操作系统概述

目标和功能

操作系统是控制应用执行的程序，是应用程序和计算机硬件间的接口

目标：方便；有效；扩展能力（evolve）

提供服务：

• 程序开发
• 程序运行
• I/O设备访问
• 文件访问控制
• 系统访问
• 错误检测和响应
• 记账

典型计算机系统中的重要接口

• ISA，Instruction set architecture指令系统体系结构
• ABI，Application binary interface应用程序二进制接口
• API，Application programming interface应用程序编程接口

操作系统不断发展原因：

• 硬件升级和新型硬件的出现
• 新的服务
• 纠正错误

操作系统的发展史

串行处理（serial processing）

1940s后期~1950s中期，程序员需直接与计算机硬件打交道，不存在操作系统，必须顺序访问计算机

问题：调度scheduling（闲置或强制停止）；准备时间set-up time（发生错误得重新开始）

简单批处理系统（simple bash system）

使用监控程序（monitor）软件，用户不再直接访问机器，而是将作业交给计算机操作员，由其将整个批作业放在输入设备，供监控程序使用。每个程序完成处理后返回到监控程序，同时监控程序自动加载下一个程序

JCL，job control language作业控制语言：一种特殊类型的程序设计语言，用于为监控程序提供指令

其他硬件：

• 内存保护：不允许改变包含监控程序的内存区域
• 定时器：防止一个作业独占（monopolizing）系统，定时，时间到就停止用户程序，交还控制权给监控程序
• 特权指令：部分机器指令只能被监控程序执行（eg：I/O指令）
• 中断：使得操作系统让用户程序放弃控制权或从用户程序获得控制权时，具有更大的灵活性

用户程序以用户模式（user mode）执行，部分内存区域被保护且不能执行特权指令

监控程序以系统态或内核模式（kernel mode）执行，不仅可以访问受保护区域，还可以执行特权指令

多道批处理系统（multi-programmed bash system）

尽管简单批处理拥有了自动作业序列，由于输入来自磁盘读取较慢，以及用户作业在I/O中断过程中，处理器仍然经常处于等待状态，为了进一步提高处于理器的利用率，人们将多道作业同时加载到内存，当有作业由于中断阻塞时，处理器读取另一个作业运行，产生了多道批处理操作系统

比单道程序设计系统复杂，待运行的多个作业必须保留在内存中，需要内存管理（memory management），并需要某种算法决定处理器运行哪个作业

分时系统（time-sharing system）

对于一些作业如事务处理，需要直接与计算机进行交互；对于多道程序设计，如果可以处理多个交互作业，多个用户分享处理器时间，该技术称为分时，主要是为了减少响应时间

第一个分时系统是MIT开发的CTSS

主要成就

操作系统开发中的4个重要理论进展

• 进程
• 信息保护和安全
• 内存管理
• 调度和资源管理

进程

1960s提出

推动进程概念发展：多道程序批处理操作，分时和实时事务系统

设计OS的困难：

• 错误的同步，improper synchronization
• 互斥失败，failed mutual exclusion
• 不确定的程序操作，nondeterminate program operation
• 死锁，deadlocks

进程的组成

• 一段可执行的程序
• 程序所需要的相关数据
• 程序的执行上下文（execution context，也称进程状态process state）

内存管理

OS的存储器管理职责

• 进程隔离，process isolation
• 自动分配和管理，automatic allocation and management
• 模块化程序设计，support of modular programming
• 保护和访问控制，protection and access control
• 长期存储，long-term storage

VM，virtual memory虚拟内存