操作系统的角色

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1、第1章概述1.1操作系统的角色1.2操作系统的组织结构1.3操作系统的发展和概念在本章中，我们首先分析用户群对计算机系统的需求和期望与现有硬件的低层性能之间的差距。这个差距就是由操作系统(OS)和其他工具及支持程序所弥补的。然后我们勾画出操作系统的整体组织结构，包括对硬件的接口、对应用程序的接口和对用户的接口。最后我们描述了在技术日益更新和用户群日渐复杂多样的情况下，操作系统关键概念的进化。1.1操作系统的作用1.1.1弥补硬件和应用间的差距当前大多数计算机系统都是以数学家约翰·冯·诺伊曼等在20世纪40年代末期提出的“存储程序计算机”的原理为基础的。图1-1以高级的方框图形式表示出了

2、计算机的基本组件及其关系。计算机系统的核心是由中央处理器（CPU）和可执行的主存组成的计算引擎。这种存储器是可以直接寻址单元的线性序列，它存储程序（可执行的机器指令序列）和数据。CPU将连续地重复下述基本硬件循环：获取一个称作“程序计数器”的专用寄存器所指向的指令。程序计数器计数递增。将存放在某个专用指令寄存器中的当前指令解码，以决定必须做什么。获取这个指令引用的操作数。执行指令。这个循环是现今计算机上所有计算的基础。图1-1计算机系统的主要组件为使上述计算模式具有实用意义，还必须有两个基本组件。第一个组件是一组通信设备，使用它们可以在用户和计算机之间以及计算机和计算机之间进

3、行数据和命令交换。这主要包括输入/输出（I/O）设备（例如键盘和显示终端）和网络接口设备。第二个组件是辅2操作系统原理助存储器（以下简称辅存），它用来保存当前没有载入主存的，或者部分或临时载入的程序和数据。这类存储器是必需的，因为，系统内存是不稳定的，因而断电时内容会丢失，并且它的容量远远小于辅存。通信设备和存储设备间的差别有时很明显。例如，一个CD-ROM设备显然是一个输入设备，而一个硬盘明显是一个存储设备。但是，在很多情况下，这种区别并不明显。例如，一个可移动的软磁盘可以被认为是存储设备，但也可用作输入/输出设备在不同系统之间传递信息。从操作系统的角度来看，CD-ROM、硬盘、软磁

4、盘和其他设备在本质上是相似的，并使用很多相同的技术为它们服务。我们后面将把辅助存储设备和通信设备统称为输入/输出设备。当计算机系统包含多个CPU时，情况会较为复杂。它可以表现为几种形式，具体依赖于系统硬件组件的共享层次。图1-2表示了3种可能的体系结构，它们用不同的方法扩展了图1-1中基本的单CPU体系结构。在第一种情况下（图1-2a），两个CPU共享一个公共的内存。辅助存储设备和通信设备是典型的共享设备。多CPU的出现给操作系统带来了新的挑战。其中之一是高速缓存技术（caching）。如果每个CPU都维护自己的本地内存缓存，那么系统必须保证，对于同一个存储单元，两个高速缓存不能含有不

5、同的值。在共享内存时，这个问题称作高速缓存一致性，它是由硬件处理的，对操作系统是透明的。另一个重要问题是进程调度。对单CPU而言，调度就是控制进程执行的顺序。对多CPU而言，操作系统（或应用程序）还必须决定一个任务在哪个CPU上运行。通过共享内存来实现运行在不同CPU上的多个进程间的同步和通信，这个方法类似于在单CPU上协调多个进程。在图1-2b所示的结构中，每个CPU都有自己的主存。辅助存储器和其他设备仍然是被共享的。但是，由于没有共享主存可用，通信子系统必须含有一个互联网络，以使CPU之间可以相互联系。有很多种互联网络，简单的如共享总线，复杂的如以各种拓扑形式组成的专门连接。在没有

6、共享内存的情况下，调度和进程协调变得更为复杂。调度不仅涉及到将进程分配到不同的CPU，还包括数据到独立的本地内存模块的分配，这些数据可能是多个进程需要的。考虑到此类结构主要用于高性能科学计算，许多调度问题交由应用程序处理，而非由操作系统进行透明处理。但是，系统必须提供支持进程同步和通信所必需的原语。这些原语是基于通过互联网络在不同CPU间发送的消息的。根据网络的复杂程度，系统可能还必须解决高速缓存一致性问题。图1-2a和图1-2b所示的结构一般被称为多处理器结构。它们提供多个CPU，也可能提供多个内存模块，但是其他硬件是共享的。因此这类系统仍可以被看作单个的计算机。图1-2c给出了一种

7、不同的结构，一般称之为多计算机结构，其中，每个CPU不仅有自己的内存，还有自己的存储设备和通信设备。在通信设备中有专门的网络控制器，允许每台计算机通过网络与其他计算机发收数据。因此，一个多计算机结构可看作为多个完全自主的计算机的集合，它们通过网络相互联系。有许多网络类型，它们在大小、拓扑、数据传输速率、可靠性和其他属性方面有所不同。两台计算机通信的一种常用方法是使用现有的电话线路。电话线路原本设计用来运载模拟的声音数据。为了在电话线上传输数字数