第一章引論一、操作系統(tǒng)定義1.什么是操作系統(tǒng)（OperatingSystems,OS）

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)上配置的第一個(gè)大型軟件，稱為計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，如果該軟件滿足：

1)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件；

2)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作流程；

3)為其他軟件和用戶提供安全、方便的運(yùn)行、操作環(huán)境；

4)提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率?；蛘哒f，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)是在研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作方式和使用方式基礎(chǔ)上，提出對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行管理、控制的原理和方法，讓計(jì)算機(jī)能夠更好地為人們的學(xué)習(xí)、工作和生活服務(wù)。2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成(資源)

硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)備存儲(chǔ)器處理器(CPU)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件

通過系統(tǒng)中各要素相互作用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。系統(tǒng)僅僅依靠要素還不夠，因?yàn)楦髯元?dú)立的要素不會(huì)自動(dòng)完成系統(tǒng)的目標(biāo)，只有通過管理、控制，使之有機(jī)地結(jié)合在一起，系統(tǒng)才能正常地運(yùn)行與活動(dòng)，有效地發(fā)揮系統(tǒng)的功能。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就是在操作系統(tǒng)的管理、控制下完成系統(tǒng)的功能。3.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)是對(duì)硬件層的第一次擴(kuò)充，同時(shí)又作為其他軟件運(yùn)行和用戶操作的基礎(chǔ)。起了“承下啟上”的作用。層次結(jié)構(gòu)的概念層接口單向依賴隱藏性二、操作系統(tǒng)的形成1.多道程序設(shè)計(jì)與操作系統(tǒng)

多道程序設(shè)計(jì)是指：在內(nèi)存同時(shí)存放多道程序，這些程序可以并發(fā)執(zhí)行。多道程序的并發(fā)執(zhí)行(Concurrence)，是指：在多道程序設(shè)計(jì)環(huán)境下，處理器在開始執(zhí)行一道程序的第一條指令后，在這道程序完成之前，處理器可以開始執(zhí)行另一道程序、甚至更多的其他程序。這種工作流程的外在表現(xiàn)就是多任務(wù)，現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)都采取了并發(fā)執(zhí)行的工作流程。

順序執(zhí)行是指：處理器在開始執(zhí)行一道程序后，只有在這道程序執(zhí)行結(jié)束(程序指令運(yùn)行完成，或程序執(zhí)行過程出現(xiàn)錯(cuò)誤而無法繼續(xù)運(yùn)行)，處理器才能開始執(zhí)行下一道程序。這種工作流程的外在表現(xiàn)就是單任務(wù)，早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是所采用順序執(zhí)行的工作流程。例1-1：假定某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要執(zhí)行兩道程序A、B，程序A、B的任務(wù)描述如下：程序A：程序B：

2msCPU 12msCPU10msI/O5msI/O2msCPU2msCPU

在同樣假定程序A先運(yùn)行的情況，如果分別按順序執(zhí)行和并發(fā)執(zhí)行的工作方式，那么，系統(tǒng)的工作過程怎樣？一個(gè)資源在指定時(shí)間段的利用率定義：

如圖1-2所示的順序執(zhí)行方式，CPU的利用率為：

(2+2+12+2)/33≈54.5%如圖1-3所示的并發(fā)執(zhí)行方式，CPU的利用率為：

(2+12+2+2)/21≈85.7%

多道程序是如何提高CPU的利用率？

在以后的學(xué)習(xí)中，還將介紹多道程序并發(fā)執(zhí)行工作方式的其他優(yōu)點(diǎn)，但是，多道程序的并發(fā)執(zhí)行是一種復(fù)雜的工作方式，甚至導(dǎo)致一些程序運(yùn)行后出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果?？墒?，人們正是對(duì)多道程序并發(fā)執(zhí)行工作方式的復(fù)雜性和存在問題的研究及解決，形成了操作系統(tǒng)原理的核心內(nèi)容。2.OS的形成（20世紀(jì)60年代中期）OS形成的條件：在硬件上具有中央處理器與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備并行工作的能力，相應(yīng)地，在軟件上，提出了多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，兩者奠定操作系統(tǒng)形成的基礎(chǔ)。OS形成的標(biāo)志：操作系統(tǒng)的基本類型，即批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)3.OS的發(fā)展（從多計(jì)算機(jī)觀點(diǎn)看）個(gè)人微機(jī)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)三、OS的基本類型1.批處理系統(tǒng)及其特征作業(yè)和作業(yè)步、作業(yè)流，程序員和操作員操作控制語言(JCL)和作業(yè)說明書作業(yè)經(jīng)過提交、后備、執(zhí)行和完成等四個(gè)階段單道批處理系統(tǒng)和多道批處理系統(tǒng)、脫機(jī)批處理系統(tǒng)和聯(lián)機(jī)批處理系統(tǒng)SPOOLing技術(shù)（假脫機(jī)批處理系統(tǒng)）SimultaneousPeripheralOperationOnLineSPOOLing組成輸入井輸出井預(yù)輸入程序緩輸出程序批處理系統(tǒng)的特征

批量處理，減少手工操作自動(dòng)執(zhí)行，資源利用率高缺少人-機(jī)交互能力2.分時(shí)系統(tǒng)及其特征時(shí)間片(Timeslice)分時(shí)系統(tǒng)具備如下四個(gè)特征同時(shí)性獨(dú)立性及時(shí)性交互性

3.實(shí)時(shí)系統(tǒng)及其特征

定期或者隨時(shí)產(chǎn)生事件及時(shí)響應(yīng)并且在嚴(yán)格規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)處理完成。實(shí)時(shí)系統(tǒng)分為：實(shí)時(shí)過程控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)對(duì)一個(gè)任務(wù)處理的正確性，不僅要求計(jì)算結(jié)果是正確的，還要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到結(jié)果實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征

高及時(shí)性高可靠性三、OS的研究?jī)?nèi)容1.OS理論

研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作方式、用戶使用方式，以便計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更加方便、有效、安全地為人們的學(xué)習(xí)、生活和工作服務(wù)2.OS軟件依據(jù)操作系統(tǒng)理論，對(duì)指定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管理的一組程序和數(shù)據(jù)的集合2.操作系統(tǒng)的主要功能用戶接口及作業(yè)管理處理器管理存儲(chǔ)器管理文件系統(tǒng)設(shè)備管理本章作業(yè)2、3、4、6、8第2章操作系統(tǒng)的接口一、操作系統(tǒng)內(nèi)核

1.處理器指令特權(quán)指令和非特權(quán)指令

2.處理器工作模式核心態(tài)和用戶態(tài)

3.內(nèi)核的主要組成與硬件密切相關(guān)的操作關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本中斷處理程序使用頻繁的功能模塊

4.內(nèi)核基本特點(diǎn)常駐內(nèi)存運(yùn)行在核心態(tài)二、操作系統(tǒng)的啟動(dòng)

1.固件(Firmware)及其基本功能固件是硬件平臺(tái)與操作系統(tǒng)之間的接口

2.BIOS系統(tǒng)

BIOS組成POST自檢程序基本啟動(dòng)程序基本硬件驅(qū)動(dòng)程序及其中斷處理程序

BIOS磁盤分區(qū)管理-主引導(dǎo)記錄

(MBR)結(jié)構(gòu)表2-1MBR結(jié)構(gòu)偏移量字節(jié)數(shù)內(nèi)容0440主引導(dǎo)程序(MBR)4404磁盤簽名(signature)4442[未定義]44616第1個(gè)分區(qū)表DPT146216第2個(gè)分區(qū)表DPT247816第3個(gè)分區(qū)表DPT349416第4個(gè)分區(qū)表DPT45102結(jié)束標(biāo)志符(BRID)：55HAAH(MagicNumber)2.可擴(kuò)展固件接口(EFI)英特爾(Intel)公司在1997年為其新推出的高性能處理器，計(jì)劃設(shè)計(jì)一種可擴(kuò)展的，標(biāo)準(zhǔn)化的固件接口規(guī)范EFI(ExtensibleFirmwareInterface)，用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)以及提供與操作系統(tǒng)的接口2005年UEFI(UnifiedEFI)論壇,2011年4月6日推出UEFI2.3.1.可擴(kuò)展固件接口(EFI)的特點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行環(huán)境(DXE，DriverExecutionEnvironment)磁盤管理采用GUID分區(qū)方法UEFI應(yīng)用程序(沒有操作系統(tǒng)時(shí)的系統(tǒng)管理)表2-4GPT表頭(HDR)結(jié)構(gòu)偏移量字節(jié)數(shù)字段說明08Signature簽名，表示EFI兼容分區(qū)表表頭，值為”EFIPART”84RevisionGPT頭版本號(hào)124HeaderSizePDT表頭的大小(字節(jié)數(shù))，92＜HeaderSize≤邏輯塊長(zhǎng)度164HeaderCRC32GPT表頭信息的CRC32校驗(yàn)和204Reserved保留，置0248MyLBAGDT表頭占用的邏輯塊數(shù)328AlternateLBAGDT表備份的邏輯塊號(hào)408FirstUsableLBA可用空間的起始?jí)K的邏輯塊號(hào)488LastUsableLBA可用空間的結(jié)束塊的邏輯塊號(hào)5616DiskGUID磁盤的GUID728PartitionEntryLBAGUID分區(qū)入口表(數(shù)組)的起始?jí)K的邏輯塊號(hào)804NumberOfPartitionsGUID入口表中分區(qū)數(shù)844SizeOfPartitionEntryGUID分區(qū)入口表項(xiàng)長(zhǎng)度(字節(jié)數(shù)，等于128*2的整數(shù)倍)884PartitionEntryArrayCRC32GUID分區(qū)入口表CRC32校驗(yàn)和92塊尾Reserved邏輯塊的剩余部分。UEFI保留，置0表2-5GPT分區(qū)入口表的表項(xiàng)結(jié)構(gòu)偏移量字節(jié)數(shù)字段說明016PartitionTypeGUID分區(qū)類型ID，定義分區(qū)的類型，0表示未用1616UniquePartitionGUID分區(qū)GUID328StartingLBA分區(qū)起始?jí)K的邏輯塊號(hào)408EndingLBA分區(qū)結(jié)束塊的邏輯塊號(hào)488Attributes分區(qū)屬性5672PartitionName分區(qū)名，以null為結(jié)束標(biāo)志的字符串，用戶可讀取128至結(jié)束Reserved分區(qū)表項(xiàng)的剩余部分。UEFI保留，置02.OS啟動(dòng)過程

在用戶開機(jī)后，系統(tǒng)進(jìn)入BIOS或UEFI的PI部分，進(jìn)行硬件平臺(tái)的檢測(cè)和啟動(dòng)，之后，系統(tǒng)從默認(rèn)啟動(dòng)設(shè)備或用戶選擇指定的啟動(dòng)設(shè)備上，裝載操作系統(tǒng)的安裝程序(OSLoader)。

BIOS[0000:7C00]

操作系統(tǒng)啟動(dòng)裝載程序的執(zhí)行過程大致如下：系統(tǒng)配置內(nèi)核的裝入和初始化用戶登錄三、操作系統(tǒng)的用戶接口1.命令接口命令接口的按實(shí)現(xiàn)分類,分為：外部命令和內(nèi)部命令命令接口的按使用分類,分為：脫機(jī)命令和聯(lián)機(jī)命令作業(yè)控制語言(JCL)屬于脫機(jī)命令聯(lián)機(jī)