1.1 操作系统概念

我们所熟悉的操作系统

• DOS（Disk Operating System）
• Windows 系列
• Unix
• Linux
• 嵌入式系列

操作系统的地位和作用

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。

操作系统的作用可以从不同的观点来观察。
从一般用户的观点，可以把操作系统看作是用户与计算机硬件系统之间的接口；
从资源管理的观点 ，可把操作系统视为计算机系统资源的管理者。

操作系统的设计目标

• 方便性
• 有效性
• 可扩充性
• 开放性

操作系统的定义

操作系统是一组用于控制和管理计算机系统中的所有资源的程序集合，其任务是合理地组织计算机的工作流程，有效地组织诸资源协调一致地工作以完成各种任务，从而达到充分发挥资源效率、方便用户使用计算机的目的。

操作系统的功能

操作系统是计算机系统的资源管理者。在计算机系统中，能分配给用户使用的各种硬件和软件设施总称为资源。资源包括两大类：硬件资源和信息资源。
硬件资源：处理器、存储器、I/O设备等；
信息资源：程序和数据等。
资源管理的目的：实现资源共享，提高资源利用率。

处理机管理

完成处理机资源的分配调度等功能。对处理器的管理和调度最终归结为对进程和线程的管理和调度，包括：

• （1）进程控制和管理；
• （2）进程同步和互斥；
• （3）进程通信；
• （4）进程死锁；
• （5）线程控制和管理；
• （6）处理器调度，又分高级调度、中级调度和低级调度。

存储管理

存储管理的主要任务是管理存储器资源，为多道程序运行提供有力支撑，便于用户使用存储资源，提高存储空间的利用率。主要功能包括：

• （1）存储分配：根据用户程序的需要分配给它存储器资源，当然程序运行结束撤离时，回收存储资源。

• （2）存储共享：让存储器中的多个用户程序实现存储资源的共享，以提高存储器的利用率。

• （3）地址转换与存储保护。把用户的逻辑地址转换成物理地址，同时要保证各个用户程序相互隔离起来互不干扰，保护系统和用户程序存放在存储器中的信息不被破坏。

• （4）存储扩充。存储管理还应该能从逻辑上来扩充内存储器，把内存和外存混合起来使用，为用户提供一个比内存实际容量大得多的逻辑编程空间。

设备管理

设备管理的主要任务是管理各类外围设备，完成用户提出的I/O请求，提高I/O设备的利用率，以及提供每种设备的设备驱动程序和中断处理程序，为用户隐蔽硬件细节。 设备管理的主要功能包括：

• （1）提供I/O设备的控制与处理。
• （2）提供缓冲区的管理。
• （3）提供设备独立性。
• （4）外围设备的分配和去配。
• （5）实现共享型I/O设备的驱动调度。
• （6）实现虚拟设备。

文件管理

文件管理是对系统中信息资源的管理，信息资源包括：程序和数据。文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行有效管理，实现按名存取；实现文件的共享、保护和保密，保证文件的安全性；并提供给用户一整套能方便使用文件的操作和命令。

文件管理的主要功能包括：

• （1）提供文件逻辑组织方法；
• （2）提供文件物理组织方法；
• （3）提供文件存取方法；
• （4）提供文件使用方法；
• （5）实现文件的目录管理；
• （6）实现文件的共享和存取控制；
• （7）实现文件的存储空间管理。

网络管理

网络管理的主要功能包括：

• （1）网上资源管理功能。网络操作系统应实现网上资源的共享，管理用户对资源的访问，保证信息资源的安全性和完整性。
• （2）数据通信管理功能。计算机联网后，结点之间可以互相传送数据，按照通信协议的规定，完成网络上计算机之间的信息传送。
• （3）网络管理功能。包括：故障管理、安全管理、性能管理、配置管理等。

提供良好的用户界面

为了使用户能灵活、方便地使用计算机和系统功能，操作系统还提供了一组使用其功能的手段称用户接口。
包括两大类：程序接口和操作接口。
用户通过这些接口能方便地调用操作系统功能，有效地组织作业及其工作和处理流程，并使整个系统能高效地运行。

操作系统的特性

1）并发性

在计算机系统中同时存在多个程序。

• 宏观上：这些程序是同时在执行的。
• 微观上：任何时刻只有一个程序在执行。（即微观上这些程序在CPU上轮流执行）

思考：并发与并行的区别？

并发执行的好处是能够使CPU与外设同时并行执行，提高了资源的利用率。
弊端在于并发必然导致共享资源的矛盾，同时还带来诸如多道程序执行过程的中断，同一程序在不同硬件上的调度转换，同一CPU上不同程序的现场切换、存储保护以及合作进程如何同步等问题。

2）共享性

共享指计算机系统中的资源可被多个并发执行的用户程序和系统程序共同使用。

共享有两种形式：
● 一是顺序共享
● 一种竞争性共享

共享性和并发性是操作系统两个最基本的特性，它们互为依存。一方面，资源的共享是因为程序的并发执行而引起的，若系统不允许程序并发执行，自然也就不存在资源共享问题。另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，必然会影响到程序的并发执行，甚至程序无法并发执行，操作系统也就失去了并发性。

3）不确定性（不可再现性）

系统事件（运行、I/O等）的发生是具有随机性和不确定性。

不确定性也称异步性。在多道程序并发执行的环境中，各程序之间存在着直接或间接的联系，程序的推进速度会受到运行环境的影响 。

操作系统的不确定性是并发与共享的必然结果。为了实现并发与共享，操作系统必须有能力随时响应和正确处理各种随机事件。它不是事先规定各种事件何时发生，而是事先安排好对各种可能事件的处理，不管这些事件何时、以何种次序以及何种组合方式发生，这就是操作系统的不确定性。

4）虚拟性

虚拟是指物理上没有提供，但是逻辑上却具备的功能。在用户看来好像是物理上原来就具有的功能一样。采用虚拟技术的目的是为了提高资源利用率和为用户提供易于使用、方便高效的操作环境。 虚拟性体现：
● 操作系统虚拟机
● 对系统硬件和软件资源的虚拟机制（如虚拟处理机、 虚拟内存、虚拟设备、虚拟文件系统）。

特性总结

操作系统的并发性、共享性、不确定性、虚拟性四个特征不是相互独立的，具有密切的关系——并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。虚拟技术为共享提供了更好的条件，而并发与共享是导致不确定性的根本原因。

1.2 操作系统的形成和发展

计算机操作系统的发展

• 手工操作阶段
• 早期批处理阶段
• 执行系统阶段
• 多道程序系统阶段
• 操作系统的形成

1.3 操作系统的分类

1、批处理操作系统

2、分时操作系统

3、实时操作系统

4、微机操作系统

5、网络操作系统

6、分布式操作系统

7、嵌入式操作系统

1.4 操作系统的结构设计

1.5 Linux操作系统简介

Linux 的产生

1981 年IBM 公司推出享誉全球的微型计算机IBM PC。在1981-1991 年间，MS-DOS 操作系统一直是微型计算机上操作系统的主宰。此时计算机硬件价格虽然逐年下降，但软件价格仍然是居高不下，并且几乎没有开源性。

从1991 年4 月份起，Linus开始酝酿并着手编制自己的操作系统。刚开始，他的目的很简单，只是为了学习Intel 386 体系结构保护模式运行方式下的编程技术。但后来Linux的发展却完全改变了初衷。

Linus 几乎花了全部时间研究386-minix 系统，到了1991 年的10 月5 日，Linus 在comp.os.minix 新闻组上发布消息，正式向外宣布Linux 内核系统的诞生。这段消息可以称为Linux 的诞生宣言，并且一直广为流传。因此10月5 日对Linux 社区来说是一个特殊的日子，许多后来Linux 的新版本发布时都选择了这个日子。所以RedHat 公司选择这个日子发布它的新系统也不是偶然的。

Linux的特点

Linux是一种支持多用户、多线程、多进程、实时性好、功能强大而稳定的操作系统。是一种能运行于多种平台、源代码公开、免费、功能强大、遵守POSIX（可移植操作系统接口）标准、与UNIX兼容的操作系统。

Linux和Unix的不同

• 1）Linux是免费的，但是UNIX却极其昂贵。对于应用程序也一样，很多非常优秀的应用程序在Linux上都可以免费得到；
• 2）Linux可以在很多不同的硬件平台上运行，而典型的UNIX都是和提供商的专有硬件捆绑在一起的；
• 3）使用Linux的用户是计算机的真正主宰；而对于UNIX，用户只是一个“许可用户”。

课后习题

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