第三章-操作系统

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3.3 操作系统的启动 （续）
每次加电启动时，CPU的程序计数寄存器(PC)中是一个事先确定好
的特定地址。CPU期望在这个地址上找到第一条指令。
主存储器(RAM)加电时是空的，因此，CPU的PC中第一条指令设计 的是指向ROM中的引导程序.
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问题：为什么不提供足够的ROM存放整个操作系统呢？
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3.4 Kernel的组成
现代操作系统的kernel一般由进程管理、存储管 理、I/O设备管理、文件管理4个部分组成：
操作系统 用户接口
存储管理
进程管理
I/O 设备管理
文件管理
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OS也为应用程序的设计与运行提供了文件操作的API接 口
如： C++中的：CreateFile( ); OpenFile( ); CloseFile( ); ReadFile (); WriteFile(); GetFileAttribute( ); GetFileTime( ); GetFileSize()； … …
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3.4.1 文件系统
文件（file）是计算机保存数据和程序信息的一种主要形 式；操作系统中负责管理和存储文件信息的软件称为文 件管理系统，简称文件系统 （file system）。 文件的特征：
文件名、文件属性、文件操作； 文件逻辑结构 • 无结构的字节序列，如：源程序文件、目标代码文件； • 有结构的记录式文件，如：工资单的Excel表格文件； 文件的存取方式：顺序存取、随机存取
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3.4.1 文件系统（续）
文件的特征(续)：
文件的物理结构：连续文件、链接文件、索引文件.
文件目录管理：
– 两种路径命名法：绝对路径名（如：C：\usr\jone\tail.c）；相对 路径名(如： \tail.c)。 – 目录的操作：创建、删除、打开、关闭、读、重命名, 等等
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3.1.3 多道程序系统阶段(续)
效果：通过在各个作业之间进行快速切换，形成若干作业同时在计 算机上执行的错觉（对用户而言，就感觉自己独自占用机器运行一 样）；CPU利用率大大提高.
早期的分时系统可以同时提供30个用户可接受的实时交互式服务
现在的分时系统既用于单用户系统（multi-tasking），也用于多用户 系统(大型机、巨型机)
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银行应用系统
飞机票预定系统
Web浏览器
编译程序／编辑程序／DBMS 操作系统 物理设备
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内容安排
操作系统的发展历史
操作系统的基本体系结构
操作系统的主要功能
文件管理
I/O设备管理
内存管理 进程管理
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3.1.3 多道程序系统阶段(续)
20世纪60-70年代计算机比较昂贵，每台计算机必须服务 于多个用户：
实时要求的问题：若干用户在同一时间要求一台机器的交互式 服务，如何保证实时性的要求？
分时(Time-sharing )系统
实现分时的方法：多道程序设计（multi-programming） 运行时间被分割成时间片(time slice),每个作业的执行被限制为每 次只能用一个时间片；当时间片结束时，当前作业暂时放弃执 行，系统允许另一个作业在下一个时间片内运行。
… 系统调用 … 陷入 核心空间
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用户空间
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3.3 操作系统的启动
操作系统的启动是由一个称为引导（boot strapping,简称：
booting）的过程来实现，这个过程在计算机每次启动的 时候将操作系统从海量存储器传送到主存储器中。 引导程序（bootstrap）：(系统自举程序) 存放在计算机的一个特殊的ROM中；固件(firmware). 这个ROM的存储单元编址是与主存的一部分.
Kernel（内核）: 完成操作系统核心功能的软件集合
文件管理程序 设备驱动程序
内存管理程序
进程调度程序和分派程序
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Shell(命令解释程序)
• Shell是用户与操作系统之间的命令接口 –用户可以选择不同的shell（如：Born-shell, C-Shell,等) –Shell Script(脚本程序) • 有变量定义和控制结构，具有高级语言编程能力
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3.2 操作系统的体系结构
计算机软件系统概述
应用软件(application software) 完成特定的用户任务: 财务软件、工程设计、… 系统软件(system software) 给应用软件的设计与运行提供基础架构
(类似于社会生活中的交通、水电、银行等基础设施)
行用户程序 --- 批处理
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3.1.2 批处理系统（续）
批处理系统的特点：
若干个作业在一个批次一起运行，无需与用户交互； 多个作业在作业队列(job queue)中排队等待执行 ( 排队原则： FIFO, 优先级).
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发展为复杂、分时处理与管理计算机海量存储设备中的
大量程序和数据文件，并能直接响应计算机用户的实时 交互请求。
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3.1.4 现代操作系统阶段（续）
UNIX操作系统
特点：多用户、多任务、分时，友好的用户接口 ，可装卸 的树型结构文件系统 ，设备文件化 ，非常强的可移植性 。
<<计算机科学导论>> -- 操作系统
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操作系统概述
操作系统（OS: Operating System）:是建立在裸机上的第 一层软件系统，控制计算机所有操作 (如：协调计算机 的内部活动、检查计算机与外部世界之间的通信，等) 。 现代OS提供了：
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3.1.4 现代操作系统阶段（续）
Windows操作系统
特点：统一的窗口和操作风格 、丰富的应用程序与应用 开发工具 、事件驱动程序的运行方式 、多任务的图形化 用户界面 、支持网络及多媒体技术 ，提供丰富的应用程 序接口 、广泛的硬件支持 。
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3.1.3 多道程序系统阶段
批处理系统的不足：
作业一旦提交给操作员，就无法与用户交互
仍然无法实现真正的计算资源的多用户共享
交互式处理(Interactive Processing)：
新的操作系统允许用户可以通过远程终端与执行的程序进行 交互，如：字处理程序
实时处理（real-time processing）的要求
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3.2 操作系统的体系结构(续)
除了Shell命令接口之外，操作系统还提供另一 种用户接口：
程序接口（API: Application Program Interface）:又称 系统调用(system call)，如：printf()； 编程人员通过系统调用来请求系统资源，API函数就 像是一个黑匣子，向用户屏蔽了系统内部的控制。
用户可以存储和检索数据文件的方法 ； 用户请求执行程序的接口 ； 程序运行所必需的环境 ； … …
总之，操作系统为用户提供了友好的人机交互以及程序级 接口，使得计算机看上去像是功能得到了极大扩展的机 器(虚拟机)，而不仅仅是电路形式的硬件系统. 例子：windows, Unix, Linux, … …
多处理器的操作系统(并行)
不同的任务分配给不同的处理器，不一定用分时技术
问题： 负载均衡，多处理器调度与通信，… …
网络操作系统
基于网络的计算资源操作、管理 中间件（Middle-ware）： 基于Internet
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3.1.4 现代操作系统阶段（续）
执行一个程序需要大量的设备准备工作，如： 安装磁带、把
穿孔卡片放在读卡机上、设置相应的开关等等。每个程序的 执行称为一个作业(job)。在下一个程序运行之前，必须重新
获得磁带、穿孔卡片等一切准备工作。
一次一个用户使用，无法共享机器 系统可靠性也低 还不存在真正意义上的操作系统
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嵌入式操作系统(Embedded OS)
航空、航天等领域的嵌入式控制器、手机、 机器人：硬件计算能力较低、存储能力严 格受限，能量有限, … …
VxWorks（WindRiver）：火星探测器（精 神号、机遇号），… …
uC/OS: 最小的嵌入式实时操作系统,源码开 放 WinCE；PalmOS; Symbian ... … ……
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3.1.4 现代操作系统阶段
20世纪80年代起，大规模集成电路的快速发展，计算机
硬件成本不断降低，性能不断提高; 计算机系统的应用
已经从科学计算、军事应用到商业领域，并迅速扩展到 了普通的企业及个人. 现在，操作系统已经从简单的一次获取和执行一个程序
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3.1.2 批处理系统
批处理（batch processing）系统致力于简化程序运行
的准备工作，提高作业之间的过渡效率
基本思想：用户和计算设备分离； 用户：负责准备程序、数据以及程序需求的特别说明； 计算机操作员：将用户提交的资料输入到海量存储器中，由
一个特定的程序(操作系统)来负责一次一个的连续读入并执
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3.4.2 I/O设备驱动管理
–基于GUI
• 窗口管理程序(WM: window manager)：负责在屏幕上 分配与管理若干区域(窗口)，并跟踪与每个窗口相 联系的应用程序。
例： PowerPoint程序(PPT)想要显示一副图像 通知WM WM 将相应的图像放在PPT所在窗口 … … 点击鼠标 WM 计算鼠标的坐标位置 将这个鼠标位置数据通知给PPT (PPT程序响应 ) … …
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3.3 操作系统的启动 （续）
BIOS (Basic Input/Output System) 基本输入/输出系统：ROM中除了引导程序外，还包 括一组例行程序，可以被引导程序调用。使得在操作 系统正式开始工作之前，计算机就可以与用户进行通 信交互.
如：系统自检程序、在屏幕上显示信息、响应键盘输入等
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3.1.4 现代操作系统阶段（续）
Linux操作系统
特点：友好的用户接口 ，很强的可移植性 ， 模块化设计的 开源软件 ，强大的通信及网络功能 ，强大的健壮性 。
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3.1.4 现代操作系统阶段（续）
分布式操作系统(Distributed OS)
安全管理
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3.1 操作系统的发展历史
通常把操作系统的发展划分为:
手工操作阶段 批处理系统 多道程序系统 现代操作系统
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3.1.1 手工操作阶段
20世纪四五十年代，计算机体积庞大，使用不灵活， 系统资源利用率低：
可分为操作系统和实用软件(Utility software)
如：压缩/解压软件、媒体播放器、浏览器、… …
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3.2 操作系统的体系结构(续)
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3.2 操作系统的体系结构(续)
Shell(外壳，命令解释程序): 处理与计算机用户之间的 通信；是用户与操作系统内核之间的一个接口 基于文本 图形用户接口(GUI：Graphical User Interface )