操作系统教程-Linux实例分析 教学课件 作者 孟庆昌 第1－8章 第1章 操作系统概述-大学课件-

第1章操作系统概述第1章操作系统概述计算机发展简史计算机系统组成操作系统的概念操作系统的主要功能操作系统的发展历程操作系统的类型操作系统的特征操作系统的结构UNIX/Linux系统的特点和结构习题第1章操作系统概述1.1计算机发展简史计算机的发展历史大致可分为以下几个阶段：第一代：1946年～1959年，以美国建造的ENIAC为代表，主要电子器件是电子管。第二代：1960年～1964年，主要特征是以晶体管为主要电子器件，如IBM

7090系列。第三代：1965年～1973年，以集成电路作为计算机的主要器件，如IBM

360机种。第1章操作系统概述第四代：从1974年至今，大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）用于计算机，从巨型机到微型机、个人计算机，其类型层出不穷。与之相应，计算机科学和技术也得到了迅速发展。第1章操作系统概述1.2计算机系统组成1.2.1计算机系统结构现代通用计算机系统由CPU、内存和多种I/O设备组成，通过系统总线连接在一起，实现彼此通信。图

1-1示出多数微型机采用的系统结构。第1章操作系统概述图1-1利用总线连接CPU、内存、控制器和I/O设备第1章操作系统概述1.

CPUCPU是计算机系统中的“大脑”。它从内存（或高速缓存）中取出指令并执行它们。其基本工作顺序是：提取指令，译码分析，执行指令。CPU内部包含若干个寄存器。其中，一类是通用寄存器，用来存放关键变量和中间结果；另一类是专用寄存器，如程序计数器（PC）、栈指针寄存器和程序状态字（PSW）。第1章操作系统概述2.存储器在现代计算机中，可以存放信息的部件很多，但它们在存取速度、容量和成本等方面有很大差别。一个存储器系统往往由各种部件构成一个层次结构，图

1-2示出了三级存储器的结构。图中，左部文字说明存储器的性能、成本依箭头所示方向相对变化。第1章操作系统概述图1-2三级存储器结构第1章操作系统概述I/O设备I/O设备是人机交互的工具，通常由控制器和设备本身组成。总线总线部件的功能是负责CPU、存储器和设备控制器彼此间的信息或数据的传送的，是计算机内部的“公交车”。第1章操作系统概述1.2.2计算机软件分类按照所起的作用和需要的运行环境，软件通常可分为三大类，即应用软件、支撑软件和系统软件。计算机系统中硬件和软件以及各类软件之间是按层次结构组织的，如图1-3所示。第1章操作系统概述图1-3计算机系统的层次关系第1章操作系统概述1.3操作系统的概念为了深入理解操作系统的定义，我们应注意以下几点：操作系统是系统软件，而且是裸机之上的第一层软件。操作系统的基本职能是控制和管理系统内的各种资源，有效地组织多道程序的运行。第1章操作系统概述作为“管理者”，操作系统主要负责如下事情：①监视各种资源并随时记录它们的状态；②实施某种策略以决定谁获得资源，何时获得，获得多少；③分配资源供需求者使用；④回收资源，以便再分配。第1章操作系统概述（3）设置操作系统的另一个目的是扩充机器功能以方便用户使用。计算机系统的基本资源包括硬件（如处理机、内存、各种设备等）、软件（系统软件和应用软件）和数据。第1章操作系统概述1.4操作系统的主要功能1.存储器管理功能存储器管理的主要功能包括：内存分配、地址映射、内存保护和内存扩充。1)内存分配内存分配的主要任务是为每道程序分配一定的内存空间。第1章操作系统概述地址映射大家都有这种经历:我们在编写程序时并不考虑程序和数据要放在内存的什么位置，程序中设置变量、数组和函数等只是为了实现这个程序所要完成的任务。内存保护不同用户的程序都放在一个内存中，必须保证它们在各自的内存空间中活动，不能相互干扰，更不能侵犯操作系统的空间。第1章操作系统概述4)内存扩充一个系统中内存容量是有限的，不能随意扩充其大小。而且用户程序对内存的需求越来越大，很难完全满足用户的要求。第1章操作系统概述2.处理机管理功能作业和进程调度。一个作业通常要经过两级调度才得以在CPU上执行。进程控制。进程是系统中活动的实体。进程通信。多个进程在活动过程中彼此间会发生相互依赖或者相互制约的关系。第1章操作系统概述3.设备管理功能设备管理的主要功能包括：缓冲区管理、设备分配、设备驱动和设备无关性。（1)缓冲区管理。缓冲区管理的目的是解决CPU和外设速度不匹配的矛盾，从而使它们能充分并行工作，提高各自的利用率。（2）设备分配。根据用户的I/O请求和相应的分配策略，为该用户分配外部设备以及通道、控制器等。第1章操作系统概述（3）设备驱动。实现CPU与通道和外设之间的通信。由CPU向通道发出I／O指令，后者驱动相应设备进行I／O操作。当I／O任务完成后，通道向CPU发中断信号，中断处理程序进行处理。（4）设备无关性。由相应的又称设备独立性，即用户编写的程序与实际使用的物理设备无关，由操作系统把用户程序中使用的逻辑设备映射到物理设备中。第1章操作系统概述4.文件管理功能文件管理功能应包括：文件存储空间的管理、文件操作的一般管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制。(1)文件存储空间的管理。系统文件和用户文件都要放在磁盘上。第1章操作系统概述文件操作的一般管理。包括文件的创建、删除、打开、关闭等。目录管理。包括目录文件的组织、实现用户对文件的“按名存取”，以及目录的快速查询和文件共享等。文件的读写管理和存取控制。第1章操作系统概述5.用户接口现代操作系统通常向用户提供三种类型的界面：程序界面（系统调用）、命令界面和图形界面。1）系统调用系统调用是操作系统提供给编程人员的接口，因而也称为程序员界面。从操作系统内部实现的层次结构上看，系统调用处于核心的最高层，离用户层最近。如图1-4所示。第1章操作系统概述图1-4操作系统的三种界面第1章操作系统概述2）命令界面操作系统所提供的最重要的系统程序是命令解释程序，它是最初启动作业（进程）或用户刚进入分时系统时就正在系统中运行的那个程序。在批处理系统中，利用控制卡片向操作系统提出命令；而在交互式系统中，用户直接在终端上输入命令，这些命令就起与控制卡同样的作用。第1章操作系统概述3）图形界面系统调用和命令方式给用户提供的是一维空间界面，是最基本的用户界面，也称为第一代用户界面。以微软Windows操作系统为代表给用户提供了图形界面，这是在二维空间中动态活动的窗口。图形界面为用户提供了方便、直观、灵活、有动感的工作环境。用户利用鼠标、窗口、菜单、图标、流动条等图形工具和部件与系统会话，使人机交互水平上升了一个台阶。所以，图形界面也称为第二代用户界面。第1章操作系统概述1.5操作系统的发展历程1.5.1手工操作阶段初级人机交互方式。这种使用方法具有以下特点：(1)资源独占，即计算机的全部硬件资源(如CPU、内存、设备等)都由一个程序独自占用；第1章操作系统概述图1-5第一代计算机的控制关系第1章操作系统概述串行工作，人的操作与计算机的运行以及计算机各个部件之间都是按时间先后顺序工作的：人工干预，计算机是在人的直接联机干预下进行工作的。上述控制关系如图1-5所示。第1章操作系统概述1.5.2早期批处理阶段1.早期联机批处理在这种系统中，操作员有选择地把若干作业合为一批，监督程序先把这批作业从输入设备上逐个地传送到磁带上，当输入完成，监督程序就开始执行这批作业。第1章操作系统概述2.早期脱机批处理早期脱机批处理的明显特征是，在主机之外另设一台小型卫星机，该机只与外部设备打交道，不与主机直接连接，从而使主机腾出较多的时间专门完成快速的计算任务。其结构模型如图1-6听示。第1章操作系统概述图1-6早期脱机批处理模型第1章操作系统概述1.5.3执行系统阶段受I／O中断的启发，人们又引进了其他中断，如程序中断(算术溢出或非法指令等)、时钟中断等，从而克服了以往的出错停机、程序死循环的毛病。通道和中断机构的引进使外部设备的管理更加复杂，因而在系统中增加了中断处理程序和输入输出控制程序(IOCS)。IOCS对所有程序都起着指挥和控制的作用，因此一般让它们常驻内存，而让另外一些系统处理程序放在外存中以供调用。第1章操作系统概述1.5.4多道程序系统阶段多道程序设计的基本思想是在内存里同时存放若干道程序，它们可以并行地运行，也可以交替地运行。这样处理机得到了比较充分的利用。图1-7表示了一个具有两道程序的系统中CPU和通道的利用情况。第1章操作系统概述图1-7多道程序执行过程示意第1章操作系统概述由图1-7可见，在单CPU的系统中，这些程序在微观上只能是交替地运行，但在宏观上(在一段较长时间内)它们可被视为是并行的，因为在这段时间内各个可执行的程序都向前推进了。只有在多处理机系统中，这些并发程序才可以真正并行地执行。第1章操作系统概述1.6操作系统的类型1.6.1多道成批系统早期的计算机系统大多是批处理系统。在这种系统中，把用户的计算任务按“作业(Job)”进行管理。所谓作业，是用户定义的、由计算机完成的工作单位。它通常包括一组计算机程序、文件和对操作系统的控

制语句。第1章操作系统概述逻辑上，一个作业可由若干有序的步骤组成。由作业控制语句明确标识的计算机程序的执行过程称为作业步，一个作业可以指定若干要执行的作业步。如上面的编译作业步、装配作业步、运行作业步、出错处理作业步等。第1章操作系统概述多道成批系统的大致工作流程如下：操作员把用户提交的作业卡片放到读卡机上，通过SPOOLing输入程序及时把这些作业送入直接存取的后援存储器(如磁盘)；作业调度程序根据系统的当时情况和各后备作业的特点，按一定的调度原则，选择一个或几个搭配得当的作业装入内存准备运行；内存中多个作业交替执行；当某个作业完成时，系统把该作业的计算结果交给SPOOLing输出程序准备输出，并回收该作业的全部资源。重复上述步骤，使得各作业一个接一个地流入系统，经过处理后又挨个地退出系统，形成一个源源不断的作业流。图1-8表示了多道成批系统中作业的流程。第1章操作系统概述图1-8多道成批系统中作业的流程第1章操作系统概述1.6.2分时系统1.分时概念和分时系统的实现方法所谓分时，就是对时间共享。我们知道，为了提高资源利用率采用了并行操作的技术，如CPU和通道并行操作、通道与通道并行操作、通道与I／O设备并行操作，这些已成为现代计算机系统的基本特征。与这三种并行操作相应的有三种对内存访问的分时：CPU与通道对内存访问的分时，通道与通道对CPU和内存的分时，同一通道中的I／O设备对内存和通道的分时等。第1章操作系统概述2.分时系统的特征和优点分时系统的基本特征可概括为四点：同时性：若干用户可同时上机使用计算机系统；交互性：用户能方便地与系统进行人—机对话；独立性：系统中各用户可以彼此独立地操作，互不干扰或破坏；及时性：用户能在很短时间内得到系统的响应。第1章操作系统概述分时系统具有的许多优点促使它迅速发展，其优点主要是：为用户提供了友好的接口，即用户能在较短时间内得到响应，能以对话方式完成对其程序的编写、调试、修改、运行和得到运算结果。促进了计算机的普遍应用，一个分时系统可带多台终端，可同时为多个远近用户使用，这给教学和办公自动化提供很大方便。便于资源共享和交换信息，为软件开发和工程设计提供了良好的环境。第1章操作系统概述1.6.3实时系统实时系统的引入在计算机的某些应用领域内，要求对实时采样数据进行及时(立即)处理并做出相应的反应，如果超出限定的时间就可能丢失信息或影响到下一批信息的处理。过程控制系统。信息查询系统。事务处理系统。第1章操作系统概述实时系统有时也涉及到若干个同时性用户，但它与分时系统是有区别的：（1）分时系统提供一种随时可供多个用户使用的、通用性很强的计算机系统，用户与系统之间具有较强的交互作用或会话能力；而实时系统的交互能力相对来说较差。第1章操作系统概述（2）分时系统对响应时间的要求是以人们能接受的等待时间为依据的，其数量级通常规定为秒；而实时系统对响应时间一般有严格要求，它是以控制过程或信息处理过程所能接受的延迟来确定的，可达毫秒数量级。第1章操作系统概述实时系统的功能由于实时系统大都带有专用性，因此随任务要求和使用环境的差异而具有不同的特性和功能。对于大中型实时系统，除必须具备存储管理、处理机管理、I／O设备管理以及文件系统等基本功能外，还应具备如下特征和功能：实时时钟管理。连续人—机对话。过载防护。高可靠性。第1章操作系统概述1.6.4个人机系统单用户操作系统主要有MS-DOS、OS／2、Windows

95等。这类系统具有如下特征：个人使用。界面友好。管理方便。适于普及。第1章操作系统概述1.6.5网络操作系统计算机网络具有如下特征：分布性。自治性。互连性。可见性。第1章操作系统概述1.6.6分布式操作系统分布式系统具有如下特征：分布式处理。模块化结构。利用信息通信。实施整体控制。第1章操作系统概述分布式操作系统所涉及的问题远远多于以往的操作系统。归纳起来它应具有以下特点：透明性。灵活性。可靠性。高性能。可扩充性。第1章操作系统概述1.7操作系统的特征并发并发是指两个或多个活动在同一给定的时间间隔中进行。共享共享是指计算机系统中的资源被多个任务所共用。不确定性在多道程序环境下，各程序的执行过程有着“走走停停”的性质。第1章操作系统概述1.8操作系统的结构1.8.1单块结构单块结构是最常用的体系结构。这种结构其实是没有结构的，完全是面向过程的、无序的。第1章操作系统概述这种系统中提供机器的两种运行模式：用户态(运行用户程序)和核心态(运行操作系统)。当用户程序中使用系统调用请求系统提供服务时，就陷入到核心态中。操作系统确定所需的服务号码，调用相应的服务过程，完成工作后，将控制返回给用户程序。第1章操作系统概述1.8.2层次结构单块结构这种初始分层形式就是后来层次式操作系统的构造思想。即：按照功能和相互依存关系，把系统中的模块分为若干层，其中任一层模块(除底层外)都建立在它下面一层的基础上，因而，任一层模块只能调用比它低的层来得到服务，不能调用比它高的层。第1章操作系统概述第一个按这种方式构造的操作系统是THE系统，是1968年由

E.W. Dijkstra和他的学生们建造的。

该系统有6层，

如图1-9所示。

第0层负责处理机分配，

当发生中断和出现时间到时事件时进行进程切换，从而提供了基本的多道程序环境。第1章操作系统概述第1层执行内存和磁鼓的管理，用来为进程分配内存空间和磁鼓上的空间。第2层处理每个进程和操作员控制台之间的通信。第3层进行输入／输出管理，管理I／O设备，对信息流缓冲。第4层是用户程序层。第5层是系统操作员进程层。第1章操作系统概述图1-9

THE操作系统的层次结构第1章操作系统概述图1-10

UNIX

S_5系统核心框图第1章操作系统概述从图1-10中可以看出，UNIX

S_5核心的上层是系统调用的接口程序。在操作系统的内部，分为左右两大部分：左边是文件系统部分，右边是进程控制系统部分。底层是硬件控制部分。左边这部分的上层是文件系统，它管理文件，分配文件空间，控制对文件的访问等。它调用下面的缓冲区管理和设备管理模块。第1章操作系统概述右边这部分是进程控制系统，又分为三部分：进程通信、进程调度和内存管理。左右两部分之间存在密切联系。现在实际使用的操作系统多数都采用层次结构。层次结构既具有上述单块式结构的优点，又有单块式结构不具有的优点：结构关系清晰，提高系统的可靠性、可移植性和可维护性。第1章操作系统概述1.8.3虚拟机IBM的VM/370系统是虚拟机(VirtualMachines)的一个实例，

该系统原来叫做

CP/CMS （控制程序/会话监督系统）。该系统的核心部分是虚拟机监督系统（VMM）。

它运行在裸机上，产生多道程序环境，它对上面一层提供若干虚拟机（不只是一个），如图1-11所示。第1章操作系统概述图1-11带CMS的VM/370结构第1章操作系统概述1.8.4客户/服务器模型用户进程(现在称为客户进程)为了请求一个服务

(如读取一块文件)，要向服务器进程发送请求，后者接收该请求，进行工作，然后发回结果。图1-12示出了这种模型。第1章操作系统概述图1-12客户/服务器模型第1章操作系统概述由图中看出，整个核心负责处理客户和服务器之间的通信。把操作系统分开，成为几个部分，每部分只处理系统的一个方面的工作，如文件服务、进程服务、终端服务，或者内存服务，每部分都很小，易于管理。每个服务器都在用户态下运行，不是在核心态下运行，因而它们并不直接访问硬件。客户/服务器模型的另一个优点是它适于在分布式系统中应用(如图1-13所示)。第1章操作系统概述图1-13分布式系统中的客户/服务器模型第1章操作系统概述1.9

UNIX/Linux系统的特点和结构UNIX系统的发展和特点UNIX系统的产生和族系UNIX系统是20世纪70年代以来世界上最著名的分时系统，亦即多用户多任务的操作系统。UNIX系统是从MULTICS系统发展而来的，而

MULTICS是1965年至1970年在美国麻省理工学院（MIT）开发出来的。图1-14给出UNIX的主要族系情况。第1章操作系统概述图1-14

UNIX族系演变进程第1章操作系统概述2.UNIX系统的特点UNIX系统的主要特点可归纳为以下几点：第—，可移植性良好。第二，树形分级结构的文件系统。第三，字符流式文件。第四，功能强大的shell。第五，丰富的核外公用程序和应用工具。第六，多层次的友好的用户界面。第七，提供强有力的通信支持。第1章操作系统概述图1-15

UNIX系统的结构第1章操作系统概述第八，提供了多用户多任务的工作环境。最后，UNIX系统具有完善的安全机制，包括对用户的管理，对系统结构的保护，对文件使用权限的管理，等等。第1章操作系统概述1.9.2

Linux系统的历史和特点1.Linux系统的历史1984年，曾是Bill

Gates(比尔·盖茨)哈佛大学同学的Richard

Stallman组织开发了一个完全基于自由软件的软件体系计划GNU(GNU是GNU

is

Not

UNIX的递归缩写)，并且拟定了一份通用公共许可证(GPL，General

Public

License)。第1章操作系统概述2.Linux系统的特点Linux的功能强大而全面。与其他操作系统相比，Linux系统具有一系列显著特点。与UNIX兼容现在，Linux已成为具有全部UNIX特征，遵从

POSIX标准的操作系统。自由软件和源码公开Linux项目从一开始就与GNU项目紧密结合起来，它的许多重要组成部分直接来自GNU项目。第1章操作系统概述3)性能高和安全性强在相同的硬件环境下，Linux可以像其他著名的操作系统那样运行，提供各种高性能的服务，可以作为中小型ISP或Web服务器工作平台。第1章操作系统概述4)便于定制和再开发在遵从GPL版权协议的条件下，各部门、企业、单位或个人可根据自己的实际需