操作系统·概论解析

第一章概论第

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章 概论计算机与操作系统计算机与操作系统的发展存储程序式计算机的结构和特点操作系统的基本概念操作系统的定义及其在计算机系统中的地位操作系统的功能、特性及其应解决的基本问题操作系统的总体框架操作系统接口、构造模式、Linux结构分析和设计操作系统的几种观点用户观点、资源观点、进程观点、分层观点安全操作系统回顾上一节课内容一、计算机的发展第一代计算机：电子管第二代计算机：晶体管第三代计算机：集成电路2多.程操序作设计系技术统--的>多基道批本处类理系型统3.操作系统的进一步发展分时系统实时系统第四代计算机：超大规模集成电路二、操作系统的发展1.操作系统的产生手工操作阶段-->成批处理-->脱机输入/输出-->单道批处理系

统多统多程序设计技术批处理系统网络系统、分布式系统、微机操作系统（DOS、Windows、OS/2、UNIX、Linux）Windows与Windows的区别操作系统的发展人工操作阶段单道批处理多道程序设计多道批处理分时系统实时系统网络系统分布式系统手工操作阶段手工操作阶段（1946年-50年代中期）运算器主机 控制器存储器输入设备输出设备计算机的手工操作方式控制台机器作业在机器上人工操操作时间与机器有速度计算所需时间作时间效运行时间之比1万次/秒1小时3分钟1：2060万次/秒1分钟3分钟3：1操作系统的产生批处理把用户提交的作业（相应的程序、数据和处理步骤）成批送入计算机，然后由作业调度程序自动选择作业运行。这样能缩短作业之间的交接时间，减少处理机的空闲等待，从而提高了系统效率。成批处理运算器主机控制器存储器控制台输入设备 外围机输出设备外围机磁盘磁盘脱机输入/输出方式减少了CPU的空闲时间，缓和了人机矛盾提高了I/O速度，缓解了CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾单道批处理系统的形成当有大量用户作业提交计算中心要求处理时，操作员可按优先程度、类型等因素选择一批作业，以脱机方式输入磁盘再由系统中配备的监督程序（Monitor）自动地控制每个作业从调入内存、汇编或编译、装配连接、启动执行、输出结果的全过程，并使作业一个接一个地连续处理，直到这批作业全部完成为止。监督程序标准输入程序输入用户作业程序编译后的用户作业程序装配好的用户作业程序执行执行结果输出结果编译程序装配程序标准输出及善后处理程序调用一些子程序转到下一个作业输入这里，监督程序是事实上的管理者，也是后来形成的操作系统的雏形。由于系统对作业的

处理都是成批进行的，而且在内存中始终只

保持一道作业，所以

称之为单道批处理系

统。注意：单道程序工作示例计算

请求输入启动I/O I/O完成CPU工作用户程序监督程序I/O操作继续计算结束中断t中央处理机外部设备外部设备程序A

程序B

程序A

程序B磁盘输入

输入结束打印输出磁带输入输出结束输出结束t输入结束绘图输出多道程序设计20世纪60年代初期，计算机硬件技术获得了两个方面的发展，一是通道的引入，二是中断技术的出现。在20世纪60年代中期引入了多道程序设计技术，多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，使他们在管理程序控制之下，相互穿插地运行。多道程序设计举例设一计算机系统有输入机一台、打印机两台，现有二道程序同时投入运行，且程序A先开始运行，程序B后运行。程序A的运行轨迹为：计算50ms，打印信息100ms，再计算50ms,打印信息100ms,结束。程序B运行的轨迹为：计算50ms，输入数据80ms，再计算100ms，结束。要求：(1)用图画出这二道程序并发执行时的工作情况。

(2)说明在二道程序运行时，CPU有无空闲等待？若有，在哪段时间内等待？为什么会空闲等待？(3)程序A、B运行时有无等待现象？在什么时候会发生等待现象？多道程序运行的特征如下：多道即计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。

(2)宏观上并行同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。(3)微观上串行从微观上看，内存中的多道程序轮流地或分时地占有处理机，交替执行(单处理机情况)。在批处理多道操作系统控制下，允许多个作业同时装入主存储器，使CPU轮流地执行多个作业，各个作业可以同时使用各自所需外围设备。此类操作系统有代表性的是IBM公司为IBM360机器配置的操作系统

OS/360。多道批处理系统操作系统的基本类型最大优点：资源利用率高系统吞吐量大最大缺点：无交互能力平均周转时间长分时系统分时系统就是为了满足用户对人机交互、多用户共享主机以及方便作业控制等需要而形成的一种新型操作系统。在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，每个用户都可以通过终端以交互方式使用计算机。分时操作系统是支持多个终端用户，实现人机交互的系统。现今流行的操作系统中Linux、Windows、OS/2以及UNIX都是分时系统。分时系统的实现，必须解决以下两个最为关键的问题：分割CPU时间片，使多个终端用户共享系统资源。时间片长短的选择至关重要，它将直接影响着分时系统的性能目标。如果时间片过长，则无法满足用户对响应时间的要求；如果时间片过短，则会使系统为了多个终端用户之间切换处理而需要花费的额外开销大大增加，从而降低系统效率。系统为每个联机的终端用户创建一个操作界面，使终端用户能方便地与自己的作业命令交互。分时系统分时系统的特征多路性：若干用户可同时使用一台计算机。系统按分时原则为每个用户服务。独立性：每个用户各自独立的工作。交互性：用户能方便地与系统进行人—机对话。及时性：用户能在很短时间内得到系统的响应。多路性交互性独立性及时性实时系统能使计算机接收到外部信号后及时进行处理，并且在严格的规定时间内处理结束，再给出

反馈信号，这样的操作系统称为实时操作系

统。实时系统的特征及时响应高可靠性和安全性：（不强求系统资源的利用率）系统的整体性强交互会话功能较弱实时系统的用途实时数据处理：用于要求对信息进行实时处理的系统。例如：飞机订票系统、情报检索系统等实时工业控制：用于工业生产过程、军事武器等实时控制。例如：化学反应堆控制系统、导弹的制导系统等网络操作系统操作系统的进一步发展注意：计算机网络的定义：将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的网络软件将其有机地联系到一起并进行管理，从而实现网络资源共享和信息传递的系统。计算机网络的分类。按照网络覆盖范围的大小，分为局域网（LAN）、广域网（WAN）和城域网（MAN）三类。网络操作系统特有的功能。为计算机网络所配置的操作系统称为网络操作系统，它除了应具备通常意义上的操作系统所具有的功能外，最为突出的就是还应该具有网络管理模块和通信软件。通信软件是一种交流的协议，是各计算机在通信中需要共同遵守的规则。具体地说，网络操作系统应具有下述5个方面

的功能：网络通信、资源管理、网络服务、网络管理和互操作能力。多用户分时系统看上去与星型连接结构的计算机网络相似，但两者完全不同。分时系统中各用户使用的是由显示器、键盘和一个串行接口组成的终端，没有CPU和内存，也就没有处理能力；而网络中都是具有独立运行能力的计算机系统。个人计算机上配置适当的仿真软件或硬件后，也可以作为一台智能终端来使用。分布式操作系统分布式系统是一个一体化的系统，在整个系统中有一个全局的操作系统称为分布式操作系统。分布式操作系统能使分布式计算机系统中若干台计算机相互协作完成一个共同的任务。分布式系统是以网络为基础发展起来的,它和常规网络一样具有模块性、并行性、自治性和通信性等特点。但是，它比常规网络又有进一步的发展。例如，常规网络中的并行性仅仅意味着独立性，而分布式系统中的并行性还意味着合作。原因在于，分布式系统已不再仅仅是一个物理上的松散耦合系统，而同时又是一个逻辑上的紧密耦合的系统。分布式系统和计算机网络的区别在于前者具有多机合作和健壮性。操作系统的发展人工操作阶段单道批处理多道程序设计多道批处理分时系统实时系统网络系统分布式系统操作系统的定义及其在计算机系统中的地位操作系统是搭在硬件平台上的第一层软件，它负责把系统资源管理起来以便充分发挥它们的作用。编译程序汇编程序正文编辑程序数据库系统操作系统裸机用户1用户2用户3用户n操作系统用户应用软件系统软件计算机系统的组成与软件的层次关系操作系统的其他表述

提供一个计算机用户与计算机硬件系统之间的接口，使计算机系统更易于使用。（使用者）

有效地控制和管理计算机系统中的各种硬件和软件资源，使之得到更有效的利用。（资源管理者）

合理地组织计算机系统的工作流程，以改善系统性能（如响应时间、系统吞吐量）。操作系统较为完整的定义

操作系统是用来控制和管理计算机系统资源合理地组织计算机工作流程，以及方便用户操作的程序集合。操作系统的功能功能：操作系统的宗旨是提高系统资源的利用率和方便用户使用。处理机管理、存储器管理、设备管理、软件资源管理、用户接口1.处理机管理（进程管理）处理机管理的主要任务是对处理机进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在单道环境下，处理机为一个作业所独占，其管理十分简单。但在多道程序并发环境下，必须引入进程以动态地描述程序的执行过程，并以进程为单位来分配处理机，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。处理机管理的主要功能进程控制进程调度进程同步进程通信为用户作业分配必要的资源，并创建进程。合理分配处理机时间，控制进程状态的转换。撤消已结束的进程，并回收其占有的资源。从进程就绪队列中，按某种调度算法选择一个进程投入运行。多个进程竞争处理机资源，可能存在同步和互斥关系，因此系统中必须设置同步机制，对各进程的运行进行协调。多道环境下，进程之间可能要相互合作完成共同的任务，这就需要在进程之间实现信息交换。2.存储器管理存储器是仅次于CPU的第二大珍贵资源，因为其最大容量受地址总线数量的限制。尽管硬件的发展使存储器容量不断扩大，但无法满足多道程序环境下用户对存储容量无止境的需求。因此，操作系统就要对存储器进行合理分配、保护和扩充。存储器管理的主要功能内存分配地址映射内存保护内存扩充为每道程序分配恰当的内存空间，使它们“各得其所”，尽可能地提高存储器的利用率，并允许程序动态地申请内存空间。程序调入内存时，操作系统需要将程序中的逻辑地址转换成其对应的物理地址，也就是实现地址重定位或地址映射。确保每道程序都在自己的空间运行，不允许用户程序有意或无意地破坏系统数据，也不允许转移到非共享的其他程序区。借助于虚拟存储技术从逻辑上扩充内存容量，使用户所感觉到的内存比物理内存大得多，或让更多的用户程序能并发执行。3.设备管理设备管理的主要任务是，完成用户提出的I/O请求；为用户分配I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。设备管理的主要功能缓冲管理设备分配设备处理设备独立性和虚拟设备为缓解CPU和外设备之间速度不匹配的矛盾，提高它们的利用率，操作系统需要为外设配置一定的缓冲区，并采用各种管理机制对缓冲区进行有效的管理。根据用户的I/O请求，按照某种分配策略为之分配所需设备、通道和控制器，并启动相应设备的处理程序。即设备驱动程序，用于实现CPU和设备控

制器之间的通信，包括向设备控制器发I/O指令，及时响应和处理来自设备控制器的中断请求。独立性是指用户程序独立于物理设备，即与实际使用的设备无关。虚拟设备功能是把每次仅允许一个进程使用的独享设备改造为可供多个进程共享的设备。5.用户接口程序接口面向程序员提供了一组系统调用，每一个系统调用都是一个完成特定功能的子程序，编程者可在用户程序中调用它们来访问系统资源或取得操作系统服务。命令接口面向普通用户，可以通过键盘终端或鼠标等操作方式对系统发出命令，以直接或间接地提交和控制自己的作业运行。操作系统的特性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是指计算机系统中的资源被多个任务所共用。每道程序要完成自己的事情，但又要与其他程序共享系统中的资源。这样，它什么时候得以执行、在执行过程中是否被其他事情打断（如I/O中断）、向前推进的速度是快还是慢等都是不可预知，由程序执行时的现场所决定。是指把一个物理上的实体，变为若干个逻辑上的对应物。任何一个操作系统在设计时都会追求各方面优异的性能，总的原则是：尽可能高的资源利用率；尽可能大的系统吞吐量；尽可能快的响应时间；尽可能方便用户使用的交互能力。并发性共享性不确定性虚拟性操作系统应解决的基本问题解决的基本问题：⑴

提供解决各种冲突的策略⑵

协调并发活动的关系⑶

保证数据的一致性⑷

实现数据的存取控制操作系统的总体框架操作系统提供给用户的程序接口系统调用：进程管理、存储管理、文件管理、设备管理。交互命令操作系统的构造模式整体式内核（也称为宏内核、单内核）：在运行过程中是一个单独的内存映像，使一个独立的进程。

Linux微内核：大部分内核模块都作为独立的进程，它们之间通过消息通信，在模块之间提供服务。操作系统提供抽象的计算环境流行OS结构OS的构造模式P28

整体式内核：在运行过程中式一个单独的内存映像，是一个独立的进程。

微内核：大部分内核模块都作为独立的进程，进程间用消息通信，实现模块间的服务。内核本身是一个消息管理器Linux整体结构P37单内核体系结构，采用模块接口法设计技术Windows整体结构P38改进型的微内核体系结构，采用面向对象设计技术Linux操作系统的构成Shell内核

内核（Kernel）是整个操作系统的核心，管理软硬件资源并控制整个计算机的运行，提供相应的硬件驱动程序、网络接口程序，管理所有应用程序的执行。

内核提供的都是操作系统最基本的功能，如果内核发生问题，整个计算机系统就可能会崩溃。

Linux内核的源代码主要用C语言编写，只有部分与驱动相关的部分用汇编语言Assembly编写。应用程序X-Window应用程序分析和设计操作系统的几种观点用户观点这种观点主要是为刻画操作系统的功能而引入的，从用户的角度来观察操作系统，操作系统是个黑盒子，配置了操作系统的计算机与原来真实的物理计算机迥然不同，因为它提供了用户使用计算机的更方便手段,构造了一台虚拟机，采用的操作命令决定了虚拟机的功能。操作系统应该提供给用户的基本功能如下：创造用户需要的程序运行环境操作系统应配置各种子系统和程序库提供文件操作为用户提供方便使用的人-机接口分析和设计操作系统的几种观点资源管理观点资源观点是从现代计算机系统角度考虑问题。计算机系统由硬件和软件两大部分组成，即：硬件和软件资源，这些资源都是非常宝贵的，按其性质可归为四大类：处理机、存储器、外部设备和文件(程序和数据)。这四类资源构成了操作系统本身和用户作业赖以活动的物质基础和工作环境。研究资源管理是为了提高各种计算机资源的利用率，为用户提供一种使用计算机的简单、有效的方法。研究资源管理要处理好如下几个方面的内容：记住资源的使用状态、确定资源的分配原则和调度原则、分配资源、收回资源。分析和设计操作系统的几种观点进程观点通常我们把程序的一次执行过程叫做一个进程，在这一过程中，进程被创建、运行直至被撤消完成其使命。从进程角度来分析操作系统，则所有进程的活动就构成了操作系统的当前行为，在每一个瞬间都有一棵进程家族树，它展示着操作系统行为主体的一个快照。初始化外部复位进

程…进程A2进程

A1…进程B2进程B1…进程X2…进程

X1系统数据结构文件管理数据结构设备管理数据结构内存管理数据结构进程控制块中断表守护进程demon用户中断中断管理操作系统中