第1章 操作系统绪论

1、1 第第1章章 操作系统引论操作系统引论 本章知识点：本章知识点： 操作系统的作用操作系统的作用 操作系统的演变操作系统的演变 操作系统的主要成就操作系统的主要成就 操作系统举例操作系统举例 操作系统的主要研究课题操作系统的主要研究课题 2 操作系统的作用操作系统的作用 操作系统是计算机用户和计算机硬件之间的接 口程序模块，它是计算机系统的核心控制软件， 其职能是控制和管理系统内各种资源，有效地 组织多道程序的运行，从而为用户提供良好的 工作环境，达到使用方便、资源分配合理、安 全可靠等目的。 操作系统是现有软件系统中最复杂的软件之一。 Denning认为，到目前为止，在操作系统的研 究开发方

2、面主要取得了进程、内存管理、信息 保护与安全、调度与资源管理和系统结构等五 项成就。 3 硬件系统和应用程序间的界面硬件系统和应用程序间的界面 由操作系统定义的软、硬件和数据，给程 序员提供了方便的界面，使程序员和应用 程序更容易获取和使用计算机系统中的资 源、工具和服务。 4 硬件系统和应用程序间的界面硬件系统和应用程序间的界面 OS具有如下功能： 程序创建。 程序执行。 I/O设备的访问。 控制对文件的访问。 系统访问。 查错和纠错。 簿记。 5 作为资源管理者作为资源管理者 作为资源管理器的操作系统： I/O 设 备 内 存 处 理 器处 理 器 I/O 控 制 器 I/O 控 制 器

3、I/O 控 制 器操 作 系 统 软 件 程 序 和 数 据 数 据 程 序 O S 6 推动操作系统发展的因素推动操作系统发展的因素 操作系统的演变主要基于以下因素： 硬件升级以及新的硬件类型； 新服务； 修补； 7 操作系统的演变操作系统的演变 操作系统发展至今已有三十多年。设计 操作系统主要有两个目的： 第一，为程序的开发和执行提供一个方便 的环境； 第二，为保证计算机系统顺利执行，操作 系统对各个计算活动进行调度。 8 串行处理系统串行处理系统 最早的计算机，从20世纪40年代末到50 年代中期，程序员直接与硬件接触，根 本没有OS。计算机运行在一个集成了指 示器、各种开关、一些输入设

4、备以及一 个打印机的控制台之上。早期的这种系 统存在两个问题： (1)上机安排 (2)启动时间 9 简单批处理系统简单批处理系统 简单批处理系统是专业计算机操作员（或机器） 按作业的性质将作业按类分成若干组，然后一组 一组地来运行作业。 在早期计算机系统中，引进简单批处理系统可 以减少安装磁带、装入程序和返绕磁带等有关的 工序浪费的时间，因此，也就减少了计算机的空 闲时间。 批处理系统实质上不提供用户和程序之间的交 互功能。程序中的所有问题必须事先安排好，也 不能进行联机修改。 。 10 简单批处理系统简单批处理系统 简单批处理系统的中心思想是，通过应 用一种被称为监控器的软件，使用户不 必再

5、直接接触机器，而是先通过卡片机 和纸带机向计算机控制器提交作业，由 监控器将作业组织在一起构成一批作业， 然后将整批作业放入由监控器管理的输 入设备上，每当一个程序执行完毕返回 监控器时，监控器已自动装入下一个程 序。 11 简单批处理系统简单批处理系统 批处理系统存在很多不方便之处，主要有：用 户不能与其作业交互以捕捉程序中的问题。用 户程序中的所有问题必须事先安排好，否则程 序的排错就可能在转储信息上盲目地进行。此 外，对一个用户作业而言，可能需要较长的周 转时间。 在批处理系统中，为了避免有意或无意地读取 他人的卡片，必须建立监控和用户两种操作态， 使其只有在监控态下才能读控制卡。通过建

6、立 一组仅能在监控态下执行的特权指令，操作系 统就能保证在任何时候都能控制整个系统。 12 多道程序批处理系统多道程序批处理系统 多道程序设计技术就是在内存中同时保 持若干道程序，系统按某种调度策略交 替执行这些程序，使CPU保持最少的空 闲时间。 多道程序设计的主要优点是通过将用户 的CPU请求和I/O请求重叠起来的办法来 有效地使用CPU。它设法让CPU总有事 情可做，以此来提高CPU的利用率。 13 多道程序批处理系统多道程序批处理系统 设想一台电脑配备256KB的可用内存空间(未被 OS占用的)，一个磁盘，一个终端和一台打印 机。3个程序JOB1、JOB2和JOB3，同时被提交执 行，

7、如下表所列。 JOB1 JOB2 JOB3 作业类型偏重计算偏重I/O偏重I/O 执行时间5 min15 min10 min 所需内存50KB100KB80KB 是否需要磁盘NoNoYes 是否需要终端NoYesNo 是否需要打印机NoNoYes 14 多道程序批处理系统多道程序批处理系统 多道程序设计在提高资源利用率方面产生的效果 单道程序设计多道程序设计 处理机使用17%33% 内存使用33%67% 磁盘使用33%67% 打印机使用33%67% 经过时间30 min15 min 吞吐率6 jobs/h12 jobs/h 平均响应时间18 min10 min 15 分时系统分时系统 分时系统

8、是一种由调度策略和多道程序 设计技术所构成的、同时供两个或多个 用户使用的一种经济实惠的系统。 分时系统的主要优点是：当程序正在执 行时，允许用户与计算机交互，从而大 大缩短了系统的响应时间，增加了用户 调试程序和控制程序运行的灵活性。 16 分时系统分时系统 分时系统通常采用的实现方法是：先对 每一用户作业分定一个时间片，再按轮 转方式来执行这些作业。用户作业可以 继续运行直至其时间片执行完或发生一 个（I/O）中断，才暂停此作业的运行 而让另一作业运行，暂停的作业则等到 再次轮到它时又可继续运行下去，系统 中的作业都用这种方式轮转执行。 17 实时系统实时系统 实时系统是在响应时间方面有严

9、格制约的专用 系统。实时系统与其他普通的系统之间的最大 不同之处就是要满足处理与时间的关系。 实时系统与分时系统的区别在于：在分时系统 中，快速响应是需要的，但不是必需的；在实 时系统中，处理事务必须在适合于此系统的特 定时间限额内完成。 18 实时系统实时系统 实时操作系统主要是为联机实时任务服务的， 相比分时系统它有其自身的特点： (1)与分时系统一样具有多路性和独立性。 (2)对外部实时信号必须能及时响应，响应的时 间间隔要足以控制发出实时信号的那个环境。 (3)整体性强。 (4)有交互性，但这里人与系统的交互仅限于访 问系统中某些特定的专用服务程序。 (5)要求有高可靠性和安全性，系统

10、的效率则 放在第二位。 19 操作系统的主要成就操作系统的主要成就 操作系统是现有软件系统中最复杂的系 统软件之一。到目前为止，操作系统已 取得了5项主要成就：进程、内存管理、 信息的保护与安全性、调度与资源管理、 系统结构。 20 进程进程 进程是操作系统结构的基础。进程就是：可并发执行 的程序在一个数据集合上的运行过程。进程由以下3部 分组成： 一个可执行的程序； 该程序所需的相关数据(变量、工作空间，缓冲区 等)； 该程序的执行上下文(Context)。当一个进程在执行 时,CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中 的内容被称为该进程的上下文。当内核需要切换到另 一个进程时，它需要

11、保存当前进程的所有状态，即保 存当前进程的上下文，以便在再次执行该进程时，能 够必得到切换时的状态执行下去。 21 进程进程 典型的进程实现 i b h 进 程 索 引 上 下 文 进 程 表 列 内 存 数 据 程 序 上 下 文 数 据 程 序 j 进 程A 进 程B i 寄 存 器 P C 基 址 寄 存 器b 限 制 寄 存 器h 其 他 寄 存 器 22 进程与程序的区别是什么进程与程序的区别是什么? 进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码的 集合；进程是程序的执行。通常进程不可在计算机 之间迁移；而程序通常对应着文件、静态和可以复 制。 进程是暂时的，程序的永久的：进程是一个状

12、态变 化的过程，程序可长久保存。 进程与程序的对应关系：通过多次执行，一个程序 可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可包括 多个程序。 进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、数 据和进程控制块（即进程状态信息）。 23 存储管理存储管理 操作系统的操作系统的5 5条存储管理原则：条存储管理原则： 进程隔离。进程隔离。 自动分配和管理。自动分配和管理。 支持组件编程。支持组件编程。 长时间存储。长时间存储。 保护和存取控制保护和存取控制。 24 存储管理存储管理 看待存储系统的两种不同观点看待存储系统的两种不同观点 虚拟处理器 读、写 复制 文件 虚拟存储器长期存储设备 ( (b) b)

13、操作系统设计者观点操作系统设计者观点 实 际 处 理 器 虚 拟 地 址 映 射 器 (地 址 转 换 器 ) 存 储 器 地 址 内 存 交 换 辅 存 ( (a) a) 用户观点用户观点 25 信息保护和安全性信息保护和安全性 同计算机系统和存储在其中的信息的存 取控制有关的4种保护策略： 不共享。 共享原始程序或数据文件。 无存储子系统。 控制信息的分布。 26 信息保护和安全性信息保护和安全性 同操作系统有关的安全和保护工作可分 为以下3类： 访问控制。 信息流控制。 确认。 27 调度和资源管理调度和资源管理 操作系统的核心任务之一就是管理各种可 获得的资源以及合理地调度它们。任何资

14、 源分配和调度策略都必须考虑公平性、不 同敏感性以及效率。 28 系统结构系统结构 随着操作系统性能的增强，以及基础硬 件复杂性的增加，操作系统的大小和复 杂性也不断增加，这就导致了许多问题。 为了有效管理系统资源和控制操作系统 的复杂性，人们开始极大地重视操作系 统的软件结构。对大型操作系统，仅仅 组件化编程还是不够的，现在越来越多 地用到体系结构分层和信息抽象技术。 29 Linux系统系统 Linux是1991年Linux Torvalds主持开发的遵循POSIX标 准的多用户、多任务操作系统，提供与UNIX兼容的 API界面，但内核代码则完全重写与UNIX不同， Linux是一个源代码

15、开放的自由软件，其发展得到了网 上众多Linux用户的协力支持 Linux具有如下特点： (1)源代码开放,免费； (2)系统稳定可靠； (3)速度快，效率高； (4)内核模块化好，允许第三方配置文件系统及设备管 理程序； (5)功能完善； (6)具有网络支持优势； (7)标准化好. 30 Windows2000/XP系统系统 Windows2000/XP是基于NT技术构建的面向个人计算几平台的操 作系统，本质上属于单用户系统，但可以组网并提供网络服务 系统具有如下特点： (1) 具有多任务(包括多进程、多线程)管理功能，支持对称多处理， 操作系统进程可以在任何可获得的处理器上运行，相同进程中的 多个线程可以在不同处理器上同时运行 (2)支持客户/服务器计算模式，一台PC或工作站与一个主系统合 作完成特定的服务程序远程过程调用