西南交通大学 操作系统 第一章

学习方法
Operating Systems Design and Implementation 主讲：周杲 Zhou Gao
Email:gzhou@https://www.360docs.net/doc/2e7503281.html,
操作系统: 设计与实现
详细阅读和理解操作系统基本原理 (教材 和讲义) 针对MINIX操作系统研究具体的实现代 码，建立完整的操作系统概念 完成课后作业和上机编程
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主要参考书(Reference books)
汤子瀛, 哲凤屏, 汤小丹 “计算机操作系 统”(修订版), 西安电子科技大学出版社 William Stallings, 魏迎梅等译, “计算机－ 内核与设计原理”, 电子工业出版社 Andrew S. Tanenbaum, Operating Systems-Design and implementation(Second Edition), Prentice Hall & Tsinghua Univ. Press
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第一章：引言
主要内容：
什么是操作系统 操作系统发展历史 现代操作系统特征 操作系统基本概念 用户接口 操作系统结构 操作系统的引导过程
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§1.1 什么是操作系统
1. 现代计算机系统的组成
浏览器 编译器 计算机系统 银行系统 航空订票系统 编辑器 操作系统 机器语言 微程序 物理设备 硬件 ( 裸机 ) 命令解释器 系统程序 应用程序 软件
2. 什么是操作系统
用户 应用软件 其它系统软件 操作系统 硬件系统
操作系统作为虚拟机 (Virtual Machine) 操作系统作为资源管理器
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操作系统定义
从用户的观点来看：操作系统就是将硬件细节 与程序员隔离开来，同时提供一个简洁的命名 文件方式的程序。这样计算机成为了一个高度 抽象的设备——虚拟机。 从系统管理的观点来看：操作系统就是跟踪硬 件资源的使用状况，满足资源请求，提高资源 利用率，以及协调各程序和用户对资源的使用 冲突的软件——资源管理器
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§1.2 操作系统发展历史
1. 第一代计算机(1945~1955)
电子管时代 操作系统：无 机器的使用方式：独占式&人工操作
2. 第二代计算机(1955~1965)
晶体管时代 操作系统：单道批处理系统 机器的使用方式：脱机输入输出&批处理
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(1) 几个基本概念
作业：指用户程序及其所需的数据和命令的集 合。 脱机输入输出：程序和数据的输入输出都是在 外围计算机的控制下完成的，或者说它们是脱 离主机进行的。 批处理(Batch Processing)：指计算机系统对 一批作业自动进行处理的一种技术。
(2) 单道批处理操作系统
单道批处理操作系统：系统对作业的处理都是 成批进行的、且在内存中始终只驻留一个作业。 联机批处理：慢速的输入/输出设备是和主机直 接相连并打交道。 脱机批处理：显著待征是增加一台不与主机直 接相连专门用于与输入/输出设备打交道的卫星 机。主机不再直接与慢速的I/O设备打交道，而 是与速度相对较快的磁带机发生关系。主机与 卫星机可以并行工作，二者分工明确，以充分 发挥主机的高速度计算能力。
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执行带 系统带 纸带机 卡片机 打印机 …… 卫星机 输入带
3. 第三代计算机(1965~1980)
集成电路时代 操作系统：多种操作系统
日志
主机
(1) 多道批处理系统
基本技术
多道程序技术(multiprogramming)：即同时把几个 作业放入内存，并允许它们交替执行，共享系统中 的各种硬、软件资源，使CPU达到最大利用率。 Spooling技术：即联机的即时外部设备操作 (Simultaneous Peripheral Operation On Line)。它 利用程序分别模拟脱机输入、输出时的外围控制机 功能，这样外部设备获取的数据可以直接进入主机。 它可以使多个用户共享某一设备，提高了设备的利 用率，加快了程序的执行过程。
输出带
典型操作系统：FMS(Fortran Monitor System， 即Fortran 监督系统)；IBM/7094机上的IBM操 作系统IBSYS。
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单道程序的工作程序
CPU执行 用户程序 监控程序 I/O操作 计算
I/O请求 启动I/O I/O完成
计算
I/O请求 启动I/O I/O完成
计算
多道程序运行特点
多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。 宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行 过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运 行完毕。 微观上串行：实际上，各道程序轮流地用CPU，交 替执行。
时间 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
多道程序的工作程序
A程序 CPU工作 A: I/O工作 B: I/O工作
A:I/O请求
B程序
B:I/O请求
A程序
A:I/O请求
B程序
A:I/O工作
A:I/O工作 B:I/O工作
多道批处理系统：采用多道程序技术设计的批 处理系统就是多道批处理系统。 典型操作系统：IBM360上运行的OS/360操作 系统 。
时间
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(2) 分时操作系统 (Time Sharing OS)
分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时 间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作 业使用。
用户程序5 用户程序4 用户程序3 用户程序2 用户程序1 T(ms) 0 20 40 60 80 100 120 140
(3) 实时操作系统 (Real Time OS)
实时系统：是指系统能及时响应外部事件的请 求，在规定的时间内(最后期限)完成对该事件 的处理，并控制所有实时任务协调一致的运行。 应用范围：
实时控制和实时信息处理
发展：已扩展了“最后期限”的范围，忙于其他 各种服务质量的问题。例如：应用处理可以要 求信息通过网络传输，在一个指定的时间内实 现，或者以一定的传输速度进行。
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典型操作系统：分时系统CTSS和MULTICS
4. 第四代计算机(1980~现在)
大规模集成电路时代 特点：个人计算机和工作站 操作系统：现代操作系统
(2) 网络操作系统 (Network OS)
在个人操作系统基础上增加了网络功能，如网 络通信等的操作系统。主要靠在个人操作系统 中配置一些附属软件来实现。不归入基本的操 作系统。
(1) 主流的操作系统
MS-DOS Windows ×× / Windows NT UNIX LINUX Mac OS
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(3) 分布式操作系统 (Distributed OS)
把一个任务划分为可以并行执行的多个子任务， 并动态地分配给组成计算机网络的各计算机的 处理器来并行地共同完成。 基本特征：处理上的分布，以及任务划分具有 透明性。 特点：运算速度快
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5. MINIX的历史
MINIX产生的背景(Andrew S. Tanenbaum) MINIX的特点
MINIX最初版本用C基于IBM PC编写，源代码开放， 非常简洁。 MINIX 采用了比UNIX更模块化的组织方式，并着重 可读性，面向教学。
当代操作系统的演化
多道程序、交互 多道程序 多道批处理 系统 分时共享 系统 人机交互 个人计算机 和工作站 系统软件 客户-服务器 人机界面 模型协议 网络通信 网络系统 实时、过程控制 实时系统 调度
内存管理 调度 内存管理 保护 调度 保护 文件 设备
MINIX & LINUX POSIX标准：相互兼容的UNIX系统必须支持 的一个最小的系统调用接口。
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现代操作系统
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§1.3 现代操作系统特征
并发(Concurrence) ：宏观上，在一段时间内 有多道程序在同一时间间隔内发生。 共享(sharing) ：主要指的是资源的共享。即 系统中的软硬件资源不再为某个程序所独占， 而是供多个用户同时使用。包含两种方式：
互斥共享：某些资源虽可公用，在一段时间内只允 许一个作业访问该资源 。 同时访问：宏观上允许在一段时间内由多个进程同 时对它进行访问。
虚拟(Virtual) ：是指把一个物理上的实体，变 为若干个逻辑上的对应物。
例如：虚拟机……
异步性(Asynchronism)
多道程序环境下，进程的并发执行常常受限于资源 以及自身特性，在微观上不断进行切换运行，导致 进程的执行速度各不相同，即使先运行的进程也有 可能后执行完毕，此即进程的异步性。 每个程序在执行时，多个程序间的执行顺序以及完 成每道程序所需的时间都是不确定的，因而也是不 可预知的。但只要运行环境相同，作业经多次运行， 都会获得完全相同的结果。
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并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。 且这两个特征互为条件。
§1.4 操作系统基本概念
1. 进程(Process)
进程：本质上是一个程序在一个数据集上的执行。 是一个动态的概念。 进程的实体
执行程序所需的上下文环境 一段可执行的程序代码 程序运行时所需的数据变量、缓冲区以及堆栈等 核心映像(Coreimage)：进程地址空间
2. 文件 (File)
文件和文件系统
文件：简单的说，与设备无关，一段程序或数据的 集合就是文件。 文件系统：操作系统中与管理文件有关的软件和数 据称为文件系统。
文件的组织结构
文件的构成：文件名+文件体；相关文件的存取说 明信息集合也组成文件－目录文件。 文件系统的构成：文件目录按层组织，一个目录下 可以有多个目录与文件，构成树状的层次结构。目 录层次结构中的最顶端为根目录。
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进程的状态
进程在其生命周期内可能包含的一个或几个阶段 进程树
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根目录 目录1 目录1-1 文件1 文件2 文件3 目录2
设备文件
文件的分类：普通文件和设备文件 设备文件：把输入/输出硬件设备当作文件 来处理，每个设备都看成一个文件就是设备 文件。 块设备文件(Block Special Files)：指可以 随机存取数据块的设备； 字符设备文件(Character Special Files)： 指按字符流方式操作的设备。
虚拟文件－管道(Pipe)：用来连接两个进程的 虚拟文件。其实质是一个虚拟了的输入输入 文件。
进程 管道 进程
A
B
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§1.5 用户接口
命令接口：用户利用操作命令来组织和控制作业的执 行或管理计算机系统。 程序接口：即系统调用。编程人员使用系统调用在自 己的应用程序中请求操作系统提供服务，例如申请和 释放外设等资源。 图形、窗口方式：用户通过屏幕上的窗口和图标来操 作计算机系统和运行自己的程序 用户接口是衡量一个 操作系统好坏的重要标志。 应用程序
系统调用 用 户 命令 图形, 窗口 操作系统 计算机硬件
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1. 联机命令接口
联机命令接口：允许用户在终端上键入命 令，以取得OS的服务，并控制自己程序的 运行。 过程：
在终端的键盘上打入命令 终端处理程序接收命令，并显示在终端屏幕上 命令解释程序对命令进行分析、执行
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外壳(Shell)
什么是Shell?
Shell是一个命令解释器(Command Interpreter) ，它不是操作系统的一部分。
主要工作
在屏幕上给出提示符，请用户键入命令 读取该命令，识别命令，再转到相应命令处理程序 的入口地址，把控制权交给该处理程序 将处理结果送屏幕显示 若用户键入命令有错，而命令解释程序未能识别， 或在执行过程中出现问题，则显示出错信息。
Shell与操作系统的关系：是终端用户和 操作系统之间的界面，负责解释来自终 端的命令，并以终端作为标准输入输出。 命令解释程序
MS-DOS：https://www.360docs.net/doc/2e7503281.html, UNIX & MINIX：Shell
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例如：一条命令的执行过程。
系统启动，用户登录，启动一个Shell，显示系统提 示符(命令提示符)“$” 键入命令：cp test1.c test2.c Shell创建子进程运行cp程序，并将键入命令显示在 终端屏幕。 子进程结束后，Shell再次显示“$”，等待下一输入。
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2. 系统调用
什么是系统调用(System Calls)? 它是操作系统提供给用户的一组指令集： “扩展指令集”。是用户程序(User)和操作 系统(Kernel)交互的接口。 系统调用不仅可供所有的应用程序使用， 也可供OS自身的其它部分，尤其是命令 处理程序使用。
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进程管理系统调用
主要有：创建子进程fork, 等待子进程结束 waitpid, 装入新进程的核心映像，并执行该进 程execve等。 fork( )系统调用
响应函数：sys_fork，具体实现函数：do_fork( ) 步骤：
建立进程控制结构并赋初值 设置跟踪进程的相关内核数据结构
函数定义
00505 _PROTOTYPE( pid_t fork, (void) ); 14817 FORWARD _PROTOTYPE( int do_fork, (message *m_ptr) );
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14877 PRIVATE int do_fork(m_ptr) 14878 register message *m_ptr; /* pointer to request message */ 14879 { …… 14883 register struct proc *rpc; // for child 14884 struct proc *rpp; …… 14888 rpp = proc_addr(m_ptr->PROC1); //parent 14889 rpc = proc_addr(m_ptr->PROC2); //child …… 14894 *rpc = *rpp; /* copy 'proc' struct */ 14896 rpc->p_ldt_sel = old_ldt_sel; 14897 rpc->p_nr = m_ptr->PROC2; /* this was obliterated by copy */ …… 14904 sigemptyset(&rpc->p_pending); 14905 rpc->p_pendcount = 0; 14906 rpc->p_pid = m_ptr->PID; /* install child's pid */ 14909 rpc->user_time = 0; /* set all the accounting times to 0 */ 14910 rpc->sys_time = 0; …… 14914 return(OK); 33 14915 }
如何使用系统调用
例：Shell调用fork( )系统调用
while ( TRUE ) { read_command(command, parameters)； if (fork( ) != 0) { /* Parent code */ waitpid(-1，&status，0)； } else { /* Child code */ execve(command，parameters，0) } }
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§1.6 操作系统结构
1. 整体式系统
是过程的集合。 每个过程有完整的接口，调用相互不影响 提供陷入指令(核心调用kernel call)，一条指令 先在用户态，然后进入核心态。
主过程 服务过程 公用过程
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2. 层次式系统
每层为它的上层提供完整的接口使其不用再考 虑其下的细节。 层次 功能 5 操作员 4 用户程序 3 I/O管理 2 操作员－进程通信 1 内存和磁鼓管理 0 处理器分配和多道程序
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3. 虚拟机系统
用于分时系统 例如：最早的分时系统V370
370虚拟机 操作系统1 操作系统2 I/O指令 陷入 CMS CMS 370裸机 …… CMS 系统调用 陷入
4. 客户/服务器系统
微内核技术：指精心设计的、能实现现代OS核 心功能的小型内核，它与一般的OS不同，它更 小更精炼，不仅运行在核心态，而且开机后常 驻内存。它不是一个完整的OS，而只是为构建 通用OS提供一个重要基础，通常都采用客户/ 服务器模式。 微内核基本功能
进程管理 存储器管理 进程通信管理 I/O设备管理
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VM /370 (虚拟机监控系统)
客户/服务器系统
特点：要实现某一任务，用户进程(客户进程， client process)将请求发给一个服务器进程 (sever process)，服务器进程随后完成此操作 并将回答信息回送。
客户进程1 客户进程2 进程服务器 …… 文件服务器 用户态 核心态 核心
§1.7 操作系统的引导过程
引导过程：计算机启动时，由系统BIOS以及 操作系统引导程序将操作系统内核可执行代码 逐级装入内存并开始执行，直到系统控制台显 示“login:”登录提示符为止的阶段。
由BIOS加载操作系统引导程序 由操作系统引导程序加载操作系统映象 操作系统初始化 生成init进程 init进程创建子进程，进行登录操作 *登录成功后，执行用户shell进程，等待键入命令
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操作系统核心的工作
处理客户与服务器间的通信。 处理服务器与硬件间的消息。
优点：便于管理、支持分布式系统。
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1. BIOS加载引导程序
CPU执行第一条指令
复位线接收到复位脉冲 机器状态字PE清0，实模式地址模式 CS: IP＝F000: FFF0H＝FFFF0H
2. 引导程序加载操作系统映象
主要工作
初始化由DOS或BIOS建立的设备表(如虚拟 盘)，获取存储设备的参数。 将自身搬移到存储器的一端，以留出空间， 然后跳到新地址继续运行。 初始化缓冲区 获取环境参数，找到操作系统映象 把操作系统映象装入内存 跳到操作系统执行初始化
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BIOS加载引导程序
JMP指令跳转到BIOS的自检启动程序首地址 测试系统资源 装入中断向量 int 19H，将启动盘的0面、0道、1扇区内容装入内 存0000: 7C00H开始的区域 跳转到引导块开始执行，引导块装入引导程序boot
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