2001-02-19 1
操作系统主讲教师：向勇电话,6278.5609
Email,xyong@tsinghua.edu.cn
助教：张凯捷、杨敏参考书
William Stallings,Operating Systems(3rd edition),
清华大学出版社,1998年 6月
张尧学，史美林，计算机操作系统教程，清华大学出版社,1993年 9月参考书 (续 )
Uresh Vahalia,UNIX高级教程 —系统技术内幕，
清华大学出版社,1999年 5月；
David A,Solomon,Mark E,Russinovich,Inside
Microsoft Windows 2000,3rd Edition,Microsoft
Press,2000,ISBN 0-7356-1021-5
David A,Solomon,Windows NT 技术内幕，清华大学出版社,1999年 7月课程主要内容介绍
用户接口
进程管理
处理机管理
存储管理
文件系统
外部设备管理操作系统的功能
管理系统软硬件资源、
扩展计算机的功能、
向用户提供服务。
课程要求
作业,10%
上机实验,10%
考试或课程报告,70%
– 第 8周提交课程报告方案
– 第 16周完成
Linux内核代码报告,10%
– 要求：接口功能描述、数据结构分析、流程图、代码注释）
第一章 绪论
1.1 什么是操作系统
1.2 操作系统的发展历史
1.3 操作系统的分类
1.4 操作系统的特征
1.5 操作系统的功能
1.6 操作系统的结构
1.7 常用的操作系统
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标
1.1.2 操作系统的作用和组成
1.1.3 操作系统举例返回
1.1.1 操作系统的地位和目标计算机系统
(层次结构 )
软件硬件及固件（裸机）
应用软件系统软件编辑软件，编译软件操作系统图 1.1 计算机系统的组成操作系统在计算机系统中的地位计算机硬件操作系统系统工具应用软件应用用户应用开发人员操作系统开发人员操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下
（是其他软件的共同环境）
引入操作系统的目标
有效性（系统管理人员的观点）：管理和分配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工作流程
方便性（用户的观点）：提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别
可扩充性（开放的观点）：硬件的类型和规模、
操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间的资源共享和互操作操作系统的作用 (1)
OS是计算机硬件、软件资源的管理者。
管理对象包括,CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）；
管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）。
1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用 (2)
OS是用户使用系统硬件、软件的接口。
系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口 GUI）；
系统调用（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）。
操作系统的作用 (3)
OS是扩展机 (extended machine)/虚拟机 (virtual machine)。
在裸机上添加：设备管理、文件管理、
存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对 CPU）；
另外，为合理组织工作流程：作业管理、
进程管理。
操作系统的非形式化定义（关键点）：系统软件，程序模块的集合，资源管理和用户接口功能
1.1.3 操作系统举例
MS OS,MS DOS,MS Windows 3.x,
Windows 95,Windows NT,Windows 2000
UNIX,BSD,SRV4,OSF1,SCO UNIX,
AIX,Solaris,Linux
NOS,Novell Netware
RTOS,VxWorks,pSoS,Nucleus
1.2 操作系统的发展历史
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力
1.2.2 手工操作
1.2.3 单道批处理系统 (simple batch processing)
1.2.4 多道批处理系统 (multiprogramming system)
1.2.5 分时系统 (time-sharing system)
1.2.6 实时系统 (real-time system)
返回
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力
(1) 提高资源的利用率和系统性能：计算机发展的初期，计算机系统昂贵，用作集中计算
(2) 方便用户：用户上机、调试程序，分散计算时的事务处理和非专业用户（商业和办公、家庭）
(3) 器件的发展,CPU的位宽度（指令和数据）、快速外存
―需求推动发展”
1.2.2 手工操作
工作方式
– 用户：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：为机器语言；
– 输入输出：纸带或卡片；
计算机的工作特点
– 用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率低；
– CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片； CPU利用率低；
1946 ~ 50年代（电子管），集中计算（计算中心），
计算机资源昂贵；
主要矛盾
– 计算机处理能力的提高，手工操作的低效率
（造成浪费）；
– 用户独占全机的所有资源；
提高效率的途径
– 专门的操作员，批处理
1.2.3 单道批处理系统
(simple batch processingm,,uniprogramming)
批处理中的作业的组成：
– 用户程序
– 数据
– 作业说明书（作业控制语言）
批：
– 供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软件（系统带）
50年代末 ~ 60年代中（晶体管）：利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个批作业由一个专门的监督程序（ Monitor）自动依次处理。可使用汇编语言开发。
两种批处理方式 (1)
联机批处理
用户提交作业：以纸带或卡片为介质；
操作员合成批作业：结果为磁带介质；
批作业处理：对批作业中的每个作业进行相同的处理：从磁带读入用户作业和编译链接程序，编译链接用户作业，生成可执行程序；启动执行；
执行结果输出。
这时的问题：慢速的输入输出处理仍直接由主机来完成。输入输出时,CPU处于等待状态。
两种批处理方式 (2)
脱机批处理
卫星机：完成面向用户的输入输出（纸带或卡片），
中间结果暂存在磁带或磁盘上。
作业控制命令由监督程序 (monitor)来执行，完成如装入程序、编译、运行等操作。
优点：同一批内各作业的自动依次更替，改善了主机 CPU和 I/O设备的使用效率，提高了吞吐量。
缺点：磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分类，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预才可恢复）。
利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并行工作。
通道和中断技术
通道：用于控制 I/O设备与内存间的数据传输。启动后可独立于 CPU运行，实现 CPU与 I/O的并行。
– 通道有专用的 I/O处理器，可与 CPU并行工作
– 可实现 I/O联机处理
中断是指 CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。
– 中断处理过程：中断请求，中断响应，中断点（暂停当前任务并保存现场），中断处理例程，中断返回（恢复中断点的现场并继续原有任务
– 可处理算术溢出和非法操作码，死循环（利用时钟中断进行超时限定）
监督程序发展为执行系统 (executive system)，常驻内存
60年代初，发展了通道技术和中断技术，这些技术的出现使监督程序在负责作业运行的同时提供 I/O控制功能。
单道批处理的主要问题
CPU和 I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）。
– 对计算为主的作业，外设空闲；
– 对 I/O为主的作业,CPU空闲；
1.2.4 多道批处理系统
(multiprogramming system)
多道批处理的运行特征
– 多道：内存中同时存放几个作业；
– 宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；
– 微观上串行运行：各作业交替使用 CPU；
60年代中 ~ 70年代中（集成电路），利用多道批处理提高资源的利用率。
在当前运行的作业需作 I/O处理时,CPU转而执行另一个作业。（ I/O完成后是否立刻恢复执行？要等到其他程序再次
I/O时）
多道批处理系统的特点
优点：
– 资源利用率高,CPU和内存利用率较高；
– 作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；
缺点：
– 用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，
才与用户交互，不利于调试和修改；
– 作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；
批处理：交互性差－－提高对 CPU利用率；
分时处理：用户与应用程序随时交互，控制程序运行，适于商业和办公事务处理－－缩短响应时间
1.2.5 分时系统
(time-sharing system)
―分时”的含义分时是指多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。
– 多个用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。有用户输入时由 CPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停，
等待下一次用户输入－－时走时停
– 前台和后台程序 (foreground & background)分时：后台程序不占用终端输入输出，不与用户交互－－现在的图形用户界面 (GUI)，除当前交互的程序 (输入焦点 )之外，其他程序均作为后台
– 通常按时间片 (time slice)分配：各个程序在 CPU上执行的轮换时间。
70年代中期至今抢先式和非抢先式
抢先式和非抢先式 (preemptive & non-
preemptive)：出让 CPU是 OS强迫或程序主动
– 抢先式,OS强近出让 CPU；
– 非抢先式：程序主动出让 CPU；
分时系统的特点
人机交互性好：在调试和运行程序时由用户自己操作。
共享主机：多个用户同时使用。
用户独立性：对每个用户而言好象独占主机。
现在的许多操作系统都具有分时处理的功能，在分时系统的基础上，操作系统的发展开始分化，如实时系统、
通用系统、个人系统等。
1.2.6 实时系统 (real-time system)
要求：响应时间短，在一定范围之内；系统可靠性高
任务的类型：
– 周期性实时任务：
– 非周期性实时任务：截止时间 (deadline)，开始截止时间（最晚开始时间）和完成截止时间（最晚完成时间）
用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域，包括实时控制、实时信息处理目前的操作系统，通常具有分时、实时和批处理功能，又称作通用操作系统。可适用于计算、事务处理等多种领域，能运行在多种硬件平台上，如 UNIX系统,Windows NT等。－－通用化、小型化
1.3 操作系统的分类
1.3.1 批处理操作系统
1.3.2 分时操作系统
1.3.3 实时操作系统
1.3.4 多处理操作系统
1.3.5 网络操作系统
1.3.6 分布式操作系统
1.3.7 个人计算机操作系统操作系统分类主要讨论操作系统的内部特征。
返回
1.3.1 批处理操作系统
(Batch Processing Operation System)
作业的处理流程
– 作业提交：作业的输入；
– 作业执行
– 作业完成：作业的输出；
用户作业录入提交 收容完成运行就绪 等待作业调度执行作业调度图 1 批处理系统中作业处理及状态单道 (uniprogramming)和多道批处理的比较单道 多道内存使用 每次一个作业 每次多个作业 （充分利用内存）
作业次序 顺序，先进先出 无确定次序多道程序系统和多处理系统 (multiprocessing system)的区别：
前者指多个程序同时在内存中交替运行，后者指多个处理器。
批处理的主要特征
用户脱机使用计算机：作业提交后直到获得结果之前，用户无法与作业交互。
作业成批处理
多道程序并行：充分利用系统资源。
多道批处理系统的资源利用效率特征多道批处理系统的资源利用效率特征是基于各作业对系统资源的需求差异得到的。
例如：有 3个作业 A,B,C，分别为计算、检索和打印作业，
单道运行时间分别为 5分,15分和 10分钟。它们可并行在 15
分钟内完成 3个作业。各资源的利用效率为：
C PU 打印机 磁带单道 17% 33% 50%
多道 33% 66% 100%
多道批处理系统上的技术
作业调度：作业的现场保存和恢复－－上下文切换
资源共享：资源的竞争和同步－－互斥 (exclusion)和同步 (synchronization)机制
内存使用：提高内存使用效率（为当前由 CPU执行的程序提供足够的内存）－－覆盖 (overlay)，交换 (swap)
和虚拟存储 (virtual memory)
内存保护：系统存储区和各应用程序存储区不可冲突
－－存储保护
文件非顺序存放、随机存取出现：作业管理、处理机管理、存储管理、设备管理、
文件系统管理 (file system)
1.3.2 分时操作系统
(Time Sharing Operating System)
分时的定义把计算机的系统资源（尤其是 CPU时间）进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片（ time slice），
每个用户依次轮流使用时间片。
分时系统的特征
多路性：多个用户同时工作。
– 共享系统资源，提高了资源利用率。节省维护开支，可靠性高：笨终端－－至今仍在使用。促进了计算机的普遍应用，
提高资源利用率：远地用户通过终端（较便宜）联机使用。
独立性：各用户独立操作，互不干扰。
交互性：系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间。
分时系统的类型
单道分时：调入 -调出 (Roll-in/Roll-out)，
I/O开销太大（在有卫星机处理 I/O时，
单道分时是有用的）
前台后台分时：后台存放批处理作业，
内存的划分是固定的，不灵活
多道分时：需要解决加载程序时地址空间重定位的问题分时系统的主要问题
及时接受输入：多个 I/O端口，设立多路缓冲区
及时响应：
– 提高对换速度（快速外存）、
– 限制用户数目、
– 缩短时间片（可能引起对换次数增多，开销增大，程序总运行时间增大）
减少对换信息量：
– 可重入代码 (re-entrant code)；
– 请求页式存储管理：只对换部分程序
1.3.3 实时操作系统
(Real Time Operating System)
实时系统的特征
– 实时时钟管理,提供系统日期和时间、定时和延时等时钟管理功能；
– 过载保护,缓冲区排队，丢弃某些任务，动态调整任务周期；
过载是指进入系统的任务数目超出系统的处理能力。
– 高度可靠性和安全性,容错能力（如故障自动复位）
和冗余备份（双机，关键部件）；
实时操作系统主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域，其主要特征是实时性和可靠性。
实时系统与批处理系统和分时系统的区别
专用系统,许多实时系统是专用系统，而批处理与分时系统通常是通用系统。
实时控制,实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的迅速响应，具有较强的中断处理机构。
高可靠性,实时系统用于控制重要过程，要求高度可靠，具有较高冗余。如双机系统。
事件驱动和队列驱动,实时系统的 工作方式,接受外部消息，分析消息，调用相应处理程序进行处理。
可 与通用系统结合 成通用实时系统：实时处理前台作业，批处理为后台作业。
1.3.4 多处理操作系统
(Multi-processor Operating System)
多处理机系统的特点
– 增加系统的吞吐量,N个处理器加速比达不到 N倍（额外的调度开销，算法的并行化）
– 提高系统可靠性：故障时系统降级运行多处理操作系统的出现是为了提高计算机 系统性能 和 可靠性 。提高性能有两条途径：提高各个组成部分的 速度,增大处理的 并行 程度。 1975年前后，出现多处理机系统
(multi-processor)。
多处理机系统的类型
紧密耦合 (tightly-coupled),各处理机之间通过快速总线或开关阵列相连,共享内存,整体系统由一个 统一的 OS管理（一个 OS核心）。
松散耦合 (loosely-coupled),各处理机带有 各自 的 存储器,I/O设备 和 操作系统,
通过通道或通信线路相连。每个处理机上 独立运行 OS。
多处理操作系统的类型
非对称式 多处理 (Asymmetric Multiprocessing,
ASMP)：又称主从模式 (Master-slave mode)。
– 主处理器,只有一个，运行 OS。管理整个系统的资源，为从处理器分配任务；
– 从处理器,可有多个，执行应用程序或 I/O处理。
– 特点：不同性质任务的 负载 不均,可靠性 不够高，
不易 移植 （通常要求硬件也是 "非对称 "）。
对称式 多处理 (Symmetric Multiprocessing,
SMP),OS交替 在各个处理器上执行。任务 负载较为平均,性能调节容易 －－ "傻瓜式 "
要运行 OS本身,I/O处理（如中断响应）、应用程序对称多处理机与非对称多处理机的比较
1.3.5 网络操作系统
(NOS,Network Operating System)
网络操作系统是在通常 操作系统功能 的基础上提供 网络通信和网络服务功能 的操作系统。网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的 网络资源共享,提供网络用户所需各种服务的 软件和相关规程的集合 。
网络功能与操作系统的结合程度 是网络操作系统的重要性能指标。早期的作法是通常操作系统 附加网络软件,
过渡到网络功能成为操作系统的 有机组成部分 。它们的区别在于：网络功能的强弱、使用是否方便等。
计算机网络一些 自主 的计算机系统，通过通信设施 相互连接,
完成信息 交换,资源 共享,互操作 和 协同工作 等功能。
引入计算机网络的目的：完成 新的应用 （进行自动的信息交换），提高 性能－价格比 （共享昂贵资源）
计算机网络的分类
按 网络拓扑 （传输媒体和网络设备所连接的几何形状）：星形、环形、总线形、不规则形等；
按 地理范围,局域网（ LAN,Local Area
Network）、城域网 (MAN,Metropolitan Area
Network)、广域网 (WAN,Wide Area Network)；
按 网络标准 －－内在特性，决定其性能（如效率随负载的变化、实时性、优先级）
Ethernet,Token Ring,FDDI,X.25,ATM
网络操作系统的功能
通常操作系统的功能,处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等；
网络通信功能,通过网络协议进行高效、可靠的数据传输；
网络资源管理,协调各用户使用；
网络服务,文件和设备共享，信息发布；
网络管理,安全管理、故障管理、性能管理等；
互操作,直接控制对方比交换数据更为困难；
1.3.6 分布式操作系统
(Distributed Operating System)
分布式系统,处理和控制的分散（相对于集中式系统）
分布式系统是以计算机网络为 基础 的，它的基本特征是处理上的分布,即功能和任务的分布。
分布式操作系统的 所有系统任务 可在系统中 任何处理机上运行，自动实现全系统范围内的 任务分配 并 自动调度各处理机的工作负载。
分布式操作系统与网络操作系统的比较
耦合程度,
– 分布式系统是紧密耦合系统：分布式 OS是在各机上统一建立的 "OS同质 "，
直接管理 CPU、存储器和外设；统一进行全系统的管理；
– 网络通常容许 异种 OS互连,各机上各种服务程序需按不同网络协议 "协议同质 "。
并行性,
– 分布式 OS可以将一个进程分散在各机上并行执行 "进程迁移 "；
– 网络则 各机上的进程独立 。
透明性,用户是否知道或指定资源在哪个机器上（如 CPU、内存或外设）。
– 分布式系统的网络资源调度 对用户透明,用户不了解所占有资源的位置；
– 网络操作系统中对网络资源的使用要 由用户明确指定 ；
健壮性,分布式系统要求 更强的容错能力 （工作时系统重构）
1.3.7 个人计算机操作系统
(Personal Computer Operating System)
个人计算机操作系统的特征
– 应用领域,事务处理、个人娱乐，
– 系统要求,使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信）、效率不必很高。
常用的个人计算机操作系统
– 单用户单任务,MS DOS
– 单用户多任务,OS/2,MS Windows 3.x,Windows 95,
Windows NT,Windows 2000 Professional
– 多用户多任务,UNIX(SCO UNIX,Solaris x86,Linux,
FreeBSD)
针对 单用户使用 的个人计算机进行 优化 的操作系统。
1.4 操作系统的特征
1.4.1 操作系统的特征
1.4.2 操作系统的服务返回
1.4.1 操作系统的特征
并发 (concurrency)
共享 (sharing)
虚拟 (virtual)
异步性 (asynchronism)
并发 (concurrency)
在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。
程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称作任务），并发指的是进程。
多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。
操作系统要完成这些并发过程的管理。并行 (parallel)
是指在同一时刻发生。
共享 (sharing)
互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用。
同时访问（如可重入代码，磁盘文件）
资源分配难以达到最优化多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。
资源在一个时间段内交替被多个进程所用。
虚拟 (virtual)
CPU－－每个用户（进程）的 "虚处理机 "
存储器－－每个进程都占有的地址空间（指令
＋数据＋堆栈）
显示设备－－多窗口或虚拟终端 (virtual
terminal)
一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体－－
分时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。
异步性 (asynchronism)
进程的运行速度不可预知：分时系统中，多个进程并发执行,"时走时停 "，不可预知每个进程的运行推进快慢
判据：无论快慢，应该结果相同－－通过进程互斥和同步手段来保证
难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误）
性能保证：实时系统与分时系统相似，但通过资源预留以保证性能也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间的不确定性；
1.4.2 操作系统的服务
服务类型
– 程序执行和终止（包括分配和回收资源）
– I/O操作
– 文件系统操作
– 通信：本机内，计算机之间（通常通信服务的使用者为进程，而不是笼统说 "主机 "）
– 配置管理：硬件,OS本身、其他软件
– 差错检测
服务提供方式：系统命令和系统调用
1.5 操作系统的功能
1.5.1 处理机管理
1.5.2 存储管理
1.5.3 设备管理
1.5.4 信息管理
1.5.5 用户接口返回
1.5.1 处理机管理
进程控制,创建、撤销、挂起、改变运行优先级等－－
主动改变 进程的状态
进程同步,协调 并发进程之间的 推进步骤,以协调资源共享；－－交换信息能力弱
进程通信,进程之间 传送数据,以协调进程间的协作；
－－交换信息能力强，也可以用来协调进程之间的推进
进程调度,作业和进程的运行 切换,以充分利用处理机资源和提高系统性能；－－未必是进程控制操作所引起
（可能是时间片轮转,I/O操作）
– 同一类型内的 公平 性,高效 率（吞吐量大）,作业周转时间 等完成 处理机资源的分配调度 等功能。处理机调度的单位可为进程 或 线程 。
1.5.2 存储管理
存储 分配与回收
存储 保护,保证进程间 互不干扰,相互 保密 ；如：
访问合法性 检查,甚至要防止从 "垃圾 "中窃取其他进程的信息；
地址映射 （变换）：进程 逻辑地址 到内存 物理地址的映射；
内存扩充 （覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存 利用率,扩大进程的内存空间 ；
管理目标：提高 利用率,方便 用户使用、提供 足够的存储空间,
方便进程并发运行。
1.5.3 设备管理
设备操作,利用设备 驱动程序 （通常在内核中）完成对设备的操作。还需处理外设的 IRQ。
设备独立性 (device independence)：提供 统一的 I/O设备接口,使应用程序 独立于物理设备,提高 可适应性 ；
在同样的接口和操作下完成不同的内容（如 FAX
Modem作为 Windows上的打印机设备）。
设备分配与回收,在多用户间 共享 I/O设备资源 。
– 虚拟设备 (virtual device)：设备由多个进程共享，每个进程如同独占。
缓冲区管理,匹配 CPU和外设的 速度,提高两者的利用率（单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区）
设备管理的目标是,方便 的设备使用、提高 CPU与 I/O
设备利用率 ；
1.5.4 信息管理
文件存储空间管理,解决 如何存放 信息，以提高 空间利用率 和 读写性能 。
目录管理,解决信息 检索问题 。文件的 属性 （如文件名）、单一副本赋予多 文件名
文件的读写管理和存取控制,解决信息 安全问题 。
系统设口令 "哪个 用户 "、用户分类 "哪个 用户组 "、
文件权限 "针对用户或用户组的读写权 "
软件管理,软件的 版本,相互依赖关系,安装 和 拆除 等解决 软件资源 的 存储,共享,保密 和 保护 。
1.5.5用户接口
系统命令,供用户用于 组织和控制自己的作业运行 。命令行、菜单式或 GUI"联机 "；命令脚本 "脱机 "
编程接口,供用户程序和系统程序 调用操作系统功能 。系统调用和高级语言库函数；
目标：提供一个 友好 的用户访问操作系统的接口。操作系统向上提供两种接口：
1.6 操作系统的结构
1.6.1整体或模块 结构
1.6.2 分层 结构或虚拟机
1.6.3 客户 /服务器模型或 微内核 结构随着操作系统的发展,功能 越强,OS自身 代码量 越大－－采用 良好的结构,有利于保证 正确性 以及自身 修改 和 扩充 。
返回操作系统的设计原则
可维护性,容易修改 与否称为可维护性；有三种可能的维护：
– 改错 性维护：改正已发现的错误；
– 适应性维护：修改软件，使之适应新的运行环境（硬件环境和软件环境）；如：操作系统的 移植 。
– 完善 性维护：增加新功能；
可靠性,可靠性包括两方面：
– 正确 性：正确实现所要求的功能和性能；
– 稳健 性：对意外（故障和误操作）作出适当的处理；
可理解性,易于理解，以方便 测试,维护 和 交流 ；
性能,有效地使用系统资源；尽可能快地响应用户请求；
1.6.1整体或模块结构
monolithic system or modular system
模块结构的特点,模块 由众多服务过程（模块接口）组成,可以随意调用 其他模块中的服务过程
– 优点：具有一定 灵活 性，在运行中的 高效 率
– 缺点：功能划分和模块接口难保正确和合理；模块之间的依赖关系（功能调用关系） 复杂 （调用深度和方向），降低了模块之间的相对独立性－－ 不利于修改整个系统 按功能 进行设计和模块 划分 。系统是一个单一的、
庞大的的软件系统。这种结构思想来源于 服务功能观点,
而不是资源管理的观点。
1.6.2 分层结构或虚拟机
layered system or virtual machine
从 资源管理观点 出发,划分层次 。在某一层次上代码 只能调用低层次上的代码,使模块间的调用变为 有序性 。系统每加一层，就 构成一个比原来功能更强的虚拟机 。有利于系统的维护性和可靠性 。
分层结构的特点
优点：
– 功能明确,调用关系清晰 （高层对低层单向依赖），有利于保证设计和实现的正确性
– 低层和高层可分别实现（ 便于扩充 ）；高层错误不会影响到低层；避免递归调用
缺点：降低了 运行效率各系统对具体划分 多少层次 有 不同的看法 。
分层原则
被调用功能 在低层：如文件系统管理－－设备管理－－设备驱动程序
活跃功能 在低层：提高运行效率
资源管理的 公用模块 放在最低层：如缓冲区队列、堆栈操作
存储器管理 放在次低层：便于利用虚拟存储功能
最低层的 硬件抽象层,与机器特点紧密相关的软件放在最低层。如 Windows NT中的 HAL－－单处理、多处理
资源分配策略 放在最外层，便于修改或适应不同环境调用跨越 的层次：相邻层（最严格）、所有下层、部分下层
1.6.3 客户 /服务器模型或微内核结构
client-server model or microkernel
微内核 (micro-kernel),将更多操作系统功能放在核心之外，作为独立的服务进程运行；
– 服务进程 （或称作“保护子系统”）
– 客户进程 （系统客户和应用客户）－－需支持多进程
本地过程调用 (LPC,Local Procedure Call),一种进程之间请求 -
应答式的消息（ Message）传递机制。
消息,是一定格式的数据结构。①发起调用，送出请求消息②
请求消息到达并进行处理③送出回答消息④整理回答消息，返回结果；如：对文件 create,read,write
把操作系统分成若干分别完成一组特定功能的 服务进程,等待客户提出请求；而 系统内核只实现操作系统的基本功能 (如：
虚拟存储、消息传递 )。
微内核模式的特点
优点：
– 良好的 扩充性,只需添加支持新功能的服务进程即可
– 可靠性 好：调用关系明确，执行转移不易混乱
– 便于网络服务,实现分布式处理：以同样的调用形式，在下层可通过核心中的网络传送到远方服务器上 (远地过程调用 RPC,Remote Procedure Call)
缺点：
– 消息传递比直接调用 效率 要低一些 (但可以通过提高硬件性能来补偿 )
RPC的过程,RPC应用程序－－ RPC Stub(client)－－
Network－－ RPC Server－－进行本地调用
1.7 常用的操作系统
1.7.1 MS DOS
1.7.2 MS Windows 3.x,Windows 95,
Windows NT,Windows 2000
1.7.3 UNIX
返回
1.7.1 MS DOS
1981年,PC-DOS 1.1,IBM PC,只支持软盘 的个人操作系统；
1983年,DOS2.0,PC XT，支持 硬盘 和 目录的层次结构,并提供 丰富的系统命令 ；
1984年,DOS3.0,PC AT (Intel 80286 CPU),它把 286作为一个快速的 8086使用；
1987年,DOS3.3：提供 对 IBM PS/2的支持 （如 3.5"软驱），
提供了 更多的应用 ；
1988年,DOS4.0：支持 大于 32M的硬盘 ；
1991年,DOS5.0,改进对扩展内存的支持 ；
IBM PC,CPU 8088/8086,BIOS
单用户单任务,简单分层 结构,16位
MS DOS的历史
MS DOS的结构
DOS BIOS(Basic Input/Output System),由一组与硬件相关的设备 驱动程序 组成，实现基本的输入 /输出功能；
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；
命令处理程序,对用户 命令进行分析和执行 ；
B I O S ( 基本输入/ 输出系统)
D O S 核心命令处理程序基本输入 输出系统核心命令处理程序
MS DOS的特点
字符用户界面 。作业管理：命令行，批处理程序（ BAT文件），菜单式。
编程时通过 软中断调用 (int 21h)来使用系统功能。 不区分用户 。
"准多任务 ",通过内存驻留程序 TSR(Terminated and Stay Resident)来实现，
通过时钟中断或键盘中断 "热键 hotkey"来激活其他任务。
不支持虚拟存储，没有存储保护 。采用段式分配 (内存块 )，可直接访问的最大地址空间为 1MB。其余的内存只能通过作为扩展内存 (XMS)或扩充内存 (EMS)来使用。
– XMS是 段式 分配，通过内存数据 搬移 来使用 XMS区域
– EMS是 页式 分配，通过 页面的映射 来使用 EMS区域
– 或者用支持 保护方式 的编程工具
文件系统 为 FAT(File Allocation Table)格式（磁盘卷，多级目录，文件名
8+3 个字符；分区容量最大为 2GB）；有文件属性，没有区分用户的访问权限保护。
设备驱动程序在系统起动时加载。 分为 字符设备 和 块设备 。
1.7.2 MS Windows 3.x,Windows 95,
Windows NT,Windows 2000
1990年,Windows 3.0（成功版本）,16位 OS，借见 Apple Macintosh给出友好的用户界面；
1993年,Windows NT 3.1,32位 OS,支持 DOS和
Windows应用程序 ；
1999年 12月,Windows 2000(Professional,Server,
Advanced Server),32位 OS；
CPU 80386
单用户多任务 （分时系统）,16位 /16和 32位混合 /32位
Windows的历史安全子系统登录进程
Win32
客户
OS/2
客户
POSIX
客户
OS/2
子系统
Win32
子系统
POSIX
子系统硬件抽象层系统服务核心态用户态内核
NT
执行体对象管理器安全引用监视器虚拟内存管理器进程和线程管理器本地过程调用功能高速缓存管理器文件系统驱动程序硬件设备驱动程序
I/O管理 器网络重定向
Windows NT体系结构简化的 Windows2000体系结构
Windows 2000的特点
支持 对称多处理机
真正的 32位操作系统,除 16位应用的支持代码，没有 16位的代码；
完全的 代码可重入 (reentrant)：同一段代码可由多个应用同时访问；
图形用户界面 GUI（和字符用户界面）。
抢先式 多任务和多线程。支持 动态链接 。
虚拟存储,段页式 (有存储保护 )。
兼容 16位 Windows应用,
文件系统,NTFS(HPFS)，支持 安全控制
设备驱动程序,VxD(virtual driver)。
可移植：适用于 多种硬件平台 。
容错 能力。
面向对象特性,用对象来表示所有资源。
1.7.3 UNIX
1965年,MIT的 Multics，由于规模和进展而没有达到目标；
1969年,AT&T,PDP-11上的 16位操作系统 ；
1974年,UNIX系统正式发表 (第五版 )，在大学得到使用和好评；
1980年,University of California at Berkeley为 VAX11发表 BSD4.0；
以后,UNIX就以 AT&T和 Berkeley为主分别开发，有多种变种；
1989年,UI (UNIX International)发表 UNIX system V Res4.0；使
BSD和 System V在用户界面上统一；
1991年芬兰大学生 Linus Benedict Torralds开发了第一个 Linux版本。
1994年,Linux 1.0，现在的最新内核版本是 2.4
多用户多任务,16/32/64位
BSD,SVR4（模块式结构）,OSF/1（微内核结构）
UNIX的历史
UNIX系统：可运行 UNIX应用软件的操作系统。
Bell实验室早期 UNIX和 C
加州大学伯克利分校
BSD4
At&T
的系统 V
HP-UX AIXSolarisSCO UNIX Linux
硬件硬件层硬件控制字符设备设备驱动程序块设备缓冲区管理文件子系统系统调用接口函数库内核层用户程序进程通信进程调度存储管理进程控制子系统传统的UN
IX
结构
text
a.out elfcoff
公共例程可执行格式开关表
NFS
FFS
s5fs
RFS
vnode/
vfs
接口分时进程实时进程系统进程调度框架网络驱动程序终端驱动程序流磁盘驱动程序磁带驱动程序块设备开关表文件映射匿名映射设备映射虚存框架现代 UNIX结构
UNIX系统的特点
字符 用户界面和 图形 用户界面 GUI(X Window)。
抢先式 多任务,多线程 。支持 动态链接 。支持对称式 多处理 。
虚拟存储,段页式,有存储保护。
文件系统,多级目录,文件卷可以在子目录下动态装卸。无文件属性，可有别名。
采用 设备文件 的形式（读写，参数控制）。设备驱动程序修改后需要重新编译连接生成内核。
支持 多种硬件平台 。
易移植,主要代码用 C语言写成；
变种很多,很难标准化。
小结
OS地位、目的、作用和组成
OS发展：主要动力
OS分类：批处理、分时、实时、（通用）、多处理、网络和分布式,PC
OS的结构：模块－－层次－－ Client-Server
OS的特征和服务
OS功能返回作业（任选一题）
分析 MS DOS操作系统的演变过程及其与计算机硬件技术和操作系统技术的关系；
分析 MS Windows操作系统的演变过程及其与计算机硬件技术和操作系统技术的关系；
分析几种主流 UNIX操作系统的演变过程及其与计算机硬件技术和操作系统技术的关系；
每周的作业在下周的第二次上课时提交，过期不计成绩。每个班指定一个联系人，为大家服务。
操作系统主讲教师：向勇电话,6278.5609
Email,xyong@tsinghua.edu.cn
助教：张凯捷、杨敏参考书
William Stallings,Operating Systems(3rd edition),
清华大学出版社,1998年 6月
张尧学，史美林，计算机操作系统教程，清华大学出版社,1993年 9月参考书 (续 )
Uresh Vahalia,UNIX高级教程 —系统技术内幕，
清华大学出版社,1999年 5月；
David A,Solomon,Mark E,Russinovich,Inside
Microsoft Windows 2000,3rd Edition,Microsoft
Press,2000,ISBN 0-7356-1021-5
David A,Solomon,Windows NT 技术内幕，清华大学出版社,1999年 7月课程主要内容介绍
用户接口
进程管理
处理机管理
存储管理
文件系统
外部设备管理操作系统的功能
管理系统软硬件资源、
扩展计算机的功能、
向用户提供服务。
课程要求
作业,10%
上机实验,10%
考试或课程报告,70%
– 第 8周提交课程报告方案
– 第 16周完成
Linux内核代码报告,10%
– 要求：接口功能描述、数据结构分析、流程图、代码注释）
第一章 绪论
1.1 什么是操作系统
1.2 操作系统的发展历史
1.3 操作系统的分类
1.4 操作系统的特征
1.5 操作系统的功能
1.6 操作系统的结构
1.7 常用的操作系统
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标
1.1.2 操作系统的作用和组成
1.1.3 操作系统举例返回
1.1.1 操作系统的地位和目标计算机系统
(层次结构 )
软件硬件及固件（裸机）
应用软件系统软件编辑软件，编译软件操作系统图 1.1 计算机系统的组成操作系统在计算机系统中的地位计算机硬件操作系统系统工具应用软件应用用户应用开发人员操作系统开发人员操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下
（是其他软件的共同环境）
引入操作系统的目标
有效性（系统管理人员的观点）：管理和分配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工作流程
方便性（用户的观点）：提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别
可扩充性（开放的观点）：硬件的类型和规模、
操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间的资源共享和互操作操作系统的作用 (1)
OS是计算机硬件、软件资源的管理者。
管理对象包括,CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）；
管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）。
1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用 (2)
OS是用户使用系统硬件、软件的接口。
系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口 GUI）；
系统调用（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）。
操作系统的作用 (3)
OS是扩展机 (extended machine)/虚拟机 (virtual machine)。
在裸机上添加：设备管理、文件管理、
存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对 CPU）；
另外，为合理组织工作流程：作业管理、
进程管理。
操作系统的非形式化定义（关键点）：系统软件，程序模块的集合，资源管理和用户接口功能
1.1.3 操作系统举例
MS OS,MS DOS,MS Windows 3.x,
Windows 95,Windows NT,Windows 2000
UNIX,BSD,SRV4,OSF1,SCO UNIX,
AIX,Solaris,Linux
NOS,Novell Netware
RTOS,VxWorks,pSoS,Nucleus
1.2 操作系统的发展历史
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力
1.2.2 手工操作
1.2.3 单道批处理系统 (simple batch processing)
1.2.4 多道批处理系统 (multiprogramming system)
1.2.5 分时系统 (time-sharing system)
1.2.6 实时系统 (real-time system)
返回
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力
(1) 提高资源的利用率和系统性能：计算机发展的初期，计算机系统昂贵，用作集中计算
(2) 方便用户：用户上机、调试程序，分散计算时的事务处理和非专业用户（商业和办公、家庭）
(3) 器件的发展,CPU的位宽度（指令和数据）、快速外存
―需求推动发展”
1.2.2 手工操作
工作方式
– 用户：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：为机器语言；
– 输入输出：纸带或卡片；
计算机的工作特点
– 用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率低；
– CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片； CPU利用率低；
1946 ~ 50年代（电子管），集中计算（计算中心），
计算机资源昂贵；
主要矛盾
– 计算机处理能力的提高，手工操作的低效率
（造成浪费）；
– 用户独占全机的所有资源；
提高效率的途径
– 专门的操作员，批处理
1.2.3 单道批处理系统
(simple batch processingm,,uniprogramming)
批处理中的作业的组成：
– 用户程序
– 数据
– 作业说明书（作业控制语言）
批：
– 供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软件（系统带）
50年代末 ~ 60年代中（晶体管）：利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个批作业由一个专门的监督程序（ Monitor）自动依次处理。可使用汇编语言开发。
两种批处理方式 (1)
联机批处理
用户提交作业：以纸带或卡片为介质；
操作员合成批作业：结果为磁带介质；
批作业处理：对批作业中的每个作业进行相同的处理：从磁带读入用户作业和编译链接程序，编译链接用户作业，生成可执行程序；启动执行；
执行结果输出。
这时的问题：慢速的输入输出处理仍直接由主机来完成。输入输出时,CPU处于等待状态。
两种批处理方式 (2)
脱机批处理
卫星机：完成面向用户的输入输出（纸带或卡片），
中间结果暂存在磁带或磁盘上。
作业控制命令由监督程序 (monitor)来执行，完成如装入程序、编译、运行等操作。
优点：同一批内各作业的自动依次更替，改善了主机 CPU和 I/O设备的使用效率，提高了吞吐量。
缺点：磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分类，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预才可恢复）。
利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并行工作。
通道和中断技术
通道：用于控制 I/O设备与内存间的数据传输。启动后可独立于 CPU运行，实现 CPU与 I/O的并行。
– 通道有专用的 I/O处理器，可与 CPU并行工作
– 可实现 I/O联机处理
中断是指 CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。
– 中断处理过程：中断请求，中断响应，中断点（暂停当前任务并保存现场），中断处理例程，中断返回（恢复中断点的现场并继续原有任务
– 可处理算术溢出和非法操作码，死循环（利用时钟中断进行超时限定）
监督程序发展为执行系统 (executive system)，常驻内存
60年代初，发展了通道技术和中断技术，这些技术的出现使监督程序在负责作业运行的同时提供 I/O控制功能。
单道批处理的主要问题
CPU和 I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）。
– 对计算为主的作业，外设空闲；
– 对 I/O为主的作业,CPU空闲；
1.2.4 多道批处理系统
(multiprogramming system)
多道批处理的运行特征
– 多道：内存中同时存放几个作业；
– 宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；
– 微观上串行运行：各作业交替使用 CPU；
60年代中 ~ 70年代中（集成电路），利用多道批处理提高资源的利用率。
在当前运行的作业需作 I/O处理时,CPU转而执行另一个作业。（ I/O完成后是否立刻恢复执行？要等到其他程序再次
I/O时）
多道批处理系统的特点
优点：
– 资源利用率高,CPU和内存利用率较高；
– 作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；
缺点：
– 用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，
才与用户交互，不利于调试和修改；
– 作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；
批处理：交互性差－－提高对 CPU利用率；
分时处理：用户与应用程序随时交互，控制程序运行，适于商业和办公事务处理－－缩短响应时间
1.2.5 分时系统
(time-sharing system)
―分时”的含义分时是指多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。
– 多个用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。有用户输入时由 CPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停，
等待下一次用户输入－－时走时停
– 前台和后台程序 (foreground & background)分时：后台程序不占用终端输入输出，不与用户交互－－现在的图形用户界面 (GUI)，除当前交互的程序 (输入焦点 )之外，其他程序均作为后台
– 通常按时间片 (time slice)分配：各个程序在 CPU上执行的轮换时间。
70年代中期至今抢先式和非抢先式
抢先式和非抢先式 (preemptive & non-
preemptive)：出让 CPU是 OS强迫或程序主动
– 抢先式,OS强近出让 CPU；
– 非抢先式：程序主动出让 CPU；
分时系统的特点
人机交互性好：在调试和运行程序时由用户自己操作。
共享主机：多个用户同时使用。
用户独立性：对每个用户而言好象独占主机。
现在的许多操作系统都具有分时处理的功能，在分时系统的基础上，操作系统的发展开始分化，如实时系统、
通用系统、个人系统等。
1.2.6 实时系统 (real-time system)
要求：响应时间短，在一定范围之内；系统可靠性高
任务的类型：
– 周期性实时任务：
– 非周期性实时任务：截止时间 (deadline)，开始截止时间（最晚开始时间）和完成截止时间（最晚完成时间）
用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域，包括实时控制、实时信息处理目前的操作系统，通常具有分时、实时和批处理功能，又称作通用操作系统。可适用于计算、事务处理等多种领域，能运行在多种硬件平台上，如 UNIX系统,Windows NT等。－－通用化、小型化
1.3 操作系统的分类
1.3.1 批处理操作系统
1.3.2 分时操作系统
1.3.3 实时操作系统
1.3.4 多处理操作系统
1.3.5 网络操作系统
1.3.6 分布式操作系统
1.3.7 个人计算机操作系统操作系统分类主要讨论操作系统的内部特征。
返回
1.3.1 批处理操作系统
(Batch Processing Operation System)
作业的处理流程
– 作业提交：作业的输入；
– 作业执行
– 作业完成：作业的输出；
用户作业录入提交 收容完成运行就绪 等待作业调度执行作业调度图 1 批处理系统中作业处理及状态单道 (uniprogramming)和多道批处理的比较单道 多道内存使用 每次一个作业 每次多个作业 （充分利用内存）
作业次序 顺序，先进先出 无确定次序多道程序系统和多处理系统 (multiprocessing system)的区别：
前者指多个程序同时在内存中交替运行，后者指多个处理器。
批处理的主要特征
用户脱机使用计算机：作业提交后直到获得结果之前，用户无法与作业交互。
作业成批处理
多道程序并行：充分利用系统资源。
多道批处理系统的资源利用效率特征多道批处理系统的资源利用效率特征是基于各作业对系统资源的需求差异得到的。
例如：有 3个作业 A,B,C，分别为计算、检索和打印作业，
单道运行时间分别为 5分,15分和 10分钟。它们可并行在 15
分钟内完成 3个作业。各资源的利用效率为：
C PU 打印机 磁带单道 17% 33% 50%
多道 33% 66% 100%
多道批处理系统上的技术
作业调度：作业的现场保存和恢复－－上下文切换
资源共享：资源的竞争和同步－－互斥 (exclusion)和同步 (synchronization)机制
内存使用：提高内存使用效率（为当前由 CPU执行的程序提供足够的内存）－－覆盖 (overlay)，交换 (swap)
和虚拟存储 (virtual memory)
内存保护：系统存储区和各应用程序存储区不可冲突
－－存储保护
文件非顺序存放、随机存取出现：作业管理、处理机管理、存储管理、设备管理、
文件系统管理 (file system)
1.3.2 分时操作系统
(Time Sharing Operating System)
分时的定义把计算机的系统资源（尤其是 CPU时间）进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片（ time slice），
每个用户依次轮流使用时间片。
分时系统的特征
多路性：多个用户同时工作。
– 共享系统资源，提高了资源利用率。节省维护开支，可靠性高：笨终端－－至今仍在使用。促进了计算机的普遍应用，
提高资源利用率：远地用户通过终端（较便宜）联机使用。
独立性：各用户独立操作，互不干扰。
交互性：系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间。
分时系统的类型
单道分时：调入 -调出 (Roll-in/Roll-out)，
I/O开销太大（在有卫星机处理 I/O时，
单道分时是有用的）
前台后台分时：后台存放批处理作业，
内存的划分是固定的，不灵活
多道分时：需要解决加载程序时地址空间重定位的问题分时系统的主要问题
及时接受输入：多个 I/O端口，设立多路缓冲区
及时响应：
– 提高对换速度（快速外存）、
– 限制用户数目、
– 缩短时间片（可能引起对换次数增多，开销增大，程序总运行时间增大）
减少对换信息量：
– 可重入代码 (re-entrant code)；
– 请求页式存储管理：只对换部分程序
1.3.3 实时操作系统
(Real Time Operating System)
实时系统的特征
– 实时时钟管理,提供系统日期和时间、定时和延时等时钟管理功能；
– 过载保护,缓冲区排队，丢弃某些任务，动态调整任务周期；
过载是指进入系统的任务数目超出系统的处理能力。
– 高度可靠性和安全性,容错能力（如故障自动复位）
和冗余备份（双机，关键部件）；
实时操作系统主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域，其主要特征是实时性和可靠性。
实时系统与批处理系统和分时系统的区别
专用系统,许多实时系统是专用系统，而批处理与分时系统通常是通用系统。
实时控制,实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的迅速响应，具有较强的中断处理机构。
高可靠性,实时系统用于控制重要过程，要求高度可靠，具有较高冗余。如双机系统。
事件驱动和队列驱动,实时系统的 工作方式,接受外部消息，分析消息，调用相应处理程序进行处理。
可 与通用系统结合 成通用实时系统：实时处理前台作业，批处理为后台作业。
1.3.4 多处理操作系统
(Multi-processor Operating System)
多处理机系统的特点
– 增加系统的吞吐量,N个处理器加速比达不到 N倍（额外的调度开销，算法的并行化）
– 提高系统可靠性：故障时系统降级运行多处理操作系统的出现是为了提高计算机 系统性能 和 可靠性 。提高性能有两条途径：提高各个组成部分的 速度,增大处理的 并行 程度。 1975年前后，出现多处理机系统
(multi-processor)。
多处理机系统的类型
紧密耦合 (tightly-coupled),各处理机之间通过快速总线或开关阵列相连,共享内存,整体系统由一个 统一的 OS管理（一个 OS核心）。
松散耦合 (loosely-coupled),各处理机带有 各自 的 存储器,I/O设备 和 操作系统,
通过通道或通信线路相连。每个处理机上 独立运行 OS。
多处理操作系统的类型
非对称式 多处理 (Asymmetric Multiprocessing,
ASMP)：又称主从模式 (Master-slave mode)。
– 主处理器,只有一个，运行 OS。管理整个系统的资源，为从处理器分配任务；
– 从处理器,可有多个，执行应用程序或 I/O处理。
– 特点：不同性质任务的 负载 不均,可靠性 不够高，
不易 移植 （通常要求硬件也是 "非对称 "）。
对称式 多处理 (Symmetric Multiprocessing,
SMP),OS交替 在各个处理器上执行。任务 负载较为平均,性能调节容易 －－ "傻瓜式 "
要运行 OS本身,I/O处理（如中断响应）、应用程序对称多处理机与非对称多处理机的比较
1.3.5 网络操作系统
(NOS,Network Operating System)
网络操作系统是在通常 操作系统功能 的基础上提供 网络通信和网络服务功能 的操作系统。网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的 网络资源共享,提供网络用户所需各种服务的 软件和相关规程的集合 。
网络功能与操作系统的结合程度 是网络操作系统的重要性能指标。早期的作法是通常操作系统 附加网络软件,
过渡到网络功能成为操作系统的 有机组成部分 。它们的区别在于：网络功能的强弱、使用是否方便等。
计算机网络一些 自主 的计算机系统，通过通信设施 相互连接,
完成信息 交换,资源 共享,互操作 和 协同工作 等功能。
引入计算机网络的目的：完成 新的应用 （进行自动的信息交换），提高 性能－价格比 （共享昂贵资源）
计算机网络的分类
按 网络拓扑 （传输媒体和网络设备所连接的几何形状）：星形、环形、总线形、不规则形等；
按 地理范围,局域网（ LAN,Local Area
Network）、城域网 (MAN,Metropolitan Area
Network)、广域网 (WAN,Wide Area Network)；
按 网络标准 －－内在特性，决定其性能（如效率随负载的变化、实时性、优先级）
Ethernet,Token Ring,FDDI,X.25,ATM
网络操作系统的功能
通常操作系统的功能,处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等；
网络通信功能,通过网络协议进行高效、可靠的数据传输；
网络资源管理,协调各用户使用；
网络服务,文件和设备共享，信息发布；
网络管理,安全管理、故障管理、性能管理等；
互操作,直接控制对方比交换数据更为困难；
1.3.6 分布式操作系统
(Distributed Operating System)
分布式系统,处理和控制的分散（相对于集中式系统）
分布式系统是以计算机网络为 基础 的，它的基本特征是处理上的分布,即功能和任务的分布。
分布式操作系统的 所有系统任务 可在系统中 任何处理机上运行，自动实现全系统范围内的 任务分配 并 自动调度各处理机的工作负载。
分布式操作系统与网络操作系统的比较
耦合程度,
– 分布式系统是紧密耦合系统：分布式 OS是在各机上统一建立的 "OS同质 "，
直接管理 CPU、存储器和外设；统一进行全系统的管理；
– 网络通常容许 异种 OS互连,各机上各种服务程序需按不同网络协议 "协议同质 "。
并行性,
– 分布式 OS可以将一个进程分散在各机上并行执行 "进程迁移 "；
– 网络则 各机上的进程独立 。
透明性,用户是否知道或指定资源在哪个机器上（如 CPU、内存或外设）。
– 分布式系统的网络资源调度 对用户透明,用户不了解所占有资源的位置；
– 网络操作系统中对网络资源的使用要 由用户明确指定 ；
健壮性,分布式系统要求 更强的容错能力 （工作时系统重构）
1.3.7 个人计算机操作系统
(Personal Computer Operating System)
个人计算机操作系统的特征
– 应用领域,事务处理、个人娱乐，
– 系统要求,使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信）、效率不必很高。
常用的个人计算机操作系统
– 单用户单任务,MS DOS
– 单用户多任务,OS/2,MS Windows 3.x,Windows 95,
Windows NT,Windows 2000 Professional
– 多用户多任务,UNIX(SCO UNIX,Solaris x86,Linux,
FreeBSD)
针对 单用户使用 的个人计算机进行 优化 的操作系统。
1.4 操作系统的特征
1.4.1 操作系统的特征
1.4.2 操作系统的服务返回
1.4.1 操作系统的特征
并发 (concurrency)
共享 (sharing)
虚拟 (virtual)
异步性 (asynchronism)
并发 (concurrency)
在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。
程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称作任务），并发指的是进程。
多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。
操作系统要完成这些并发过程的管理。并行 (parallel)
是指在同一时刻发生。
共享 (sharing)
互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用。
同时访问（如可重入代码，磁盘文件）
资源分配难以达到最优化多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。
资源在一个时间段内交替被多个进程所用。
虚拟 (virtual)
CPU－－每个用户（进程）的 "虚处理机 "
存储器－－每个进程都占有的地址空间（指令
＋数据＋堆栈）
显示设备－－多窗口或虚拟终端 (virtual
terminal)
一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体－－
分时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。
异步性 (asynchronism)
进程的运行速度不可预知：分时系统中，多个进程并发执行,"时走时停 "，不可预知每个进程的运行推进快慢
判据：无论快慢，应该结果相同－－通过进程互斥和同步手段来保证
难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误）
性能保证：实时系统与分时系统相似，但通过资源预留以保证性能也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间的不确定性；
1.4.2 操作系统的服务
服务类型
– 程序执行和终止（包括分配和回收资源）
– I/O操作
– 文件系统操作
– 通信：本机内，计算机之间（通常通信服务的使用者为进程，而不是笼统说 "主机 "）
– 配置管理：硬件,OS本身、其他软件
– 差错检测
服务提供方式：系统命令和系统调用
1.5 操作系统的功能
1.5.1 处理机管理
1.5.2 存储管理
1.5.3 设备管理
1.5.4 信息管理
1.5.5 用户接口返回
1.5.1 处理机管理
进程控制,创建、撤销、挂起、改变运行优先级等－－
主动改变 进程的状态
进程同步,协调 并发进程之间的 推进步骤,以协调资源共享；－－交换信息能力弱
进程通信,进程之间 传送数据,以协调进程间的协作；
－－交换信息能力强，也可以用来协调进程之间的推进
进程调度,作业和进程的运行 切换,以充分利用处理机资源和提高系统性能；－－未必是进程控制操作所引起
（可能是时间片轮转,I/O操作）
– 同一类型内的 公平 性,高效 率（吞吐量大）,作业周转时间 等完成 处理机资源的分配调度 等功能。处理机调度的单位可为进程 或 线程 。
1.5.2 存储管理
存储 分配与回收
存储 保护,保证进程间 互不干扰,相互 保密 ；如：
访问合法性 检查,甚至要防止从 "垃圾 "中窃取其他进程的信息；
地址映射 （变换）：进程 逻辑地址 到内存 物理地址的映射；
内存扩充 （覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存 利用率,扩大进程的内存空间 ；
管理目标：提高 利用率,方便 用户使用、提供 足够的存储空间,
方便进程并发运行。
1.5.3 设备管理
设备操作,利用设备 驱动程序 （通常在内核中）完成对设备的操作。还需处理外设的 IRQ。
设备独立性 (device independence)：提供 统一的 I/O设备接口,使应用程序 独立于物理设备,提高 可适应性 ；
在同样的接口和操作下完成不同的内容（如 FAX
Modem作为 Windows上的打印机设备）。
设备分配与回收,在多用户间 共享 I/O设备资源 。
– 虚拟设备 (virtual device)：设备由多个进程共享，每个进程如同独占。
缓冲区管理,匹配 CPU和外设的 速度,提高两者的利用率（单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区）
设备管理的目标是,方便 的设备使用、提高 CPU与 I/O
设备利用率 ；
1.5.4 信息管理
文件存储空间管理,解决 如何存放 信息，以提高 空间利用率 和 读写性能 。
目录管理,解决信息 检索问题 。文件的 属性 （如文件名）、单一副本赋予多 文件名
文件的读写管理和存取控制,解决信息 安全问题 。
系统设口令 "哪个 用户 "、用户分类 "哪个 用户组 "、
文件权限 "针对用户或用户组的读写权 "
软件管理,软件的 版本,相互依赖关系,安装 和 拆除 等解决 软件资源 的 存储,共享,保密 和 保护 。
1.5.5用户接口
系统命令,供用户用于 组织和控制自己的作业运行 。命令行、菜单式或 GUI"联机 "；命令脚本 "脱机 "
编程接口,供用户程序和系统程序 调用操作系统功能 。系统调用和高级语言库函数；
目标：提供一个 友好 的用户访问操作系统的接口。操作系统向上提供两种接口：
1.6 操作系统的结构
1.6.1整体或模块 结构
1.6.2 分层 结构或虚拟机
1.6.3 客户 /服务器模型或 微内核 结构随着操作系统的发展,功能 越强,OS自身 代码量 越大－－采用 良好的结构,有利于保证 正确性 以及自身 修改 和 扩充 。
返回操作系统的设计原则
可维护性,容易修改 与否称为可维护性；有三种可能的维护：
– 改错 性维护：改正已发现的错误；
– 适应性维护：修改软件，使之适应新的运行环境（硬件环境和软件环境）；如：操作系统的 移植 。
– 完善 性维护：增加新功能；
可靠性,可靠性包括两方面：
– 正确 性：正确实现所要求的功能和性能；
– 稳健 性：对意外（故障和误操作）作出适当的处理；
可理解性,易于理解，以方便 测试,维护 和 交流 ；
性能,有效地使用系统资源；尽可能快地响应用户请求；
1.6.1整体或模块结构
monolithic system or modular system
模块结构的特点,模块 由众多服务过程（模块接口）组成,可以随意调用 其他模块中的服务过程
– 优点：具有一定 灵活 性，在运行中的 高效 率
– 缺点：功能划分和模块接口难保正确和合理；模块之间的依赖关系（功能调用关系） 复杂 （调用深度和方向），降低了模块之间的相对独立性－－ 不利于修改整个系统 按功能 进行设计和模块 划分 。系统是一个单一的、
庞大的的软件系统。这种结构思想来源于 服务功能观点,
而不是资源管理的观点。
1.6.2 分层结构或虚拟机
layered system or virtual machine
从 资源管理观点 出发,划分层次 。在某一层次上代码 只能调用低层次上的代码,使模块间的调用变为 有序性 。系统每加一层，就 构成一个比原来功能更强的虚拟机 。有利于系统的维护性和可靠性 。
分层结构的特点
优点：
– 功能明确,调用关系清晰 （高层对低层单向依赖），有利于保证设计和实现的正确性
– 低层和高层可分别实现（ 便于扩充 ）；高层错误不会影响到低层；避免递归调用
缺点：降低了 运行效率各系统对具体划分 多少层次 有 不同的看法 。
分层原则
被调用功能 在低层：如文件系统管理－－设备管理－－设备驱动程序
活跃功能 在低层：提高运行效率
资源管理的 公用模块 放在最低层：如缓冲区队列、堆栈操作
存储器管理 放在次低层：便于利用虚拟存储功能
最低层的 硬件抽象层,与机器特点紧密相关的软件放在最低层。如 Windows NT中的 HAL－－单处理、多处理
资源分配策略 放在最外层，便于修改或适应不同环境调用跨越 的层次：相邻层（最严格）、所有下层、部分下层
1.6.3 客户 /服务器模型或微内核结构
client-server model or microkernel
微内核 (micro-kernel),将更多操作系统功能放在核心之外，作为独立的服务进程运行；
– 服务进程 （或称作“保护子系统”）
– 客户进程 （系统客户和应用客户）－－需支持多进程
本地过程调用 (LPC,Local Procedure Call),一种进程之间请求 -
应答式的消息（ Message）传递机制。
消息,是一定格式的数据结构。①发起调用，送出请求消息②
请求消息到达并进行处理③送出回答消息④整理回答消息，返回结果；如：对文件 create,read,write
把操作系统分成若干分别完成一组特定功能的 服务进程,等待客户提出请求；而 系统内核只实现操作系统的基本功能 (如：
虚拟存储、消息传递 )。
微内核模式的特点
优点：
– 良好的 扩充性,只需添加支持新功能的服务进程即可
– 可靠性 好：调用关系明确，执行转移不易混乱
– 便于网络服务,实现分布式处理：以同样的调用形式，在下层可通过核心中的网络传送到远方服务器上 (远地过程调用 RPC,Remote Procedure Call)
缺点：
– 消息传递比直接调用 效率 要低一些 (但可以通过提高硬件性能来补偿 )
RPC的过程,RPC应用程序－－ RPC Stub(client)－－
Network－－ RPC Server－－进行本地调用
1.7 常用的操作系统
1.7.1 MS DOS
1.7.2 MS Windows 3.x,Windows 95,
Windows NT,Windows 2000
1.7.3 UNIX
返回
1.7.1 MS DOS
1981年,PC-DOS 1.1,IBM PC,只支持软盘 的个人操作系统；
1983年,DOS2.0,PC XT，支持 硬盘 和 目录的层次结构,并提供 丰富的系统命令 ；
1984年,DOS3.0,PC AT (Intel 80286 CPU),它把 286作为一个快速的 8086使用；
1987年,DOS3.3：提供 对 IBM PS/2的支持 （如 3.5"软驱），
提供了 更多的应用 ；
1988年,DOS4.0：支持 大于 32M的硬盘 ；
1991年,DOS5.0,改进对扩展内存的支持 ；
IBM PC,CPU 8088/8086,BIOS
单用户单任务,简单分层 结构,16位
MS DOS的历史
MS DOS的结构
DOS BIOS(Basic Input/Output System),由一组与硬件相关的设备 驱动程序 组成，实现基本的输入 /输出功能；
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；
命令处理程序,对用户 命令进行分析和执行 ；
B I O S ( 基本输入/ 输出系统)
D O S 核心命令处理程序基本输入 输出系统核心命令处理程序
MS DOS的特点
字符用户界面 。作业管理：命令行，批处理程序（ BAT文件），菜单式。
编程时通过 软中断调用 (int 21h)来使用系统功能。 不区分用户 。
"准多任务 ",通过内存驻留程序 TSR(Terminated and Stay Resident)来实现，
通过时钟中断或键盘中断 "热键 hotkey"来激活其他任务。
不支持虚拟存储，没有存储保护 。采用段式分配 (内存块 )，可直接访问的最大地址空间为 1MB。其余的内存只能通过作为扩展内存 (XMS)或扩充内存 (EMS)来使用。
– XMS是 段式 分配，通过内存数据 搬移 来使用 XMS区域
– EMS是 页式 分配，通过 页面的映射 来使用 EMS区域
– 或者用支持 保护方式 的编程工具
文件系统 为 FAT(File Allocation Table)格式（磁盘卷，多级目录，文件名
8+3 个字符；分区容量最大为 2GB）；有文件属性，没有区分用户的访问权限保护。
设备驱动程序在系统起动时加载。 分为 字符设备 和 块设备 。
1.7.2 MS Windows 3.x,Windows 95,
Windows NT,Windows 2000
1990年,Windows 3.0（成功版本）,16位 OS，借见 Apple Macintosh给出友好的用户界面；
1993年,Windows NT 3.1,32位 OS,支持 DOS和
Windows应用程序 ；
1999年 12月,Windows 2000(Professional,Server,
Advanced Server),32位 OS；
CPU 80386
单用户多任务 （分时系统）,16位 /16和 32位混合 /32位
Windows的历史安全子系统登录进程
Win32
客户
OS/2
客户
POSIX
客户
OS/2
子系统
Win32
子系统
POSIX
子系统硬件抽象层系统服务核心态用户态内核
NT
执行体对象管理器安全引用监视器虚拟内存管理器进程和线程管理器本地过程调用功能高速缓存管理器文件系统驱动程序硬件设备驱动程序
I/O管理 器网络重定向
Windows NT体系结构简化的 Windows2000体系结构
Windows 2000的特点
支持 对称多处理机
真正的 32位操作系统,除 16位应用的支持代码，没有 16位的代码；
完全的 代码可重入 (reentrant)：同一段代码可由多个应用同时访问；
图形用户界面 GUI（和字符用户界面）。
抢先式 多任务和多线程。支持 动态链接 。
虚拟存储,段页式 (有存储保护 )。
兼容 16位 Windows应用,
文件系统,NTFS(HPFS)，支持 安全控制
设备驱动程序,VxD(virtual driver)。
可移植：适用于 多种硬件平台 。
容错 能力。
面向对象特性,用对象来表示所有资源。
1.7.3 UNIX
1965年,MIT的 Multics，由于规模和进展而没有达到目标；
1969年,AT&T,PDP-11上的 16位操作系统 ；
1974年,UNIX系统正式发表 (第五版 )，在大学得到使用和好评；
1980年,University of California at Berkeley为 VAX11发表 BSD4.0；
以后,UNIX就以 AT&T和 Berkeley为主分别开发，有多种变种；
1989年,UI (UNIX International)发表 UNIX system V Res4.0；使
BSD和 System V在用户界面上统一；
1991年芬兰大学生 Linus Benedict Torralds开发了第一个 Linux版本。
1994年,Linux 1.0，现在的最新内核版本是 2.4
多用户多任务,16/32/64位
BSD,SVR4（模块式结构）,OSF/1（微内核结构）
UNIX的历史
UNIX系统：可运行 UNIX应用软件的操作系统。
Bell实验室早期 UNIX和 C
加州大学伯克利分校
BSD4
At&T
的系统 V
HP-UX AIXSolarisSCO UNIX Linux
硬件硬件层硬件控制字符设备设备驱动程序块设备缓冲区管理文件子系统系统调用接口函数库内核层用户程序进程通信进程调度存储管理进程控制子系统传统的UN
IX
结构
text
a.out elfcoff
公共例程可执行格式开关表
NFS
FFS
s5fs
RFS
vnode/
vfs
接口分时进程实时进程系统进程调度框架网络驱动程序终端驱动程序流磁盘驱动程序磁带驱动程序块设备开关表文件映射匿名映射设备映射虚存框架现代 UNIX结构
UNIX系统的特点
字符 用户界面和 图形 用户界面 GUI(X Window)。
抢先式 多任务,多线程 。支持 动态链接 。支持对称式 多处理 。
虚拟存储,段页式,有存储保护。
文件系统,多级目录,文件卷可以在子目录下动态装卸。无文件属性，可有别名。
采用 设备文件 的形式（读写，参数控制）。设备驱动程序修改后需要重新编译连接生成内核。
支持 多种硬件平台 。
易移植,主要代码用 C语言写成；
变种很多,很难标准化。
小结
OS地位、目的、作用和组成
OS发展：主要动力
OS分类：批处理、分时、实时、（通用）、多处理、网络和分布式,PC
OS的结构：模块－－层次－－ Client-Server
OS的特征和服务
OS功能返回作业（任选一题）
分析 MS DOS操作系统的演变过程及其与计算机硬件技术和操作系统技术的关系；
分析 MS Windows操作系统的演变过程及其与计算机硬件技术和操作系统技术的关系；
分析几种主流 UNIX操作系统的演变过程及其与计算机硬件技术和操作系统技术的关系；
每周的作业在下周的第二次上课时提交，过期不计成绩。每个班指定一个联系人，为大家服务。
