操作系统原理串讲

操作系统原理（参考书《操作系统教程》，孙钟秀等，高等教育出版社，1995年12月第二版）第一章绪论1-1概述1.1.1 OS的地位puter System及其发展应用软件MIS ,CAD, WPS……系统软件DBMS ，NET，OS ……硬件OS是硬件与其它软件的接口2.OS的定义操作系统是计算机系统的一种系统软件，它以尽量有效、合理、方便的方式组织和管理计算机的资源。

并控制程序的执行，使整个计算机系统能高效的运行。

（有效：提高资源的利用率；合理：公平性；方便：使用手段上清晰简单）3．特征：并发：在计算机系统中，同时存在多个程序，从宏观上看程序是同时向前推进的。

（并行：在微观上，程序是顺序执行的，需一定硬件基础，在单CPU上轮流执行）共享：操作系统程序和多个用户程序共同使用系统中各种资源。

单CPU条件下：并发：计算机系统中存在多个程序同时向前推进。

双重含义：①用户与用户程序并发②用户与操作系统程序并发。

并行：是一种在硬件基础上的并行，是不同部件（CPU与I/O）的并行。

1.1.2软件的分类1.软件的概念⑴内在特性：结构包含了哪些部分组成，每部分的作用，各部分间的关系；是算法⑵外在特性：软件是一种语言，语言是种界面，语言完全确定软件使用方式。

如命令、系统调用等2．软件的分类系统软件：与硬件共同构成其它软件基础。

（要求高效率）支撑软件：与系统软件和硬件构成一个开发平台应用软件：领域知识与计算机知识结合，完成特定功能1-2OS的发展1.2.1 OS的历史1.手工操作阶段第一代计算机2.执行系统汇编语言及控制外设的程序3.早期批处理系统（脱机方式）第二代计算机程序、数据、作业说明，成批输入、串行作业4.多道程序系统，分时系统：第三代计算机，从以CPU为中心改变以内存为中心，软件也变化了。

⑴多道程序设计技术：通道技术、中断技术的出现使多道技术成为可能⑵SPOOLING技术（Simultaneous Peripheral Operation on Line ）预输入和缓输出功能⑶分时系统：把CPU时间划成时间片5.通用操作系统包含批处理、分时、实时三个基本类型1.2.2 OS的分类1.多道批处理操作系统（作业：用户程序及其所需的数据和命令一起形成作业（JOB）作业：程序、数据、作业说明书）特点：⑴多道的：内存中同时存在多个作业⑵成批：作业一批批处理⑶运行中用户不干预执行⑷可处理大程序2.分时系统：一个主机和多个终端相连，每个终端有1 个用户，以系统对换方式与终端用户交往（Time Sharing）分时系统为用户提供交互命令分时系统中采用分时方法对多个终端用户服务分时方法：将CPU时间划为时间片分时系统以时间片为单位，轮流为各个用户服务分时系统目标与多道程序目标的对比：分时系统目标：对用户请求快速反应多道批处理目标：提高机器效率分时系统的特点：多路性：多终端交互性：对批自理而言独占性：及时性：3.实时系统：实时（realtime）：系统能对外部请求做及时反应实时控制：实时信息：特点：⑴及时性：对外部请求在严格时间范围内作出响应⑵可靠性：系统保证不出错4.通用操作系统：包含批处理，实时，分时系统5.单用户操作系统：特点：为个人计算机使用，在同一时间为单个用户服务，注重友好界面和操作方便6.网络操作系统：用于实现网络通讯和网络资源管理的操作系统目的：⑴相互通讯⑵共享资源7.分布操作系统⑴建立在多个CPU上的──物理上相邻──总线或开关网连接处理器，共享主存进行通信⑵建立在网络上的──地理上分开，通过网络用报文（Message）连接特点：系统处理能力增强，速度快，可靠性增强网络操作系统和分布式操作系统的区别：①分布式操作系统的各个计算机间相互通讯，无主从关系；网络操作系统的计算机有主从关系②分布系统资源为所有用户共享；而网络系统为有限制地共享③分布系统中若干个计算机相互协作共同完成一项任务1-3 研究OS的观点1.3.1资源管理的观点1.观点：把OS看作是各类资源管理系统，为用户提供一种简便，有效地使用资源的手段，以充分发挥各种资源的利用率。

2.资源：⑴硬件资源：CPU、存贮器（内存、外存）、I/O设备⑵软件资源：程序、数据（信息资源）3.管理内容：（1）记录资源：将资源状态记录下来（2）合理分配资源（死锁：谁也不能用，无限等待）（3）回收资源（4）实现资源共享⒋功能：（1）CPU管理；（2）存贮器管理；（3）设备管理；（4）文件管理；（5）作业管理称为OS的五大功能1.3.2进程(process)的观点1.观点从动态运行角度，来研究计算机的行为2.观察OS构成OS由若干个进程和一个核心构成3.进程：是计算机系统内部资源的分配单位，又是处理和调度的独立单位；是OS中最基本行动单位，进程之间相互独立，进程之间竞争地使用资源。

4.进程核心：是一个管理机构，主要负责创建和调用进程，处理进程的通讯1.3.3 虚拟机器的观点从OS结构出发，把OS分成若干个层次，每一层次都对上层次扩充形成一个虚拟机，高层次屏蔽低层次的功能细节，提供高层服务，整个OS由若干个虚拟机叠加而成。

(参看参考书第2页图1-1)1-４OS的硬件结构1.4.1 CPU1.特权指令和非特权指令在多道系统中，为保证安全，要将指令系统中的指令划分为两部分：（1）特权指令：只允许OS使用的指令，不允许一般用户使用，若一般用户使用会影响其它用户使用。

如：启动设备；设置时钟；清内存；设置中断屏蔽；修改程序状态；停机等。

（2）非特权指令：除特权指令以外的指令2.CPU状态（机器状态）分两种：管态（又称核心态特权态系统态，英文为Supervisor mode）在管态下，可以执行指令全集，并具有改变CPU状态的能力，操作系统在管态下运行目态：（又称普通态用户态，英文为problem mode）只能执行非特权指令，用户程序在目态下运行，如果目态下用户执行了特权指令，则产生中断，由OS取得控制权，而特权指令的执行被停止。

3.程序状态与PSW（Program Status Word，程序状态字）：CPU状态是PSW的一部分，还包含程序计数器PC（Program Counter）(中断向量=PSW+PC)4.CPU状态转换：在系统运行过程中，CPU状态作动态，时而运行于管态，时而运行于目态从目态转换为管态：中断是转换的唯一途径从管态转换为目态：由操作系统程序向用户程序转换1.4.2中断中断是实现多道程序操作系统的前提，没有中断，操作系统无法改变CPU 的状态（即目态－管态之间的互换）1.概念：中断时指CPU在执行一个程序时，由于某个事件发生可以中断正在执行的程序，转去执行处理有关事件程序，如有必要，被中断的程序可以在后来某时间恢复，继续执行。

事件：如读盘，盘有问题，无法读，产生中断，解决后，程序恢复，软件错误也会中断。

特点：（1）随机性（2）中断程序可恢复（3）中断处理是自动处理的2.中断装置：中断由软件、硬件协同处理，硬件机构称中断装置中断装置：发现响应中断的硬件中断装置的三个工作：⑴发现中断源：提出中断请求，当有多个中断源存在时，选择优先级高的中断源；⑵保存现场：将某些重要寄存器的内容放入内存，使中断处理结束后，程序能继续运行；⑶启动中断处理程序中断源：引起中断发生的事件中断寄存器：硬件为每个中断源设置寄存器，中断发生时信息被记录在寄存器中，以便分析处理。

中断字：中断寄存器的内容为中断字中断类型：有两类（1）强迫性中断：正在运行程序所不期望的，分为5类（参考书第24页，分为4类）：时钟中断；输入／输出中断；设备出错，传输结束等控制台中断；由控制台发出控制信息，产生中断硬件故障中断；电源故障，内存出错等程序中断；定点溢出，除数为0，地址越界等。

（2）自愿性中断：正在运行的程序中有意的安排，运行程序执行了访管指令，目的是要求OS 提供某种服务。

中断响应过程：即发现处理过程，CPU执行完一段程序后去扫描，若有中断事件，就通过交换中断状态字进入程序处理程序，保留PSW内容，将它送入内存单元中相应的中断源的旧的状态字PSW内，形成新的现行程序状态字。

旧的现行的中断嵌套：当系统处理一个事件过程又响应了新的中断就发生嵌套（通过堆栈来进行）。

中断屏蔽：暂禁止一或多个中断源向CPU发中断请求；可通过中断屏蔽指令完成（开，关中断）中断优先级：系统根据引起中断的重要性和紧迫程度，将中断源划分若干个级别称之为中断优先级。

（由硬件划分的不可改变，程序安排的中断可调整）IBM360/370的中断优先级：（书P.31）机器校验中断，自愿访管中断，程序性中断，外部中断，输入输出中断，重新启动中断中断处理程序4项工作（书P.26为3项）⑴保护未被硬件保护的一切处理状态；⑵识别中断源，分析产生中断的原因；⑶根据中断源处理发生的中断事件；⑷中断返回，恢复正常操作①从程序中断处继续执行②启动一个新的程序③重新启动OS1.4.3 通道⒈定义通道是独立于CPU的专门负责数据输入／输出传输工作的处理机，对外设实现统一管理，代替CPU对输入／输出操作进行控制，从而使输入、输出可和CPU并行操作。

2.引入目的：实现外设与CPU的并行操作，实现设备与设备并行，从而提高整个系统效率。

3. 通道指令系统组成：空操作、读操作、写操作、控制转移操作1.4.4时钟（定时装置）分两类：绝对时钟：计算机模拟时钟，根据频率定时加1 （在时钟寄存器中数值加1）间隔时钟：闹钟时间出现，每隔固定时间就发一中断（在时钟寄存器中数值减1，设一预定值，减到0，就产生一个间隔时钟中断，起一个闹钟的作用）1.4.5OS的其他硬件结构尚有以下几种，例如：地址映射机制：存贮保护机制：内存中许多程序的存放位置是怎样安排的（随机存放等），属于存贮管理的内容，在以后的章节加以介绍第二章OS的核心所谓核心，是直接构造于硬件上的第一层软件，其功能是向上提供多个无中断的虚拟机，在核心内不允许中断。

2-1并行的概念2.1.1顺序的程序程序即指令或语句序列，体现为某种算法，所有程序是顺序的1.在单CPU计算机，在一段时间内只有一个程序在运行，程序独占了计算机全部资源，程序不受到外来影响。

2.特征(1)程序执行的顺序性(2)程序的封闭性：独占资源，执行状态由程序决定(3)程序结果的可再现性：只要初始状态相同，结果就应相同(4)程序运行与程序执行速度无关2.2.2并行程序1.并行：在物理机器上有多个程序在运行，一个程序结束之前，另一个已经开始执行，并且次序不是事先确定的。

2.并行的重要性：一个程序不能充分利用资源，并行可充分提高计算机各个资源的利用率。

3..特征：(1)多元性：各个程序并存于系统中，同时运行(2)独占性：每个程序有独立的执行速度、起始时间；独立的停顿时间及独立资源要求(3)制约性：并行程序之间存在着制约关系，这些制约关系在某些情况下限制运行速度。