简述操作系统的概念和基本功能。

Posted 2023-04-24

操作系统简述

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2004-05-19

一、计算机软件与操作系统

功能强大的计算机自从走进了人类的生活就发挥着越来越重要的作用，随着时代的发展，计算机已与人们的日常生活息息相关。不能不说计算机软件日新月异的发展在此起着关键作用。可以这么说，离开了软件，计算机就成了废铜烂铁。

计算机机软件大致可以分为两类：系统软件和应用软件。

系统软件用于管理计算机资源，并为应用软件提供一个统一的平台。

应用软件则在系统软件的基础上实现用户所需要的功能。

而操作系统(Operation System)则是最基本的系统软件，它控制计算机的所有资源关提供应用程序开发的基础。

二、操作系统诞生的原因

计算机是由CPU、内存、磁盘、显卡、声卡等许许多多设备组成的，而且这些设备的厂商众多，品种繁多，而且不同厂商生产的同种设备虽然完成同种功能，但是具体细节却存在千差万别。

为了正确地管理和使用这些设备来实现具体的应用，这样程序员就得了解和掌握各种设备的工作原理。而且对于同种设备，由于不同的硬件厂商在实现细节上的差异使得程序员再次陷入了复杂的硬件控制的深渊！

必须找到一种方法使得程序员从苦海中脱离出来！多年的研究与发展终于使得这个愿望成为现实。这个解决方法就是在硬件的基础上加载一层软件来管理整个系统。这个软件通过设备驱动程序来与计算机硬件打交道，通过一系列的功能模块将整个计算机硬件系统抽象成为一个公共、统一、开放的接口—虚拟机，从而使得程序员不必再陷入各种硬件系统的具体细节！

这一层软件就是操作系统。

三、什么是操作系统

操作系统是一个大型的软件系统，其功能复杂，体系庞大。从不同的角度看的结果也不同，正是“横看成岭侧成峰”，下面我们通过最典型的两个角度来分析一下。

1.从程序员的角度看

正如前面所说的，如果没有操作系统，程序员在开发软件的时候就必须陷入复杂的硬件实现细节。程序员并不想涉足这个可怕的领域，而且大量的精力花费在这个重复的、没有创造性的工作上也使得程序员无法集中精力放在更具有创造性的程序设计工作中去。程序员需要的是一种简单的，高度抽象的可以与之打交道的设备。

将硬件细节与程序员隔离开来，这当然就是操作系统。

从这个角度看，操作系统的作用是为用户提供一台等价的扩展机器，也称虚拟机，它比底层硬件更容易编程。

2.从使用者的角度看

从使用者的角度来看，操作系统则用来管理一个复杂系统的各个部分。

操作系统负责在相互竞争的程序之间有序地控制对CPU、内存及其它I/O接口设备的分配。

比如说，假设在一台计算机上运行的三个程序试图同时在同一台打印机上输出计算结果。那么头几行可能是程序1的输出，下几行是程序2的输出，然后又是程序3的输出等等。最终结果将是一团糟。这时，操作系统采用将打印输出送到磁盘上的缓冲区的方法就可以避免这种混乱。在一个程序结束后，操作系统可以将暂存在磁盘上的文件送到打印机输出。

从这种角度来看，操作系统则是系统的资源管理者。

四、操作系统发展历史

下面我们结合计算机的发展历史来回顾一下操作系统的发展历程。

1.第一代计算机（1945-1955）：真空管和插件板

40年代中期，美国哈佛大学、普林斯顿高等研究院、宾夕法尼亚大学的一些人使用数万个真空管，构建了世界上第一台电子计算机。开启计算机发展的历史。这个时期的机器需要一个小组专门设计、制造、编程、操作、维护每台机器。程序设计使用机器语言，通过插板上的硬连线来控制其基本功能。

这个时候处于计算机发展的最初阶段，连程序设计语言都还没有出现，操作系统更是闻所未闻！

2.第二代计算机（1955-1965）：晶体管和批处理系统

这个时期计算机越来越可靠，已从研究院中走出来，走进了商业应用。但这个时期的计算机主要完成各种科学计算，需要专门的操作人员维护，并且需要针对每次的计算任务进行编程。

第二代计算机主要用于科学与工程计算。使用FORTRAN与汇编语言编写程序。在后期出现了操作系统的雏形：FMS（FORTRAN监控系统）和IBMSYS（IBM为7094机配备的操作系统）

3.第三代计算机（1965-1980）：集成电路芯片和多道程序

60年代初，计算机厂商根据不同的应用分成了两个计算机系列，一个针对科学计算，一个针对商业应用。

随着计算机应用的深入，对统一两种应用的计算机需求出现了。这时IBM公司试图通过引入System/360来解决这个问题。

与这个计划配套，IBM公司组织了OS/360操作系统的开发，然后复杂的需求，以及当时软件工程水平低下使得OS/360的开发工作陷入了历史以来最可怕的“软件开发泥潭”，诞生了最著名的失败论著----《神秘的人月》。

虽然这个开发计划失败了，但是这个愿望却成为了计算机厂商的目标。

此时，MIT、Bell Lab（贝尔实验室）和通用电气公司决定开发一种“公用计算机服务系统”----MULTICS，希望其能同时支持数百名分时用户的一种机器。结果这个计划的研制难度超出了所有人的预料，最后这个系统也以失败结束。不过，MULTICS的思想却为后来的操作系统很多提示。

60年代未，一位贝尔实验室曾参加过MULTICS研制工作的计算机科学家Ken Thompson，在一台无人使用的PDP-7机器上开发出了一套简化的、单用户版的MULTICS。后来导致了UNIX操作系统的诞生。

目前UNIX操作系统主导了小型机、工作站以及其他市场。也是至今最有影响力的操作系统之一，而Linux也是UNIX系统的一种衍生，下一讲我们将专门介绍一下UNIX的发展历史。

4.第四代计算机（1980-今）：个人计算机

随着计算机技术的不断更新与发展，计算机神奇般地闯入了人们的生活，现在以低廉的价格就可以获得强大计算能力的计算机。

价格不再是阻拦计算机普及的门槛时，降低计算机的易用性就显得十分重要！由于UNIX系统的本身特点，使得其不太适合于在运行在个人计算机上，这时就需要一种新的操作系统。

在这一历史关键时候，IBM公司由于低估了PC机的市场，并未使用最大的力量角逐这一市场，这时Intel公司趁机进入，成为了当今微处理器的老大。同时善于抓住时机的微软公司的总裁比尔·盖茨适时地进入了这一领域，用购买来的CP/M摇身一变成为MS-DOS，并凭借其成为个人计算机操作系统领域的霸主。

虽然是苹果公司在GUI方面先拔头筹，但由于苹果公司的不兼容、不开放的市场策略，未能扩大战果，这时微软又适时地进入了GUI方面，凭借WINDOWS系统再次称雄！

五、操作系统构成

一般来说，操作系统由以下几个部分组成：

1）进程调度子系统：

进程调度子系统决定哪个进程使用CPU，对进程进行调度、管理。

2）进程间通信子系统：

负责各个进程之间的通信。

3）内存管理子系统：

负责管理计算机内存。

4）设备管理子系统：

负责管理各种计算机外设，主要由设备驱动程序构成。

5）文件子系统：

负责管理磁盘上的各种文件、目录！

6）网络子系统：

负责处理各种与网络有关的东西。

六、操作系统结构设计

操作系统有多种实现方法与设计思路，下面仅选取最有代表性的三种做一简单的叙述。

1.整体式系统结构设计

这是最常用的一种组织方式，它常被誉为“大杂烩”，也可说，整体式系统结构就是“无结构”。

这种结构方式下，开发人员为了构造最终的目标操作系统程序，首先将一些独立的过程，或包含过程的文件进行编译，然后用链接程序将它们链接成为一个单独的目标程序。

Linux操作系统就是采用整体式的系统结构设计。但其在此基础上增加了一些形如动态模块加载等方法来提高整体的灵活性，弥补整体式系统结构设计的不足。

2.层次式系统结构设计

这种方式则是对系统进行严格的分层，使得整个系统层次分明，等级森严！这种系统学术味道较浓！实际完全按照这种结构进行设计的操作系统不多，也没有广泛的应用。

可以这么说，现在的操作系统设计是在整体式系统结构与层次式系统结构设计中寻求平衡。

3.微内核系统结构设计

而微内核系统结构设计则是近几年来出现的一种新的设计理念，最有代表性的操作系统有Mach和QNX。

微内核系统，顾名思义就是系统内核很小！比如说QNX的微内核只负责：

¨ 进程间的通信

¨ 低层的网络通信

¨ 进程调度

¨ 第一级中断处理

七、操作系统横向比较

计算机历史中出现了许许多多的操作系统，然后大浪淘沙，无情地淘汰了许多，只留下一些经历过市场考验的：

1.桌面操作系统：

1）MSDOS：Intel x86系列的PC机上的最早的操作系统，微软公司产品，曾经统治了这个领域，现在已逐渐被自家兄弟WINDOWS 9x系列所代替，现在除了一些低档机外已不多见。

2）Windows 9x：微软公司产品，从Windows 3.x发展而来，现在是基于Intel x86系列的PC机上的主要操作系统，也是现然个人电脑中装机量最大的操作系统。面向桌面、面向个人用户。

3）Mac OS：苹果公司所有，界面友好，性能优异，但由于只能运行在苹果公司自己的电脑上而发展有限。但由于苹果电脑独特的市场定位，现在仍存活良好。

2.服务器操作系统：

1）UNIX系列：UNIX可以说是源远流长，是一个真正稳健、实用、强大的操作系统，但是由于众多厂商在其基础上开发了有自己特色的UNIX版本，所以影响了整体。在国外，UNIX系统可谓独树一帜，广泛应用于科研、学校、金融等关键领域。但由于中国的计算机发展较为落后，UNIX系统的应用水平与国外相比有一定的滞后。

2）Windows NT系列：微软公司产品，其利用Windows的友好的用户界面的优势打进服务器操作系统市场。但其在整体性能、效率、稳定性上都与UNIX有一定差距，所以现在主要应用于中小企业市场。

3）Novell Netware系列：Novell公司产品，其以极适合于中小网络而著称，在中国的证券行业市场占有率极高，而且其产品特点鲜明，仍然是服务器系统软件中的长青树。 参考技术A 百度百科说 ： 是管理电脑硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石
功能 ： 资源管理 ，程序控制，人机交互，
资源管理
系统的设备资源和信息资源都是操作系统根据用户需求按一定的策略来进行分配和调度的。
程序控制
一个用户程序的执行自始至终是在操作系统控制下进行的。
机交互
操作系统的人机交互功能是决定计算机系统“友善性”的一个重要因素。

AB PLC简述

一．  PLC基础概念

PLC：可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。采用可编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及有关设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则设计。

PLC运行框图：上电及内部处理à扫描过程à诊断及出错处理

上电及内部处理：上电后对整个系统进行一些初始化工作，如硬件初始化、IO模块配置检查、停电保护设定及其他初始化工作。

扫描过程：包含三个部分。首先是输入扫描，其次是程序扫描，最后一个是输出扫描阶段。

诊断及出错处理：PLC没扫描一次，就执行一次自诊断，检查诸如CPU、电池电压、程序存储器、IO通讯是否异常或出错，如查出错误或异常，CPU面板上的指示灯就会只是，并在特殊寄存器中存入出错代码。若出现致命错误，CPU就会被强制成STOP方式，停止扫描。

PLC组成：主要有电源、处理器（CPU）、输入输出单元（I/O）、特殊输入输出单元及一些外部单元（如编程器等）组成。

安装：常安装于通用的输入输出框架上。装有CPU模块的框架称为基本框架，其他为扩展框架。基础框架与扩展框架之间如果距离较近（一般不超过30m），可通过扩展本地IO通信口与多个本地扩展框架相连；如果距离较远（一般小于3000m），可通过远程IO连接。

主要性能指标：1）存储容量；2）控制容量：就是IO容量，也叫IO能力，通常以离散量（数字量）个数计；3）扫描周期；4）指令功能及软件支持；5）网路与通信。

 

二．  产品系列

AB PLC按系统规模大小以及产品性能高低分为以下系列：

高性能PLC：ControlLogix系列、PLC5系列

中性能PLC：SLC500系列（SLC 5/01，5/02，5/03，5/04，5/05），FlexLogix系列，CompactLogix

小型PLC：MicroLogix系列，Micro800系列

AB的PLC目前主要分为5类：

1． MicroLogix1500，编程软件为RS Logix500

2． 中端小型机SLC500，编程软件RS Logix500。支持多种网络，最大支持4096点I/O。

3． 中端新型CompactLogix，编程软件RS Logix5000。

4． 高端主流机型ControlLogix5000，编程软件RS Logix5000。最大支持128K点I/O。

5． 高端老机型PLC5，编程软件RS Logix5。

 

参考：

1． https://wenku.baidu.com/view/6d95c35fb42acfc789eb172ded630b1c59ee9be3.html

2． https://wenku.baidu.com/view/fbeba8eb0975f46527d3e183.html?sxts=1570678308327

3．https://ab.rockwellautomation.com/zh/Programmable-Controllers

三．  编程

3.1 基础概念

PLC的编程方式：三种，梯形图、结构文本及顺序功能图SFC。

物理地址：IO模块在物理框架中的位置，常以第几个框架第几个槽中的第几个端子表示。如第0个框架中1号槽放了一个32点输入模块，要指出其5号端子，其物理地址就是0框架1号槽5号端子。

逻辑地址：对应于内存中的地址，常以第几号机架（rack）第几号IO组（Group）的第几位来表示。其中一个机架由8个IO组组成。一个IO组对应于一个输入映像表字（16位）和一个输出映像表字（16位），相当于16个输入端子和16个输出端子。如输入映像表中I:021/12中的I代表输入模块，02代表2号机架，1代表1号IO组，斜杠后的12代表12号端子。

物理地址与逻辑地址的关系

地址方式       寻址单位（从大到小）

物理地址       框架       槽           端子号

逻辑地址       机架       IO组      位号

3.2 PLC-5的寻址方式

2槽寻址：由两个I/O模块槽组成一个IO组，也就是说每一物理的2槽IO模块对应于输入映像表中的一个字（16位）和输出映像表中的一个字（16位）。采用不同密度（8点、16点）的模块决定了再映像表中每个字使用的位的数目。

两个8点离散模块组成一个IO组

前图是两个8点输入模块，后图示1个8点输入和1个8点输出模块

结论：8点IO模块在IO框架中是可以按任意次序放置的。

16点离散量模块2槽寻址

由于每个16点模块使用了整个映像表中的整个字，因此，一个16点的输入模块槽（放在偶数槽）要与相邻的另一个模块槽组成一个2槽IO组时，另一个模块必须是8点或16点的输出模块，形成互补。

由于所有的块传送模块（如模拟量模块）都是双向作用的（既占用输入映像表，又占用输出映像表），所以不能用来互补输入或输出模块。

注：2槽寻址的框架中不能采用32点的模块。

例如一个16点离散输入模块和一个16点离散量输出模块组成一个IO组时输入输出映像表中使用位的情况：

1槽寻址：一个IO模块槽组成一个IO组，也就是说，在框架中的每一个物理的槽对应于一个输入和输出映像表字。

在PLC框架中可以任何的次序混用8点或16点模块。

例：带16点IO模块的1槽寻址及其IO映像表

1槽寻址中使用32点IO模块

1槽寻址中使用32点IO模块时，必须从偶数槽开始，在IO槽的2个相邻槽（奇偶对）中成对地安装一块输入模块和一块输出模块。如果不能按此规定把模块配对，那么一对槽中的一个槽必须空置。例如，如果0号插槽有一块32点输入模块，那么，1号IO槽必须插8点、16点或32点输出模块（或一块只使用背板电源、不占IO点的模块），否则，这个槽必须空置。带有两块32点IO模块的1槽寻址：

1/2槽寻址：半个IO模块槽组成一个IO组，也就是说，在框架中的每一个物理槽对应两个输入和两个输出映像表字。

因为在处理器映像表中，对每一个IO槽有32个输入位和32个输出位，所以可以在IO框架中以任意次序混用8点、16点和32点IO模块。

带32点IO模块的1/2槽寻址：

机架号的分配

在一个框架中的机架数取决于框架的大小和寻址方式

框架尺寸       2槽寻址        1槽寻址        1/2槽寻址

4槽               1/4机架         1/2机架         1机架

8槽               1/2机架         1机架            2机架

12槽             3/4机架         3/2机架         3机架

16槽             1机架            2机架            4机架

机架分配的一般原则：

1） 处理器驻留框架中分配一个（128个输入和128个输出）至4个机架。

2） 不能将处理器驻留本地IO机架分解成两个或多个框架。

3） 不能将不使用的处理器驻留本地IO组分配给远程IO机架

4） 不能以同一机架号来寻址扩展本地IO和远程IO框架。

例如：一个8槽的扩展本地IO框架设置为IO机架2的IO组0~3，则一个8槽的远程IO框架就不能设置为IO机架2的IO组4~7。

处理器驻留框架的机架首址：缺省为0，对于PLC-5/30、-5/40、-5/60处理器可以通过改变处理器控制字S:26（S是状态文件，26位字号）中的第2位，将缺省值改为1。

 

寻址远程IO机架的一般规则：1）一个远程IO机架可以是一个框架的一部分，也可以是一个满框架，甚至是多个框架。2）将远程IO机架数限制在所选用PLC-5处理器能够支持的最大机架数之内（最大机架数=处理器的IO点数/每个机架的IO点数（128点））。3）PLC-5处理器和1771-ASB适配器模块会自动将下一个更高标号的机架分配给框架中剩余的I/O组。例如，如果在处理器驻留框架中选择1/2槽寻址，并且使用的是16槽框架，那么处理器会在这个框架中寻址机架0，1，2，3。

本地IO机架分配规则：

PLC-5/40L或PLC-5/60L处理器的通道2是一个扩展本地IO扫描器。一个PLC-5/40L或PLC-5/60L处理器可用于扫描远程或本地IO机架。

1） 远程IO和扩展本地IO机架两者的总数必须不能超过处理器所允许的最大机架数（PLC-5/40L为16个机架，而PLC-5/60L为24个机架）。

2） 不要再扩展本地IO和远程IO之间分解机架号。例如，如果将机架的部分用作远程IO，就不能将机架的剩余部分用作扩展本地IO。

3） 可以将扩展本地IO机架分配给扩展本地IO母线上的多个框架。

4） 在PLC-5系统中，可以对每个扩展本地IO框架选择不同的硬件寻址方法。

3.3 PLC内存组织

PLC除了微处理器外，还包括存储器，其中一部分是用户存储器。用户存储器包含程序存储器和数据存储器。

处理器所检查和修改的所有数据均存储在内存中的数据文件中，数据包含：1）从输入模块接收的数据；2）发送到输出模块的数据；3）程序运算的中间结果；4）预先装入的数据；5）与指令有关的状态信息；6）与处理器操作有关的信息等。

在PLC-5中可以定义1000个数据文件（用文件号0~999表示），为了编址方便，每个文件均由一个字母（标识符）和一个文件号（0~999）来标识。一般，0~8号文件是系统为用户建立的缺省文件。如果需增加数据文件，用户可以通过设定适当的标识符及从9开始的文件号（9~999）来建立各种文件。

文件类型       标识符    文件号

输出              O           0

输入              I             1

状态              S            2

位                  B            3

计时器           T            4

计数器           C            5

控制              R            6

整数              N            7

浮点              F            8

可定义的数据文件类型

类型       标识符    编号       大小

位           B            9~999     1000字

计时器    T            9~999     1000个3字元素

计数器    C            9~999     1000个3字元素

整数       N            9~999     1000字

浮点       F            9~999     1000个单字元素（每字32位）

ASCII      A            9~999     1000字

BCD       D            9~999     1000字

块传输    BT          9~999     1000个6字元素

控制       R            9~999     1000个3字元素

信息       MG         9~999     585个56

PID         PD          9~999     399个82字元素

其他还有SFC状态（SC）文件和ASCII串（ST）文件等。

数据文件的地址：由文件名称（T）、文件号（f）、元素号（e）、字号（W）及位（b）构成，相互之间用一定的定界符分开，如一个计时器文件是一个三字元素，可表示为：

T f:e.W/b 位号（0~15）

数据文件从元素构成的字数可以分为：

单字元素：一个元素一个字

三字元素：一个元素三个字

多字元素：一个元素多个字

输入输出文件

I:017/01---- 1号机架、7号IO组，1号端子上的输入

O:026/00----2号机架，6号IO组，0号端子上的输出

注：输入/输出文件IO的机架号、IO组号、端子号全部用八进制表示，其他数据文件的元素号、字号及位号用十进制表示。

位文件B用在继电器逻辑指令、移位寄存器指令及顺序器指令中，其中每一个都可作为一个中间继电器来使用。两种编制方式：通过设定元素号（0~999共1000个字）和在元素内的位号（00~15共16位）进行编址，如B f:e/b；通过整个位文件依次从00开始对位进行编号，如B f/b

计时器文件T用在计时器指令中，用3字元素，字0是控制字（内部使用，不能编址），字1存储预置值PRE，字2存储累积值ACC。可编址的位：EN=位15，有效位，TT=位14，计时器计时位，DN=位13，计时器完成位；可编址的字：PRE=预置值，ACC=累积值。

T4:0.0/15      T4:0/15   T4:0.EN   等价

T4:0.1           T4:0.PRE                等价

T4:0.2             T4:0.ACC              等价

计数器文件C用于计数指令中，3字元素，字0是控制字，字1存储预置值，字2存储累积值。可编址的位：CU=位15，加数有效位；CD=位14，减数有效位；DN=位13，完成位；OV=位12，上溢位；UN=位11，下溢位。可编址的字：PRE=预置值，ACC=累积值。

整数文件用于放置一个16位的字，默认整数文件N7，整数文件可在元素及位上进行编址、寻址，如N f:e/b

N7:2     N7:2/08       N10:36

浮点文件F用于放置一个32位的字，浮点文件一般就是寻址到元素，F f:e

F8:0       F11:1

四．  DF1协议

AB的PCCC指的是？

PCCC is the ‘Application Layer Message Packet‘ of DF1

It is also referred to as PC-cubed. I‘m not sure what it really stands for - a good guess would be Programmable Controller Communication Commands. These are the ‘Application Layer Message Packets‘ as shown in the on-line DF1 Manual Chapter 6. AB people do not include the DST/SRC bytes when they speak of PCCC - these 2 bytes are really the DF1 header attached before a PCCC message.

What are the best commands to use for SLC5/MicroLogix?

The best commands for SLC5/MicroLogix controllers are:

• Protected Typed Logical Read with 3-Address Fields (Cmd=0x0F, SubFnc=0xA2)
• Protected Typed Logical Write with 3-Address Fields (Cmd=0x0F, SubFnc=0xAA)
• Protected Typed Logical Masked-Write with 3-Address Fields (Cmd=0x0F, SubFnc=0xAB)
• Protected Typed Logical Read with 2-Address Fields (Cmd=0x0F, SubFnc=0xA1)
• Protected Typed Logical Write with 2-Address Fields (Cmd=0x0F, SubFnc=0xA9)

Only the first two (0xA2/AA) are documented in the official DF1 protocol specification. The third (0xAB) is not documented but is commonly used by OPC servers; in fact a Rockwell engineer formally sent me details of it when I asked; it is not considered "secret".

The last two (0xA1/A9) are only of value if you‘re creating a slave driver since a few of Rockwell‘s software tools assume these are supported. While they are not documented in the DF1 specification, RSLogix5000 outlines support for them as part of its legacy support for PCCC messages. But there is no reason for an OPC server or master to use 0xA1/A9 since support by slaves is not universal. Using SubFnc 0xA1 instead of 0xA2 just drops one unrequired NULL byte from the command, so is of modest value. For example, to read N7:1 your Read command would include the 6 bytes "A2 02 07 89 01 00" for the 3-Address Fields form and only the 5 bytes "A1 02 07 89 01" for the 2-Address Fields form. Big deal, eh? Well, yes - a big deal if you try to use 0xA1 with a slave that doesn‘t understand 0xA1.

 

参考：

1． 罗克韦尔PLC培训教程https://wenku.baidu.com/view/2e7e2e0d84254b35effd3449.html

2． http://www.iatips.com/pccc_tips.html Rockwell一些协议tips