第一章：操作系统引论

	教材：
《计算机操作系统》，汤子瀛等，西安电子科技大学出版社（第4版）
	参考书：
	《操作系统教程》（第3版），孙钟秀 ，高等教育出版社 ，2003年11月
	《Operating System Concepts》(第七版)(英文影印版) Silberschatz A ，Galvin P B， Gagne G著，高等教育出版社 ，2007 年12月。
	《现代操作系统》 （英文第2版），（荷）Andrew S. Tanenbaum著 ，陈向群等译，机械工业出版社， 2005 年6月 
	《操作系统：设计与实现》(上下册) ，Andrew S.Tanenbaum ，电子工业出版社 ，1998年 
	《Linux内核完全剖析--基于0.12内核 》，赵炯 ，机械工业出版社 ，2009年1月。
	《UNIX结构分析(核心代码的结构与算法) 》胡希明 ，浙江大学出版社 ，2002 年8月。
	《嵌入式实时操作系统uC/OS-II 》 (第2版)， (美)Jean J. Labrosse著 ，邵贝贝译， 北京航空航天大学出版社 ， 2007 年9月 
	《Unix系统内幕》，Uresh Vahalia ，人民邮电出版社 ，2003年  

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操作系统是系统软件
系统软件是与硬件相关的软件。

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§1.1 操作系统的目标和作用

硬件之上，其他软件之下。

• 目标： 方便性，有效性，可扩充性，开放性.
• 作用： 用户与计算机的接口，系统资的管理者，扩充机器。

推动OS发展的主要动力：

• 不断提高计算机资源利用率
• 方便用户
• 器件的不断更新换代
• 计算机体系结构的不断发展
• 不断提出的应用需求

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§1.2 操作系统的发展过程

无OS：

人工操作系统：

• 1946-50年代中：电子管时代，计算机速度慢，无操作系统，集中计算，计算机资源昂贵；
• 用户：既是程序员又是操作员；用户是计算机专业人员；
• 编程语言：机器语言；
• 输入输出：纸带或卡片；

脱机I/O方式：

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OS分类：

OS所在的角度

• 多任务，单CPU， CPU具有与外设并行操作的能力。
• 程序均由CPU执行
• CPU只能执行机器语言程序
• CPU执行的程序均在内存中

######## 批处理系统

• 单道程序工作示例：
  
• 多道程序工作示例：
  
  

分时系统

目标：

• 对用户的请求及时响应；尽量提高系统资源的利用率

原理：

• 一台计算机连接多个终端，用户通过各自的终端把作业送入计算机；计算机又通过终端向各个用户报告其作业的运行情况。
• 计算机能分时轮流地为各终端用户服务，并能及时地对用户服务请求予以响应。

基本特性：

• 多路性，独立性，及时性，交互性。

实时系统

目的：

• 提高系统的响应时间，对随机发生的外部事件作出及时响应并对其进行处理。

分类

基本特性

三种系统比较

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§1.3 操作系统的基本特性

并发

并发：一段时间

• 指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

并行：一个时间

• 指两个或多个事件在同一时刻发生。

共享

• 指系统中的资源供内存中的多道程序所共同使用。

• 同时访问方式，互斥共享方式。

虚拟

• 指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。（虚拟机）

异步性

• 系统中并发执行的多道程序“走走停停”，以不可预知的速度向前推进

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§1.4 操作系统的主要功能

OS定义

• OS是直接控制和管理计算机硬件、软件资源，合理地对各类作业进行调度，以方便用户使用的程序集合
  — 处理机管理功能
  — 存储器管理功能
  — 设备管理功能
  — 文件管理功能
  — 用户接口

主要任务

• 为多道程序的运行提供良好的运行环境，以保证多道程序能有条不紊、高效地运行，并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率和方便用户的使用。

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§1.5 OS结构设计

• 传统的操作系统结构

1. 无结构操作系统
   OS是由众多的过程直接构成，各过程之间可相互调用，但OS内部不存在任何结构，所以这种OS是无结构的，又称为整体系统结构。

   缺点：
   既庞大又杂乱，缺乏清晰的程序结构；程序错误多，调试难、阅读难、理解难、维护难。

2. 模块化OS结构
   OS是采用“模块化程序设计”技术，按其功能划分为若干个独立的模块，管理相应的功能，同时规定好各模块之间的接口，以实现其交互，对较大模块又可按子功能进一步细分下去。

   优点
   提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性
   增强了OS的可适用性
   加速了OS的开发过程

   缺点
   模块及接口划分较困难
   从功能上划分模块，未区别共享资源和独占资源
   由于管理的差异，使OS结构变得不够清晰

3. 分层式OS结构
   分层式OS结构是对模块化结构的一种改进，它按分层式结构设计的基本原则，将OS 划分为若干个层次，每一层都只能使用其底层所提供的功能和服务，从硬件开始，在其上面一层一层地自底向上增添相应功能的软件，这种OS结构称为分层式OS结构。

   优点：
   每一步设计都建立在可靠的基础上，结构更清晰
   调试和验证更容易，正确性更高

   缺点：
   系统效率降低。只能是单向依赖，每执行一个功能，自底向上需要穿越很多个层次。

• 现代操作系统结构： 微内核的OS结构

1. ** 微内核技术的主要思想**
   在OS内核中只留下一些最基本的功能，而将其他服务分离出去，由工作在用户态下的进程来实现，形成所谓“客户/服务器”模式。客户进程可通过内核向服务器进程发送请求，以取OS的服务。

2. 微内核
   精心设计的，能实现现代OS核心功能的小型内核，它小而精炼，运行在核心态下，开机后常驻内存，不会因内存紧张而换出，它为构建通用OS提供了一个重要基础。

3. 微内核的基本功能

   • 进程管理
   • 存储器管理
   • 进程通信管理
   • I/O设备管理

4. 特点

   • 小而精练
   • 系统的灵活性和可扩充性好
   • 系统的可靠性高
   • 适用于分布式系统

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§1.6 常见的OS

OS:

1. MS DOS
2. MS Windows
3. UNIX
4. Linux
5. 手持系统（handheld system）
   嵌入式操作系统 (Embedded OS）

• MS DOS的结构

1. DOS BIOS(Basic Input/Output System)：由一组与硬件相关的设备驱动程序组成，实现基本的I/O功能；
2. DOS核心：提供一套独立于硬件的系统功能：内存管理、文件管理、字符设备和输入/输出、实时时钟等；
3. 命令处理程序：对用户命令进行分析和执行；
   

通用开放软件环境（COSE）

• 一些主要的UNIX系统厂商在1993年成立了通用开放软件环境联盟。这些厂家当时包括HP，IBM，Sun，SCO，Novell及UNIX系统实验室。

自由软件基金会(FSF）

• 目标是创建一个与UNIX类似的系统，名为HURD。
• 他们的这项工程称为GNU（全称为GNU’s Not UNIX）。
• 在编写HURD的过程中，他们编写了许多非常有用的、可移植性很强的流行实用程序。
• 例如GNU C 编译器gcc。用户既可以得到这些工具的源代码而自行进行编译，也可以得到能立即运行的可执行文件。

Linux的体系结构

• 用户应用：文字处理工具、浏览器等用户应用程序；
• 系统服务：它是操作系统的一部分，但不是内核。包括窗口系- 统、命令解释程序、应用开发工具（编译器、系统库等）
• Linux内核：操作系统内核，完成资源管理功能。
• 硬件控制 ：系统中的所有物理设备控制 。
  

手持系统（handheld system） && 嵌入式操作系统 (Embedded OS）

• 个人数字助理（Personal Digital Assistants, PDAs）
• 蜂窝电话（Cellular telephones）
• 存在的问题
  • 内存有限(32M – 64M)
  • 低速处理器（只有个人计算机处理器速度的几分之一）
  • 屏幕小（5英寸×3英寸）