第7章操作系统理解什么是操作系统了解计算机系统主要技术变革对操作系统发展的影响掌握操作系统的内核组成以及操作系统的主要功能了解现代操作系统的理论、特征、技术及发展学习目标操作系统概述7.1操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，同时也提供一个让用户与系统交互的操作界面无论是编写程序还是使用程序，都是在操作系统上完成的操作系统在计算机系统中的层次如图7-1所示7.1.1 操作系统的概念图7-1 操作系统在计算机系统中的层次操作系统概述7.17.1.1 操作系统的概念从计算机的角度来看，操作系统与硬件最为密切相关，可将操作系统视为资源分配器从用户角度看，操作系统呈现多样性从理论定义的角度，操作系统是计算机中最重要的系统软件，是一组系统程序的集成从发展的观点看，引入操作系统是为了给计算机系统的功能扩展提供支撑平台，使之在追加新的服务和功能时更加容易操作且不影响原有的服务与功能操作系统概述7.17.1.2 操作系统的发展和分类计算机技术的变革使得计算机的特点从最初的体积大、功耗高、可靠性差、速度慢变为体积缩小、能耗降低、可靠性高、运算速度快操作系统的技术发展与体系演变与计算机硬件的发展紧密相连。
操作系统概述7.17.1.2 操作系统的发展和分类1.无操作系统阶段从20世纪40年代末到50年代中期，最早的计算机程序员直接与计算机硬件交互，此时没有操作系统这些早期系统存在两个主要问题，即人机操作调度过程的处理器时间浪费以及程序设置时间的消耗此阶段操作模式可以称为串行处理，反映了用户对计算机连续低效的访问操作系统概述7.17.1.2 操作系统的发展和分类2.单道批处理系统20世纪50年代，中期晶体管的引入从根本上改变了局面，计算机变得足够可靠，可以生产并出售给付费客户，它们能运行足够长的时间，完成一些有用的工作当计算机完成当前正在运行的任何作业时，操作员会走到打印机前，撕下输出并将其带到输出室，以便程序员以后可以收集它，并从一个卡片组读出数据考虑到操作员的时间消耗与设备的高成本，批处理系统的解决方案很快被提出，计算机系统就这样自动地依次对作业进行处理（顺序性），直至磁带（盘）上的所有作业全部自动完成内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行，这样便形成了早期的单道批处理系统操作系统概述7.17.1.2 操作系统的发展和分类3.多道批处理系统使用简单的单道批处理操作系统提供的自动作业控制，处理器通常会处于空闲状态，原因在于I/O设备消耗的时间较多。
表7-1详细说明了一个具有代表性的计算，涉及平均每100个机器指令处理一条文件记录在本例中，计算机将约96%的时间花在等待I/O设备（完成文件数据往返上）表7-1 系统时间利用举例操作系统概述7.17.1.2 操作系统的发展和分类3.多道批处理系统这种单道执行的情况下，处理器执行一段时间，然后开始执行I/O指令，直到一个I/O指令结束为止，处理器才继续执行后续的指令，这种低效成为多道技术产生的起因计算机系统中的内存应有足够的存储空间支持操作系统和一个用户程序假设内存空间对于操作系统和两个用户程序仍有空余，当一个作业需要等待I/O时，处理器可以切换到另一个可能暂不需要I/O的作业执行，此时，系统可扩展内存以容纳三个、四个甚至更多的程序并在所有程序之间切换（见图7-2），这种方法被称为多道程序设计或多任务处理，也是现代操作系统的主要方式图7-2 多道系统内存分区分配操作系统概述7.17.1.2 操作系统的发展和分类4.分时操作系统分时系统的描述是指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源分时操作系统的特点为可以实现人机交互，用户在使用机器时应能够像自己独占计算机一样，不仅可以随时与计算机交互。
人机交互的关键，是使用户键入命令后能及时地控制自己作业的运行，或修改自己的作业为此，各个用户的作业都必须在内存中，且应能频繁地获得处理机而运行否则，用户键入的命令将无法响应到自己的作业上操作系统概述7.17.1.2 操作系统的发展和分类5.实时操作系统实时系统是指在限定的时间内对输入进行快速处理并做出响应的计算机处理系统在实时系统中必然存在着若干个实时任务，这些任务通常与某个（些）外部设备相关，需控制相应的外部设备，因而带有某种程度的紧迫性实时操作系统主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域，其主要特征是实时性和可靠性对实时任务进行实时处理是实时操作系统的主要目标之一，如果周期任务过载，进入系统的任务数目超出系统的处理能力，则实施过载保护操作系统概述7.17.1.2 操作系统的发展和分类6.微机操作系统1971年，世界上第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代应用领域从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭微型计算机的出现给人类的生活带来了翻天覆地的变化，引起了计算机产业的革命，其应用渗入各个领域的发展当中微机操作系统从单用户单任务操作系统发展为多用户多任务操作系统，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，从而进一步提高资源利用率和系统吞吐量。
计算机网络通过数据通信系统把地理上分散的计算机和终端设备连接起来，以达到数据通信和资源共享的目的，架构在计算机网络上的网络操作系统得到长足发展操作系统概述7.17.1.2 操作系统的发展和分类7.嵌入式操作系统嵌入式操作系统通常是面向特定应用的，是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等，操作系统与应用产品有机地结合在一起，系统软件的升级换代和具体产品同步进行，因此具有较长的生命周期操作系统的功能7.27.2.1处理器管理在多道批处理操作系统中，作业的数量往往多于处理机个数，这样就导致处理机不能并行地处理所有作业处理机调度是从多个待运行的任务中按照某种算法选择一个，并将处理机分配给它，以实现该任务的执行发生在操作系统中的调度有三个层次，如图7-3所示，分别是高级调度（作业调度）、中级调度（解挂、挂起）和低级调度（进程调度），这三层调度面向的对象各不相同图7-3 具有高、中、低三级调度的模型操作系统的功能7.27.2.1处理器管理调度算法在处理时钟中断方面可分为两类：非抢占式调度算法和抢占式调度算法。
非抢占式调度算法选择要运行的进程，然后让它运行，直到它阻塞（在I/O上或等待另一个进程）或者直到它自动释放处理器抢占式调度算法选择一个进程，并允许它在最大值时间内运行，如果该进程在时间间隔结束时仍在运行，则被挂起，调度器将选择另一个要运行的进程（如果有可用的进程）操作系统的功能7.27.2.1处理器管理在多道环境中，有大量作业被收入输入井，为实现管理，系统需进行一些必要的工作为每一道作业建立一个作业控制块（job control block，JCB），记录系统中各作业的情况，基于调度算法选择队列中的哪些作业调入内存常用调度算法有：（1）先来先服务法（first come first serve,FCFS）（3）最短剩余时间优先法（shortest remaining timenext,SRTN）（4）最高响应比优先（highest response ratio next,HRRN）（2）短作业优先法（shortest job first,SJF）操作系统的功能7.27.2.1处理器管理为了实现进程调度，在调度机制中，事先将系统中的所有就绪进程按照一定的策略排成一个或多个队列，调度程序能最快地找到它。
常用的进程调度算法有：（1）先进先出（2）优先级调度算法（3）时间片轮转法（roundrobin，RR）（4）多级反馈队列法（mutilevel feedback）操作系统的功能7.27.2.1处理器管理调度性能评价准则可通过系统监控、计算并参考评价，主要指标有：（1）处理器的利用率（2）吞吐量（3）周转时间（4）带权周转时间（5）就绪等待时间（6）响应时间操作系统的功能7.27.2.2 存储器管理常见的存储层次结构有两种：“寄存器内存外存”和“寄存器快速缓存内存外存”操作系统中管理内存层次结构的部分通常称为内存管理，相关工作涉及跟踪内存的哪些部分在使用，哪些部分不在使用，在进程需要时分配内存，并在进程完成时释放内存，当主存储器太小而无法容纳所有进程时，负责主存储器与磁盘之间的交换，同时分析与管理内存，进行分配调整操作系统的功能7.27.2.2 存储器管理讨论存储器管理过程时，需要关注以下几个概念：（1）地址空间在用汇编语言或高级语言编写的程序中，是通过符号名来访问子程序和数据的，程序中符号名的集合称为名字空间汇编语言源程序经过汇编，或者高级语言源程序经过编译，得到的目标程序是以“0”作为参考地址的模块，之后多个目标模块由链接程序链接成一个具有统一地址的装配模块，以便最后装入内存中执行。
目标模块中的地址称为相对地址（或逻辑地址），相对地址的集合亦称作相对地址空间，如图7-4所示图7-4 目标模块地址空间操作系统的功能7.27.2.2 存储器管理（2）地址重定位地址重定位完成相对地址转换成内存的绝对地址工作，又称为地址映射按照重定位的时机，可分为静态重定位和动态重定位重定位由操作系统安排，在装入程序前，系统会计算未使用的内存，然后将程序装入，并将装入的基地址送入寄存器（Base Register，BR），在执行有相对地址的指令时，会将相对地址送变址寄存器（Variable Register，VR），变址与基址寄存器相加，实现重定位，如图7-5所示图7-5 地址重定位操作系统的功能7.27.2.2 存储器管理（3）内存分配与回收内存管理的主要操作是给进程分配执行时所需要的存储空间从操作系统的发展历史来看，内存分配主要有分区存储管理、分页存储管理、分段存储管理及段页式存储管理方案操作系统的功能7.27.2.2 存储器管理（4）虚拟存储器计算机中所运行的程序均需经由内存执行，若执行的程序占用内存很大或很多，则会导致内存大量消耗，以致新到达的作业无法加载运行为解决该问题，操作系统运用了虚拟内存技术，即匀出一部分辅存空间来充当内存使用。
当内存消耗过大时，操作系统会自动启用辅存充当虚拟存储器，以缓解内存的紧张，对主存储器进行补偿操作系统的功能7.27.2.2 存储器管理虚拟存储器是一个假想的存储器，并不实际存在，空间也不可能无限大因为其容量受到两个方面的制约，一个是辅存的容量，另一个是指令中表示地址的长度支持虚拟存储技术的系统中，程序生成的地址称为虚拟地址并形成虚拟地址空间使用虚拟内存时，虚拟地址不会直接进入内存总线相反，它们被送到存储器管理单元（memory management unit，MMU），该MMU将虚拟地址映射到物理存储器地址，如图7-6所示图7-6 处理器中的内存管理单元（MMU）操作系统的功能7.27.2.2 存储器管理（5）内存空间保护内存分配前需要保护操作系统不受用户进程的影响，同时保护用户进程不受其他用户进程的影响，一般通过重定位寄存器和界地址寄存器来实现这种保护，重定位寄存器含最小的物理地址值，每个逻辑地址值必须小于界地址寄存器内存管理机构动态地将逻辑地址与界地址寄存器进行比较，如果未发生地址越界，则加上重定位寄存器的值后映射成物理地址，再送交内存单元操作系统的功能7.27.2.3 设备管理I/O设备大致可以分为两类：块设备和字符设备。
块设备是将信息存储在固定大小的块中的设备，每个块都有唯一地址块设备的基本特性是可以独立于所有其他块来读或写每个块，磁盘是最常见的块设备另一种类型的字符设备传送或接收字符流而不考虑任何块结。