操作系统原理 第一章 操作系统引论（1）

1.1 操作系统的目标和作用

操作系统的目标与应用环境有关。

例如在查询系统中所用的OS，希望能提供良好的人—机交互性；对于应用于工业控制、武器控制以及多媒体环境下的OS，要求其具有实时性；而对于微机上配置的OS，则更看重的是其使用的方便性。

1.1.1 操作系统的目标

1. 方便性
2. 有效性
3. 可扩充性
4. 开放性

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

OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。或者说，用户在OS帮助下能够方便、快捷、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。

2.OS作为计算机系统资源的管理者

在一个计算机系统中，通常都含有多种硬件和软件资源。归纳起来可将这些资源分为四类：处理机、存储器、I/O设备以及文件(数据和程序)。相应地，OS的主要功能也正是对这四类资源进行有效的管理。处理机管理是用于分配和控制处理机；存储器管理主要负责内存的分配与回收；I/O设备管理是负责I/O设备的分配(回收)与操纵；文件管理是用于实现对文件的存取、共享和保护。可见，OS的确是计算机系统资源的管理者。

3.OS实现了对计算机资源的抽象

对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机)，由于它向用户提供的仅是硬件接口(物理接口)，因此，用户必须对物理接口的实现细节有充分的了解，这就致使该物理机器难于广泛使用。为了方便用户使用I/O设备，人们在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件，如图1-2所示，由它来实现对I/O设备操作的细节，并向上将I/O设备抽象为一组数据结构以及一组I/O操作命令，如read和write命令，这样用户即可利用这些数据结构及操作命令来进行数据输入或输出，而无需关心I/O是如何具体实现的。

1.1.3 推动操作系统发展的主要动力

1. 不断提高计算机资源利用率
2. 方便用户
3. 器件的不断更新换代
4. 计算机体系结构的不断发展
5. 不断提出新的应用需求

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1.2 操作系统的发展过程

在20世纪50年代中期，出现了第一个简单的批处理OS；60年代中期开发出多道程序批处理系统；不久又推出分时系统，与此同时，用于工业和武器控制的实时OS也相继问世。20世纪70到90年代，是VLSI和计算机体系结构大发展的年代，导致了微型机、多处理机和计算机网络的诞生和发展，与此相应地，也相继开发出了微机OS、多处理机OS和网络OS，并得到极为迅猛的发展。

1.2.1 未配置操作系统的计算机系统

1.人工操作方式

早期的操作方式是由程序员将事先已穿孔的纸带（或卡片），装入纸带输入机（或卡片输入机），再启动它们将纸带（或卡片）上的程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。仅当程序运行完毕并取走计算结果后，才允许下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：
（1）用户独占全机，即一台计算机的全部资源由上机用户所独占。
（2）CPU等待人工操作。当用户进行装带、卸带等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。

2.脱机输入/输出（Off-Line I/O）方式

为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，20世纪50年代末出现了脱机I/O技术。该技术是事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在一台外围机的控制下，把纸带(卡片)上的数据(程序)输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上高速地调入内存。

1.2.2 单道批处理系统

1.单道批处理系统的处理过程

为实现对作业的连续处理，需要先把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序(Monitor)，在它的控制下，使这批作业能一个接一个地连续处理。

2.单道批处理系统的缺点

单道批处理系统最主要的缺点是，系统中的资源得不到充分的利用。这是因为在内存中仅有一道程序，每逢该程序在运行中发出I/O请求后，CPU便处于等待状态，必须在其I/O完成后才继续运行。又因I/O设备的低速性，更使CPU的利用率显著降低。图1-5示出了单道程序的运行情况，从图可以看出：在t2～t3、t6～t7时间间隔内CPU空闲。

1.2.3 多道批处理系统

1.多道程序设计的基本概念

为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在20世纪60年代中期引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统。图1-6示出了四道程序时的运行情况。

2.多道批处理系统的优缺点

优点：
（1）资源利用率高；
（2）系统吞吐量大：
1.CPU和其它资源保持“忙碌”状态
2.仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小

缺点：
（1）平均周转时间长。由于作业要排队依次进行处理，因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。
（2）无交互能力。用户一旦把作业提交给系统后，直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，修改和调试程序极不方便。

3.多道批处理系统需要解决的问题

1. 处理机争用问题。既要能满足各道程序运行的需要，又要能提高处理机的利用率。
2. 内存分配和保护问题。
3. I/O设备分配问题。
4. 文件的组织和管理问题。
5. 作业管理问题。
6. 用户与系统的接口问题。

1.2.4 分时系统

1. 分时系统的引入

如果说推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提高资源利用率和系统吞吐量，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力，则是为了满足用户对人—机交互的需求，由此形成了一种新型OS。用户的需求具体表现在以下几个方面：

• 人机交互
• 共享主机

2.分时系统实现中的关键问题

在多道批处理系统中，用户无法与自己的作业进行交互的主要原因是：作业都先驻留在外存上，即使以后被调入内存，也要经过较长时间的等待后方能运行，用户无法与自己的作业进行交互。

3.分时系统的特征

• 多路性
• 独立性
• 及时性
• 交互性

1.2.5 实时系统

1.实时系统的类型

• 工业（武器）控制系统
• 信息查询系统
• 多媒体系统
• 嵌入式系统

2.实时任务的类型

• 周期性实时任务和非周期性实时任务
• 硬实时任务和软实时任务

3.实时系统与分时系统特征的比较

• 多路性
• 独立性
• 及时性
• 交互性
• 可靠性

1.2.6 微机操作系统的发展

1.单用户单任务操作系统

• CP/M
• MS-DOS

2.单用户多任务操作系统

即只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使他们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。

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，也有不少配置的是多用户多任务操作系统，其中最有代表性的是UNIX OS。