操作系统(第1章到第5章)

第一章引论

计算机系统

计算机系统是按用户要求接收和存储信息、自动进行数据处理并输出结果信息的系

统。

计算器系统由硬件系统和软件系统组成。

硬件系统是计算机系统赖以工作的实体，软件系统是指计算机系统中的程序和文档。

操作系统

操作系统是计算机系统中的一种系统软件，它管理计算机系统的资源，控制程序的执

行，改善人机界面和为其他软件提供支持。

操作系统的目的

操作系统作为一种系统软件，其目的是提供一个供其它程序执行的良好环境。

操作系统主要的设计原则

第一， 能使计算机系统使用方便。

第二， 能使得计算机系统高效地工作。

操作系统的类型

批处理操作系统，分时操作系统，实时操作系统，网络操作系统，分布式操作系统，

多机操作系统和嵌入式操作系统等。其中批处理操作系统，分时操作系统，实时操作系统

是基本的操作系统。

批处理操作系统

批处理操作系统按照用户预先规定好的步骤控制作业的执行，实现计算机操作的自动

化。批处理操作系统可分为批处理单道系统和批处理多道系统。

批处理单道系统是指一次只选择一个作业装入计算机系统的主存储器运行，控制一批

作业自动地，顺序地运行。

批处理多道系统允许多个作业同时装入主存储器，使中央处理轮流地执行各个作业，

各个作业可以同时使用各自所需要的外围设备。批处理多道系统（除了实现计算机操作的

自动化）还可以充分利用计算机系统资源，缩短作业执行时间，提高系统的吞吐率。

分时操作系统

在分时系统中，一个计算机系统与许多终端设备连接。分时操作系统支持多个终端用

户同时以交互方式使用计算机系统，为用户在测试，修改和控制程序执行方面提供了灵活

性。分时系统主要的特点：同时性，独立性，及时性，交互性。 实时操作系统

实时操作系统能使计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且在严格的规定时

间内处理结束，在给出反馈信号。实时系统是较少有人为干预的监督和控制系统。实时系

统对可靠性和安全性的要求极高，不强求系统资源的利用率。

网络操作系统

网络操作系统把计算机网络中各台计算机系统有机地联合起来，实现各台计算机系统

之间的通信以及网络中各种资源的共享。Windows，UNIX和Linux等操作系统都是网络系

统。

分布式操作系统

分布式操作系统的网络中各台计算机没有主次之分，在各台计算机之间可进行信息交

换和资源共享。这一点上分布式操作系统和网络操作系统差别不大，他们的本质区别在

于，分布式操作系统能使系统中若干台计算机相互协作完成一个共同的任务，这使得各台

计算机组成一个完整的，功能强大的计算机系统。

嵌入式操作系统

计算机硬件不再以物理上独立的装置形式出现，而是大部分或全部都隐藏和嵌入到各

种应用系统中，这样的系统称为嵌入式计算机系统。

嵌入式操作系统是指运行在嵌入式计算机系统中对各种部件，装置等资源进行统一协

调，处理和控制的系统软件。

操作系统的功能

从资源管理的观点看，操作系统的功能可分为处理器管理，存储管理，文件管理和设

备管理。

UNIX操作系统

UNIX是一个交互式分时操作系统。UNIX的第一个版本于1969年在一台PDP-7上开

发的。PDP-11/22上开发了第二个版本，PDP-11/45、PDP-11/70上研发了第三个版本。

注意：分时系统与批处理多道系统

分时系统也是支持多道程序同事执行的系统，但它不同于批处理多道系统。批处理多道系统是实现自动控制无须

认为干预的系统，而分时系统是实现人机交互的系统。

C语言与UNIX

为了更好地支持UNIX的开发，研究小组研制了系统程序设计语言C，并且用C语言重写了UNIX版本2的大部分

程序。

第二章计算机系统结构简介

计算机系统的层次结构

计算机系统是由硬件和软件组成的一种层次结构。

硬件系统主要由中央处理器，存储器，输入输出控制系统和各种输入输出设备组成。

软件系统包括系统软件（操作系统，编译系统），支撑软件（数据库，各种接口软件，

软件开发工具）和应用软件（财务管理软件，人口普查软件）。

以下情况操作系统才会占用处理器

当操作员接通计算机电源或重新启动系统时，计算机系统立即自动执行引导程序，引导

程序首先进行系统初始化工作，然后把操作系统的核心程序装入主存储器，并让操作系统的

核心程序占用处理器执行，完成自身的初始化工作。

计算机系统被启动后，操作系统总是等待某个中断事件的发生。每当发生一个中断事件

就会触发操作系统工作。操作系统的一次工作结束后，又主动让出处理器，让其他程序执行。

多级存储体系

寄存器：寄存器是处理器的组成部分，用来存放处理器的工作信息。寄存器可分为 :

通用寄存器：存放参加运算的操作数、指令的运算结果等。

指令寄存器：存放当前从主存储器读出的指令。

控制寄存器：存放控制信息以保证程序的正确执行和系统安全。通常控制寄存

器有程序状态字寄存器、中断字寄存器、基址寄存器、限长寄存器等。

主存储器：在计算机系统中，任何程序和数据都必须在装入主存储器之后才能对其进行

操作。主存储器容量较大，能被处理器直接访问。

高速缓冲存储器：高速缓冲存储器起到了缩短存取时间和缓冲存储的作用。

辅助存储器：磁盘和磁带是最常用的辅助存储器。辅助存储器只能与主存储器相互传送

信息

特权指令

中央处理器执行的指令分为两类：特权指令和非特权指令。不允许用户程序中直接使用

的指令称为特权指令，其余的称为非特权指令。

注意：主存储器

主存储器以“字节”为单位进行编址，若干个字节可组成一个字。

特权指令

特权指令都是对计算机系统中的资源进行控制和管理的指令。例如”启动I/O”、设置时钟，设置控制寄存器等。由于计

算机系统中的资源是由操作系统统一管理的，因而不允许用户程序使用这些指令。

管态和目态（限制用户程序中使用特权指令）

中央处理器设置了两种工作状态：管态和目态。当处理器处于管态时可执行包括特权

指令在内的一切机器指令，当处理器处于目态时不允许执行特权指令。当处理器在目态下工

作时，若取得一条特权指令，此时处理器将拒绝执行该指令，并形成一个“非法操作”事件。

存储保护（其中一种方法在21页）

主存储器中往往同时装入了操作系统和若干用户程序。为了保证正确地操作，这就必须

限定用户程序只能在规定的主存区域内执行，以保护各程序的安全。存储保护随着主存储器

管理方式的不同，实现保护的方法也有所不同，一般是操作系统与硬件配合来实现存储保护。

操作系统的结构设计应追求下列目标

正确性: 一个结构良好的操作系统不仅能保证正确性，而且易于验证其正确性。

高效性: 核心程序是影响计算机系统效率的关键所在应遵循少而精的原则，使处理即有

效又灵活。

维护性：操作系统要容易维护。

移植性：在结构设计时，尽量减少与硬件直接有关的程序量并将其独立封装。

操作系统结构的设计方法————层次结构法

各种设计方法总的目标都要保证操作系统工作的可靠性。层次结构法的最大特点是把整

体问题局部化。采用层次结构不仅结构清晰，而且便于调试，有利于功能的增加，删除和修

改。层次结构的主要优点是有利于系统的设计和调试。主要困难在于层次的划分和安排。

UNIX系统的结构

UNIX可以分成内核层和外核层。

内核层：内核层是UNIX操作系统的核心。它具有存储管理、文件管理、设备管理、进

程管理等功能，以及为外壳层提供服务的系统调用。

外核层：外核层为用户提供各种操作命令（shell命令）和程序设计环境。外核层由shell

解释程序、支持程序设计的各种语言、编译程序、解释程序、实用程序和系统库

等组成。

操作系统为用户提供的两种类型使用接口

操作员级的接口是一组操作控制命令。

程序员级的接口是一组系统功能调用。

注意 : UNIX内核

UNIX的内核程序用C语言和汇编语言编写。他被分成能独立编译和汇编的几十个源代码文件。这些文件按编译方式大致

可以分成如下三类: 汇编语言文件，C语言文件，C语言全局变量文件。

系统调用

操作系统编制了许多不同功能的子程序，供用户程序执行调用。这些由操作系统提供的

子程序称为系统功能调用程序，简称系统调用。

系统调用分类

文件操作类

这类系统调用有打开文件、建立文件、读文件、写文件、关闭文件、删除文件等。

资源申请类

用户调用系统功能请求分配主存空间、归还主存空间、分配外围设备归还外围设备

等。

控制类

这类系统调用有正常结束，异常结束，返回断点/指定点等。

信息维护类

例如，设置日历时间，获取日历时间，设置文件属性，获取文件属性等。

Shell文件

UNIX提供的操作控制命令称为shell命令，一组shell命令组成了shell命令语言。用

shell命令编辑成的文件称为shell文件。

UNIX系统调用分类

UNIX系统调用基本上可分为三类：文件操作类，控制类，时间类。

UNIX提供两种程序运行环境

UNIX提供两种程序运行环境：用户态和核心态。外壳层的程序在用户态运行，内核层

的程序在核心态运行。

UNIX把在用户态运行的程序称为用户程序，把在核心态运行的程序称为系统程序

注意：UNIX的访管指令

在UNIX中，规定用户程序用“trap指令”（UNIX访管指令）来请求系统调用。

UNIX系统调用程序入口表

UNIX设置了一张“系统调用程序入口表”。该表中每个表项的内容都包含有系统调用编号、系统调用所带参数个数、系统

调用处理程序入口地址、系统调用名称。