学习方法Operating Systems Design and Implementation 主讲：周杲 Zhou GaoEmail:gzhou@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12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. Press3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4§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5 61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7§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8(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。

9 10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。

11122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13 14(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。

15 16典型操作系统：分时系统CTSS和MULTICS4. 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 OS17(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1835. 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。

19现代操作系统20§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。

21 22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。

23 24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4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AB25 26§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271. 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28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。