(yè)流程就由操作系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)控制說明書自動控制，用戶無法干預該作業(yè)的運行。因此，用戶必須事先設計好作業(yè)流程，還要預測作業(yè)運行過程中可能出現(xiàn)的錯誤，并給出發(fā)生錯誤時的

3、處理方法。9操作系統(tǒng)提供的程序級接口由一組系統(tǒng)功能調(diào)用命令以及完成這些命令的程序模塊組成。為方便用戶編程，提高編程效率，規(guī)范編程，操作系統(tǒng)提供了完成某些通用功能的程序提供用戶在開發(fā)應用程序時調(diào)用。不同的操作系統(tǒng)提供了不同的系統(tǒng)功能調(diào)用以及調(diào)用方式。如DOS的系統(tǒng)功能調(diào)用主要是進行硬件驅(qū)動，以軟中斷INT 21H的方式提供。10Windows中的系統(tǒng)功能調(diào)用要比DOS豐富，且層次要高，不只局限于硬件驅(qū)動，以用戶可在編程語言中使用的應用編程接口函數(shù)的方式提供，稱為APIApplication Programming Interface 。使用Windows的API函數(shù)，可以提高編程效率，并規(guī)范Wi

4、ndows環(huán)境下的編程，如可開發(fā)具有統(tǒng)一風格的應用程序窗口界面，這會使得軟件用戶能很快熟悉該軟件的窗口界面而不必重新學習。11計算機系統(tǒng)中的資源包括硬件資源和軟件資源。硬件資源有：處理機、存儲器、外部設備；軟件資源有：程序和數(shù)據(jù)。12處理機的任務是運行程序，我們把程序在某個數(shù)據(jù)對象上的一次運行過程稱為進程，處理機管理又稱為進程管理。在單處理機系統(tǒng)中，程序有兩種運行方式：單道程序順序執(zhí)行，多道程序并發(fā)執(zhí)行。13單道程序順序執(zhí)行：要執(zhí)行的多個程序按一定次序依次執(zhí)行，一個程序運行完畢才能運行下一個程序，即在一個程序運行期間不插入運行其他程序。這種運行方式的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，不需要在多個進程之間進行轉(zhuǎn)換

5、；缺點是資源利用率低。 多道程序并發(fā)執(zhí)行：在內(nèi)存中同時存放多道程序，按一定策略調(diào)度多道程序交叉運行，形成“微觀上串行、宏觀上并行”的情況。這使得處理機和設備可以并行工作，當某個進程在進行輸入輸出操作時，可以同時有另一個進程在處理機上進行計算。 14計算機系統(tǒng)采用了馮諾依曼提出的存儲程序原理，即把要運行的程序先一次性存放在存儲器中，然后由處理機自動從存儲器中依次取出程序指令運行，處理機的運行過程就是不斷地取指令、執(zhí)行指令循環(huán)往復的過程，每次取一條指令，執(zhí)行一條指令。則存儲器是計算機系統(tǒng)中的重要資源與處理機一起稱為計算機系統(tǒng)中的主機。因此，程序的運行機構(gòu)不只是處理機，而是由處理機和存儲器構(gòu)成的主機

6、。15在多道程序環(huán)境中，要在內(nèi)存中同時存放多道程序，則必須對內(nèi)存進行合理管理以保證程序的順利運行，并提高內(nèi)存的利用率。操作系統(tǒng)提供如下存儲管理功能：（1）內(nèi)存分配（2）地址轉(zhuǎn)換（3）內(nèi)存保護（4）內(nèi)存擴充16設備管理的任務是：接受用戶程序提出的I/O請求，為用戶程序分配I/O設備；使CPU和I/O設備并行操作，提高CPU和I/O設備的利用率；提高I/O速度；方便用戶程序使用I/O設備。為完成以上任務，操作系統(tǒng)的設備管理子系統(tǒng)應該具有設備分配、緩沖管理、設備驅(qū)動、設備無關(guān)性等功能。 17設備無關(guān)性又稱設備獨立性。即用戶編寫的應用程序與實際使用的物理設備無關(guān)。用戶編寫的應用程序中不直接指定使用哪臺

7、具體的物理設備，而是使用操作系統(tǒng)提供的邏輯設備，然后由操作系統(tǒng)把用戶程序中使用的邏輯設備映射到具體的物理設備，實施具體的I/O操作。這樣做的一個明顯好處是用戶應用進程的運行不取決于某臺具體物理設備的狀態(tài)，而由操作系統(tǒng)為其分配一臺合適的設備完成I/O操作。這樣會避免出現(xiàn)有設備可用但進程卻無法運行的情況。18計算機系統(tǒng)中的軟件資源（程序和數(shù)據(jù)的集合）不是一次性用品，用了一次后就再也不用了，而是要反復利用的，因此要永久保存（相對于內(nèi)存的暫時存儲而言）起來，如銀行中的存貸款數(shù)據(jù)、學校的學籍管理軟件和學籍數(shù)據(jù)等等。軟件資源以文件的形式存放在外部存儲介質(zhì)中，供用戶反復使用。19操作系統(tǒng)中對文件進行管理的子

8、系統(tǒng)稱為文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)的任務是：為用戶提供一種簡便的、統(tǒng)一的存取和管理文件的方法，對用戶而言，按名存取是一種簡便的存取文件的手段；實現(xiàn)文件的共享；維護文件的秘密和安全。 20文件管理具體有如下功能：（1）文件存儲空間的管理（2）目錄管理（3）文件操作（4）文件的存取權(quán)限控制根據(jù)以上所述操作系統(tǒng)的功能，我們可以給操作系統(tǒng)下一個描述性的定義：操作系統(tǒng)是一個軟件系統(tǒng)，它控制和管理計算機系統(tǒng)內(nèi)各種硬件和軟件資源，提供用戶與計算機系統(tǒng)之間的接口。211.3.1 推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力1.不斷提高計算機資源利用率的需要2.方便用戶3.器件的不斷更新?lián)Q代4.計算機體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展22此時，人們采用

9、手工方式使用計算機，用戶一個挨一個地輪流使用計算機。每個用戶的工作過程大致是：先把程序紙帶（或卡片）裝到輸入機上，然后啟動輸入機把程序和數(shù)據(jù)輸入計算機存儲器，接著利用控制臺開關(guān)啟動程序開始執(zhí)行。計算結(jié)束，用戶取走打印出來的結(jié)果，并卸下紙帶.23在這個過程中，需要人工裝卸紙帶、人工控制程序運行。手工操作速度相對于計算機的運行速度而言是很慢的，因此在使用計算機完成某一工作的整個過程中，手工操作時間占了很大的比例，而計算機運行時間所占比例較小，這就形成了明顯的人機矛盾，致使計算機資源利用率很低，從而使計算機工作效率很低。在早期計算機運行速度較慢的時候，這種狀況還是可以容忍的。24單道批處理系統(tǒng)在當時

10、稱為監(jiān)督程序，是操作系統(tǒng)的雛形。監(jiān)督程序常駐內(nèi)存，在它的控制下，實現(xiàn)了作業(yè)的自動過渡，從而去掉了原先的作業(yè)過渡時的手工操作。此時，出現(xiàn)了匯編語言、高級語言編程工具，每一種語言編譯程序（如匯編語言或某種高級語言的編譯程序）、實用程序（如連接程序）都作為監(jiān)督程序的子例程，當需要用到它們時由監(jiān)督程序進行調(diào)用。25早期的批處理分為聯(lián)機批處理和脫機批處理兩種。1. 聯(lián)機批處理操作員把一批作業(yè)裝到輸入設備上（紙帶輸入機/卡片閱讀機），然后由監(jiān)督程序控制把這批作業(yè)輸入到磁帶上，之后在監(jiān)督程序的控制下，使這批作業(yè)一個接一個的連續(xù)執(zhí)行，直至磁帶上的所有作業(yè)運行完畢。2627輸入帶主 機輸出帶輸入帶讀卡機打印機輸

11、出帶衛(wèi)星機卡片為了進一步提高資源利用率，從而最終提高系統(tǒng)吞吐量（系統(tǒng)在單位時間內(nèi)完成的總工作量），在60年代中期引入了多道程序并發(fā)執(zhí)行技術(shù)，從而形成了多道批處理系統(tǒng)。多道程序并發(fā)執(zhí)行的基本思想是：在內(nèi)存中同時存放多道程序，在操作系統(tǒng)的控制下交替執(zhí)行。在多道批處理系統(tǒng)中，用戶提交的作業(yè)都先存放在外存中并排成一個隊列，稱為后備隊列，然后由作業(yè)調(diào)度程序按一定的策略從后備隊列中選擇若干作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們并發(fā)運行，從而共享系統(tǒng)中的各種資源，提高資源利用率，最終提高系統(tǒng)吞吐量。28多道程序并發(fā)執(zhí)行系統(tǒng)的特征：（1）多道性（2）調(diào)度性（3）宏觀上并行，微觀上串行（4）異步性29在分時系統(tǒng)中，雖然若干用戶通

12、過各自的終端共享一臺主機，但是在操作系統(tǒng)的管理下，每個用戶都感覺自己在獨占一臺主機。分時系統(tǒng)采用的策略是：基于主機的高速運行，分時為終端用戶服務。即主機按一定次序輪流為各終端用戶服務，每個用戶一次僅使用主機很短的一段時間（稱為時間片，毫秒級），在分得的時間片內(nèi)若用戶沒有完成工作則暫時中斷，將處理機分配給下一個用戶。雖然在一個用戶使用主機時其他用戶處于等待狀態(tài)，但是等待的時間很短，用戶感覺不到，從而每個用戶的各次請求都能得到快速響應，給每個用戶的印象是：他獨占一臺計算機。30分時系統(tǒng)具有以下特征：（1）多個用戶同時聯(lián)機操作（2）各用戶獨立（3）交互性311. 實時控制實時控制當把計算機用于生產(chǎn)過

13、程的控制，以形成以計算機為中心的控制系統(tǒng)時，系統(tǒng)要求能實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對所采集的數(shù)據(jù)進行及時處理，進而自動地控制相應的執(zhí)行機構(gòu)，使某些（個）參數(shù)（如溫度、壓力、方位等）能按預定的規(guī)律變化。類似地，也可將計算機用于武器的控制，如火炮自動控制系統(tǒng)、飛機的自動駕駛系統(tǒng)，以及導彈的制導系統(tǒng)等。通常把要求進行實時控制的系統(tǒng)稱為實時控制系統(tǒng)。32通常，我們把要求對信息進行實時處理的系統(tǒng)，稱為實時信息處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一臺或多臺主機通過通信線路連接成百上千個遠程終端，計算機接收從遠程終端發(fā)來的服務請求，對數(shù)據(jù)進行檢索和處理，并及時將結(jié)果反饋給用戶。典型的實時信息處理系統(tǒng)有：飛機訂票系統(tǒng)、情報檢索實時系統(tǒng)

14、的特征：（1）及時性（2）可靠性331. 單用戶單任務操作系統(tǒng)單用戶單任務操作系統(tǒng) 單用戶單任務是指，只允許一個用戶上機，用戶要運行的多個程序要按一定次序依次執(zhí)行，不能交替執(zhí)行。這是最簡單的微機操作系統(tǒng)，代表性產(chǎn)品是：CP/M和MS-DOS。34單用戶多任務是指，只允許一個用戶上機，但是可以并發(fā)執(zhí)行多道程序，從而充分利用系統(tǒng)資源，滿足用戶同時執(zhí)行多個任務的需求，如一邊打字一邊聽音樂。代表性產(chǎn)品是OS/2和Windows。35微機是面向個人用戶而開發(fā)的，所以一般由單個用戶使用，配置單用戶操作系統(tǒng)。但是這并不意味著微機不可由多個用戶同時聯(lián)機使用，特別是現(xiàn)在的微機與小型機的差距已經(jīng)很小，只要在微機上

15、配置多用戶操作系統(tǒng)就可以使微機同時為多個用戶服務。具有代表性的產(chǎn)品是UNIX、LINUX。36為了實現(xiàn)計算機之間的數(shù)據(jù)通信和資源共享，把分布在各處的計算機通過通信線路連接在一起，構(gòu)成一個系統(tǒng)，這就是計算機網(wǎng)絡。計算機網(wǎng)絡要有一個網(wǎng)絡操作系統(tǒng)對整個網(wǎng)絡實施管理，并為用戶提供統(tǒng)一的、方便的網(wǎng)絡接口。網(wǎng)絡操作系統(tǒng)一般建立在各個主機的本地操作系統(tǒng)基礎之上，其功能是：實現(xiàn)網(wǎng)絡通信、資源共享和保護，提供網(wǎng)絡服務和網(wǎng)絡接口。37大量的實際應用要求一個完整的一體化的系統(tǒng)。在分布式系統(tǒng)中，有一個全局的分布式操作系統(tǒng)，它負責整個系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度、任務劃分、信息傳輸、控制協(xié)調(diào)等工作，并為用戶提供一個統(tǒng)一的界面。

16、用戶通過這一界面實現(xiàn)所需的操作和使用系統(tǒng)資源，至于操作是在哪一臺計算機上資源是系統(tǒng)的事，用戶不必知道，即系統(tǒng)對用戶是透明的。38并發(fā)性共享性異步性虛擬性其中，并發(fā)性是操作系統(tǒng)的最基本的特征。39 一般而言，操作系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)：層次結(jié)構(gòu)、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。1.5.1 層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu) 層次結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的設計思想是：按照操作系統(tǒng)各模塊的功能和相互依存關(guān)系，把系統(tǒng)中的模塊分為若干層次，其中任一層（除底層模塊）都建立在它下面一層的基礎上，每一層僅使用其下層所提供的服務。40微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是20世紀90年代發(fā)展起來的。其基本思想是：把操作系統(tǒng)中的基本功能模塊組織為微內(nèi)核，其他功能模塊盡量放到核外，通過調(diào)用微內(nèi)核來

17、實現(xiàn)。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是對傳統(tǒng)內(nèi)核的提煉，它有如下優(yōu)點：1. 簡化內(nèi)核代碼維護工作2. 建構(gòu)靈活3. 安全性高4. 方便移植41Linux現(xiàn)在是個人計算機和工作站上的UNIX類操作系統(tǒng)。按照層次結(jié)構(gòu)的觀點，在同一種硬件平臺上面，Linux可以提供和UNIX相同的服務，即相同的用戶級和程序員級接口。同時，Linux絕不是簡化的UNIX。相反，Linux是強有力和具有創(chuàng)新意義的UNIX操作系統(tǒng)。它不僅繼承了UNIX的特征，而且在許多方面超過了UNIX。作為UNIX類操作系統(tǒng)，它具有下列基本特征：42（1）是真正的多用戶、多任務操作系統(tǒng)；（2）是符合POSIX標準的系統(tǒng)；（3）提供具有內(nèi)置安全措施的分層的文件系統(tǒng)；（4）提供shell命令解釋程序和編程語言；（5）提供強大的管理功能，包括遠程管理功能；（6）具有內(nèi)核的編程接口