操作系统讲义-第一章

1、2021年10月27日操作系统讲义1第一章第一章 操作系统引论操作系统引论2021年10月27日第一章 操作系统引论2主要内容主要内容 1.1 操作系统的概述操作系统的概述 1.2 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用 1.3 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 1.4 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 1.5 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 1.6 操作系统的结构设计操作系统的结构设计2021年10月27日第一章 操作系统引论31.1 操作系统概述操作系统概述 计算机系统计算机系统= 硬件硬件+软件软件1. 什么是操作系统？什么是操作系统？硬件：计算机的物理装置本身，如CPU

2、、内存、硬盘、终端设备等软件：计算机执行的程序，如UNIX、Windows XP、Office、Oracle等 计算机软件的分类计算机软件的分类应用软件支撑软件系统软件 操作系统的概念操作系统的概念 操作系统（操作系统（OS，Operating System）是一组控制）是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。行调度，以及方便用户使用的程序的集合。2021年10月27日第一章 操作系统引论41.1 操作系统概述操作系统概述 下面哪些是操作系统？下面哪些是操作系统？2. 理解操作系统理解操作系统

3、UNIX，SQL Server，Word，DOS， Windows XP，PowerPoint，Linux 操作系统的定位操作系统的定位它是裸机之上的第一层软件，是与硬件最为紧密的程序 裸机：没有配置任何软件的物理计算机裸机：没有配置任何软件的物理计算机它管理用户程序的执行以防止计算机资源的错误使用或使用不当操作系统的定义通常不唯一，但又非常重要它对下：控制和管理系统内的各种资源（软件和硬件），有效地组织多道程序运行它对上：扩充硬件功能，提供众多服务，方便用户使用2021年10月27日第一章 操作系统引论51.1 操作系统概述操作系统概述3. 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构信息管理系

4、统，飞机订票系统，银行系统，地理信息系统，CAD软件测试工具，编辑工具，项目管理工具，DFD编辑器，语言转换工具语言编译程序，连接装配程序，数据库管理软件，网络软件操作系统裸机用户用户用户用户应用软件应用软件支撑软件支撑软件系统软件系统软件2021年10月27日第一章 操作系统引论61.2 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用有效性有效性 提高系统资源的利用率，提高系统的吞吐量。 1. 操作系统的目标操作系统的目标方便性方便性 方便使用计算机系统，避免用户使用机器语言编写程序的繁琐工作。可扩充性可扩充性 超大规模集成电路（ VLSI ）技术、计算机技术以及计算机网络发展的需求，以便于增加新

5、的功能和模块，并能修改老的功能和模块 。开放性开放性 遵循世界标准规范，如开放系统互联（ OSI ）国际标准。2021年10月27日第一章 操作系统引论71.2 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用它作为用户和计算机硬件之间的接口它作为用户和计算机硬件之间的接口 2. 操作系统的作用操作系统的作用它作为计算机系统资源的管理者它作为计算机系统资源的管理者 a. 处理器管理（分配和控制处理机）b. 存储器管理（负责内存的分配与回收）c. I/O设备管理（I/O设备的分配与操纵）d. 信息管理（信息的存取、共享和保护）它实现了对计算机资源的抽象它实现了对计算机资源的抽象 铺设在硬件上的多层软件系

6、统，增强了系统的功能，隐藏了硬件操作的具体细节，从而方便用户使用。用户用户计算机硬件计算机硬件操作系统操作系统接口接口2021年10月27日第一章 操作系统引论81.2 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用不断提高计算机资源的利用率不断提高计算机资源的利用率 最初的动力计算机系统的昂贵。 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方便用户使用方便用户使用 改善用户上机、调试的条件，如图形用户界面的出现。器件的不断更新换代器件的不断更新换代 微电子技术的发展，推动了OS的功能和性能迅速增强和提高。计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展 计算机：单处理机系统多处理机系

7、统计算机网络。 操作系统：单处理机OS 多处理机OS 网络OS2021年10月27日第一章 操作系统引论91.3 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 1） 人工操作方式人工操作方式用户独占全机资源；CPU等待人工操作；CPU和I/O串行操作 。 1. 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统 上机特点上机特点 ： 人工安装人工安装 I/O输入输入 人工启动人工启动 CPU计算计算 I/O输出输出 人工人工取结果取结果效率极低，人机矛盾！效率极低，人机矛盾！ 2） 脱机输入脱机输入/输出方式输出方式 外围机控制外围机控制I/O输入到磁盘输入到磁盘 CPU自动自动I/O输入输入 CPU计算计

8、算 CPU自动自动I/O输出输出 外围机控制从磁盘输出到外围机控制从磁盘输出到I/O减少了CPU的空闲时间；提高了I/O速度 。 主要优点主要优点 ：2021年10月27日第一章 操作系统引论101.3 操作系统的发展过程操作系统的发展过程2. 单道批处理系统单道批处理系统 (a) 自动性自动性 作业自动逐个依次运行，无需人工干预作业自动逐个依次运行，无需人工干预(b) 顺序性顺序性 先调入内存的作业先完成先调入内存的作业先完成(c) 单道性单道性 内存始终仅有一道程序运行内存始终仅有一道程序运行主要特征主要特征 ： 批处理系统：将作业按一定的原则组成作业流，由系统监督程序自动控制完成。批处理

9、系统：将作业按一定的原则组成作业流，由系统监督程序自动控制完成。 目的：使整个作业流能自动地、顺序地运行，提高系统资源的利用率和系统吞吐目的：使整个作业流能自动地、顺序地运行，提高系统资源的利用率和系统吞吐量。量。单道批处理系统：系统对作业的处理成批进行，并且在内存中始终只保持一单道批处理系统：系统对作业的处理成批进行，并且在内存中始终只保持一道作业。道作业。2021年10月27日第一章 操作系统引论111.3 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 将作业在外存上排成一个队列，称为后备队列，由作业调将作业在外存上排成一个队列，称为后备队列，由作业调度程序按照一定的算法从后备队列中选择若干个（并

10、不是同时）度程序按照一定的算法从后备队列中选择若干个（并不是同时）作业进入内存，形成多道批处理。即指多个作业同时进入内存，作业进入内存，形成多道批处理。即指多个作业同时进入内存，处于运行状态，可并行运行，但在某一时刻，真正在处于运行状态，可并行运行，但在某一时刻，真正在CPU上运上运行的只有一个作业，为此引入多道程序设计技术。行的只有一个作业，为此引入多道程序设计技术。多道无序调度性宏观上并行微观上串行 3. 多道批处理系统多道批处理系统 多道批处理系统的特征多道批处理系统的特征 ：提高CPU的利用率 ；提高内存和I/O设备利用率；增加系统吞吐量。 多道批处理系统的好处多道批处理系统的好处 ：

11、2021年10月27日第一章 操作系统引论121.3 操作系统的发展过程操作系统的发展过程3. 多道批处理系统多道批处理系统 优点优点 ：资源利用率高，系统吞吐量大：资源利用率高，系统吞吐量大 缺点：平均周转时间长（排队、调度），无交互能力缺点：平均周转时间长（排队、调度），无交互能力处理机的分配和回收；内存的分配和保护；I/O设备的共享；程序和数据的组织；作业的组织和管理。 多道批处理系统应解决的问题多道批处理系统应解决的问题 ：程序A程序B程序C程序D调度程序程序A程序B程序C程序D程序D I/O请求程序C I/O请求程序B I/O请求程序A I/O请求程序A I/O完成程序A 再被调度

12、程序A 完成程序B I/O完成程序C I/O完成 程序C 再被调度2021年10月27日第一章 操作系统引论131.3 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 计算机系统由若干个用户共享，每个用户通过终端或控制台计算机系统由若干个用户共享，每个用户通过终端或控制台采用问答方式（交互式）控制程序的运行，系统将采用问答方式（交互式）控制程序的运行，系统将CPU时间轮流时间轮流地分配给每个用户，每个用户每次只运行很短的时间片，对用户地分配给每个用户，每个用户每次只运行很短的时间片，对用户而言好像独占整个机器。而言好像独占整个机器。(a) 多路性 宏观上多个用户同时工作，微观上每个用户轮流运行一个时间片

13、 (b) 独立性 每个用户各占一个终端，彼此独立操作 (c) 及时性 用户请求能在很短时间内获得响应 (d) 交互性 用户可通过终端与系统进行人机对话4. 分时系统分时系统 系统特征：系统特征：关键问题关键问题：(a) 及时接收 (b) 及时处理2021年10月27日第一章 操作系统引论141.3 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 计算机能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对原事计算机能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对原事件的处理，并且控制所有实时设备和实时任务协调一致的工作。件的处理，并且控制所有实时设备和实时任务协调一致的工作。（1）响应时间要快（2）系统可靠性要高

14、（3）具有连续的人-机对话能力（4）具有保护过载能力（5）系统整体性要强5. 实时系统实时系统 系统特征系统特征 ：周期性实时任务非周期性实时任务 实时任务按执行周期性可分为实时任务按执行周期性可分为硬实时任务软实时任务 按截止时间要求可分为按截止时间要求可分为实时任务：实时任务：通常与外部设备相关，能反应或控制相应的外部设备，带有某 种程度的紧迫性。2021年10月27日第一章 操作系统引论151.3 操作系统的发展过程操作系统的发展过程实时系统和分时系统的比较实时系统和分时系统的比较特征特征实时系统分时系统多路性多路性采集多路信息，控制多个对象和多个执行机构与用户情况有关，时多时少独立性独

15、立性独立信息采集和对象控制独立操作，互不干扰独立的服务请求独立操作，互不干扰及时性及时性控制对象的要求人能接受的等待时间交互性交互性限于特定专用服务程序向终端用户提供大量服务可靠性可靠性要求系统高度可靠要求系统可靠2021年10月27日第一章 操作系统引论161.4 操作系统的基本特征操作系统的基本特征1. 并发性（并发性（Concurrence）2. 共享性（共享性（Sharing）3. 虚拟性（虚拟性（Virtual）4. 异步性（异步性（Asynchronism）指进程以不可预知的速度向前推进，先进入内存的作业不一定先完成。 虚拟是指将一个物理实体变换（映射）为若干个逻辑上的对应物，可以

16、通过时分复用和空分复用两种技术实现。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，并发和共享是OS的两个最基本的特征。并发：并发：是一种逻辑的或者宏观的同时性概念，指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。并行：并行：是一种物理的或者微观的同时性概念，指两个或多个事件在同一时刻发生。并发是宏观上的并行并发是宏观上的并行。时分复用：时分复用：利用处理机的空闲时间来运行其它程序空分复用：空分复用：利用存储器的空闲空间来存放其它程序2021年10月27日第一章 操作系统引论171.5 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 主要任务：对CPU进行分配，并对其运行控制和管理 进程控制：进程控制：为作业

17、创建进程，撤销已结束的进程，控制进程在运行过程中的状态转换；进程同步：进程同步：为多个进程的运行进行协调，包括进程互斥和进程同步两种协调方式；进程通信：进程通信：实现相互合作的进程之间的信息交换；调度：调度：包括作业调度和进程调度。1. 处理机管理处理机管理 主要任务：为多道程序分配内存，方便用户使用存储器，提高存储器利用率以及能从逻辑上扩充内存。 内存分配：内存分配：为每道程序静态或者动态地分配内存；内存保护：内存保护：确保每道用户程序都只在自己的内存空间运行，互不干扰；地址映射：地址映射：将应用程序地址空间中的逻辑地址映射为内存空间中的物理地址；内存扩充：内存扩充：借助虚拟存储技术，从逻辑

18、上扩充内存。2. 存储器管理存储器管理2021年10月27日第一章 操作系统引论181.5 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 主要任务：完成I/O请求，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。 缓冲管理：缓冲管理：管理好各类缓冲区，提高系统吞吐量；设备分配：设备分配：根据I/O请求，分配所需要的设备；设备处理：设备处理：实现CPU与设备控制器之间的通信；虚拟设备：虚拟设备：将一个物理设备变换（改造）为多个对应的逻辑设备，使每个用户感觉自己独占该设备。3. 设备管理功能设备管理功能设备管理具有下列功能：设备管理具有下列功能：2021年10月27

19、日第一章 操作系统引论191.5 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 主要任务：对用户文件和系统文件进行管理，方便用户使用，并保证文件的安全性 。文件存储空间的管理：文件存储空间的管理：为文件分配必要的外存空间，提高外存利用率，并提高文件系统的存取速度；目录管理目录管理：为每个文件建立目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，实现方便的按名存取；文件读文件读/写管理和保护：写管理和保护：进程之间的信息交换；文件读/写管理：从外存中读取数据，或将数据写入外存；文件保护：防止未经核准的用户存取文件，防止冒名顶替存取文件，防止以不正确的方式存取文件。4. 文件管理文件管理2021年10月27日第一章

20、 操作系统引论201.5 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 主要任务：方便用户使用操作系统，以命令、系统调用或者图形方式为用户提供接口 。命令接口：命令接口：包括联机用户接口和脱机用户接口（即批处理用户接口）；程序接口程序接口：由一组具有特定功能的系统调用组成；图形接口：图形接口：图形化的操作界面。5. 用户接口用户接口用户用户计算机硬件计算机硬件操作系统操作系统接口接口用户用户操作系统操作系统1.命令接口命令接口 2.程序接口程序接口 3.图形接口图形接口接接 口口 实际上，操作系统将计算机扩充为功能更强，服务质量更高，使用更加方便和灵活的计算机系统。此外，操作系统还要对系统的可靠性和资

21、源加以保护，并利用安全手段防止操作系统被破坏。2021年10月27日第一章 操作系统引论211.6 操作系统的结构设计操作系统的结构设计 无结构操作系统无结构操作系统 一组过程的集合，过程之间可以互相调用。模块化结构操作系统模块化结构操作系统 OS由许多标准的、可兼容的基本单位构成，称为模块。各模块功能上相互独立，模块间通过规定的接口相互调用，将各模块连接起来构成完整的系统。 1. 传统的操作系统结构传统的操作系统结构优点：提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性，增强了可适应性，加速了开发过程。缺点：调用关系复杂，相互依赖，模块设计的无序性。操作系统进程管理存储器管理文件管理进程控制进程调度

22、内存分配内存保护磁盘管理目录管理模块子模块2021年10月27日第一章 操作系统引论221.6 操作系统的结构设计操作系统的结构设计 分层式操作系统分层式操作系统 将模块按照某种逻辑关系排成若干层、层间只能单向依赖，不构成循环，系统的正确性由各层的正确性来保证。 基本原则：基本原则：每一层都仅使用其底层所提供的功能和服务，这样可使系统的调试和验证变得容易。 1. 传统的操作系统结构传统的操作系统结构优点：调用和依赖关系单向，易保证系统的正确性，同时容易扩充和维护。 分层设计时应考虑的因素：分层设计时应考虑的因素：程序嵌套运行频率公用模块用户接口 缺点：分层单向依赖，增加通信开销，系统效率降低。

23、2021年10月27日第一章 操作系统引论231.6 操作系统的结构设计操作系统的结构设计 客户客户/服务器模式（服务器模式（Client/Server Model） 主要由客户机、服务器和网络系统组成，客户进程发送消息给服务器，以请求某项服务，服务器操作后又把结果返回给客户进程。2. 微内核操作系统结构微内核操作系统结构 客户客户/服务器模式的优点：服务器模式的优点：数据的分布处理和存储；便于集中管理，较好保障系统的可靠和安全；灵活性和可扩充性；易于改编应用程序； 客户客户/服务器之间的交互：服务器之间的交互：客户发送请求消息(2) 服务器接收消息(3) 服务器回送消息(4) 客户机接收消息2021年10月27日第一章 操作系统引论241.6 操作系统的结构设计操作系统的结构设计 面向对象的设计技术（面向对象的设计技术（Object-Oriented Programming） 面向对象的操作系统，其中对象是OS管理的对象，由事先定义好的操作来改变，而操作由对象发消息才可启动。 2. 微内核操作系统结构微内核操作系统结构优点： a. 通过“重用”提高产品质量和生产率 b. 易修改性和易扩展性 c. 正确性和可靠性。微内核技术