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操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 计算机操作系统计算机操作系统 普通高等教育普通高等教育“ “十一五十一五” ”国家级规划教材国家级规划教材 北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社 许曰滨许曰滨 孙英华孙英华 赵毅赵毅 考研指定参考教材考研指定参考教材 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 什么是操作系统？什么是操作系统？ 为什么学？为什么学？ 学什么？学什么？ 怎么学？怎么学？ 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 什么是操作系统？ 讨论：你熟悉的操作系统讨论：你熟悉的操作系统？ 你听说的操作系统你听说的操作系统 ？ 你满意的操作系统你满意的操作系统 ？ 操作系统有什么重要作用？操作系统有什么重要作用？ 你认为的学习目的你认为的学习目的 ？ 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 为什么学？ （1）操作系统在整个计算机系统中 的地位 （2）计算机操作系统课程在计算机 专业课程体系中的地位 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 操作系统在整个计算机系统中的地位 用户1用户2用户3用户4用户n 财务系统航空订票上网浏览电子商务科学计算 （应用程序） 编译程序汇编程序编辑程序数据库 （系统程序） 操作系统 计算机 硬件 讨论：微机系统操作系统、网络操作系统、新型分布 式系统中的操作系统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 为什么学？ （1）操作系统在整个计算机系统中 的地位 （2）计算机操作系统课程在计算机 专业课程体系中的地位 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 学什么？ 1学习操作系统的基本概念、基本结构及运行环境 2学习操作系统原理、设计方法和实现技术 3学习各种有代表性的、典型的操作系统实例 4了解操作系统的演化过程、发展研究动向、新技术 以及新思想 学时安排 课内 72+18 课外 a 教材内容 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 怎么学？怎么学？ 本课程特点原理？枯燥？ 课堂学习 课堂实验 研究小组课下讨论 作业 考核 注：课下答疑时间安排 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 参考书参考书 操作系统精髓与设计原理第六版 William Stalling 著 操作系统原理与设计 曹先彬 陈兰香 编 操作系统第二版 孟庆昌 牛欣源 编 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 第1章 绪论 电子计算机系统分为硬件和软件两部分 硬件部分称为“裸机”，由若干物理设备连接而成 。 为此，人们研制了一种能够管理和控制这种裸机的软件 ，这就是“操作系统”（OS，Operating System）。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 操作系统操作系统，是管理计算机系统内全，是管理计算机系统内全 部资源的程序模块和数据集合的部资源的程序模块和数据集合的 总称。它作为用户和计算机硬件总称。它作为用户和计算机硬件 之间的连接软件，主要是响应应之间的连接软件，主要是响应应 用程序的各种要求，解决各种要用程序的各种要求，解决各种要 求之间的矛盾，使系统的利用率求之间的矛盾，使系统的利用率 提高，以便用户能够简单而高效提高，以便用户能够简单而高效 地使用计算机。地使用计算机。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 第1章 绪论 本章主要内容本章主要内容 操作系统的发展过程 操作系统的处理方式 操作系统的功能与构造 通用操作系统的特点 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 1.1 操作系统的形成与发展 操作系统“曾用名” 监控（督）程序（系统）（Monitor) 执行系统（程序）(Executive System (program) 控制系统（程序）(Control System program) 管理程序(Supervisor, Supervisory System) 核心程序(Kernel) 操作系统(Operating System) 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 1.手工操作方式 早期的计算机由于运算速度低、外部设备少，加 之没有配置操作系统，用户使用计算机是相当困难的 。用户编制好的程序被输入到机内后，直接通过控制 台上的一排排机械式开关和指示灯来监督控制程序的 运行。当时，尚未研制出现操作系统，因此用户使用 计算机的繁琐程度可想而知。 这一阶段大体对应计算机诞生后的前10年（ 19461955）。这10年又可分为两个时期。前一个时期 称为手工交互时期，后一个时期是手工批处理时期。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 手工操作的主要缺点是操作较麻烦。操作员要了解 计算机各部分的技术细节才能准确地控制作业运行， 而这样做极容易出错，维护工作比较复杂。 另一个问题是资源浪费。计算机的所有软硬件资源 全部被一个作业独占，不用的资源也不能给其他作业 使用。 特别是，当一个作业完成，另一个作业开始，作业 切换过程中的上机、下机将浪费大量时间。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 2. 单任务操作系统发展阶段 关于操作概念的第一次讨论，是1953年在华盛顿召 开的IBM 701计算机用户会议上展开的。到计算机诞生10 年后的1955年，计算机上出现了第一个操作系统，当时 称为监控程序（monitor）。该系统是美国通用动力研究 实验室（简称GMRL，General Motors Research Laboratory ）为IBM 701计算机研制的，主要目的是实现作业的自动 转换，向用户提供方便的操作接口，尽可能高效率地利 用计算机。这就是单任务操作系统。 后来，北美航空公司开始与GMRL实验室合作，共 同开发了运行于IBM 704计算机上的操作系统。该系统就 是一个支持Fortran语言的监控程序，简记为FMS（Fortran Monitor System）。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 单任务操作系统的特点是： 系统中装有高级语言翻译程序，程序设计人员可以用更 直观易懂的语言编写程序。 这也同时意味着程序设计人员可以摆脱计算机上的操作 ，将自己的程序交给计算站的操作员就可以了。 应用程序在监控程序的管理下，一个接一个地自动切换 运行，基本上不需要人工干预。 内存中除了存储用户的应用程序外，还要驻留着监控程 序，存储空间的划分和定位严格起来。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 单任务操作系统的缺点是： 资源利用不充分。 比如，硬件上的发展已经使内存空间比较充裕，而不 少的作业却用不完内存的诺大空间，致使空间浪费严重 。 另外，一个作业在运行中遇到输入输出操作（比如读 写磁带）时，处理机不得不处于闲置状态，等候低速输 入输出操作完成。 这些缺点使计算机硬件飞速发展的辉煌成就不能很好 地利用起来，系统的许多优点被深深埋没在低速的I/O 中。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 3. 多任务操作系统发展阶段 从60年代中期开始，计算机系统进入了第3 代发展时期。以集成电路为中心的硬件设计与制 造工艺不断提高，一大批功能完善、集成度高的 微处理器涌入市场。由于其价格便宜，因而被广 泛引入到输入输出接口设备、终端及外部设备的 设计中，所以，这一时期的计算机除了CPU的 运行速度加快，内存容量大大增加之外，还出现 了中断装置、输入输出通道、大容量的外存储器 磁盘等 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 多任务操作系统发展阶段 要使多道程序共享计算机硬件，要解决的问题： 1. 内存空间的共享和内存空间扩充问题； 2. 处理机交替使用的问题，也就是CPU的控制 权转移问题； 3. 共享设备的管理问题。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 多任务操作系统发展阶段 出现的新技术： “虚拟化”技术。比如，虚拟机（Virtual Machine）、虚拟存储器（Virtual Storage）和虚拟设备（ Virtual Units）等。此外，在输入输出方面，操作系统提供 了“Spooling”（又称“假脱机输入输出”）技术，使系统的输 入输出得到改善。 这一时期具有代表性的操作系统有：六十年代初期运行 的美国MIT计划项目MULTICS分时系统、IBM的OS/360系 统、UNIVAC的EXEC系统、FACOM的MONITOR V系统， 以及Bell实验室于七十年代初推出的UNIX系统等。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 4. 规范化和微型化发展阶段 规范化 20世纪60、70年代是操作系统大发展的时期。无论 是规模上还是结构上，操作系统都是非常庞大的。系统从 研制到交付使用需要花费很大的时间和财力。更有甚者， 当使用一段时间后发现某些隐患时，修改系统的代价将十 分高昂。这些问题引起人们的极大关注，并称为软件危机 。由此，导致了软件工程的研究。 让软件研制过程纳入工程管理的思想，比如：采用 工程的组织与管理模式、软件构造采取结构化设计方法、 注重软件的存档和维护、规范程序接口标准等。当时， UNIX成为贯彻这些思想的典型代表。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 4. 规范化和微型化发展阶段 微型化 较为典型的有单用户单任务的微型操作系统，诸如 CP/M和较低版本的磁盘操作系统DOS；单用户、多任务的 Windows，以及支持多用户、多任务的UNIX等。 网络化 随着通讯技术的进步，加上通讯软件的支持，将多个 独立的计算机系统连接成计算机网络成为可能。操作系统 随之得到进一步发展，于是出现了以信息通信为基础，将 分布在不同地域上的多台计算机连接成网的“网络操作系统 ”，如，Windows NT。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 5. 并行与分布式系统发展阶段 进入20世纪90年代以来，出现了一种多处理机系统管 理的“分布式操作系统”（Distributed Operating System） 。它既适合于以网络为平台的松耦合多机系统，也适合共 享存储器的紧耦合多机系统。该系统支持多台处理机相互 协作，共同完成一个大任务。 它的主要职责是，将一个计算任务分解为若干子任务 ，然后将这些子任务分布到多台计算机上并行运算。当各 计算机处理完成后，把各子任务的解再合成起来形成一个 最终解。分布式操作系统除了需要解决任务分布之外，还 要处理任务通信问题。其主要目的是通过多台计算机的并 行运算提高系统处理大任务的能力。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 1.2 系统管理方式 批处理方式 单道批处理 多道批处理 分时处理方式 实时处理方式 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 1.2.1 单道批处理方式 单道批处理是早期的一种计算机管理方式。它的管 理可以简单地描述为：一次运行一个作业、不间断地运 行，直到一批作业全部运行结束为止。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 单道批处理的特点 成批装入、单道处理 从系统效率上看，单道批处理系统比人工 操作提高了很多 缺点 由于CPU的运算速度与外部设备的输入输出 速度差距很大，CPU仍需要花费大量时间等待低 速外部设备的输入输出，浪费仍然是很大的。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 1.2.2 多道批处理方式 多道批处理是为了提高CPU的利用率而设计的一种 管理方式，它是单道批处理方式的一种改进形式。它允 许多道作业同时进入内存，共同使用CPU进行运算。这 里突出了一种全新的设计思想多道程序设计的思想 ，即允许多个作业按交替方式或者并行方式运行。通常 ，将采用这种方式运行的程序称作“并发”程序。 并发（Concurrent）程序， 是既可以并行运行，也 可以交替运行的程序。在单处理机的系统中，它们的运 行只能是交替地进行，但是从宏观上看，它们的运行是 并行的；只有在多处理机系统中，这些并发程序才能够 真正并行地运行。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 多道批处理方式 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 单道与多道的运行情况比较 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 多道批处理方式 特点 多道：系统在内存中存放多个作业，并且在外 存上还保存大量的后备作业。 成批：系统按批次调度作业，而在系统运行过 程中不允许用户和机器之间发生交互作用。 批处理系统的主要优点： 系统资源利用率高 系统吞吐量大 明显缺点： 用户作业的等待时间长 没有交互能力 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 1.2.3 分时处理 分时处理（time share），又称会话型处理 ，是在多道程序设计基础上发展起来的一种处 理方式。它把时间分隔技术应用到CPU的调度 上，形成了一种新的操作系统。 分时，指的是若干并发程序对CPU的使用是 划分时段的。即，将多道用户程序装入内存， 让它们轮流在CPU上运行，每一道程序使用CPU 的时间长度都有限制，不能超过一个固定的时 段（称为时间片）。任何程序如果在分给的时 间片内未能处理完时，应当放弃CPU，等到下 一次分得CPU时再继续处理。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 一个典型的例子是一机多终端的实验管理系统， 如图所示。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 1.2.3 分时处理 基本特征 同时性 交互性 独立性 及时性 主要优点 人机交互友好 应用方便 资源共享 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 1.2.4 实时处理 实时处理突出了系统处理的即时性或响应性，它通 常能对随机发生的事件进行随时处理，并立即送回处理 结果，其响应时间绝对满足对象系统的业务要求。 我们来看一个实时处理系统在飞机导航系统中应用 的例子。比如飞机由A地出发向B地飞行，航线是连接A 、B之间的直线。计算机周期性地从设在飞机上的多卜 勒导航雷达那里获得飞机的对地速度Vg和偏流角，从空 速仪那里获得飞机相对于气流的速度V，从航向陀螺那 里获得飞机的航向角。由此计算出飞机的位置、方向偏 差及应取方向送给自动驾驶仪。自动驾驶仪操纵飞机偏 转，在空气动力作用下改变飞行姿态，进入正常航线， 如图1-7所示。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 实时处理 重要特征：对时间有严格限制和要求 三种典型应用形式 过程控制系统 信息查询系统 事务处理系统 实现方式 硬式实时系统 对时间严格约束 软式实时系统 对时间限制稍弱一些 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 1.4 操作系统的组成 图1-8是用户与操作系统及计算机硬件的层次关系图。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 1.4.1 作业管理 作业管理的主要任务有：提供用户的使用接口， 进行作业执行前的各种准备和作业结束的清理工作，以 及为确保作业运行，为它们申请所必要的各种资源等。 1.4.2 进程管理 在单道系统中，处理机被一个作业所独占，其分 配和使用不发生资源竞争，管理比较简单。但在多道系 统中，要组织多个作业同时运行，不可避免地会产生对 处理机的竞争。处理机管理就是要解决处理机的合理使 用问题。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 1.4.3 存储管理 存贮器分为内存和外存，因为多道程序运行时所 竞争的存储资源是内存，所以这里所说的存储管理仅仅 是对内存而言的。主要包括：用某种数据结构记录内存 的使用情况，按照一定的策略对内存储器进行分配、实 现内存保护和容量扩充等。 操作系统对存储器的管理有多种方式，如分区式 、分页式、分段式等。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 1.4.4 设备管理 该部分管理各类外围设备，根据一定的分配策 略，将设备分配给某一应用程序，并在适当时候将 设备收回，以备分配给其它应用程序。另外，设备 管理还包括输入输出程序Spooling、设备驱动程序及 中断处理程序等。 通常，外部设备的处理速度远远低于CPU，如 何避免主机时间的浪费、尽可能地发挥外设和主机 的并行工作能力，是设备管理中必须考虑的问题。 1.4.5 文件管理 文件是计算机的软件资源，程序和数据都是以 文件的形式存储在外存设备上的。文件管理功能主 要包括外存空间的管理与回收，对文件进行存取、 检索、更新，及有效地实现文件共享。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATING SYSTERM 1.4.6 操作系统内核 上面讲的“多道程序设计”技术，最初是针对多道用 户程序的。后来，这一技术很快被应用于操作系统本身 的设计中。一个通用操作系统应当分为两部分：基本部 分和常规部分。其中，基本部分是操作系统的核心，又 称作“内核”；而常规部分是操作系统的核外部分，是内 核的用户。常规部分通常以“进程”的形式与应用进程并 发运行。为了将它们与应用进程相区别，通常称它们为 “系统进程”。 l时钟管理 l中断机制 l原语 l系统控制 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 OPERATIN