第一章 - 计算机操作系统概述

CTSS：compatible Time-Sharing System
MULTICS：Multiplexed Infomation and Computing System 多任务系统

深入观察操作系统

资源管理的视角

计算机系统的资源

硬件资源
处理器、内存、外设
信息资源
数据、程序

管理的视角

处理器资源：那个程序占有处理器运行？
内存资源：程序/数据在内存中如何分布？
设备管理：如何分配、去配和使用设备？ — IO设备等外设都是由操作系统统一管理，防止造成无序状态
信息资源管理：如何访问文件信息？
信号量资源：如何管理进程之间的通信

屏蔽资源使用的底层细节

驱动程序：最底层的、直接控制和监视各类硬件(或文件)资源的部分
职责是隐藏底层硬件的具体细节，并向其他部分提供一个抽象的、通用的接口
比如说：打印一段文字或一个文件，既不需知道文件信息存储在硬盘上的细节，也不必知道具体打印机类型和控制细节

资源的共享方式

独占使用方式（时分复用）
如：打印机在一个时间段内只能被一个进程独立使用
并发使用方式
如：一个文件可以同时被多个进程一起读

资源分配策略

静态分配方式：进程运行前一次拿到全部独占资源
- 资源使用效率低
动态分配方式：使用资源前临时申请
- 可能产生竞争资源的死锁
- 并发访问的难题-详见第六章
资源抢占方式
- 被抢夺资源的进程需要回滚执行

控制程序执行的视角

多道程序同时计算

CPU速度与I/O速度不匹配的矛盾，非常突出 – CPU以摩尔定律的速度发展，IO设备的速度受制于机械设备
只有让多道程序同时进入内存争抢CPU运行，才可以够使得CPU和外围设备充分并行，从而提高计算机系统的使用效率。关键是提高CPU的利用率
并行：在同一个时间点有两个事件在同时发生。
并发：在某一个时间区间内，两件事情交替发生。

多道程序设计

指让多个程序同时进入计算机的主存储器进行计算

多道程序设计的特点

CPU与外部设备充分并行
外部设备之间充分并行
发挥CPU的使用效率
提高单位时间的算题量 — 系统整体性能得到了优化
但是，单道程序的运算时间会增加

多道程序系统的实现

为进入内存执行的程序建立管理实体：进程
OS应能管理与控制进程程序的执行
OS协调管理各类资源在进程间的使用
- 处理器的管理和调度
- 主存储器的管理和调度
- 其他资源的管理和调度

多道程序系统的实现要点

如何使用资源：调用操作系统提供的服务例程(如何陷入操作系统)
如何复用CPU：调度程序(在CPU空闲时让其他程序运行)
如何使CPU与I/O设备充分并行：设备控制器与通道(专用的I/O处理器)
如何让正在运行的程序让出CPU：中断(中断正在执行的程序，引入OS处理)

内核是中断驱动的 Reactive

操作控制计算机的视角

计算机系统操作方式

OS规定了合理操作计算机的工作流程
OS的操作接口——系统程序

OS提供给用户的功能级接口，为用户提供的解决操作计算机和计算共性问题的所有服务的集合
OS的两类作业级接口

脱机作业控制方式：作业控制语言
联机作业控制方式：操作控制命令

脱机作业控制方式

OS：提供作业说明语言
用户：编写作业说明书，确定作业加工控制步骤，并与程序数据一并提交
操作员：通过控制台输入作业
OS：通过作业控制程序自动控制作业的执行
例：批处理OS的作业控制方式，UNIX的shell程序，DOS的bat文件

脱机输入/输出技术是为了解决CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾而提出的，此技术减少了CPU的空闲等待时间，提高了I/O速度。其输入/输出方式如下图所示。

为解决低速输入设备与CPU速度不匹配的问题，可以将用户程序和数据在一台外围机的控制下，预先从低速输入设备（纸带机）输入到输入带上，当CPU需要这些程序和数据时，再直接从输入带高速输入到内存，从而大大加快输入速度，减少CPU等待输入的时间，这就是脱机输入技术。
类似地，当程序运行完毕或告一段落，当CPU需要输出时，无须直接把计算结果送至低速输出设备（打印机），而是高速地把结果送到输出带上，然后在外围机的控制下，把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出，这就是脱机输出技术。若输入/输出操作在主机控制下进行，则称为联机输入/输出。
采用脱机输入/输出技术后，低速I/O设备上数据的输入/输出都在外围机的控制下进行，而CPU只与高速的输入带及输出带打交道，从而有效地减少了CPU等待慢速设备输入/输出的时间。

联机作业控制方式

计算机：提供终端（键盘/显示器）
用户：登录系统
OS：提供命令解释程序
用户：联机输入操作控制命令，直接控制作业步的执行
例：分时OS的交互控制方式

命令解释程序

命令解释程序：接受和执行一条用户提出的对作业的加工处理命令
当一个新的批作业被启动，或新的交互型用户登录进系统时，系统就自动地执行命令解释程序，负责读入控制卡或命令行，作出相应解释，并予以执行
会话语言：可编程的命令解释程序
图形化的命令控制方式
多通道交互的命令控制方式

人机交互的角度

操作系统的人机交互部分

OS改善人机界面，为用户使用计算机提供良好的环境
人机交互设备包括传统的终端设备和新型的模式识别设备
OS的人机交互部分用于控制有关设备运行和理解执行设备传来的命令
人机交互功能是决定计算机系统友善性的重要因素，是当今OS研发热点

人机交互的初期发展

交互式控制方式

行命令控制方式：1960年代开始使用
全屏幕控制方式：1970年代开始使用

斯坦福研究所提出的发展计划

始于1960年代，1980年代广泛应用
强调人而不是技术是人机交互的中心
代表性成果：鼠标、菜单与窗口控制

人机交互发展-WIMP界面

缘起：70年代后期Xerox的原型机Star
特征：窗口(Windows) 、图标(Icons)、菜单(Menu) 和指示装置(PointingDevices)为基础的图形用户界面WIMP
得益：Apple最初采用并大力推动
时间：1990年代开始广泛使用
不足：不允许同时使用多个交互通道，从而产生人-机交互的不平衡

程序接口的视角

操作系统的程序接口

操作系统的程序接口：操作系统为程序运行扩充的编程接口
系统调用：操作系统实现的完成某种特定功能的过程；为所有运行程序提供访问操作系统的接口
POSIX支持

系统调用的实现机制

陷入处理机制：计算机系统中控制和实现系统调用的机制。用户程序陷入系统程序
陷入指令：也称访管指令，或异常中断指令，计算机系统为实现系统调用而引起处理器中断的指令。内核也称为管态
每个系统调用都事先规定了编号，并在约定寄存器中规定了传递给内部处理程序的参数

系统调用的实现要点
编写系统调用处理程序
设计一张系统调用入口地址表，每个入口地址指向一个系统调用的处理程序，并包含系统调用自带参数的个数
陷入处理机制需开辟现场保护区，以保存发生系统调用时的处理器现场

特权指令只能在内核空间中使用
系统调用没有建立名空间，只能按号调用
在用户态和内核态中不断切换
CPU在内核态中管理，需要消耗一段时间，但不能过多消耗
模式切换：类似C/S client（请求方的进程）与 server（应答方的进程），建立了请求应答的关系。特权指令被封装在内核态中，用户态无法直接执行相关指令，所以需要通过接口请求内核的服务
保护CPU现场：为了被停下来的进程A再恢复时，仍然能够从停止的地址开始（因为内核空间处理完后，处理器会继续调度，不一定会继续执行A）