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计算机操作系统,朱会东Email:,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统的目标和作用1.2 操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特性 1.4 操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计,1.计算机系统的组成,硬件系统（裸机）：CPU、存储器（主存、辅存）、I/O、I/O控制系统 软件系统：系统软件、应用软件 系统软件：管理计算机本身的操作。如操作系统、编译.应用软件：提供给用户进行解题。如，科学计算、事物管理,1.计算机系统的组成,图 1.1计算机硬件的组成,2.计算机系统的层次结构,图 1.2 计算机系统的层次结构,3.操作系统的地位,计算机系统由硬件和软件组成 操作系统在硬件基础上的第一层软件是其他软件和硬件之间的接口,操作系统设计者,应用软件设计者,应用软件设计者,1.1操作系统的目标和作用,1.1.1操作系统的目标目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点：1.有效性 2.方便性 3.可扩充性 4.开放性,1.1.2 操作系统的作用,从一般用户 的角度从资源管理的角度从虚拟机的观点将裸机扩充成为功能强大、方便易用的虚拟机,1.1.2 操作系统的作用,1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口操作系统向用户提供了命令接口、图形用户接口和程序接口来使用计算机系统,1.1.2 操作系统的作用,2.OS作为计算机系统资源的管理者 处理机管理 存储器管理 设备的管理 文件管理,1.1.2 操作系统的作用,3OS实现了对计算机资源的抽象,6.推动操作系统发展的主要动力,不断提高计算机资源利用率 方便用户 器件的不断更新换代 计算机体系结构的不断发展,1.2 操作系统的发展过程,1.2.1 无操作系统的计算机系统1.人工操作方式 从第一台计算机诞生(1945年)到50年代中期的计算机，属于第一代，这个时期是电子管计算机时代,这时还未出现OS。计算机操作是由用户采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据)的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡片输入机)，再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。,1.人工操作方式,用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员；编程语言：为机器语言；输入输出：纸带或卡片；计算机的工作特点用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率低；CPU等待人工操作：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；,1.人工操作方式,例如：上机操作要1 分钟，运行时间20分钟（10万次/sec）上机操作要 1分钟，运行时间0.2分钟（1000万次/sec）主要矛盾计算机处理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪费）；用户独占全机的所有资源；提高效率的途径专门的操作员，批处理,2.脱机输入/输出方式,为解决低速输入设备与CPU速度不匹配的问题，可将用户程序和数据，在一台外围计算机的控制下，预先从低速输入设备输入到磁带上，当CPU需要这些程序和数据时，再直接从磁带机高速输入到内存，从而大大加快了程序的输入过程，减少了CPU等待输入的时间。,2.脱机输入/输出方式,当程序运行完毕或告一段落，CPU需要输出时，无须直接把计算结果送至低速输出设备，而是高速地把结果送到磁带上，然后再另一台外围机地控制下，把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出，着就大大加快了程序的输出过程。,2.脱机输入/输出方式,在采用脱机输入输出方式时，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，即它们是脱离主机进行的，故称之为脱机输入输出操作。脱机I/O方式的主要优点如下：（1）减少了CPU的空闲时间。（2)提高I/O速度。,2.脱机输入/输出方式,1.2.2 单道批处理系统,单道批处理系统的处理过程 第二代计算机(19551965)：这个时期是晶体管计算机时代。联机批处理系统脱机批处理系统批处理是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个批作业由一个专门的监督程序（Monitor）自动依次处理。可使用汇编语言开发。,批处理中的作业的组成：用户程序数据作业说明书（作业控制语言）批：供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软件（系统带）,1.2.2 单道批处理系统,卡片,IBM1401,IBM7094,IBM1401,输入磁带,磁带机,卡片阅读机,输出磁带,打印机,早期批处理系统,图 1-3 单道批处理系统的处理流程,1.2.2 单道批处理系统,单道批处理系统是最早出现的一种OS，严格地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。该系统的主要特征如下：(1)自动性(2)顺序性(3)单道性,2.单道批处理系统的特征,1.2.3 多道批处理系统,1.多道程序设计的基本概念 在计算机内存中同时存放若干道已开始运行尚未结束的程序，它们交替运行，共享系统中的各种硬、软件资源，从而使处理机得到充分利用。在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。,1.2.3 多道批处理系统,第三代计算机(19651980)：这个时期是中、小规模集成电路芯片计算机时代。在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了多道批处理。该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作业调度程序自动地选择作业运行。,2.多道批处理系统的优缺点,(1)资源利用率高。(2)系统吞吐量大。系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。能提高系统吞吐量的主要原因可归结为：第一，CPU和其它资源保持“忙碌”状态；第二，仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。(3)平均周转时间长。作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。(4)无交互能力。,4.多道批处理需要解决的问题,处理机管理问题。(2)内存管理问题。(3)I/O设备管理问题。(4)文件管理问题。(5)作业管理问题。,1.2.4 分时系统,1.分时系统(Time-Sharing System)的产生 分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型OS。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。用户的需求具体表现在以下几个方面：(1)人机交互(2)共享主机(3)便于用户上机,分时系统的思想,采用时间片轮的方法，同时为许多终端用户服务，对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话的功能。设计目标：对用户的请求及时响应，并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率。适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。,分时技术,分时技术：把处理机的响应时间分成若于个大小相等（或不相等）的时间单位，称为时间片（如100毫秒），每个终端用户获得CPU，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运行，当时间片到（用完），用户程序暂停运行，等待下一次运行。例如：我们上课。,图 1-7 分时系统示意图,2.分时系统实现中的关键问题,为实现分时系统，其中，最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互，即当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。(1)及时接收。(2)及时处理。,3.分时操作系统特点,多路性交互性“独占”性及时性,同时有多个用户使用一台计算机宏观上：是多个人同时使用一个CPU微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU,用户根据系统响应结果进一步提出新请求(用户直接干预每一步),用户感觉不到计算机为其他人服务（OS提供虚机器，各个用户的虚机器互不干扰）,系统对用户提出的请求及时响应,影响响应时间的因素,终端数目多少调度算法（时间片的选取）信息交换量和信息交换速度机器处理能力请求服务的时间长短及服务请求的分布,1.2.5 实时系统,早期计算机系统是用于科学与工程的数值计算。到了60年代初，计算机开始应用到生产过程控制、工业控制、防空系统、信息处理等，在这些应用中不但要解决计算间题，还要求在规定的时间内完成计算，即实时处理。在实时处理中的一个核心的问题就是响应时间问题。,1.应用需求,实时控制 此类实时控制系统主要用于生产过程的自动控制，实验数据自动采集，武器的控制：导弹的制导系统。实时信息处理系统 这类系统主要用于实时信息处理，比如飞机订票系统、情报检索系统、股市行情实时信息处理系统等。,2实时任务,按任务执行时是否呈现周期性来划分周期性实时任务。非周期性实时任务。2)根据对截止时间的要求来划分硬实时任务(Hard real-time Task)。软实时任务(Soft real-time Task)。,（1）多路性（2）独立性（3）及时性（4）交互性（5）可靠性,3.实时系统与分时系统特征的比较,1.2.6 操作系统的发展,操作系统（包括其前身）成为独立的程序，已有40年的历史，它经过60和70年代的大发展时期，到80年代虽已趋于成熟，它仍沿着两个方向继续向前发展，一个是随着计算机系统结构的发展，形成多处理机操作系统、网络操作系统和分布式操作系统；另一个则是把操作系统应用于微机，形成微机操作系统。,1单用户单任务操作系统,单用户单任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。这是最简单的微机操作系统，主要配置在8位和16位微机上。最有代表性的单用户单任务微机操作系统是CP/M和MS-DOS。,2单用户多任务操作系统,单用户多任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。目前在32位微机上配置的操作系统基本上都是单用户多任务操作系统，其中最有代表性的是由微软公司推出的Windows。,3多用户多任务操作系统,多用户多任务操作系统的含义是，允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。在大、中和小型机中所配置的大多是多用户多任务操作系统，而在32位微机上也有不少是配置的多用户多任务操作系统，其中最有代表性的是UNIX OS。,多处理机操作系统,在1975年前后，打破了以单处理机体系结构为主的局面，形成了由多台处理机通过互连网络连接在一起的计算机系统。近年来所推出的大、中、小型机，大多数都在采用多处理机体系结构，甚至在高档微机中也出现了这种趋势。,多处理机结构,紧密耦合(Tightly Coupled)多处理机结构 松散耦合(Loosely Coupled)多处理机结构,多处理机类型,主从式 独立管理程序系统浮动式管理程序控制方式,网络操作系统,网络操作系统是建立在主机操作系统基础上，用于管理网络通信和共享资源，协调各主机上任务地运行，并向用户提供统一的、有效的网络接口的软件集合。按网络所覆盖的地理范围和互连计算机之间的距离的不同，可把计算机网络分为两种：广域网WAN(Wide Area Network)局域网LAN(Local Area Network),网络操作系统的基本功能,网络通信 资源管理提供多种网络服务提供网络接口,网络操作系统,网络服务应用程序,通信软件（协议支持）,单机操作系统,用户应用程序,图18 局域网操作系统的结构,通信软件（协议支持）,1)分布式操作系统的功能资源管理任务分配分布式进程同步和通信管理程序浮动,分布式操作系统,2)分布式操作系统特征,1.系统内只有一个全局操作系统，采用分布式控制的办法，负责全系统的资源管理和运行控制。2.资源进一步共享:系统内包含有多个物理资源和逻辑资源，它们可以动态地分配给各个任务3.透明性:资源共享，分布。系统对用户提供一个透明的、一体化的用户界面。4.自治性:处于分布式系统的多个主机处于平等地位，无主从关系所有资源都必须高度自治而相互配合地工作，它们之间不存在层次控制或主从控制的关系。5.处理能力增强、速度更快、可靠性增强,4)网络和分布式的区别,(1)分布具有各个计算机间相互通讯，无主从关系；网络有主从关系(2)分布式系统资源为所有用户共享；而网络有限制地共享(3)分布式系统中若干个计算机可相互 协作共同完成一项任务,4.微型机(个人）操作系统,计算机在某一时间内为单用户服务,其追求目标是界面友好，使用方便，丰富的应用软件。（1）MS-DOS（2）微机多任务操作系统微机多任务操作系统的分类按系统结构分：内在式（built-in）贴附式（bolt-on）按任务调度方式分：先决式（preemptive）协作式（cooperative）,微型机操作系统（续）,1)内在式是指操作系统开始设计就把多任务功能构筑.其中，如 OS/2和UNIX操作系统。2)贴附式是指把多任务功能附加到一个单任务操作系统中而形成，如Microsoft的Windows就是在DOS基础上加入多任务功能而构成的多任务操作系统。,微型机操作系统（续）,3)先决式是指由系统内部时钟来决定CPU由一个任务转移去执行另一个任务的时刻，转移时刻是系统以某种分配策略预先确定的，应用程序无权干预。如OS/2和UNIX都是先决式多任务操作系统。4)协作式是指几个应用程序联合动作，通过某种通信方式来分享CPU。Windows和Novell公司的Netware网络操作系统是以协作式来工作的。,5.嵌入式操作系统,1)什么是嵌入式系统：在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机”通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境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,2）嵌入式系统,软件：用于提供系统所需的功能和灵活性硬件=（处理器、ASIC、存储器）用于提供所需的性能以及部分安全机制,专用门阵列,模拟I/O,处理器核,存储器,3)嵌入式操作系统,在嵌入式系统中的OS，称为嵌入式操作系统。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、指挥和控制的系统软件。,4）典型嵌入式操作系统的特性,完成某一项或有限项功能；不是通用型的 在性能和实时性方面有严格的限制 能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要 因素 占有资源少、易于连接 系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成 以便满足最终产品的设计要求,5）嵌入式操作系统开发环境,通常配有源码级可配置的系统模块设计 丰富的同步原语 可选择的调度算法 可选择内存分配策略 定时器与计数器 多方式中断处理支持 多种异常处理选择 多种通信方式支持 标准语言库 数学运算库和开放式应用程序接口,6.操作系统领域中新的操作系统,有线电视机顶盒领域，PowerTV移动通信领域，EPOC掌上计算机领域，Palm OS数字影像领域，Digita,1.3 操作系统的基本特性,并发性共享性虚拟性异步性,1.3.1 并发性,1.并发与并行并行性是指两个或多个事件在同一时间发生。并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。程序的并发执行，有效地改善了系统资源的利用率和提高了系统的吞吐量，但它使系统复杂化，操作系统必须具有控制和管理各种并发活动的能力。,2.引入进程,通常的程序是静态实体，在多道程序系统中，它们是不能独立运行的，更不能和其它程序并发执行。在操作系统中引入进程的目的，就是为了使多个程序能并发执行。进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。多个进程之间可以并发执行和交换信息。,3.引入线程,通常在一个进程中可以包含若干个线程，它们可以利用进程所拥有的资源。在引入线程的OS中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。线程被视作现代操作系统的一个重要标致。,1.3.2 共享性,共享是指系统中的所有资源不再为一个程序所独占，而是供同时存在于系统中的多道程序所共同使用。根据资源属性不同，可有互斥共享和同步共享两种不同的共享方式。,1互斥共享方式,系统中的某些资源，应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源。为此，系统中应建立一种机制，以保证对这类资源的互斥访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享，而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。,2同时访问方式,系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”，在单处理机环境下往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备。,并发和共享是操作系统两个最基本的特征，这两者之间又是互为存在条件的。资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题。若系统不能对资源共享实施有效的管理，也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。,1.3.3 虚拟性,在操作系统中，所谓虚拟，是指把一个物理上的实体，变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的，而后者是虚的，相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在OS中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等。,1时分复用技术,时分复用，亦即分时使用方式，它最早用于电信业中。为了提高信道的利用率，人们利用时分复用方式，将一条物理信道虚拟为多条逻辑信道，将每条信道供一对用户通话。在计算机领域中，广泛利用该技术来实现虚拟处理机、虚拟设备等，以提高资源的利用率。,2空分复用技术,早在上世纪初，电信业中就使用频分复用技术来提高信道的利用率。它是将一个频率范围非常宽的信道，划分成多个频率范围较窄的信道，其中的任何一个频带都只供一对用户通话。之后，在计算机中也使用了空分复用技术来提高存储空间的利用率。,1.3.4 异步性(Asynchronism),在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但由于竞争资源等因素的限制，使进程的执行不是“一气呵成，而是以“走走停停”的方式运行。多道程序环境下程序的执行，是以异步方式进行的；每个程序在何时执行，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和不可预知的。进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。,1.4 操作系统的主要功能,从资源管理观点看，操作系统具有五大功能：处理机管理存储器管理设备管理文件管理,1.处理机管理,主要任务：是对处理机的分配和运行实施有效管理。对处理机管理，可归结为对进程的管理。,1.进程控制,当用户作业要运行时，应为之建立一个或多个进程，并为它分配除处理机以外的所有资源，将它放入进程就绪队列。当进程运行完成时，立即撤消该进程，以便及时释放其所占有的资源。进程控制的基本功能就是创建和撤消进程以及控制进程的状态转换。,2.进程同步,所谓进程同步是指系统对并发执行的进程进行协调。有两种协调方式：(1)进程互斥方式。这是指诸进程(线程)在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式；(2)进程同步方式。这是指在相互合作去完成共同任务的诸进程(线程)间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。,3进程通信,对于相互合作的进程，在它们运行时，相互之间往往要交换一定的信息，这种进程间所进行的信息交换称为进程通信。,4.调度,进程调度是指按一定算法，如最高优先算法，从进程就绪队列中选出一进程，把处理机分配给它，为该进程设置运行现场，并使之投入运行。在传统的操作系统中，包括作业调度和进程调度两步。(1)作业调度。(2)进程调度。,1.4.2存储器管理功能,存储器管理的主要任务:为多道程序的并发运行提供良好环境；便于用户使用存储器；提高存储器的利用率；为尽量多的用户提供足够大的存储空间。,1.内存分配,多道程序能并发执行的首要条件是，各道程序都有自己的内存空间，因此，为每道程序分配内存是存储器管理的最基本功能。,1.内存分配,为了实现内存分配，在内存分配的机制中应具有这样的结构和功能：(1)内存分配数据结构。该结构用于记录内存空间的使用情况，作为内存分配的依据；(2)内存分配功能。系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存空间；(3)内存回收功能。系统对于用户不再需要的内存，通过用户的释放请求去完成系统的回收功能。,2.内存保护,为保证各道程序都能在自己的内存空间运行而互不干扰，要求每道程序在执行时能随时检查对内存的所有访问是否合法。必须防止因一道程序的错误而扰乱了其它程序，尤其应防止用户程序侵犯操作系统的内存区。,3.地址映射,在多道程序的系统中，操作系统必须提供把程序地址空间中的逻辑地址转换为内存空间对应的物理地址的功能。地址映射功能可使用户不必过问物理存储空间的分配细节，从而为用户编程提供了方便。,4.内存扩充,由于物理内存的大小可能限制了大型作业或多个作业的并发执行，为了满足用户的要求并改善系统性能，必须对内存加以扩充。但我们无须去真正地增加内存空间，而只须借助于虚拟存贮技术，便可获得这样地效果。,4.内存扩充,系统必须具有内存扩充机制，用于实现下述各功能：(1)请求调入功能。允许在装入一部分用户程序和数据的情况下，便能启动该程序运行。(2)置换功能。若发现在内存中已无足够的空间来装入需要调入的程序和数据时，系统应能将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调至盘上，以腾出内存空间，然后再将所需调入的部分装入内存。,1.4.3 设备管理,1)设备管理的主要任务:为用户程序分配I/O设备；完成用户程序请求的I/O操作；提高CPU和I/O设备的利用率；方便用户使用I/O设备。,1.缓冲管理,几乎所有的外围设备与处理机交换信息时，都要利用缓冲来缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾，和提高CPU与设备、设备与设备间操作的并行程度，以提高CPU和I/O设备的利用率。,2.设备分配,系统根据用户所请求的设备类型和所采用的分配算法对设备进行分配，并将未获得所需设备的进程放进相应设备的等待队列。,3.设备处理,设备处理程序又称为设备驱动程序启动指定的I/O设备，完成用户规定的I/O操作，并对由设备发来的中断请求进行及时响应，根据中断类型进行相应的处理。,1.4.4文件管理功能,文件存储空间的管理目录管理文件读、写管理文件保护,1文件存储空间的管理,为了方便用户的使用，对于一些当前需要使用的系统文件和用户文件，都必须放在可随机存取的磁盘上。若由用户自己对文件的存储进行管理，不仅非常困难，而且也必然是十分低效的。因而，由文件系统对诸多文件及文件的存储空间实施统一的管理。其主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的存、取速度。,2.目录管理,为了方便用户查找文件，通常由系统为每个文件建立一个目录项。目录项包括文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置等。目录管理的主要任务是为每个文件建立其目录项。其次，目录管理还应能实现文件共享。此外，还应能提供快速的目录查询手段，以提高对文件的检索速度。,3文件的读/写管理和保护,(1)文件的读/写管理。该功能是根据用户的请求，从外存中读取数据，或将数据写入外存。在进行文件读(写)时，系统先根据用户给出的文件名去检索文件目录，从中获得文件在外存中的位置。然后，利用文件读(写)指针，对文件进行读(写)。,3文件的读/写管理和保护,(2)文件保护。为了防止系统中的文件被非法窃取和破坏，在文件系统中必须提供有效的存取控制功能，以实现下述目标：防止未经核准的用户存取文件；防止冒名顶替存取文件；防止以不正确的方式使用文件。,1.4.5操作系统与用户之间的接口,为了方便用户使用操作系统，OS又向用户提供了“用户与操作系统的接口”。该接口通常可分为两大类：(1)用户接口。它是提供给用户使用的接口,用户可通过该接口取得操作系统的服务；(2)程序接口。它是提供给程序员在编程时使用的接口，是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。,1.用户接口,为了方便用户对计算机系统的使用和编程，操作系统向用户提供了用户与操作系统的接口，简称为用户接口。该接口又进一步分为联机用户接口,脱机用户接口和,图形接口。,1.用户接口,(1)联机用户接口。这是为联机用户提供的，它由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成。当用户在终端或控制台上每键入一条命令后，系统便立即转入命令解释程序，对该命令加以解释并执行该命令。在完成指定功能后，控制又返回到终端或控制台上，等待用户键入下一条命令。这样，用户可通过先后键入不同命令的方式，来实现对作业的控制，直至作业完成。,1.用户接口,(2)脱机命令接口是为批处理作业的用户提供的，所以也称为批处理用户接口。该接口由一组作业控制语言JCL组成。用户使用作业控制语言把自身对作业的控制干预信息写到作业说明书上，由系统按照作业说明书的命令自行运行用户的作业，无须用户的干预。,1.用户接口,(3)图形用户接口。几乎所有的现代操作系统都提供了这种图形化的接口方式，用户以操纵鼠标为主、键盘为辅，通过对屏幕上的窗口、菜单、图标和按钮等标准界面元素进行操作来向操作系统请求服务，系统把服务结果以图形方式显示给用户。这种接口方式界面生动、操作简单，用户再也不用记忆字符显示方式下不易掌握的命令行命令，深受大多数用户欢迎，已成为目前桌面操作系统事实上的标准。,2程序接口,程序接口就是系统调用方式。系统调用是指系统为响应用户程序请求操作系统服务所提供的子程序。用户程序可通过调用操作系统提供的系统调用获取系统服务，如DOS的INT 21H、INT 25H等，Windows系统的API函数，如CreateProcess等，Linux系统的fork、wait调用等。系统调用对用户屏蔽了操作系统的具体动作而只提供有关的功能。,2程序接口,它与一般程序和库函数的区别是：系统调用代码在核心态执行，调用时使用类似于硬件中断一样的中断处理机制来提供系统服务。早期的系统调用使用汇编语言编写，它只能供汇编语言程序直接调用。在C语言和其它高级语言中都提供了与系统调用相对应的库函数，应用程序通过调用库函数来使用系统调用。,1.5 OS结构设计,1.软件的含义 软件是指当计算机运行时，能提供所要求的功能和性能的指令和程序的集合，该程序处理的数据信息；还应具有描述程序功能需求以及程序如何操作使用的文档。2.软件工程的含义 软件工程是指运用系统的、规范的和可定量的方法，来开发、运行和维护软件。其目的是为了解决在软件开发中所出现的编程随意、软件质量不可保证以及维护困难等问题。,无结构OS模块化OS结构 分层式OS结构,1.5.1 传统的操作系统结构,在早期开发操作系统时，设计者只是把他的注意力放在功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾一致的设计思想。这种OS是无结构的。主要是编制紧凑程序，便于利用内存，对go to无限制，缺乏清晰的程序结构，难以维护和理解，增加了维护人员的负担。,1.无结构操作系统,2.模块化OS结构,模块化程序设计技术，是基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件的复杂度的。将OS按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。并规定好各模块间的接口，各模块之间能通过该接口实现交互。,2.模块化OS结构,2.模块化OS结构,模块的独立性模块独立性指每个模块只完成系统要求的独立的子功能,并且与其他模块的联系最少且接口简单.。衡量模块的独立性有以下两个标准：(1)内聚性，指模块内部各部分间联系的紧密程度。内聚性越高，模块的独立性越强。(2)耦合度，指模块间相互联系和相互影响的程度。显然，耦合度越低，模块的独立性越好。,模块化OS结构优缺点,优点：提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性；增强OS的适应性；加速OS的开发过程。缺点：在OS设计时，对各模块间的接口规定很难满足在模块完成后对接口的实际需求。很难做到“设计中的每一步决定都是建立在可靠的基础上”。,3.分层式OS结构,为了将模块接口法中“决定顺序”的无序性变为有序性，引入了有序分层法。分层法的设计任务是，在目标系统An和裸机系统(又称宿主系统)A0之间，铺设若干个层次的软件A1、A2、A3、An1，使An通过An1、An2、A2、A1层，最终能在A0上运行。在操作系统中，常采用自底向上法来铺设这些中间层。,3.分层式OS结构,分层结构的主要优点有：(1)易保证系统的正确性。自下而上的设计方式，使所有设计中的决定都是有序的，或者说是建立在较为可靠的基础上的，这样容易保证整个系统的正确性。(2)易扩充和易维护性。在系统中增加、修改或替换一个层次中的模块或整个层次，只要不改变相应层次间的接口，就不会影响其它层次。,1.5.2 客户/服务器模式,为了提高OS的灵活性和可扩充性而将OS划分为两部分，一部分是用于提供各种服务的一组服务器(进程)，另一部分是内核，用来处理客户和服务器之间的通信。在内核中还应具有其它一些机构，用于实现与硬件紧密相关的一些较基本的功能。,1客户/服务器模式的组成,客户/服务器系统主要由客户机、服务器和网络系统三个部分组成。(1)客户机：通常在一个LAN网络上连接有多台网络工作站(简称客户机)，每台客户机都是一个自主计算机，具有一定的处理能力，客户进程在其上运行，平时它处理一些本地业务，也可发送一个消息给服务器，以请求某项服务。,1客户/服务器模式的组成,(2)服务器：通常是一台规模较大的机器，它应能为网上所有的用户提供一种或多种服务。平时它一直处于工作状态，被动地等待来自客户机的请求，一旦检查到有客户提出服务请求，便去完成客户的请求，并将结果送回客户。(3)网络系统：用于连接所有客户机和服务器，实现它们之间通信和网络资源共享的系统。,2客户/服务器之间的交互,在采用客户/服务器的系统中，通常是客户机和服务器共同完成对应用(程序)的处理。这时，在客户机和服务器之间就需要进行交互，即必须利用消息机制在这两者之间进行多次通信。一次完整的交互过程可分成以下四步：,2客户/服务器之间的交互,(1)客户发送请求消息。(2)服务器接收消息。(3)服务器回送消息。(4)客户机接收消息。,3.客户/服务器模式的优点,C/S模式之所以能成为当前分布式系统和网络环境下软件的主要工作模式，是由于该模式具有传统集中模式所无法比拟的一系列优点。(1)数据的分布处理和存储。(2)便于集中管理。(3)灵活性和可扩充性。(4)易于改编应用软件。,1.5.3 面向对象的程序设计技术,1.面向对象技术的基本概念 面向对象技术是20世纪80年代初提出并很快流行起来的。该技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制大型软件的复杂度的。OS中的各类实体如进程、线程、消息、存储器等，都使用了对象这一概念，相应地，便有进程对象线程对象、存储器对象等。,1.面向对象技术的基本概念,1)对象在面向对象的技术中，是利用被封装的数据结构(变量)和一组对它进行操作的过程(方法)，来表示系统中的某个对象的。面向对象中的方法是用于执行某种功能的过程，它可以改变对象的状态，更新对象中的某些数据值或作用于对象所要访问的外部资源。,1.面向对象技术的基本概念,2)对象类在实践中，有许多对象可能表示的是同一类事物，每个对象具有自己的变量集合，而它们所具有的方法是相同的。如果为每一个相似的对象都定义一组变量和方法，显然是低效的，由此产生了“对象类”的概念，利用“对象类”来定义一组大体相似的对象。一个类同样定义了一组变量和针对该变量的一组方法，用它们来描述一组对象的共同属性和行为。类是在对象上的抽象，对象则是类的实例。对象类中所定义的变量在实例中均有具体的值。,类和对象的关系,3)继承在面向对象的技术中，可以根据已有类来定义一个新的类，新类被称为子类(B)，原来的类被称为父类(A)。继承是父类和子类之间共享变量和方法的机制，该机制规定，子类自动继承父类中定义的变量和方法，并允许子类再增加新的内容。,图1-9 类的继承关系,2）面向对象技术的优点,在设计操作系统时，将计算机中的实体作为对象来处理，可带来如下好处：(1)通过“重用”提高产品质量和生产率。(2)使系统具有更好的易修改性和易扩展性。(3)更易于保证系统的“正确性”和“可靠性”。,1.5.4 微内核OS结构,微内核技术的引入 微内核技术，是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核，它运行在核心态，且开机后常驻内存。微内核的基本功能(1)进程管理。(2)存储器管理。(3)进程通信管理。(4)I/O设备管理。,1微内核操作系统的基本概念,为了提高操作系统的“正确性”、“灵活性”、“易维护性”和”可扩充性”，在进行现代操作系统结构设计时，即使在单处理机环境下，大多也采用基于客户/服务器模式的微内核结构，将操作系统划分为两大部分：微内核和多个服务器。至于什么是微内核操作系统结构，现在尚无一致公认的定义，但我们可以从下面四个方面，对微内核结构的操作系统进行描述。,1)足够小的内核在微内核操作系统中，内核是指精心设计的、能实现现代OS最基本的核心功能的部分。它通常用于：实现与硬件紧密相关的处理；实现一些较基本的功能；负责客户和服务器之间的通信。,1微内核操作系统的基本概念,2)基于客户/服务器模式将操作系统中最基本的部分放入内核中，而把操作系统的绝大部分功能都放在微内核外面的一组服务器(进程)中实现。客户与服务器之间是借助微内核提供的消息传递机制来实现信息交互的。,1微内核操作系统的基本概念,在单机环境下的客户/服务器模式,1微内核操作系统的基本概念,3)应用“机制与策略分离”原理所谓机制，是指实现某一功能的具体执行机构。而策略，则是在机制的基础上，借助于某些参数和算法来实现该功能的优化，或达到不同的功能目标。通常，机制处于一个系统的基层，而策略则处于系统的高层。,1微内核操作系统的基本概念,4)采用面向对象技术操作系统是一个极其复杂的大型软件系统，我们不仅可以通过结构设计来分解操作系统的复杂度，还可以基于面向对象技术中的“抽象”和“隐蔽”原则控制系统的复杂性，再进一步利用“对象”、“封装”和“继承”等概念来确保操作系统的“正确性”、“可靠性”、“易修改性”、“易扩展性”等。,1微内核操作系统的基本概念,1)进程(线程)管理 大多数的微内核OS，对于进程管理功能的实现，都采用“机制与策略分离”的原理。例如，为实现进程(线程)调度功能，对属于调度功能的机制部分的内容放入微内核中。对属于策略的问题，将它们放入微内核外的进程(线程)管理服务器中。,2微内核的基本功能,2)低级存储器管理通常在微内核中，只配置最基本的低级存储器管理机制。如用于实现将用户空间的逻辑地址变换为内存空间的物理地址的页表机制和地址变换机制，放入微内核。而将实现虚拟存储器管理的策略，放在微内核外的存储器管理服务器中去实现。,2微内核的基本功能,3)中断和陷入处理大多数微内核操作系统都是将与硬件紧密相关的一小部分放入微内核中处理。此时微内核的主要功能，是捕获所发生的中断和陷入事件，并进行相应的前期处理。然后将有关事件的信息转换成消息后，把它发送给相关的服务器。由服务器调用相应的处理程序来进行后期处理。,2微内核的基本功能,1)提高了系统的可扩展性由于微内核OS的许多功能是由相对独立的服务器软件来实现的，当开发了新的硬件和软件时，微内核OS只须在相应的服务器中增加新的功能，或再增加一个专门的服务器。与此同时，也必然改善系统的灵活性，不仅可在操作系统中增加新的功能，还可修改原有功能，以及删除已过时的功能。,3微内核操作系统的优点,2)增强了系统的可靠性这一方面是由于微内核是出于精心设计和严格测试的；另一方面是它提供了规范而精简的应用程序接口(API)，为微内核外部的程序编制高质量的代码创造了条件。此外，服务器与服务器之间采用的是消息传递通信机制，因此，当某个服务器出现错误时，不会影响内核，也不会影响其它服务器。,3微内核操作系统的优点,3)可移植性一个好的操作系统，必须具备可移植性。在微内核结构的操作系统中，所有与特定硬件有关的代码，均放在内核和内核下面的硬件隐藏层中，而