第一章：操作系統引論

	教材：
《計算機操作系統》，湯子瀛等，西安電子科技大學出版社（第4版）
	參考書：
	《操作系統教程》（第3版），孫鍾秀 ，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。
	《現代操作系統》 （英文第2版），（荷）Andrew S. Tanenbaum著 ，陳向羣等譯，機械工業出版社， 2005 年6月 
	《操作系統：設計與實現》(上下冊) ，Andrew S.Tanenbaum ，電子工業出版社 ，1998年 
	《Linux內核完全剖析--基於0.12內核 》，趙炯 ，機械工業出版社 ，2009年1月。
	《UNIX結構分析(核心代碼的結構與算法) 》胡希明 ，浙江大學出版社 ，2002 年8月。
	《嵌入式實時操作系統uC/OS-II 》 (第2版)， (美)Jean J. Labrosse著 ，邵貝貝譯， 北京航空航天大學出版社 ， 2007 年9月 
	《Unix系統內幕》，Uresh Vahalia ，人民郵電出版社 ，2003年  

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操作系統是系統軟件
系統軟件是與硬件相關的軟件。

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§1.1 操作系統的目標和作用

硬件之上，其他軟件之下。

• 目標： 方便性，有效性，可擴充性，開放性.
• 作用： 用戶與計算機的接口，系統資的管理者，擴充機器。

推動OS發展的主要動力：

• 不斷提高計算機資源利用率
• 方便用戶
• 器件的不斷更新換代
• 計算機體系結構的不斷髮展
• 不斷提出的應用需求

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§1.2 操作系統的發展過程

無OS：

人工操作系統：

• 1946-50年代中：電子管時代，計算機速度慢，無操作系統，集中計算，計算機資源昂貴；
• 用戶：既是程序員又是操作員；用戶是計算機專業人員；
• 編程語言：機器語言；
• 輸入輸出：紙帶或卡片；

脫機I/O方式：

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OS分類：

OS所在的角度

• 多任務，單CPU， CPU具有與外設並行操作的能力。
• 程序均由CPU執行
• CPU只能執行機器語言程序
• CPU執行的程序均在內存中

######## 批處理系統

• 單道程序工作示例：
  
• 多道程序工作示例：
  
  

分時系統

目標：

• 對用戶的請求及時響應；儘量提高系統資源的利用率

原理：

• 一臺計算機連接多個終端，用戶通過各自的終端把作業送入計算機；計算機又通過終端向各個用戶報告其作業的運行情況。
• 計算機能分時輪流地爲各終端用戶服務，並能及時地對用戶服務請求予以響應。

基本特性：

• 多路性，獨立性，及時性，交互性。

實時系統

目的：

• 提高系統的響應時間，對隨機發生的外部事件作出及時響應並對其進行處理。

分類

基本特性

三種系統比較

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§1.3 操作系統的基本特性

併發

併發：一段時間

• 指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。

並行：一個時間

• 指兩個或多個事件在同一時刻發生。

共享

• 指系統中的資源供內存中的多道程序所共同使用。

• 同時訪問方式，互斥共享方式。

虛擬

• 指通過某種技術把一個物理實體變成若干個邏輯上的對應物。（虛擬機）

異步性

• 系統中併發執行的多道程序“走走停停”，以不可預知的速度向前推進

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§1.4 操作系統的主要功能

OS定義

• OS是直接控制和管理計算機硬件、軟件資源，合理地對各類作業進行調度，以方便用戶使用的程序集合
  — 處理機管理功能
  — 存儲器管理功能
  — 設備管理功能
  — 文件管理功能
  — 用戶接口

主要任務

• 爲多道程序的運行提供良好的運行環境，以保證多道程序能有條不紊、高效地運行，並能最大程度地提高系統中各種資源的利用率和方便用戶的使用。

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§1.5 OS結構設計

• 傳統的操作系統結構

1. 無結構操作系統
   OS是由衆多的過程直接構成，各過程之間可相互調用，但OS內部不存在任何結構，所以這種OS是無結構的，又稱爲整體系統結構。

   缺點：
   既龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結構；程序錯誤多，調試難、閱讀難、理解難、維護難。

2. 模塊化OS結構
   OS是採用“模塊化程序設計”技術，按其功能劃分爲若干個獨立的模塊，管理相應的功能，同時規定好各模塊之間的接口，以實現其交互，對較大模塊又可按子功能進一步細分下去。

   優點
   提高了OS設計的正確性、可理解性和可維護性
   增強了OS的可適用性
   加速了OS的開發過程

   缺點
   模塊及接口劃分較困難
   從功能上劃分模塊，未區別共享資源和獨佔資源
   由於管理的差異，使OS結構變得不夠清晰

3. 分層式OS結構
   分層式OS結構是對模塊化結構的一種改進，它按分層式結構設計的基本原則，將OS 劃分爲若干個層次，每一層都只能使用其底層所提供的功能和服務，從硬件開始，在其上面一層一層地自底向上增添相應功能的軟件，這種OS結構稱爲分層式OS結構。

   優點：
   每一步設計都建立在可靠的基礎上，結構更清晰
   調試和驗證更容易，正確性更高

   缺點：
   系統效率降低。只能是單向依賴，每執行一個功能，自底向上需要穿越很多個層次。

• 現代操作系統結構： 微內核的OS結構

1. ** 微內核技術的主要思想**
   在OS內核中只留下一些最基本的功能，而將其他服務分離出去，由工作在用戶態下的進程來實現，形成所謂“客戶/服務器”模式。客戶進程可通過內核向服務器進程發送請求，以取OS的服務。

2. 微內核
   精心設計的，能實現現代OS核心功能的小型內核，它小而精煉，運行在覈心態下，開機後常駐內存，不會因內存緊張而換出，它爲構建通用OS提供了一個重要基礎。

3. 微內核的基本功能

   • 進程管理
   • 存儲器管理
   • 進程通信管理
   • I/O設備管理

4. 特點

   • 小而精練
   • 系統的靈活性和可擴充性好
   • 系統的可靠性高
   • 適用於分佈式系統

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§1.6 常見的OS

OS:

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

• MS DOS的結構

1. DOS BIOS(Basic Input/Output System)：由一組與硬件相關的設備驅動程序組成，實現基本的I/O功能；
2. DOS核心：提供一套獨立於硬件的系統功能：內存管理、文件管理、字符設備和輸入/輸出、實時時鐘等；
3. 命令處理程序：對用戶命令進行分析和執行；
   

通用開放軟件環境（COSE）

• 一些主要的UNIX系統廠商在1993年成立了通用開放軟件環境聯盟。這些廠家當時包括HP，IBM，Sun，SCO，Novell及UNIX系統實驗室。

自由軟件基金會(FSF）

• 目標是創建一個與UNIX類似的系統，名爲HURD。
• 他們的這項工程稱爲GNU（全稱爲GNU’s Not UNIX）。
• 在編寫HURD的過程中，他們編寫了許多非常有用的、可移植性很強的流行實用程序。
• 例如GNU C 編譯器gcc。用戶既可以得到這些工具的源代碼而自行進行編譯，也可以得到能立即運行的可執行文件。

Linux的體系結構

• 用戶應用：文字處理工具、瀏覽器等用戶應用程序；
• 系統服務：它是操作系統的一部分，但不是內核。包括窗口系- 統、命令解釋程序、應用開發工具（編譯器、系統庫等）
• Linux內核：操作系統內核，完成資源管理功能。
• 硬件控制 ：系統中的所有物理設備控制 。
  

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

• 個人數字助理（Personal Digital Assistants, PDAs）
• 蜂窩電話（Cellular telephones）
• 存在的問題
  • 內存有限(32M – 64M)
  • 低速處理器（只有個人計算機處理器速度的幾分之一）
  • 屏幕小（5英寸×3英寸）