第1章 操作系统引论

1、计算机操作系统计算机操作系统 Computer Operating System n张尧学，史美林，计算机操作系统教程张尧学，史美林，计算机操作系统教程( (第第3 3版版) )， 清华大学出版社，清华大学出版社，20062006年年 n孙钟秀，操作系统教程孙钟秀，操作系统教程( (第第3 3版版) ) ，高等教育出，高等教育出 版社，版社，20032003年年8 8月月 nAbraham SilberschatzAbraham Silberschatz, Operating System , Operating System Concepts(6rd edition), Concepts(6

2、rd edition), 高等教育出版社，高等教育出版社， 20022002年年5 5月月 nWilliam Stallings, William Stallings, 操作系统内核与设计原操作系统内核与设计原 理理( (第四版第四版), ), 电子工业出版社电子工业出版社, 2005, 2005年年1 1月月 n通过本课程的学习，较好地掌握计算机通过本课程的学习，较好地掌握计算机 基本原理、基本设计方法及设计中所用基本原理、基本设计方法及设计中所用 的算法、操作系统的基本结构及各个功的算法、操作系统的基本结构及各个功 能模块的主要实现技术，从而理解计算能模块的主要实现技术，从而理解计算 机操

3、作系统的整个设计过程及重要设计机操作系统的整个设计过程及重要设计 技术。同时还可以提高计算机专业素质，技术。同时还可以提高计算机专业素质， 提高学生的抽象思维能力和程序设计能提高学生的抽象思维能力和程序设计能 力。力。 课程目的课程目的 不是如何使用操作系统不是如何使用操作系统 而是理解操作系统如何工作而是理解操作系统如何工作 n OSOS工作方式工作方式 n OSOS内部算法和数据结构内部算法和数据结构 n 设计设计OSOS过程中的问题、解决方案和折过程中的问题、解决方案和折 中权衡中权衡 Operating Systems are to Computer Science what math

4、ematics is to engineering Dave Probert, Ph.D. Architect, Windows Kernel Group Windows Core Operating Systems Division Microsoft Corporation 操作系统的地位操作系统的地位 n实践性强（从实践总结出原理）实践性强（从实践总结出原理） n涉及面广（并行程序，性能问题，结构问涉及面广（并行程序，性能问题，结构问 题，程序方法论，软件工程，等等）题，程序方法论，软件工程，等等） n错综复杂、纵横交叉错综复杂、纵横交叉 n如何学好操作系统？如何学好操作系统？ Lear

5、n OS concepts by coding them!Learn OS concepts by coding them! 操作系统课程的特点操作系统课程的特点 n 设计操作系统或者修改现有的系统。存在设计操作系统或者修改现有的系统。存在 人们意识不到的大量人们意识不到的大量“操作系统操作系统”- -嵌入式系嵌入式系 统统(Embedded OS(Embedded OS） n 加深对使用的加深对使用的OSOS的理解，有利于深入编程的理解，有利于深入编程 用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道 n 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法，编程时借鉴操作系统

6、的设计思想和算法， 操作系统中所用的许多概念和技巧可以操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应推广应 用到其他领域用到其他领域 n 选择购买操作系统选择购买操作系统 n 我们并不总使用我们并不总使用Win95/NT/2000/XPWin95/NT/2000/XP 为什么学习操作系统为什么学习操作系统? n 涉及到计算机科学的很多领域涉及到计算机科学的很多领域 计算机体系结构计算机体系结构/ /硬件硬件 软件设计软件设计 程序设计语言程序设计语言 数据结构数据结构 算法算法 网络网络 学习核心技术并能在其他地方应用之 应聘工作 为什么学习操作系统为什么学习操作系统? 课程主要内容介绍课程主要内容

7、介绍 n用户接口用户接口 n进程管理进程管理 n处理机管理处理机管理 n存储管理存储管理 n文件系统文件系统 n外部设备管理外部设备管理 操作系统的功能操作系统的功能 管理系统软硬件资源、管理系统软硬件资源、 扩展计算机的功能、扩展计算机的功能、 向用户提供服务。向用户提供服务。 课程考核办法课程考核办法 n作业：作业：20% n考勤：考勤：20% n期末考试：期末考试：60% 1.1 1.1 什么是操作系统什么是操作系统 1.2 1.2 操作系统的发展历史操作系统的发展历史 1.3 1.3 操作系统的分类操作系统的分类 1.4 1.4 操作系统的特征操作系统的特征 1.5 1.5 操作系统的

8、功能操作系统的功能 1.6 1.6 操作系统的结构操作系统的结构 1.7 1.7 常用的操作系统常用的操作系统 教学目的与要求教学目的与要求 n了解操作系统的发展过程了解操作系统的发展过程 n理解操作系统的目标和作用理解操作系统的目标和作用 n理解操作系统的结构设计方法理解操作系统的结构设计方法 n掌握操作系统的基本特征和功能掌握操作系统的基本特征和功能 n掌握三种基本操作系统的基本原理和异同掌握三种基本操作系统的基本原理和异同 1.1 什么是操作系统什么是操作系统 1.1.1 操作系统的地位和目标操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用和组成操作系统的作用和组成 1.1.3 操作系统

9、举例操作系统举例 返回 1.1.1 操作系统的地位和目标操作系统的地位和目标 图图1.1 计算机系统的组成计算机系统的组成 计算机系统计算机系统 (层次结构层次结构) 软件软件 硬件及固件（裸机）硬件及固件（裸机） 应用软件应用软件 系统软件系统软件 编辑软件，编译软件编辑软件，编译软件 操作系统操作系统 操作系统在计算机系统中的地位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 操作系统的地位操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下 （是其他软件的共同环境）（是其他软件的共同环境）

10、 引入操作系统的目标引入操作系统的目标 n有效性（系统管理人员的观点）：管理和分有效性（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配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工 作流程作流程 n方便性（用户的观点）：提供良好的、一致方便性（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的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差 别别 n可扩充性（开放的观点）：硬件的类型和规可扩充性（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系统之间的资源共享和互操作 n开放性开放

11、性 操作系统的作用操作系统的作用(1) 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用 n系统命令（命令行、菜单式、命令脚本系统命令（命令行、菜单式、命令脚本 式）式）； n系统调用（形式上类似于过程调用，在系统调用（形式上类似于过程调用，在 应用编程中使用）。应用编程中使用）。 n图形用户接口图形用户接口GUI OS是用户使用系统硬件、软件的接口。是用户使用系统硬件、软件的接口。 n管理对象包括：管理对象包括：CPU、存储器、外、存储器、外 部设备、信息（数据和软件）；部设备、信息（数据和软件）； n管理的内容：资源的当前状态（数管理的内容：资源的当前状态（数 量和使用情况）、资源的分配、回量和使

12、用情况）、资源的分配、回 收和访问操作，相应管理策略（包收和访问操作，相应管理策略（包 括用户权限）。括用户权限）。 OS是计算机硬件、软件资源的管理者。是计算机硬件、软件资源的管理者。 n在裸机上添加：设备管理、文件管理、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）、处理机存储管理（针对内存和外存）、处理机 管理（针对管理（针对CPU）；）； n另外，为合理组织工作流程：作业管理、另外，为合理组织工作流程：作业管理、 进程管理。进程管理。 操作系统的非形式化定义操作系统的非形式化定义：系统软件，程序模：系统软件，程序模 块的集合，资源管理和用户接口功能块的集合，资源管理和用

13、户接口功能 OS是扩展机是扩展机(extended machine)/虚拟机虚拟机 (virtual machine)。 nResource allocator manages and allocates resources. nControl program controls the execution of user programs and operations of I/O devices . nKernel the one program running at all times (all else being application programs). 1.1.3 推动操作系统发

14、展的主要动力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，用作集中计展的初期，计算机系统昂贵，用作集中计 算算 (2) 方便用户：用户上机、调试程序，分散方便用户：用户上机、调试程序，分散 计算时的事务处理和非专业用户（商业和计算时的事务处理和非专业用户（商业和 办公、家庭）办公、家庭） (3) 器件的发展：器件的发展：CPU的位宽度（指令和数的位宽度（指令和数 据）、快速外存据）、快速外存 (4) 计算机体系结构的不断发展：多处理机计算机体系结构的不断发展：多处理机 系统、网络操作系统系统、网络操作系统

15、 “需求推动发展需求推动发展” 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 1.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统 1.2.2 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统(simple batch (simple batch processing)processing) 1.2.3 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统(multiprogramming (multiprogramming system) system) 1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统(time-sharing system)(time-sharing system) 1.2.5 1.

16、2.5 实时系统实时系统(real-time system)(real-time system) 返回 1. 手工操作手工操作 n工作方式工作方式 n用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业 人员；人员； n编程语言：为机器语言；编程语言：为机器语言； n输入输出：纸带或卡片；输入输出：纸带或卡片； n计算机的工作特点计算机的工作特点 n用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率 低；低； nCPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成等待用户：计算前，手工装入纸带或卡

17、片；计算完成 后，手工卸取纸带或卡片；后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；利用率低； 1946 50年代（电子管），集中计算（计算中心），年代（电子管），集中计算（计算中心）， 计算机资源昂贵；计算机资源昂贵； n主要矛盾主要矛盾 n计算机处理能力的提高，手工操计算机处理能力的提高，手工操 作的低效率（造成浪费）；作的低效率（造成浪费）； n用户独占全机的所有资源；用户独占全机的所有资源； n提高效率的途径提高效率的途径 n专门的操作员，批处理专门的操作员，批处理 2. 脱机输入脱机输入/输出输出(Off-Line I/O)方式方式 这种脱机这种脱机I/O方式的主要优点如下：方式的主要优点

18、如下： (1)减少了减少了CPU的空闲时间。的空闲时间。 (2) 提高提高I/O速度。速度。 输入设备外围机磁盘 主机 外围机输出设备 图 1-2 脱机I/O示意图 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统 1. 单道批处理系统单道批处理系统(Simple Batch Processing System)的处理过程的处理过程 图图 1-3 单道批处理系统的处理流程单道批处理系统的处理流程 把下一个作业的源 程序转换为目标程 序 源程序 有错吗？ 否 装 配 目标程序 还有下 一个作业？ 是 否 停止 运 行 目标程序 是 开始 单道批处理系统是最早出现的一种单道批处理系统是最早出现的一种OSO

19、S，严格地，严格地 说，它只能算作是说，它只能算作是OSOS的前身而并非是现在人们所的前身而并非是现在人们所 理解的理解的OSOS。尽管如此，该系统比起人工操作方式。尽管如此，该系统比起人工操作方式 的系统已有很大进步。的系统已有很大进步。 该系统的主要特征如下：该系统的主要特征如下： (1) (1) 自动性。自动性。 (2) (2) 顺序性。顺序性。 (3) (3) 单道性。单道性。 2. 单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征 1.2.4 多道批处理系统多道批处理系统 (multiprogramming system) 60年代中年代中 70年代中（集成电路），利用多道批处理提高资年代中

20、（集成电路），利用多道批处理提高资 源的利用率。源的利用率。 Several jobs are kept in main memory at the same time, and the CPU is multiplexed among them. 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 批处理系统中作业处理及状态批处理系统中作业处理及状态 1、引入多道程序设计技术带来的好处、引入多道程序设计技术带来的好处 n提高提高CPU的利用率。的利用率。 n可提高内存和可提高内存和I/O设备利用率。设备利用率。 n增加系统吞吐量。增加系统吞吐量。 t1t2t3t4t5t6

21、t7t8 结束中断 I/O 完成启动 I/O I/O 中断请求 I/O 完成启动 I/O I/O 中断请求 用户程序 监督程序 I/O 操作 (a) 单道程序运行情况 程序A 程序A I/O 请求程序A I/O 完成 程序B 程序B I/O 请求 程序C 程序C I/O 请求 程序D 程序D I/O 请求 C I/O 完成C 再被调度 程序B I/O 完成 程序A再被调度 程序A 程序B 程序C 程序D 调度程序 (b) 四道程序运行情况 A完成 结束中断 图图 1-4 单道和多道程序运行情况单道和多道程序运行情况 2、多道批处理的运行特征、多道批处理的运行特征 多道：内存中同时存放几个作业；

22、多道：内存中同时存放几个作业； 无序性：都处于运行状态，完成无先无序性：都处于运行状态，完成无先 后顺序；后顺序； 调度性：调度性：1、作业调度；、作业调度；2、进程调度、进程调度 在当前运行的作业需作在当前运行的作业需作I/O处理时，处理时，CPU转而转而 执行另一个作业。（执行另一个作业。（I/O完成后是否立刻恢复完成后是否立刻恢复 执行？要等到其他程序再次执行？要等到其他程序再次I/O时）时） 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多道程序系统和多处理系统(multiprocessing syste

23、m)的区别：前者指多个程序同时在内的区别：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。存中交替运行，后者指多个处理器。 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 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。源的需求差异得到的。 例如：有例如：有3个作业个作业A、B、C，分别为计算、检索和打印作业，分别为计算、检索和打印作业， 单道运行时间分别为单道运行时间分别为5分、分、15分和分和10分钟。它们可并行在分钟。它们可并行在15 分钟内完成分钟内完成3个作业。各资源的利用效率为：

24、个作业。各资源的利用效率为： C P U 打 印 机 磁 带 单 道 1 7 % 3 3 % 5 0 % 多 道 3 3 % 6 6 % 1 0 0 % 3、多道批处理系统的优缺点、多道批处理系统的优缺点 n优点：优点： n资源利用率高：资源利用率高：CPU和内存利用率较高；和内存利用率较高； n作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大； n缺点：缺点： n用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，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；才与用户交互，不利于调试和修改； n作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增作

25、业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增 长；长； 批处理：交互性差提高对批处理：交互性差提高对CPU利用率；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业和办公事务处理缩短响应时间 n处理机管理问题。处理机管理问题。 n内存管理问题。内存管理问题。 nI/O设备管理问题。设备管理问题。 n文件管理问题。文件管理问题。 n作业管理问题。作业管理问题。 4、 多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统需要解决的问题 操作系统操作系统 是一组控制和管理计算机硬件和软件资是一组控制和管理计算机硬件

26、和软件资 源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户 使用的程序的集合。使用的程序的集合。 1.2.5 分时系统分时系统 (time-sharing system) n“分时分时”的含义分时是指多个用户分享使用同一台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。计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。 n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 用户输入时由用户

27、输入时由CPUCPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停，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等待下一次用户输入时走时停 n前台和后台程序前台和后台程序(foreground & background)(foreground & background)分时：后台分时：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 用户界面用户界面(GUI)(GUI)，除当前交互的程序，除当前交互的程序( (输入焦点输入焦点) )之外，其之外，其 他程序均作为后台他程序均作为后台 n通常按时间片通常按时间片(time slice)(t

28、ime slice)分配：各个程序在分配：各个程序在CPUCPU上执行上执行 的轮换时间。的轮换时间。 70年代中期至今 分时系统的特点分时系统的特点 n多路性：多个用户同时使用。多路性：多个用户同时使用。 n独立性：对每个用户而言好象独占主机。独立性：对每个用户而言好象独占主机。 n及时性：及时性： n人机交互性好：在调试和运行程序时由人机交互性好：在调试和运行程序时由 用户自己操作。用户自己操作。 现在的许多操作系统都具有分时处理的功能，在分时系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、统的基础上，操作系统的发展开始分化，如实时系统、

29、 通用系统、个人系统等。通用系统、个人系统等。 1.2.6 实时系统实时系统 (real-time system) n要求：响应时间短，在一定范围之内；系统可靠性高要求：响应时间短，在一定范围之内；系统可靠性高 n任务的类型：任务的类型： n周期性实时任务：周期性实时任务： n非周期性实时任务：截止时间非周期性实时任务：截止时间(deadline)，开始截止时间，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）（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、实时信息处理控

30、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，如在多种硬件平台上，如 UNIX系统、系统、Windows NT等。通用等。通用 化、小型化化、小型化 1.2.7 多处理操作系统多处理操作系统 (Multi-processor Operating System) n多处理机系统的特点多处理机系统的特点 n增加系统的吞吐量：增加系统的吞吐量：N个处理器加速比达不个处理器加速比达不 到到N倍（

31、额外的调度开销，算法的并行化）倍（额外的调度开销，算法的并行化） n提高系统可靠性：故障时系统降级运行提高系统可靠性：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多处理操作系统的出现是为了提高计算机系统性系统性 能能和和可靠性可靠性。提高性能有两条途径：提高各个组。提高性能有两条途径：提高各个组 成部分的成部分的速度速度、增大处理的、增大处理的并行并行程度。程度。1975年前年前 后，出现多处理机系统后，出现多处理机系统(multi-processor)。 1.2.8 网络操作系统网络操作系统 (NOS, Network Operating System) 网络操作系统是在通常网络

32、操作系统是在通常操作系统功能操作系统功能的基础上提的基础上提 供供网络通信和网络服务功能网络通信和网络服务功能的操作系统。网络操的操作系统。网络操 作系统为网上计算机进行方便而有效的作系统为网上计算机进行方便而有效的网络资源网络资源 共享共享，提供网络用户所需各种服务的，提供网络用户所需各种服务的软件和相关软件和相关 规程的集合规程的集合。 网络功能与操作系统的结合程度网络功能与操作系统的结合程度是网络操作系统是网络操作系统 的重要性能指标。早期的作法是通常操作系统的重要性能指标。早期的作法是通常操作系统附附 加网络软件加网络软件，过渡到网络功能成为操作系统的，过渡到网络功能成为操作系统的有有

33、 机组成部分机组成部分。它们的区别在于：网络功能的强弱、。它们的区别在于：网络功能的强弱、 使用是否方便等。使用是否方便等。 计算机网络计算机网络 一些一些自主自主的计算机系统，通过通信设施的计算机系统，通过通信设施相互相互 连接连接，完成信息，完成信息交换交换、资源、资源共享共享、互操作互操作和和 协同工作协同工作等功能。等功能。 引入计算机网络的目的：完成引入计算机网络的目的：完成新的应用新的应用（进（进 行自动的信息交换），提高行自动的信息交换），提高性能价格比性能价格比 （共享昂贵资源）（共享昂贵资源） 计算机网络的分类计算机网络的分类 n按按网络拓扑网络拓扑（传输媒体和网络设备所连接

34、的几何形状）：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；星形、环形、总线形、不规则形等； n按按地理范围地理范围：局域网（局域网（LAN, Local Area Network）、）、 城域网城域网(MAN, Metropolitan Area Network)、广域网、广域网 (WAN, Wide Area Network)； n按按网络标准网络标准内在特性，决定其性能（如效率随内在特性，决定其性能（如效率随 负载的变化、实时性、优先级）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网络

35、操作系统的功能 n通常操作系统的功能通常操作系统的功能：处理机管理、存储器：处理机管理、存储器 管理、设备管理、文件管理等；管理、设备管理、文件管理等； n网络通信功能网络通信功能：通过网络协议进行高效、可：通过网络协议进行高效、可 靠的数据传输；靠的数据传输； n网络资源管理网络资源管理：协调各用户使用；：协调各用户使用； n网络服务网络服务：文件和设备共享，信息发布；：文件和设备共享，信息发布； n网络管理网络管理：安全管理、故障管理、性能管理：安全管理、故障管理、性能管理 等；等； n互操作互操作：直接控制对方比交换数据更为困难；：直接控制对方比交换数据更为困难； 1.2.9 分布式操作

36、系统分布式操作系统 (Distributed Operating System) 分布式系统：处理和控制的分散（相对于集分布式系统：处理和控制的分散（相对于集 中式系统）中式系统） 分布式系统是以计算机网络为基础的，它的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，即功能和任务的基本特征是处理上的分布，即功能和任务的 分布。分布。 分布式操作系统的所有系统任务可在系统中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。的任务分配并自动调度各处理机的工作负载。 1.2.1

37、0 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 什么是嵌入式系统？什么是嵌入式系统？ 在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的 软硬件系统软硬件系统 它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，它们是一个大设备、装置或系统中的一部分， 这个大设备、装置或系统可以不是这个大设备、装置或系统可以不是“计算机计算机” 由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中， 因此称为嵌入式系统因此称为嵌入式系统 嵌入式操作系统，是运行在嵌入式智能嵌入式操作系统，是运行在嵌入式智能 芯片环境中，对整个智能芯片以及它所芯片环境中，对整个智能芯片以及它所 操作

38、、控制的各种部件装置等等资源进操作、控制的各种部件装置等等资源进 行统一协调、调度、指挥和控制的系统行统一协调、调度、指挥和控制的系统 软件软件. . 在嵌入式系统中的在嵌入式系统中的OSOS，称为嵌入式操作系统，称为嵌入式操作系统 1.3 操作系统的特征操作系统的特征 1.3.1 操作系统的特征操作系统的特征 1.3.2 操作系统的服务操作系统的服务 返回 1.3.1 操作系统的特征操作系统的特征 n并发并发(concurrency) n共享共享(sharing) n虚拟虚拟(virtual) n异步性异步性(asynchronism) 并发并发(concurrency) n在多道程序处理时

39、，宏观上并发，微观上交替在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替 执行（在单处理器情况下）。执行（在单处理器情况下）。 n程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是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。进程（或称作任务），并发指的是进程。 并行性并行性(parallel)是指两个或多个事件在同一时刻发生。是指两个或多个事件在同一时刻发生。 并发性并发性（concurrence）是指两个或多个事件在同一）是指两个或多个事件在同一 时间间隔内发生。时间间隔内发生。 操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，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

40、并发。操作系统要完成这些并发过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。程的管理。 共享共享(sharing) n互斥共享（如音频设备）：资源分配互斥共享（如音频设备）：资源分配 后到释放前，不能被其他进程所用。后到释放前，不能被其他进程所用。 n同时访问（如可重入代码，磁盘文件）同时访问（如可重入代码，磁盘文件） 多个进程共享有限的计算机系统资源。操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。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。资源在一个时间段内交替被多个进程所用。 虚拟虚拟(virtual) nCPU每

41、个用户（进程）的每个用户（进程）的虚处理机虚处理机 n虚拟存储器每个进程都占有的地址空间虚拟存储器每个进程都占有的地址空间 （指令数据堆栈）（指令数据堆栈） n虚拟设备技术多窗口或虚拟终端虚拟设备技术多窗口或虚拟终端(virtual terminal)，SPOOLINg技术，虚拟信道技术，虚拟信道 虚拟是指通过某种技术（分时或分空间）把一个虚拟是指通过某种技术（分时或分空间）把一个 物理实体映射为若干个对应的逻辑实体。虚拟是物理实体映射为若干个对应的逻辑实体。虚拟是 操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源 利用率。利用率。 异步性异步性(async

42、hronism) n进程的运行速度不可预知：分时系统中，进程的运行速度不可预知：分时系统中， 多个进程并发执行，多个进程并发执行， 时走时停时走时停 ，不可，不可 预知每个进程的运行推进快慢预知每个进程的运行推进快慢 n判据：无论快慢，应该结果相同通判据：无论快慢，应该结果相同通 过进程互斥和同步手段来保证过进程互斥和同步手段来保证 n难以重现系统在某个时刻的状态（包括难以重现系统在某个时刻的状态（包括 重现运行中的错误）重现运行中的错误） 也称也称不确定性，不确定性，指进程的执行顺序和执行时间的不确定性；指进程的执行顺序和执行时间的不确定性； 操作系统的各特征之间的关系操作系统的各特征之间的

43、关系 n并发和共享是操作系统最基本的特征并发和共享是操作系统最基本的特征。为了提。为了提 高计算机资源的利用率，高计算机资源的利用率，OSOS必然要采用多道程必然要采用多道程 序设计技术，使多个程序共享系统的资源，并序设计技术，使多个程序共享系统的资源，并 发地执行。发地执行。 n并发和共享互为存在的条件并发和共享互为存在的条件。一方面，资源的。一方面，资源的 共享以程序（进程）的并发执行为条件，如系共享以程序（进程）的并发执行为条件，如系 统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享 问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施问题；另一方面，若系统不能对资源

44、共享实施 有效的管理，协调好诸进程对共享资源的访问，有效的管理，协调好诸进程对共享资源的访问， 也不将影响到程序的并发执行，甚至根本无法也不将影响到程序的并发执行，甚至根本无法 并发执行。并发执行。 操作系统的各特征之间的关系操作系统的各特征之间的关系 n虚拟以并发和资源共享为前提虚拟以并发和资源共享为前提。为了使并发进。为了使并发进 程能更方便、更有效地共享资源，操作系统常程能更方便、更有效地共享资源，操作系统常 采用多种虚拟技术来在逻辑上增加采用多种虚拟技术来在逻辑上增加CPUCPU和设备和设备 的数量以及存储器的容量，从而解决众多并发的数量以及存储器的容量，从而解决众多并发 进程对有限的

45、系统资源的争用问题。进程对有限的系统资源的争用问题。 n异步性是并发和共享的必然结果异步性是并发和共享的必然结果。操作系统允。操作系统允 许进程共享资源、相互合作，使得每个进程的许进程共享资源、相互合作，使得每个进程的 运行过程受到其他进程的制约，不再运行过程受到其他进程的制约，不再“一气呵一气呵 成成”，这必然导致异步性特征的产生。，这必然导致异步性特征的产生。 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 1.4.1 处理机管理处理机管理 1.4.2 存储管理存储管理 1.4.3 设备管理设备管理 1.4.4 文件管理文件管理 1.4.5 用户接口用户接口 返回 1.4.1 处理机管理处理

46、机管理 n进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行 优先级等主动改变进程的状态优先级等主动改变进程的状态 n进程同步：协调并发进程之间的推进步骤，进程同步：协调并发进程之间的推进步骤， 以协调资源共享；交换信息能力弱以协调资源共享；交换信息能力弱 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。进程或线程。 1.4.1 处理机管理处理机管理 n进程通信：进程之间传送数据，以协调进进程通信：进程之间传送数据，以协调进 程间的协作；交换信息能力强，也可程间的协作；交换信息能力强，也可 以用来协调进

47、程之间的推进以用来协调进程之间的推进 n调度：作业和进程的运行切换，以充分利调度：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（可能是时间片轮是进程控制操作所引起（可能是时间片轮 转、转、I/OI/O操作）操作） n同一类型内的公平性、高效率（吞吐量同一类型内的公平性、高效率（吞吐量 大）、作业周转时间等大）、作业周转时间等 1.4.2 存储管理存储管理 n内存分配与回收内存分配与回收 n内存保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如：内存保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如： 访问合法性检查、甚至要防止从访问合法性检查、

48、甚至要防止从 垃圾垃圾 中窃取其他中窃取其他 进程的信息；进程的信息； n地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地址地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地址 的映射；的映射； n内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存利内存扩充（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；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、方便进程并发运行足够的存储空间、方便进程并发运行。 1.4.3 设备管理设备管理 n设备处理：利用设备驱动程序（通常在设备处理：利用设备驱动程序（通常在 内核中）完成对设备的

49、操作。还需处理内核中）完成对设备的操作。还需处理 外设的外设的IRQIRQ。 n设备独立性设备独立性(device independence)(device independence)：提：提 供统一的供统一的I/OI/O设备接口，使应用程序独立设备接口，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（如接口和操作下完成不同的内容（如FAX FAX ModemModem作为作为WindowsWindows上的打印机设备）。上的打印机设备）。 设备管理的目标是：方便的设备使用、提高设备管理的目标是：方便的设备使用、提高 CPU与与

50、I/O设备利用率；设备利用率； 1.4.3 设备管理设备管理 n设备分配与回收：在多用户间共享设备分配与回收：在多用户间共享I/O 设备资源。设备资源。 n虚拟设备虚拟设备(virtual device)：设备由多：设备由多 个进程共享，每个进程如同独占。个进程共享，每个进程如同独占。 n缓冲区管理：匹配缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，和外设的速度， 提高两者的利用率（单缓冲区、双缓冲提高两者的利用率（单缓冲区、双缓冲 区和公用缓冲区）区和公用缓冲区） 1.4.4 文件管理文件管理 n文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空 间利用率和读写性

51、能。间利用率和读写性能。 n目录管理：解决信息检索问题。文件的属性（如文目录管理：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件名）、单一副本赋予多文件名 n文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。 系统设口令系统设口令 哪个用户哪个用户 、用户分类、用户分类 哪个用户组哪个用户组 、 文件权限文件权限 针对用户或用户组的读写权针对用户或用户组的读写权 n软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和拆软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和拆 除等除等 解决软件资源的存储、共享、保密和保护解决软件资源的存储、共享、保密和保护。

52、 1.4.5用户接口用户接口 n命令接口：命令接口：供用户用于组织和控制自己的作业运供用户用于组织和控制自己的作业运 行。命令行行。命令行 联机联机 ；命令脚本；命令脚本 脱机脱机 n编程接口：编程接口：供用户程序和系统程序调用操作系统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；功能。系统调用和高级语言库函数； n图形接口：图形接口：采用了图形化的操作界面，采用了图形化的操作界面， 用非常容用非常容 易识别的各种图标易识别的各种图标(icon)(icon)来将系统的各项功能、来将系统的各项功能、 各种应用程序和文件，直观、逼真地表示出来。各种应用程序和文件，直观、逼真地表

53、示出来。 用户可用鼠标或通过菜单和对话框，来完成对应用户可用鼠标或通过菜单和对话框，来完成对应 用程序和文件的操作。用程序和文件的操作。 目标目标：提供一个友好的用户访问操作系统的：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：接口。操作系统向上提供两种接口： 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计 1.5.1整体或模块结构整体或模块结构 1.5.2 分层结构或虚拟机分层结构或虚拟机 1.5.3 客户客户/服务器模型或微内服务器模型或微内 核结构核结构 随着操作系统的发展，功能越强，随着操作系统的发展，功能越强，OS自身代自身代 码量越大采用良好的结构：有利于保证正码

54、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。确性以及自身修改和扩充。 返回 操作系统的设计原则操作系统的设计原则 n可维护性：可维护性：容易修改与否称为可维护性；有三种可容易修改与否称为可维护性；有三种可 能的维护：能的维护： n改错性维护：改正已发现的错误；改错性维护：改正已发现的错误； n适应性维护：修改软件，使之适应新的运行环境适应性维护：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。（硬件环境和软件环境）；如：操作系统的移植。 n完善性维护：增加新功能；完善性维护：增加新功能； n可靠性：可靠性：可靠性包括两方面：可靠性包括两方面： n正确

55、性：正确实现所要求的功能和性能；正确性：正确实现所要求的功能和性能； n稳健性：对意外（故障和误操作）作出适当的处稳健性：对意外（故障和误操作）作出适当的处 理；理； 操作系统的设计原则操作系统的设计原则 n可理解性：可理解性：易于理解，以方便测试、维护和易于理解，以方便测试、维护和 交流；交流； n性能：性能：有效地使用系统资源；尽可能快地响有效地使用系统资源；尽可能快地响 应用户请求；应用户请求； 1.5.1整体或模块结构整体或模块结构 monolithic system or modular system n模块结构的特点模块结构的特点：模块由众多服务过程（模块接：模块由众多服务过程（模

56、块接 口）组成，可以随意调用其他模块中的服务过程口）组成，可以随意调用其他模块中的服务过程. . n优点：具有一定灵活性，在运行中的高效率优点：具有一定灵活性，在运行中的高效率 n缺点：功能划分和模块接口难保正确和合理；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用深度和方向），降低了模块之间的相对独立性 , ,不利于修改不利于修改 整个系统按功能进行设计和模块划分。系统是一个单一的、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

57、源于服务功能观点，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。而不是资源管理的观点。 1.5.2 分层结构或虚拟机分层结构或虚拟机 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。强的虚拟机。有利于系统的维护性和可靠性。 分层结构的特点分层

58、结构的特点 n优点：优点： n功能明确，调用关系清晰（高层对低层单向功能明确，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依赖），有利于保证设计和实现的正确性 n低层和高层可分别实现（便于扩充）；高层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；避免递归调用错误不会影响到低层；避免递归调用 n缺点：缺点：降低了运行效率降低了运行效率 各系统对具体划分多少层次有不同的看法。各系统对具体划分多少层次有不同的看法。 分层原则分层原则 n被调用功能在低层：被调用功能在低层： 如文件系统管理设备管理设备如文件系统管理设备管理设备 驱动程序驱动程序 n活跃功能在低层：提

59、高运行效率活跃功能在低层：提高运行效率 n资源管理的公用模块放在最低层：资源管理的公用模块放在最低层： 如缓冲区队列、堆栈操作如缓冲区队列、堆栈操作 调用跨越的层次：调用跨越的层次： 相邻层（最严格）、所有下层、部分下层相邻层（最严格）、所有下层、部分下层 分层原则分层原则 n存储器管理放在次低层：便于利用虚拟存储功能存储器管理放在次低层：便于利用虚拟存储功能 n最低层的硬件抽象层：与机器特点紧密相关的软件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。如放在最低层。如Windows NT中的中的 HAL(Hardware abstract Layer)单处理、多单处理、多 处理处理

60、 n资源分配策略放在最外层，便于修改或适应不同环资源分配策略放在最外层，便于修改或适应不同环 境境 分层式结构与模块式结构的异同分层式结构与模块式结构的异同 n分层式结构与模块式结构一样具有模块化分层式结构与模块式结构一样具有模块化 的特征。分层式结构也要将复杂的操作系的特征。分层式结构也要将复杂的操作系 统按其功能分成若干个比较简单、相对独统按其功能分成若干个比较简单、相对独 立的模块。为了使模块之间能够交互，它立的模块。为了使模块之间能够交互，它 也必须规定模块之间的接口。因此，分层也必须规定模块之间的接口。因此，分层 式结构具有模块式结构的优点式结构具有模块式结构的优点 1.5.3 客户