计算机操作系统课件(第四版)第一章

1、操作系统原理 Principle of Operating System 主讲： 马宏琳 信息学院 计算机系E-mail: TEL程类型：必修课程类型：必修学时安排：学时安排：64学时学时 56学时授课学时授课 8学时上机学时上机学分：学分：3.5学分学分考试形式：闭卷考试考试形式：闭卷考试成绩：卷面成绩成绩：卷面成绩70 + 平时成绩平时成绩30 (实验实验10%+作业作业10%+考勤考勤10%)课程安排教材：教材：计算机操作系统(第四版) 汤小丹等编著汤小丹等编著 2014年版年版 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社1、计算机操作系统计算机操作系统学习指

2、导与题解学习指导与题解（第二版）（第二版）梁红兵梁红兵,汤小丹汤小丹 西安电子西安电子科技大学出版社科技大学出版社课程内容课程内容第一章、操作系统引论第一章、操作系统引论第二章、进程的描述与控制第二章、进程的描述与控制第三章、处理机死锁与调度第三章、处理机死锁与调度第四章、存储器管理（内存管理）第四章、存储器管理（内存管理）第五章、虚拟存储器第五章、虚拟存储器（内存管理）（内存管理）第六章、输入输出系统（设备管理）第六章、输入输出系统（设备管理）第七章、文件管理第七章、文件管理第八章、磁盘存储器的管理第八章、磁盘存储器的管理第九章、操作系统接口第九章、操作系统接口第一章第一章 操作系统引论操作

3、系统引论第一节第一节 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用第二节第二节 操作系统的发展过程操作系统的发展过程第三节第三节 操作系统的基本特征操作系统的基本特征第四节第四节 操作系统的主要功能操作系统的主要功能第五节第五节 操作系统的结构设计操作系统的结构设计第一节 操作系统的目标和作用什么是操作系统什么是操作系统操作系统的目标操作系统的目标操作系统的作用操作系统的作用推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力什么是操作系统（1）回顾）回顾“计算机系统计算机系统”（2）对操作系统的）对操作系统的描述描述（3）操作系统的定义操作系统的定义计算机系统硬件(裸机)：中央处理机（CPU）、

4、内存、 外存、外部设备。软件应用软件：为多种应用而编制的程序，如：办公自动化软件、财务管理软件、即时通信软件等系统软件操作系统（DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX）语言处理系统（命令解释器、窗口系统、编译、汇编程序）常用的例行程序（库连接程序、 诊断排错程序）一般用户一般用户程序员程序员OS开发人员开发人员（2）对操作系统的）对操作系统的描述描述：l是配置在计算机硬件上的第一层软件，是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。是对硬件系统的首次扩充。l用户（应用程序）与计算机硬件之间的用户（应用程序）与计算机硬件之间的接口接口。（3）操作系统的定义）操作系统的定义操作系

5、统是一组操作系统是一组控制和管理计算机控制和管理计算机硬件和软件资源，合理的对各类作硬件和软件资源，合理的对各类作业进行调度，以及方便用户使用的业进行调度，以及方便用户使用的程序集合程序集合。 操作系统是操作系统是系统软硬资源的管理控系统软硬资源的管理控制中心，它以尽量合理有效的方法制中心，它以尽量合理有效的方法组织多个用户（进程）共享计算机组织多个用户（进程）共享计算机的各种资源并提供使用接口。的各种资源并提供使用接口。本书定义：本书定义：其他：其他：1.1.1、操作系统的目标OS的目标的目标l方便性：使计算机易学易用方便性：使计算机易学易用l有效性：提高系统资源的利用率和吞吐量有效性：提高

6、系统资源的利用率和吞吐量l可扩充性：能适应硬件的发展，容易升级可扩充性：能适应硬件的发展，容易升级l开放性：遵循世界标准规范所开发的软硬件，开放性：遵循世界标准规范所开发的软硬件，彼此兼容，方便互联。使应用程序具有可移植彼此兼容，方便互联。使应用程序具有可移植性和互操作性。性和互操作性。1.1.2、操作系统的作用、操作系统的作用(1)OS作为用户与计算机硬件之间的接口作为用户与计算机硬件之间的接口(2)OS作为作为计算机四类资源的管理者计算机四类资源的管理者(3)OS实现了对计算机资源的抽象（虚实现了对计算机资源的抽象（虚机器）机器）(1)OS作为用户与计算机硬件之间的接作为用户与计算机硬件之

7、间的接口口计算机硬件计算机硬件系统调用系统调用 命令命令 图标图标-窗口窗口操作系统操作系统应用程序应用程序用户用户软件接口，给用户提供软件接口，给用户提供3种方式种方式(2) OS作为作为计算机系统四类资源的管理者计算机系统四类资源的管理者处理机管理处理机管理对处理机进行分配对处理机进行分配进程管理和调度进程管理和调度存储器管理存储器管理对内存进行分配、回收对内存进行分配、回收I/O设备管理设备管理负责负责I/O设备的分配、回收、操控（如启动设备）设备的分配、回收、操控（如启动设备）文件管理文件管理文件的存取、共享、保护文件的存取、共享、保护(3)OS实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资

8、源的抽象l裸机裸机完全无软件的计算机系统完全无软件的计算机系统l扩充机器扩充机器覆盖了软件的机器。也称虚覆盖了软件的机器。也称虚机器。机器。用户用户物理接口物理接口硬件硬件机器指令用户用户物理接口物理接口硬件硬件I/O软件软件I/O操作命令Read Write虚机器虚机器1.1.3、推动操作系统发展的主要动力、推动操作系统发展的主要动力（1）不断提高计算机资源利用率）不断提高计算机资源利用率（2）方便用户）方便用户（3）器件的不断更新换代）器件的不断更新换代（4）计算机体系结构的不断发展）计算机体系结构的不断发展（5）不断提出新的应用需求）不断提出新的应用需求第二节第二节 操作系统的发展过程操

9、作系统的发展过程1.2.1 未配置未配置操作系统的计算机系统操作系统的计算机系统1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统1.2.4 分时系统分时系统1.2.5 实时系统实时系统1.2.6微机操作系统的发展微机操作系统的发展1945-ENIAC 电子数字积分计算机电子数字积分计算机 （194550年代中期）年代中期）.1、为配置操作系统的计算机系统、为配置操作系统的计算机系统人工操作方式（人工操作方式（194519455050年代中期）年代中期）1 1、工作方式、工作方式纸带（卡片）纸带（卡片）输入机输入机计算机计算机打印结果打印结果取走纸

10、带取走纸带早期早期-纸带穿孔卡（机器语言）纸带穿孔卡（机器语言） 0000,0000,000000000001 代表代表 LOAD A, 1 0001,0001,000000001000 代表代表 STORE B, 16 2 2、特点：、特点：用户独占全机、用户独占全机、CPUCPU等待人工操作等待人工操作（串行性串行性），），联机输入输出方式联机输入输出方式（输入输出都由主机控制）。）。3 3、问题、问题: :人机矛盾，人机矛盾，CPU和和I/O设备间不匹配设备间不匹配 。脱机输入输出脱机输入输出（Off-Line I/OOff-Line I/O）方式方式 关键设备：外围机、磁带关键设备：外

11、围机、磁带 优点：减少优点：减少CPUCPU的空闲时间、提高的空闲时间、提高I/OI/O速度速度 输入设备输入设备外围机外围机磁盘磁盘磁盘磁盘磁盘磁盘磁盘磁盘外围机外围机主机主机输出设备输出设备脱机脱机I/O示意图示意图1.2.2、单道批处理系统单道批处理系统1、50年代中期年代中期出现第二代晶体管计算机出现第二代晶体管计算机2、过程：、过程：在在监督程序（监督程序（Monitor, OS的雏形）的雏形）的控制下，把一批作业脱机输入到磁带上，的控制下，把一批作业脱机输入到磁带上，使这批作业能一个接一个的连续得到处理。使这批作业能一个接一个的连续得到处理。磁带磁带内存内存MonitorJob1C

12、PU2 2、定义：定义：系统对作业的处理是成批进行的，系统对作业的处理是成批进行的，且在内存中始终只保持一道作业，故称为且在内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理系统单道批处理系统。3 3、特征：、特征：(1)(1)自动性自动性无人工干预无人工干预(2)(2)顺序性顺序性按进入内存的先后执行按进入内存的先后执行(3)(3)单道性单道性内存中只保持一道作业内存中只保持一道作业单道程序的工作情况单道程序的工作情况CPU程序程序A运行运行I/O操作操作程序程序A运行运行外设外设1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统1 1、多道：、多道：内存中同时存在多个相互独立程序。内存中同时存在多个相互独立

13、程序。多道技术是多道技术是共享的共享的基础。（基础。（6060年代中期）年代中期）磁带磁带内存内存OSJob1CPUJob2CPUI/O设备设备程序程序B程序程序A程序程序A程序程序B输入输入输入输入输出输出输出输出I/O设备设备等等CPUt1t2t3 t4 t5程序程序A：计算：计算输入输入计算计算输出输出程序程序B：计算：计算输入输入计算计算输出输出2 2、多道批处理系统的特征：、多道批处理系统的特征：(1)多道性：多道性：内存中有多道程序，可并发执行内存中有多道程序，可并发执行(2)无序性：无序性：完成时间与进入内存先后无关完成时间与进入内存先后无关(3)调度性：调度性：作业从提交到完成

14、经两次调度作业从提交到完成经两次调度作业调度：作业调度：外存外存内存（选多个）内存（选多个）进程调度：进程调度：分配处理机（选分配处理机（选1个）个）问：多道程序需要什么技术作为支持？问：多道程序需要什么技术作为支持？ 必须有必须有中断中断和和通道通道技术支持。技术支持。 通道通道是一种控制一台或多台外设的硬件是一种控制一台或多台外设的硬件机构，能做到输入输出操作与机构，能做到输入输出操作与CPU并行工作。并行工作。 中断中断是输入输出结束时，向是输入输出结束时，向CPU发出中发出中断信号，断信号，CPU响应中断请求，处理完后继续响应中断请求，处理完后继续原来工作。原来工作。3 3、优点：、优

15、点：(1)(1)资源利用率高资源利用率高(2)(2)系统吞吐量大系统吞吐量大原因原因(1)(1)资源忙资源忙 (2)(2)完成或运行不下去时才切换完成或运行不下去时才切换缺点：缺点： (1)(1)无交互能力无交互能力- -修改和调试极不方便修改和调试极不方便 (2)(2)作业平均周转时间较长作业平均周转时间较长操作系统的定义：操作系统的定义： 操作系统是一组控制和管理计算机硬件操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理的对各类作业进行调和软件资源，合理的对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序集合。度，以及方便用户使用的程序集合。多道批处理系统需要解决的问题：多道批处理系统需要解决的

16、问题：（1）处理机管理问题）处理机管理问题（2）内存管理问题）内存管理问题（3）I/O设备管理问题设备管理问题（4）文件管理问题）文件管理问题（5）作业管理问题）作业管理问题1.2.4 分时系统分时系统1 1、分时系统的引入、分时系统的引入(1)(1)人机交互能力的需求（边运行边调试）人机交互能力的需求（边运行边调试）(2)(2)共享主机（设备昂贵）共享主机（设备昂贵）(3)(3)方便用户上机（在终端上输入、控制）方便用户上机（在终端上输入、控制）2 2、定义：、定义：一台主机上连接了多个终端（显示器和一台主机上连接了多个终端（显示器和键盘）组成的系统，同时允许多个用户通过自键盘）组成的系统，

17、同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。中的资源。主机主机终端终端 1终端终端 2终端终端 n3 3、分时系统实现中的关键问题、分时系统实现中的关键问题及时接收及时接收多路卡（多个多路卡（多个I/O端口）端口）及时处理及时处理作业直接进内存作业直接进内存 时间片轮转（分时技术）时间片轮转（分时技术）5 5、分时系统的特征、分时系统的特征(1)(1)多路性多路性 即同时性，宏观上同时，微观上轮流即同时性，宏观上同时，微观上轮流(2)(2)独占性独占性 每个用户感觉独占主机每个用户感觉独占主机(3)(3)及时性及时性 较短时间

18、响应较短时间响应(1-3(1-3秒秒) )(4)(4)交互性交互性4 4、分时技术：、分时技术：把处理机时间划分成很短的把处理机时间划分成很短的时间片时间片(如如30毫秒毫秒)轮流地分配给各个联机作业使用，如果未轮流地分配给各个联机作业使用，如果未完成，则中断，等待下一轮继续计算。完成，则中断，等待下一轮继续计算。Fernando J. Corbato（费尔南多费尔南多考巴脱考巴脱）分时操作系统分时操作系统CTSS和和Multics系统的领导者系统的领导者 Corbato是第一个分时操作系统是第一个分时操作系统CTSS和和Multics系统的领导者。系统的领导者。其贡献直接导致和影响了后来的其

19、贡献直接导致和影响了后来的UNIX操作系统的诞生。操作系统的诞生。1990年年被授予图灵奖。被授予图灵奖。 MIT CTSS(Compatible Time-Sharing System)是第一个分时系是第一个分时系统。统。CTSS是在是在1961年完成开发的。年完成开发的。CTSS的后续项目就是著名的后续项目就是著名的的Multics项目。项目。 Multics项目直接导致和影响了项目直接导致和影响了Ken Thompson和和Dennis Ritchie(他俩是他俩是1983年图灵奖得主年图灵奖得主)，开发了，开发了UNIX操作系统。操作系统。1.2.5 实时系统实时系统1 1、实时：、实

20、时：及时响应外部事件请求，在规定的时间完及时响应外部事件请求，在规定的时间完成对该事件的处理，控制所有实时任务协调一致成对该事件的处理，控制所有实时任务协调一致运行。运行。2 2、最主要的特征：、最主要的特征：将时间作为关键参数将时间作为关键参数3 3、应用需求：、应用需求：（1）工业武器控制系统：生产过程控制、作战指挥）工业武器控制系统：生产过程控制、作战指挥（2）信息查询系统：订购机票、情报检索）信息查询系统：订购机票、情报检索（3）多媒体系统：数字电影播放（音频视频文字）多媒体系统：数字电影播放（音频视频文字）（4）嵌入式系统：）嵌入式系统：1.2.5 实时系统实时系统4、实时系统的特点

21、：、实时系统的特点：l多路性、独占性、及时性、交互性、可靠性多路性、独占性、及时性、交互性、可靠性5、实时任务的类型：、实时任务的类型：l周期性实时任务、非周期性实时任务周期性实时任务、非周期性实时任务 开始截至时间、完成截至时间开始截至时间、完成截至时间l硬实时任务、软实时任务硬实时任务、软实时任务硬实时任务：系统必须满足任务对截至时间的要求硬实时任务：系统必须满足任务对截至时间的要求软实时任务：软实时任务：对截至时间的要求不太严格对截至时间的要求不太严格4 4、几种操作系统的比较、几种操作系统的比较批处理、分时系统、实时系统是三种批处理、分时系统、实时系统是三种基本基本的的操作系统。操作系

22、统。OS的进一步发展：的进一步发展：微机微机OS、嵌入式、嵌入式OS、网、网络络OS、分布式、分布式OS、移动、移动OS、智能化、智能化OS1.2.6、微机操作系统的发展、微机操作系统的发展单用户单任务单用户单任务OSl1) CP/Ml2) MS-DOS单用户多任务单用户多任务OSlWindows多用户多任务多用户多任务OSlSolaris 、 Linux 、 UNIXCP/M操作系统界面操作系统界面CP/M系统由系统由Digital Research公司（公司（1991年被年被Novell兼并）在兼并）在1974年开发。在年开发。在70年代，它成为被年代，它成为被广泛应用的操作系统。通过它的

23、命令行选项，人广泛应用的操作系统。通过它的命令行选项，人们开始了解操作系统。微软们开始了解操作系统。微软20年后推出的年后推出的DOS系系统便是在它的基础上开发的。统便是在它的基础上开发的。MS-DOS界面界面DOS又称磁盘操作系统。又称磁盘操作系统。DOS命令行模式足足统治命令行模式足足统治了系统市场了系统市场15年（年（1981 到到 1995 ）。若是把部分以）。若是把部分以 DOS 为基础的为基础的 微软微软Windows 版本，如版本，如 Windows 95、98 和和 Me 等都算进去的话，那么其商业寿命可以算等都算进去的话，那么其商业寿命可以算到到 2000 年。年。Windo

24、ws 95操作系统界面操作系统界面 Windows 95是微软是微软1995年推出的操作系统，它第一次抛弃了对年推出的操作系统，它第一次抛弃了对16位位x86的支持。同时，的支持。同时，Windows 95首次加入了开始菜单和任务栏首次加入了开始菜单和任务栏两项功能两项功能对于微软而言，对于微软而言，Windows 95具有划时代的意义。具有划时代的意义。Windows 95以强以强大的攻势进行发布，包括了商业性质的滚石乐队的歌曲大的攻势进行发布，包括了商业性质的滚石乐队的歌曲“Start Me Up”。很多没有电脑的顾客受到宣传的影响而排队购买软件，。很多没有电脑的顾客受到宣传的影响而排队购

25、买软件，但他们甚至根本不知道但他们甚至根本不知道Windows 95是什么。是什么。LinuxLinux操作系统的构成操作系统的构成内核（内核（kernel）外壳（外壳（Shell）X-Window应用程序应用程序文件系统文件系统Linux操作系统的发展操作系统的发展 Linux的原型的原型MinixMinix的名称取自英语的名称取自英语Mini UNIX, (约约300MB) Andrew S. Tanenbaum 全部的程序码共约全部的程序码共约12,000行行全套全套Minix除了启动的部分以汇编语言编写以外，其他大部除了启动的部分以汇编语言编写以外，其他大部份都是纯粹用份都是纯粹用C语

26、言编写。分为：内核、内存管理及档案管语言编写。分为：内核、内存管理及档案管理三部分理三部分 Andrew S. TanenbaumLinux的诞生：的诞生：Minix最有名的学生用户是最有名的学生用户是Linus Torvalds，他在芬兰的赫，他在芬兰的赫尔辛基大学用尔辛基大学用Minix操作平台建立了一个新的操作系统的内操作平台建立了一个新的操作系统的内核，他把它叫做核，他把它叫做Linux 1990年秋天， Linus开发了第一个程序，包括两个进程，开发了第一个程序，包括两个进程，向屏幕上写字母向屏幕上写字母A和和B，定时器切换。此外，从，定时器切换。此外，从modem上上接发信息的程序

27、以及显示器、键盘、接发信息的程序以及显示器、键盘、modem的驱动程序，的驱动程序，文件系统文件系统有了进程切换、文件系统、驱动程序，有了进程切换、文件系统、驱动程序，OS原型出现了。原型出现了。Linux内核的发展内核的发展l19911991年年1010月月, ,芬兰赫尔辛基大学的学生芬兰赫尔辛基大学的学生Linus TorvaldsLinus Torvalds为改进为改进MINIXMINIX操作系统开发了一种类似操作系统开发了一种类似UnixUnix的操作系统，的操作系统，叫叫linux,linux,最初发布的版本是最初发布的版本是0.020.02版版l19941994年，发布正式的年，发

28、布正式的1.01.0版本，版本，linuxlinux开始成为一个比开始成为一个比较完善的操作系统，并逐渐为世人所知较完善的操作系统，并逐渐为世人所知l一些软件公司相继开发出自己的一些软件公司相继开发出自己的linuxlinux系统系统, ,如如RedHat RedHat linuxlinux、RedFlag linuxRedFlag linux等等l大量的软件专家和大量的软件专家和linuxlinux爱好者不断地提高和改进爱好者不断地提高和改进linuxlinux内核功能内核功能l应用软件厂商开发出大量基于应用软件厂商开发出大量基于LinuxLinux的应用软件的应用软件l目前最新内核稳定版本

29、是目前最新内核稳定版本是2.6.x(2.6.x(如如2.6.29)2.6.29)Linus Torvalds - Linux创始人创始人今天，许多基于今天，许多基于Linus Torvalds(李纳斯李纳斯托沃兹托沃兹)开发的开发的Linux内核的内核的GNU系统的变种被广泛使用。据估计现今由一千万的用户在使用系统的变种被广泛使用。据估计现今由一千万的用户在使用GNU/Linux系系统。统。Linux已经得到了已经得到了IBM、HP、Compaq、Sun、SGI、Dell、Oracle、Informix、SAP、Sybase、CA、Intel、SCO等除微软之外的几乎所有计等除微软之外的几乎所

30、有计算机大公司的支持。算机大公司的支持。一台邮件服务器成年累月运行，却从不需要重新启动；一台网络服务器面一台邮件服务器成年累月运行，却从不需要重新启动；一台网络服务器面对海量访问，却从不崩溃；一个操作系统还带源代码，可以自由地无限制对海量访问，却从不崩溃；一个操作系统还带源代码，可以自由地无限制地修改。这一切，听起来可望不可及。但实际上，数以千百计的公司真的地修改。这一切，听起来可望不可及。但实际上，数以千百计的公司真的找到了实现了网络零故障的秘诀。而且它不是找到了实现了网络零故障的秘诀。而且它不是Windows，而是，而是Linux。UNIX的诞生的诞生 1965年年Multics项目启动。

31、项目启动。MIT、贝尔实验室、贝尔实验室、通用电气公司参与。通用电气公司参与。1969年贝尔实验室退出。年贝尔实验室退出。 Dennis与与Ken Thompson在在PDP-7机上运行为机上运行为Multics设计的设计的“空间旅行空间旅行”游戏。开发了浮点运算软件包、显游戏。开发了浮点运算软件包、显示驱动、文件系统、实用程序、示驱动、文件系统、实用程序、shell、汇编程、汇编程序序1970年年Unix诞生。诞生。Dennis用用C重写。重写。 DennisKen ThompsonDennis于1967年加入贝尔实验室。加入贝尔实验室不久，Dennis参与了Multics项目。Multic

32、s项目为后来UNIX的产生打下了许多技术基础。 Dennis除了与Ken Thompson发明与实现了UNIX操作系统之外，还是著名C语言的发明人。 C语言来源于Thompson实现的B语言。 C语言发明后，UNIX被用C来重写，从而使得UNIX的可移植性极大的提高。1983年Dennis Ritchie和Ken Thompson一同被授予图灵奖Dennis M. Ritchie-UnixDennis M. Ritchie-Unix之父之父第三节 操作系统的特征并发并发（Concurrence）共享共享（Sharing）虚拟虚拟（Virtual）异步性异步性（Asynchronism）1、并发

33、（并发（ConcurrenceConcurrence）并行与并发：并行与并发：l并行性：多个事件在同一时刻同时发生并行性：多个事件在同一时刻同时发生l并发性：宏观上在同一时间段内同时运行并发性：宏观上在同一时间段内同时运行 微观上交替执行微观上交替执行单处理机系统：宏观上并发，微观上交替执行。单处理机系统：宏观上并发，微观上交替执行。多处理机系统：可能有并行。多处理机系统：可能有并行。2、共享（共享（SharingSharing）共享：共享：是指系统中的资源可供内存中多个并发执是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。行的进程共同使用。互斥共享方式互斥共享方式l互斥就是排他性互斥就

34、是排他性l临界资源（独占资源）：在一段时间内只允许一个进程临界资源（独占资源）：在一段时间内只允许一个进程访问的资源（如打印机等硬件；栈、变量、表格等）访问的资源（如打印机等硬件；栈、变量、表格等）同时访问方式同时访问方式l宏观上在一段时间内允许多个进程宏观上在一段时间内允许多个进程“同时同时”访问某些资访问某些资源源l微观上微观上“轮流轮流”（交替访问）（交替访问）l处理机、内存、磁盘、可重入代码处理机、内存、磁盘、可重入代码3、虚拟（虚拟（VirtualVirtual）虚拟：虚拟：是指通过某种技术把一个物理设备实体是指通过某种技术把一个物理设备实体变为若干个逻辑上的对应物。变为若干个逻辑上

35、的对应物。虚拟对象类型：虚拟对象类型：l虚拟处理机技术虚拟处理机技术l虚拟设备技术虚拟设备技术l虚拟存储器技术虚拟存储器技术l虚拟磁盘技术虚拟磁盘技术时分复用技术时分复用技术空分复用技术空分复用技术4、异步性（异步性（AsynchronismAsynchronism）异步性：进程是以人们不可预知的速度向前推异步性：进程是以人们不可预知的速度向前推进的。进的。导致的原因：导致的原因：l多道环境的复杂性多道环境的复杂性l进程的动态性进程的动态性l每个进程的运行过程是不可预测的每个进程的运行过程是不可预测的第四节第四节 操作系统的主要功能操作系统的主要功能从资源管理和用户接口两方面说明从资源管理和用

36、户接口两方面说明OS的功的功能：能： 资源管理资源管理 硬件资源硬件资源(处理机、内存、外设处理机、内存、外设) 软件资源软件资源(信息、数据信息、数据) 用户接口用户接口处理机管理处理机管理l对处理机进行分配对处理机进行分配进程管理和调度进程管理和调度存储器管理存储器管理l对内存进行分配、保护和扩充对内存进行分配、保护和扩充设备管理设备管理l缓冲管理、设备分配、设备处理缓冲管理、设备分配、设备处理文件管理文件管理l文件存储空间的管理、目录管理、文件的文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理和保护读写管理和保护OS与用户之间的接口与用户之间的接口 1、用户接口、用户接口l联机用户接口联机用

37、户接口l脱机用户接口脱机用户接口l图形用户接口图形用户接口 2、程序接口、程序接口 应用程序与应用程序与OS的接口，在应用程序的接口，在应用程序中使用系统调用。中使用系统调用。命令接口命令接口联机用户接口联机用户接口1、适用：、适用：几乎所有计算机的操作系统中。几乎所有计算机的操作系统中。2、组成：、组成：命令命令+终端处理程序终端处理程序+命令解释程序命令解释程序3、过程：、过程：用户在键盘上输入命令；用户在键盘上输入命令； 终端处理程序接收命令并显示在屏幕上；终端处理程序接收命令并显示在屏幕上； 命令解释程序解释并执行该命令。命令解释程序解释并执行该命令。4、联机命令举例：、联机命令举例：

38、 UNIX：login；logout； DOS：copy；format；5、命令解释程序：、命令解释程序：操作系统的最高层操作系统的最高层 MS-DOS：COMMAND.COM UNIX：Shell脱机用户接口脱机用户接口1、适用：、适用：批处理系统。批处理系统。2、组成：、组成：JCL+作业说明书作业说明书+命令解释程序命令解释程序3、过程：、过程：用户把对作业的控制用用户把对作业的控制用JCL写在写在作业说明书上，命令解释程序按照作业说作业说明书上，命令解释程序按照作业说明书解释并执行。明书解释并执行。作业控制语言作业控制语言程序接口程序接口1、目的：、目的：为用户程序访问系统资源而设置。

39、为用户程序访问系统资源而设置。2、组成：、组成：一组系统调用一组系统调用3、系统调用：、系统调用：一个系统调用是一个能完成特定功一个系统调用是一个能完成特定功能的子程序。能的子程序。用户程序用户程序系统调用系统调用命令命令系统功能系统功能调用调用返回返回对截至时间的要求对截至时间的要求1.4.6现代操作系统的心功能现代操作系统的心功能1、系统安全、系统安全 认证技术、密码技术、访问控制技术、反认证技术、密码技术、访问控制技术、反病毒技术病毒技术2、网络的功能和服务、网络的功能和服务 3、支持多媒体、支持多媒体 接纳控制功能、实时调度、多媒体文件的接纳控制功能、实时调度、多媒体文件的存储存储第五

40、节 操作系统的结构设计无结构无结构OS模块化模块化OS结构结构分层式分层式OS结构结构C/S模式及微内核模式及微内核OS结构结构v1、无结构无结构OSOS无结构无结构OS设计重点：功能的实现和高效率设计重点：功能的实现和高效率缺点：缺乏清晰的程序结构缺点：缺乏清晰的程序结构 错误多、难以维护错误多、难以维护OS进程管理进程管理存储器管理存储器管理文件管理文件管理进程控制进程控制进程调度进程调度内存分配内存分配内存保护内存保护磁盘管理磁盘管理目录管理目录管理2、模块化、模块化OS结构结构原理：功能分解、模块划分原理：功能分解、模块划分优点：优点： 提高了设计的正确性、可维护性；提高了设计的正确性

41、、可维护性； 增强了增强了OS的可适应性；的可适应性； 加速了加速了OS的开发过程；的开发过程；缺点：缺点： 对模块的划分不精确，易存在错误；对模块的划分不精确，易存在错误； 未将资源加以区别；未将资源加以区别； 模块间存在着复杂的依赖关系，使模块间存在着复杂的依赖关系，使OS结结构不清。构不清。v3、分层式、分层式OS结构结构原理原理从从资源管理观点资源管理观点出发，出发，划分层次划分层次。各。各层模块间只能是单向调用关系，使模块间的调层模块间只能是单向调用关系，使模块间的调用变为用变为有序性有序性。用户态核心态操作命令解释操作命令解释虚空间分配虚空间分配作业调度作业调度存储管理存储管理文件

42、管理文件管理I/O控制控制进程通信进程通信进程控制进程控制低级调度低级调度输入输入/输出启动输出启动中断管理中断管理硬件硬件外层外层中层中层内层内层左图是荷兰科学家左图是荷兰科学家Dijkstra于于1968年建年建造的第一个层次结构：造的第一个层次结构：SUE OS层次的设置大致原则层次的设置大致原则分层结构的特点分层结构的特点优点：优点：l功能明确，功能明确，调用关系清晰调用关系清晰（高层对低层单向（高层对低层单向依赖），有利于保证设计和实现的正确性依赖），有利于保证设计和实现的正确性l低层和高层可分别实现（低层和高层可分别实现（便于扩充便于扩充）；高层）；高层错误不会影响到低层；避免递归

43、调用错误不会影响到低层；避免递归调用缺点：各系统对具体划分缺点：各系统对具体划分多少层次多少层次有有不同的看不同的看法法。4 4、C/SC/S模式及微内核模式及微内核OSOS结构结构2、客户、客户/服务器模式的组成服务器模式的组成（1 1）客户机（）客户机（2 2）服务器（）服务器（3 3）网络系统）网络系统3 3、客户、客户/ /服务器之间的交互服务器之间的交互（1 1）客户发送请求消息（）客户发送请求消息（2 2）服务器接收消息）服务器接收消息（3 3）服务器回送消息（）服务器回送消息（4 4）客户机接收消息）客户机接收消息1、设计基础：、设计基础： 把操作系统分成若干分别完成一组特定功能

44、的把操作系统分成若干分别完成一组特定功能的服服务进程务进程，等待客户提出请求；而，等待客户提出请求；而系统内核只实现操作系统内核只实现操作系统的基本功能系统的基本功能(如：虚拟存储、消息传递如：虚拟存储、消息传递)。微内核微内核(micro-kernel) ： 解释一：把操作系统结构中的内存管理、设备管理、文解释一：把操作系统结构中的内存管理、设备管理、文件系统等高级服务功能尽可能的从内核中分离出来，变件系统等高级服务功能尽可能的从内核中分离出来，变成几个独立的非内核模块，内核中只保留少量最基本的成几个独立的非内核模块，内核中只保留少量最基本的功能，使内核简洁可靠。功能，使内核简洁可靠。 解释

45、二：将更多操作系统功能放在核心之外，作为独立解释二：将更多操作系统功能放在核心之外，作为独立的服务进程运行。的服务进程运行。l服务进程服务进程（或称作（或称作“保护子系统保护子系统”）l客户进程客户进程（系统客户和应用客户）需支持多进程（系统客户和应用客户）需支持多进程微内核 + C/S模式发起调用，发起调用，送出请求消息送出请求消息请求消息到达请求消息到达并进行处理并进行处理送出回答消息送出回答消息整理回答消整理回答消息，返回结果息，返回结果本地过程调用本地过程调用 (LPC, Local Procedure Call)：一种一种进程之间请求进程之间请求-应答式的应答式的消息消息（Messa

46、ge）传递机）传递机制。制。消息：消息：是一定格式的数据结构。是一定格式的数据结构。优点：优点：充分模块化、减少系统的内存需求、高充分模块化、减少系统的内存需求、高可移植性可移植性 缺点：缺点：各模块与微内核间通过通信机制交互，各模块与微内核间通过通信机制交互，系统运行效率较低。系统运行效率较低。Windows采用改进的微内核机制。采用改进的微内核机制。Windows Server 2003体系结构图体系结构图系统支持系统支持进程进程服务进程服务进程用户用户应用程序应用程序环境环境子系统子系统子系统动态链接库子系统动态链接库图形引擎图形引擎用户态用户态核心态核心态执行体执行体核心核心设备驱动程

47、序设备驱动程序硬件抽象层硬件抽象层HAL处理机也具有两种状态：处理机也具有两种状态：核心态核心态(系统态、管态系统态、管态)：OS的管理程序执行时处理机的管理程序执行时处理机所处状态。所处状态。用户态：用户程序执行时处理机所处状态。用户态：用户程序执行时处理机所处状态。(1)运行在核心态的内核运行在核心态的内核 它提供所有它提供所有OS基本都具有的那些操作，如线程调度、基本都具有的那些操作，如线程调度、虚拟存储、设备驱动、中断处理等。这部分通常采用层虚拟存储、设备驱动、中断处理等。这部分通常采用层次结构并构成基本次结构并构成基本OS。(2)运行在用户态的并以客户运行在用户态的并以客户/服务器方

48、式活动的进程层服务器方式活动的进程层 除内核外，除内核外，OS所有其它部分被分成若干个相对独立的所有其它部分被分成若干个相对独立的进程，每个进程实现一组服务，成为服务进程（服务器）。进程，每个进程实现一组服务，成为服务进程（服务器）。补充、补充、LinuxLinux内核结构内核结构Linux采用单内核机制。采用单内核机制。单内核：单内核：也叫集中式操作系统。整个系统是一个大模也叫集中式操作系统。整个系统是一个大模块，可被分为几个逻辑模块：处理器管理、存储器管块，可被分为几个逻辑模块：处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理等。模块间的交互式通过直理、设备管理、文件管理等。模块间的交互式通过直

49、接调用其他模块中的函数实现的。接调用其他模块中的函数实现的。优点：优点：内部调用效率很高内部调用效率很高缺点：缺点：“牵一发而动全身牵一发而动全身”，难于维护。，难于维护。系统调用接口系统调用接口内核子系统内核子系统硬件硬件进程进程1进程进程2进程进程3Linux内核内核Linux内核在整个系统中的位置内核在整个系统中的位置用户进程用户进程第一章第一章 总结总结操作系统定义，设计目标，3个作用，3种基本类型，操作系统的4个特征本章作业1、操作系统的作用是什么？、操作系统的作用是什么？2、早期监督程序（、早期监督程序（Monitor）的功能是什么？）的功能是什么？3、什么是作业控制语言？什么是系

50、统调用？、什么是作业控制语言？什么是系统调用？4、试述多道程序设计技术的基本思想。为什么、试述多道程序设计技术的基本思想。为什么采用多道程序设计技术可以提高资源利用率？采用多道程序设计技术可以提高资源利用率？5、什么是分时系统？其主要特征是什么？适用、什么是分时系统？其主要特征是什么？适用于哪些应用？于哪些应用？ 补充 常用的操作系统MS DOSMS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000UNIXMS DOS1981年：年：PC-DOS 1.1：IBM PC，只支持软盘只支持软盘的个人操作系的个人操作系统；统；1983年：年：DOS2

51、.0：PC XT，支持，支持硬盘硬盘和和目录的层次结构目录的层次结构，并提供并提供丰富的系统命令丰富的系统命令；1984年：年：DOS3.0：PC AT (Intel 80286 CPU)，它把它把286作作为一个快速的为一个快速的8086使用；使用；1987年：年：DOS3.3：提供：提供对对IBM PS/2的支持的支持（如（如3.5软驱），软驱），提供了提供了更多的应用更多的应用；1988年：年：DOS4.0：支持：支持大于大于32M的硬盘的硬盘；1991年：年：DOS5.0：改进对扩展内存的支持改进对扩展内存的支持；IBM PC, CPU 8088/8086, BIOS单用户单任务单用户

52、单任务，简单分层简单分层结构，结构，16位位MS DOS的历史的历史MS DOS的结构DOS BIOS(Basic Input/Output System)：由一组与由一组与硬件相关的设备硬件相关的设备驱动程序驱动程序组成，实现基本的输入组成，实现基本的输入/输出输出功能；功能；DOS核心：核心：提供一套独立于硬件的提供一套独立于硬件的系统功能系统功能：内存管：内存管理、文件管理、字符设备和输入理、文件管理、字符设备和输入/输出、实时时钟等；输出、实时时钟等；命令处理程序：命令处理程序：对用户对用户命令进行分析和执行命令进行分析和执行；BIOS(基本输入/输出系统)DOS核心命令处理程序BIO

53、S(基本输入/输出系统)DOS核心命令处理程序MS DOS的特点字符用户界面字符用户界面。作业管理：命令行，批处理程序（。作业管理：命令行，批处理程序（BAT文件），菜单式。文件），菜单式。编程时通过编程时通过软中断调用软中断调用(int 21h)来使用系统功能。来使用系统功能。不区分用户不区分用户。准多任务准多任务：通过内存驻留程序通过内存驻留程序TSR(Terminated and Stay Resident)来实现，通过时钟中断或键盘中断来实现，通过时钟中断或键盘中断热键热键hotkey来激活其他任务。来激活其他任务。不支持虚拟存储，没有存储保护不支持虚拟存储，没有存储保护。采用段式分配

54、。采用段式分配(内存块内存块)，可直接访问的，可直接访问的最大地址空间为最大地址空间为1MB。其余的内存只能通过作为扩展内存。其余的内存只能通过作为扩展内存(XMS)或扩充或扩充内存内存(EMS)来使用。来使用。lXMS是是段式段式分配，通过内存数据分配，通过内存数据搬移搬移来使用来使用XMS区域区域lEMS是是页式页式分配，通过分配，通过页面的映射页面的映射来使用来使用EMS区域区域l或者用支持或者用支持保护方式保护方式的编程工具的编程工具文件系统文件系统为为FAT(File Allocation Table)格式（磁盘卷，多级目录，文件格式（磁盘卷，多级目录，文件名名 8+3 个字符；分区

55、容量最大为个字符；分区容量最大为2GB）；有文件属性，没有区分用户的）；有文件属性，没有区分用户的访问权限保护。访问权限保护。设备驱动程序在系统起动时加载。设备驱动程序在系统起动时加载。分为分为字符设备字符设备和和块设备块设备。MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 20001990年：年：Windows 3.0（成功版本），（成功版本），16位位OS，借见借见Apple Macintosh给出友好的用户界面；给出友好的用户界面；1993年：年：Windows NT 3.1, 32位位OS，支持支持DOS和和Windows应用程序应用程序；1999年年12月：月：Windows 2000(Professional, Server, Advanced Server)，32位位OS；CPU 80386单用户多任务单用户多任务（分时系统），（分时系统），1