OS_lecture-1

1、操操 作作 系系 统统白恩健白恩健 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院引子引子一个程序若要在计算机中运行，必须要放到一个程序若要在计算机中运行，必须要放到内存中，因为内存中，因为CPU只从内存中取得指令执行。只从内存中取得指令执行。所以在外存上存放的可执行文件对于处理机所以在外存上存放的可执行文件对于处理机来说是执行不了的，只有把它加载到内存之来说是执行不了的，只有把它加载到内存之后，后，CPU才能执行这个程序。当使用计算机才能执行这个程序。当使用计算机时，可能会单击鼠标激活屏幕上显示的某个时，可能会单击鼠标激活屏幕上显示的某个应用程序的图符，然后

2、这个应用程序便执行应用程序的图符，然后这个应用程序便执行起来。起来。过程就如此简单吗？过程就如此简单吗？ 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院 当单击某个图符时，首先是鼠标按钮产生当单击某个图符时，首先是鼠标按钮产生中断中断，然后转入，然后转入操作系统的操作系统的中断处理中断处理，之后又通过相应的分析程序去获取，之后又通过相应的分析程序去获取屏幕上这个图符所在位置的坐标，从而获知是哪个程序，屏幕上这个图符所在位置的坐标，从而获知是哪个程序，在调入该程序到内存之前，首先由进程管理为此程序在调入该程序到内存之前，首先由进程管理为此程序建立建立进程进程，再

3、由进程管理调用存储管理为此程序，再由进程管理调用存储管理为此程序分配内存分配内存，然，然后由后由文件管理系统文件管理系统提供该程序在外存上的位置等属性信息。提供该程序在外存上的位置等属性信息。之后文件管理系统调用之后文件管理系统调用设备管理设备管理启动磁盘驱动器，并将这启动磁盘驱动器，并将这个程序读入到内存中。一旦操作系统个程序读入到内存中。一旦操作系统调度调度到这个进程，到这个进程，CPU便可执行由该进程定位的这个程序了。便可执行由该进程定位的这个程序了。引子引子 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院操作系统的功能操作系统的功能 管理系统软硬件资源

4、管理系统软硬件资源 扩展计算机的功能扩展计算机的功能 向用户提供服务向用户提供服务 进程管理进程管理 处理机管理处理机管理 存储管理存储管理 外部设备管理外部设备管理 文件系统文件系统主要内容主要内容 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院 汤小丹，计算机操作系统，西安电子科技大学出版汤小丹，计算机操作系统，西安电子科技大学出版社社 尤晋元，史美林，尤晋元，史美林，Windows操作系统原理，机械操作系统原理，机械工业出版社工业出版社教材与参考资料教材与参考资料 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院 课堂作业

5、：课堂作业：20% 课堂考试：课堂考试：10% 期末考试：期末考试：70%课程要求课程要求 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院本章主要讨论操作系统本章主要讨论操作系统(OS)的基本概念，包括的基本概念，包括OS的的目标和作用、目标和作用、 OS的发展过程、的发展过程、 OS的特征和功能以的特征和功能以及结构设计等。及结构设计等。学习要点学习要点: : (1) (1) 掌握操作系统的定义及功能掌握操作系统的定义及功能(2) (2) 掌握操作系统的三种基本类型及特点掌握操作系统的三种基本类型及特点(3) (3) 深入领会多道程序设计技术深入领会多道程序

6、设计技术第第1章章 操作系统引论操作系统引论 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院v 什么是什么是OSv OS发展简史发展简史v 计算机硬件简介计算机硬件简介v OS的基本类型的基本类型v OS的特征和功能的特征和功能第第1章章 操作系统引论操作系统引论 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院v OS的定义的定义 OS是一组控制和管理计算机硬件和软件资是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理的组织计算机工作流程以及方便源，合理的组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序集合。它是最重要的用户使用的程序集合。它

7、是最重要的系统系统软件软件。(如何理解？如何理解？) 什么是什么是OS 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院(1) 从计算机系统组成的观点从计算机系统组成的观点OS是系统软件是系统软件硬硬 件件 系系 统统系系 统统 软软 件件操操 作作 系系 统统 、 编编 译译 程程 序序 等等支支 撑撑 软软 件件接接 口口 软软 件件 、 工工 具具 软软 件件 、 数数 据据 库库 等等应应 用用 软软 件件用用 户户 ( ( 人人 ) )计计 算算 机机 系系 统统 组组 成成什么是什么是OS 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息

8、科学与技术与技术学院什么是什么是OSn操作系统（操作系统（OS）用来控制和管理计算机系统资源（包括硬件和软件），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。 n语言处理程序语言处理程序把用指令或某种语言编写而成的源程序翻译成机器语言程序。计算机语言的发展经历了机器语言、汇编语言和高级语言三个发展阶段。n数据库管理系统（数据库管理系统（DBMS）在操作系统的支持下，用户利用它所提供的一系列命令可以建立、管理、使用和维护数据库的系统软件。n应用软件应用软件为解决实际应用问题而编制的软件的总称，它涉及到计算机应用的所有领域，各种科学和工程计算软件和软件包、管理软件、辅助设计软件、过程控制软

9、件等都属于应用软件范畴。 n把高级语言源程序翻译成机器语言通常有两种方式：解释方式和编译方式。n把汇编语言源程序翻译成机器语言程序的过程称为汇编，而实现汇编功能的程序称为汇编程序。 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院硬硬 件件软软 件件 - -硬硬 件件 接接 口口操操 作作 系系 统统操操 作作 系系 统统 接接 口口其其 它它 系系 统统 软软 件件应应 用用 软软 件件应应 用用 程程 序序 接接 口口资资源源共共享享资资源源抽抽象象层层什么是什么是OS 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院v操作系

10、统的地位操作系统的地位 操作系统是紧挨着硬件的第一层软件，是对硬件操作系统是紧挨着硬件的第一层软件，是对硬件功能的首次扩充，其他软件则是建立在操作系统功能的首次扩充，其他软件则是建立在操作系统之上的。操作系统对硬件功能进行扩充，并统一之上的。操作系统对硬件功能进行扩充，并统一管理和支持各种软件的运行。没有操作系统，任管理和支持各种软件的运行。没有操作系统，任何应用软件都无法运行。何应用软件都无法运行。什么是什么是OS 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院v操作系统的作用操作系统的作用 硬件抽象，屏蔽底层硬件差异硬件抽象，屏蔽底层硬件差异 应用集成，提

11、供通用方法工具应用集成，提供通用方法工具 高级管理，维护环境稳定安全高级管理，维护环境稳定安全什么是什么是OS 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院(2) 从资源管理观点从资源管理观点OS是系统资源管理者是系统资源管理者从操作系统提供给的程序接口上看，任何操作系统从操作系统提供给的程序接口上看，任何操作系统的核心内容都体现在一组的核心内容都体现在一组系统调用系统调用上，系统调用表上，系统调用表达了操作系统真正执行的内容。程序员通过系统调达了操作系统真正执行的内容。程序员通过系统调用使用操作系统程序，系统调用一般划分为用使用操作系统程序，系统调用一般划

12、分为进程管进程管理理（如建立进程与终止进程）、（如建立进程与终止进程）、存储管理存储管理（如申请（如申请内存）、内存）、文件管理文件管理（如文件的建立、读、写、删除（如文件的建立、读、写、删除等）和等）和设备管理设备管理（如安装驱动程序等）几个部分。（如安装驱动程序等）几个部分。什么是什么是OS 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院计算机硬件提供了操作的物理基础，程序员通过硬件编计算机硬件提供了操作的物理基础，程序员通过硬件编程接口来控制硬件，这些硬件编程接口是指：机器指令程接口来控制硬件，这些硬件编程接口是指：机器指令集合、各种寄存器、内存地址以及

13、设备地址等，这些地集合、各种寄存器、内存地址以及设备地址等，这些地址接口分别与存储器和设备控制器相连，而设备控制器址接口分别与存储器和设备控制器相连，而设备控制器通过硬件接口与设备相连。操作系统在硬件之上扩充了通过硬件接口与设备相连。操作系统在硬件之上扩充了硬件编程接口能够为用户提供的功能，操作系统对计算硬件编程接口能够为用户提供的功能，操作系统对计算机硬件资源进行了抽象，所以用户可以通过操作系统接机硬件资源进行了抽象，所以用户可以通过操作系统接口，即系统调用和交互式命令方便的使用计算机硬件，口，即系统调用和交互式命令方便的使用计算机硬件，而无需了解对硬件控制的具体细节。而无需了解对硬件控制的

14、具体细节。什么是什么是OS 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院系统软件如编译程序、汇编程序、调试程序、编辑系统软件如编译程序、汇编程序、调试程序、编辑程序等在操作系统基础上又增加了新的功能，通过程序等在操作系统基础上又增加了新的功能，通过应用程序接口提交给用户使用，不同的系统软件在应用程序接口提交给用户使用，不同的系统软件在操作系统基础上进一步抽象操作系统软件资源，为操作系统基础上进一步抽象操作系统软件资源，为用户提供更加集成的功能和更加方便的使用计算机用户提供更加集成的功能和更加方便的使用计算机的手段。的手段。什么是什么是OS 操作系统操作系统

15、白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院从计算机资源管理角度，计算机系统分为硬件从计算机资源管理角度，计算机系统分为硬件和软件。硬件是软件建立与活动的基础，软件和软件。硬件是软件建立与活动的基础，软件是对硬件功能的扩充。而操作系统则是管理和是对硬件功能的扩充。而操作系统则是管理和协调软、硬件有机结合的核心系统软件。协调软、硬件有机结合的核心系统软件。什么是什么是OS 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院(3) 从软件分层、扩充机器的观点从软件分层、扩充机器的观点OS是扩是扩充裸机的第一层系统软件充裸机的第一层系统软件(虚拟机虚拟

16、机)裸机：不包括软件的计算机硬件系统。裸机：不包括软件的计算机硬件系统。虚拟机：经虚拟机：经OS提供的资源管理功能和各种功能把提供的资源管理功能和各种功能把裸机改造成为功能更强、使用更方便的机器。裸机改造成为功能更强、使用更方便的机器。(4) 从服务用户的观点从服务用户的观点OS是用户与裸机之是用户与裸机之间的接口间的接口接口：用户通过接口：用户通过OS使用计算机。三种方式：使用计算机。三种方式：命令方式、系统调用方式和图形窗口方式命令方式、系统调用方式和图形窗口方式什么是什么是OS 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院v存储程序式计算机存储程序式计

17、算机(Von Neumann计算机计算机)1. 基本部件基本部件 CPU、主存储器、主存储器、I/O设备设备2. 特点特点 集中顺序过程控制集中顺序过程控制 集中控制：由集中控制：由CPU集中管理集中管理 顺序性：程序计数器控制顺序性：程序计数器控制 过程性：模拟人们手工操作过程过程性：模拟人们手工操作过程OS与计算机结构之间的关系与计算机结构之间的关系 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院 顺序计算模型顺序计算模型 并行计算模型并行计算模型 如何解决矛盾如何解决矛盾 ? OS采用了一系列软件技术采用了一系列软件技术- 多道程序设计技术、分时技术、多

18、道程序设计技术、分时技术、 资源分配与调度等资源分配与调度等 硬件体系结构的改变硬件体系结构的改变一对矛盾一对矛盾OS与计算机结构之间的关系与计算机结构之间的关系 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院推动推动OS发展的主要动力发展的主要动力(“需求推动发展需求推动发展”) 提高计算机资源利用率提高计算机资源利用率 方便用户方便用户 器件的不断更新换代器件的不断更新换代 计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展OS发展简史发展简史 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院 批处理批处理 手工操 作阶段 联

19、机批处理 脱机批处理 执行 系统 操作系统形成操作系统形成实时系统个人计算机操作系统网络操作系统分布式操作系统多道程序系统多道程序系统 多道批 分时 处理系统 系统OS发展简史发展简史 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院OS发展简史发展简史（1 1）手工操作阶段（）手工操作阶段（19461946年年-50-50年代中期）年代中期） 运算器主机 控制器 存储器控制台输入设备输出设备 运算器主机 控制器 存储器控制台输入设备输出设备外围机外围机磁盘磁盘计算机的手计算机的手工操作方式工操作方式脱机输入脱机输入/ /输出方式输出方式n减少了CPU的空闲时间

20、，缓和了人机矛盾 n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 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院OS发展简史发展简史（2 2）单道批处理系统的形成）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

21、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n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。n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：注意： 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院网络网络OS：将分散的多个系统互联进行信息交将分散的多个系统互联进行信息交 换、换、资源共享和互操作，目标是相互通信及资源共享。资源共享和互操作，目标是相互通信及资源共享。分布式分布式OS：将分散的多个系统互联成一个具有整体将分散的多个系统互联成一个具有

22、整体功能的系统，可将一个任务分布到各个系统上运行，功能的系统，可将一个任务分布到各个系统上运行，实现分布式处理。可以获得极高的运算能力及广泛实现分布式处理。可以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。的数据共享。嵌入式嵌入式OS：运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统以及它所操作、控制的各种部件装置等资源式系统以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。OS发展简史发展简史 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院多处理器多处理器OS：针对处理器

23、的多核体系结构，提高系针对处理器的多核体系结构，提高系统并行处理能力。分为主从式结构统并行处理能力。分为主从式结构(主处理器运行主处理器运行OS，从处理器运行其他操作，从处理器运行其他操作)和对称式结构和对称式结构(OS交替交替运行在不同的处理器上运行在不同的处理器上)。OS发展简史发展简史 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院OS发展简史发展简史微机操作系统微机操作系统1单用户单任务操作系统单用户单任务操作系统 最简单的微机操作系统，只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。主要配置在8位和16位微机上，最具代表性的是CP/M和MS-D

24、OS操作系统。2单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统 只允许一个用户上机，但允许将一个用户程序分成若干个任务并发执行。随着32位微机的出现，多任务处理能力和图形用户界面成为微机操作系统的趋势，最具代表性的是OS/2和Windows操作系统。3多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统 允许多个用户共享主机中的各类资源，而每个用户程序又可进一步分为多个任务并发执行。大、中、小型机中配置的都是多用户多任务操作系统，32位微机也有不少，最具代表性的是UNIX和Linux。 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院计算机硬件简介计算机硬件简介计算机的诞生：计算

25、机的诞生：1946年，由美国宾夕法尼亚大学电工系工程师埃克特(J.P.Eckert)和物理学家莫奇利(J.W.Mauchly)研制成功了世界上第一台通用电子数值积分计算机ENIAC，其运算速度为每秒5000次加法运算。 中小规模中小规模集成电路集成电路晶体管晶体管电子管电子管超大规模超大规模集成电路集成电路n第一代（1946-1954）采用电子管元件，体积大、耗电多、使用维护较困难，运算速度每秒几千次至几万次；编程使用机器语言或汇编语言；主要应用于科学和工程计算。n第二代（1955-1964）采用晶体管元件，主存用磁芯，外存采用磁盘和磁带，运算速度每秒可达几十万次，编程使用高级语言，除科学计算

26、外，还应用于数据处理、工业控制等领域。计算机的发展趋势：计算机的发展趋势：从结构和功能等方面看，计算机正朝着微型化、智能化、网络化、和多媒体方向发展 。 计算机的发展历程计算机的发展历程n第三代（1965-1970）采用中小规模集成电路，主存用半导体存储器，运算速度每秒几百万次；操作系统的出现使大量管理工作自动完成；应用领域不断扩大。n第四代（1971至今）采用超大规模集成电路，运算速度每秒几百万次至几亿次；日趋完善的软件系统实现了运行自动化；微机和网络技术更为普及应用。 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院4位机位机1971-1973 8位机位机1

27、973-197716位机位机1978-1984 32位机位机1985-今今 代表芯片：代表芯片：nIntel 4004、4040nIntel 8008(低档8位)代表机型：代表机型：nMCS-4、MCS-8 微型计算机微型计算机(MC)是以微处理器(CPU)为核心，配置半导体存储器、少量外部设备以及电源而组成的计算机。它以CPU的发展而升级换代，而CPU的发展通常按字长和功能为主要指标。代表芯片：代表芯片：nIntel 8080、8085nMotorola MC6800nZilog Z80代表机型：代表机型：nAltair 8800 nApple-II 代表芯片：代表芯片：nIntel 808

28、6/8088/80286 nMotorola MC68000 nZilog Z8000代表机型：代表机型：nIBM PC/XT、PC/ATnAST286nCOMPAQ286代表芯片：代表芯片：nIntel 80386/80486 nMotorola MC68020代表机型：代表机型：nIBM-PS /80nAST386nCOMPAQ386微处理器和微微处理器和微机的发展历程机的发展历程 微处理器和微型计算机的发展微处理器和微型计算机的发展 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院1992年后出现了外部数据总线达64位的CPU，进一步提高了微机性能。Int

29、el于1993年推出了Pentium（P5，俗称586），其性能上已达到中高档RISC处理器水平；其他典型产品还有MC68060、AMD的K5、Cyrix的M5和IBM的power PC等。1995年以来，Intel相继推出高能奔腾Pentium Pro、多能奔腾Pentium MMX（多媒体扩展指令集）以及第二代奔腾Pentium 、第三代奔腾Pentium 、第四代奔腾Pentium 等一系列CPU，在微处理器发展史上构筑了一个又一个丰碑。nRISC精简指令集计算机（精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer）nCISC复杂指令集计算机（复杂指令集计

30、算机（Complex Instructions Set Computer）事实上，微型计算机分为三大类：u个人计算机个人计算机即即PC（Personal Computer），供单个用户操作使用的个人计），供单个用户操作使用的个人计算机。算机。u单片机单片机把微处理器、存储器、把微处理器、存储器、I/O接口都集成在一块集成电路芯片上，由于接口都集成在一块集成电路芯片上，由于其体积小、存储容量小、接口简单、功能较低，常置于电气设备内部用作自动控其体积小、存储容量小、接口简单、功能较低，常置于电气设备内部用作自动控制。制。u单板机单板机将组成微型计算机的各个部件（微处理器、存储器、将组成微型计算机的

31、各个部件（微处理器、存储器、I/O接口以及简接口以及简单的七段数码管显示器、小键盘、插座等）都组装在一块印制电路板上，其功能单的七段数码管显示器、小键盘、插座等）都组装在一块印制电路板上，其功能比单片机强，常用于工业生产过程的控制以及教学中。比单片机强，常用于工业生产过程的控制以及教学中。 微处理器和微型计算机的发展微处理器和微型计算机的发展 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院微型计算机的主要技术指标微型计算机的主要技术指标字长是指微机在信息处理中，一次存取、传送或加工的数据长度。字长不仅标志着计算机精度，也反映了信息处理的能力。一般情况下，字长越

32、长，计算精度就越高、运算速度就越快，信息处理能力也就越强。 主存容量是主存能存储二进制信息的总量，它反映了微机处理时容纳数据量的能力。主存容量越大，微机工作时主、外存储器之间的数据交换次数就越少，处理速度也就越快。主存容量以字节（Byte）为基本单位，并定义KB、MB、GB、TB等派生单位，他们之间都是1024（即210）的倍数关系。 微机的运算速度取决于CPU的指令执行时间和时钟频率。指令执行时间是指CPU执行 1 条指令所需的平均时间，常用每秒执行多少百万条加法指令（MIPS）的指令执行速度来计量。指令执行时间与CPU时钟频率（即主频）有关。一般来说，主频越高，指令执行时间就越短，机器的运

33、算速度也就越快。 n大多数大多数CPU内部数内部数据总线与外部数据引据总线与外部数据引脚宽度是相同的，但脚宽度是相同的，但带带“准准”字的微处理字的微处理器例外，如器例外，如Intel 8088是准是准16位微处位微处理器，内部数据总线理器，内部数据总线16位，而芯片外部数位，而芯片外部数据引脚宽度为据引脚宽度为8位。位。n系统总线的宽度和系统总线的宽度和时钟频率、外部设备时钟频率、外部设备配置的数量和性能，配置的数量和性能，以及软件配置是否丰以及软件配置是否丰富、功能是否强大等，富、功能是否强大等，都是影响整个计算机都是影响整个计算机系统性能的重要因素。系统性能的重要因素。 注意注意 操作系

34、统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院微机硬件系统的组成微机硬件系统的组成运算器运算器控制器控制器内存储器内存储器输出设备输出设备输入设备输入设备主机主机外设外设微处理器（微处理器（CPU）控制器负责从内存储器中逐条地取出指令，经译码分析后向其他各部件发出控制命令，以确保正确地完成程序所要求的功能。 运算器是完成算术和逻辑运算的部件 内存用来存储计算机当前运行所需要的程序和数据。输出设备用于输出计算机的处理结果，它把内部的信息转换成人们所需要或其它设备能接受的信息形式，并传送到计算机外部，如显示器和打印机。 输入设备的功能是将程序和数据从人们熟悉的形式转换成

35、计算机能接受的信息形式，输入到计算机内部，如键盘和鼠标等。 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院以以总线总线为纽带，为纽带，CPU与与I/O设备之间通过总线交换设备之间通过总线交换信息，存储器与信息，存储器与I/O设备之间信息交换经设备之间信息交换经DMAC (直接存储器访问控制器直接存储器访问控制器)到总线进行。到总线进行。CPU存储器磁盘控制打印机控制终端控制DMAC打印机终端磁盘驱动器微机硬件系统的组成微机硬件系统的组成 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院微机硬件系统结构微机硬件系统结构属于典型的单

36、总线结构，即包括CPU、内存、外设等所有部件都连接在一条公共的总线上。n内存按其性能和特点不同，分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两种。在微机中，ROM只占内存的很少一部分，我们通常所说的内存容量指的是RAM的容量。用户输入的内容都是以编码形式存放在RAM中，因此在关机前，我们必须把内存中的重要信息保存到外存储器中去。n外存（辅存）是一类输入和输出兼容的特殊外部设备，用于存放需要长期保存或相对来说暂时不用的程序和数据，它只能与内存进行数据交换，不能被CPU直接访问。因此，外存中的程序或数据总是要先通过接口被调入到内存后才能被CPU处理。常用的外存有硬盘、软盘、光盘、U盘等。注注

37、 意意微机硬件系统的组成微机硬件系统的组成 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程 计算机的任务就是执行指令，其工作过程是由它所存储并执行的程序控制的。这就是由美藉匈牙利科学家冯诺依曼于1945年提出的“存储程序和程序控制”原理，计算机的体系结构就是遵循这一原理而设计的。 在计算机工作前，先将待执行的程序装入内存储器。启动计算机工作后，将该程序在内存中的起始地址送入程序计数器PC，控制器根据PC中的地址，从存储器中取出指令送入指令寄存器IR，IR中的操作码部分经指令译码器ID译码，将识别出的操作性质送入操作命令产

38、生部件，再由操作命令产生部件按一定的顺序发出一系列控制命令信号，送到各有关部件，使各部件完成指令所规定的操作。 一条指令执行的全过程可分为三个阶段：取出指令、分析指令、执行指令。在完成上述操作过程中，当PC送出指令地址到内存取出指令后，PC内容会自动加1（指一条指令所占的字节数），随即准备好下一条指令在内存的单元地址。这样，待前一条指令执行完后，就可以根据PC中所指定的地址值取出下一条指令，开始了下一条指令的执行过程。 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院60年代初，发展了年代初，发展了通道和中断通道和中断技术来支持并行操作。技术来支持并行操作。 通

39、道：用于控制通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传输的处理设备与内存间的数据传输的处理机。启动后可独立于机。启动后可独立于CPU运行，实现运行，实现CPU与与I/O的并的并行。行。通道有专用的通道有专用的I/O处理器，可与处理器，可与CPU并行工作并行工作可实现可实现 I/O联机处理联机处理 中断：中断：CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。现代现代OS的硬件基础的硬件基础 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院三种

40、基本类型：三种基本类型：v 批处理系统批处理系统v 分时系统分时系统v 实时系统实时系统OS的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院批处理系统批处理系统用户将作业交给系统操作员，系统操作员将许多用用户将作业交给系统操作员，系统操作员将许多用户提交的作业组成一批作业，之后输入到计算机中，户提交的作业组成一批作业，之后输入到计算机中，在系统中形成一个自动转接的连续作业流。然后启在系统中形成一个自动转接的连续作业流。然后启动操作系统，由监督程序自动、依次执行每个作业。动操作系统，由监督程序自动、依次执行每个作业。最后由操作员将作业结果交给

41、用户。最后由操作员将作业结果交给用户。 单道批处理系统单道批处理系统 多道批处理系统多道批处理系统OS的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院 单道批处理系统单道批处理系统目的：解决目的：解决CPU等待人工操作和高速等待人工操作和高速CPU与低速与低速I/O设备间的矛盾。设备间的矛盾。特征：内存仅有一道作业，顺序完成。特征：内存仅有一道作业，顺序完成。工作流程：工作流程：纸带机外围机磁带机磁带磁带机主机卡片机打印机OS的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院v单道批处理系

42、统的特点单道批处理系统的特点(1)(1)自动性。在顺利情况下，在磁带上的一批作业能自动性。在顺利情况下，在磁带上的一批作业能自动地逐个地依次运行，无需人工干预。自动地逐个地依次运行，无需人工干预。(2)(2)顺序性。磁带上各道作业顺序地进入内存，各道顺序性。磁带上各道作业顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序相同。作业的完成顺序与它们进入内存的顺序相同。(3)(3)单道性。内存中仅有一道程序运行，即监督程序单道性。内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，当每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程该程序

43、完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。序进入内存运行。OS的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院典型的作业卡片序列典型的作业卡片序列OS的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院 多道批处理系统多道批处理系统条件：硬件采用了通道和中断技术。条件：硬件采用了通道和中断技术。目的：解决目的：解决CPU(比较昂贵比较昂贵)等待时间长的缺陷。等待时间长的缺陷。特征：内存中有多道作业，非顺序完成。特征：内存中有多道作业，非顺序完成。多道程序设计技术多道程序设计技术：在

44、计算机内存中同时存放几道：在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，这几道程序都处于运行过程中，相互独立的程序，这几道程序都处于运行过程中，先后开始各自的运行，但都未运行完毕。宏观上并先后开始各自的运行，但都未运行完毕。宏观上并行执行，微观上在某个部件上是串行。即多道程序行执行，微观上在某个部件上是串行。即多道程序轮流使用部件，交替执行。轮流使用部件，交替执行。OS的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院支持多道程序设计所需要的软、硬件物质基础支持多道程序设计所需要的软、硬件物质基础v存储管理的功能：主存要支持多道程序设计，首先要存

45、储管理的功能：主存要支持多道程序设计，首先要求系统具有主存分配功能，为了保证正确而有效的运求系统具有主存分配功能，为了保证正确而有效的运行，应具有主存保护、主存扩充和共享的功能；行，应具有主存保护、主存扩充和共享的功能；v处理机管理的功能：使系统能按照某种策略把处理机管理的功能：使系统能按照某种策略把CPU分分配给各个处理单元；配给各个处理单元；v设备管理功能：系统能根据运行程序的要求为其分配设备管理功能：系统能根据运行程序的要求为其分配所需设备，并控制设备完成数据传输；所需设备，并控制设备完成数据传输；v文件管理：为运行程序提供所需的联机信息等。文件管理：为运行程序提供所需的联机信息等。OS

46、的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院工作流程：程序在工作流程：程序在CPU与与I/O设备间切换。由监督设备间切换。由监督程序根据一定的算法调度某个程序在程序根据一定的算法调度某个程序在CPU上运行。上运行。对对I/O设备采用非抢占式调度，设备采用非抢占式调度，CPU可以采用非抢可以采用非抢占式和抢占式。占式和抢占式。AB监 督 程 序I/OAI/OB磁 盘 操 作磁 带 操 作请 求 盘 输 入启 动 盘调 度 B请 求 带 输 入启 动 带I/O完 成中 断 请 求中 断 处 理调 度 AI/O完 成中 断 请 求中 断 处

47、理调 度 B中 断 返 回 CPU，空 间 调 度 ACPU运 行设 备运 行tOS的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院v 优点优点 -资源利用率高：资源利用率高：CPU和内存利用率高和内存利用率高 -系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大v 缺点缺点 -平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长 -用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时， 才与用户交互，不利于调试和修改。才与用户交互，不利于调试和修改。O

48、S的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院v典型的操作系统：典型的操作系统：FORTRAN监控系统监控系统(FMS)IBMSYS(IBM为为7094机配备的操作系统机配备的操作系统)OS的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院分时系统分时系统目的：用户需要目的：用户需要 -人机交互人机交互 -多用户共享一台计算机多用户共享一台计算机(比较昂贵比较昂贵)分时分时：将：将CPU进行时间上分割成一个个时间片，进行时间上分割成一个个时间片，每个时间片分给一个用户使用，每个用户依次

49、轮流每个时间片分给一个用户使用，每个用户依次轮流使用一个时间片。使用一个时间片。OS的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院v 分时系统：在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的分时系统：在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，允许多个用户同时通过终端以交互方式使用计算机终端，允许多个用户同时通过终端以交互方式使用计算机资源。资源。主机主机终终端端OS的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院特征：特征： 多路性：多路连接；宏观上用户共享，微观上分时；多路性：多路连接

50、；宏观上用户共享，微观上分时； 独立性：用户相互不干扰；独立性：用户相互不干扰； 及时性：响应时间；及时性：响应时间； 交互性：人机对话。交互性：人机对话。重要指标重要指标响应时间响应时间：用户发出终端命令到系统开始作：用户发出终端命令到系统开始作出响应之间的时间间隔出响应之间的时间间隔T=N*Q。如何合理选择时间片长度如何合理选择时间片长度Q？OS的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院实时系统实时系统目的：缩短响应时间。对随机发生的外部事件做出及时响应并目的：缩短响应时间。对随机发生的外部事件做出及时响应并在规定时间在规定时间内

51、内对其进行处理。对其进行处理。分类：分类： -实时控制系统：工业过程控制、军事实时控制实时控制系统：工业过程控制、军事实时控制 -实时信息处理系统：飞机订票、情报检索实时信息处理系统：飞机订票、情报检索特征：特征： 快速的响应时间快速的响应时间(及时性及时性) 有限的交互能力有限的交互能力 高可靠性高可靠性OS的基本类型的基本类型 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院四大特征：四大特征： 并发性并发性 共享性共享性 虚拟性虚拟性 异步性和不确定性异步性和不确定性OS的特征与功能的特征与功能 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息

52、科学与技术与技术学院 并发性：宏观上一段时间内有多道程序在同时执行并发性：宏观上一段时间内有多道程序在同时执行 -并行：两个或多个事件在并行：两个或多个事件在同一时刻同一时刻发生发生 -并发：两个或多个事件在并发：两个或多个事件在同一时间间隔内同一时间间隔内发生发生 共享性：系统中的所有资源不再为一个程序独占，共享性：系统中的所有资源不再为一个程序独占，而是同时供多个程序使用而是同时供多个程序使用(操作系统程序与多个用户程操作系统程序与多个用户程序共用系统资源序共用系统资源) -互斥共享互斥共享(打印机、变量打印机、变量) -同时访问同时访问(宏观宏观)OS的特征与功能的特征与功能 操作系统操

53、作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院 并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。一方面，资源共享是以们又是互为存在的条件。一方面，资源共享是以程序程序( (进程进程) )的并发执行为条件的，若系统不允许的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；另一程序并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，协方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度

54、，甚至根本无法并发执行。序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。OS的特征与功能的特征与功能 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院 虚拟性：通过某种技术把一个物理实体，变为虚拟性：通过某种技术把一个物理实体，变为若干个逻辑上的对应物若干个逻辑上的对应物 -多道程序中的多道程序中的CPU -SPOOLING技术技术(外围设备同时联机操作外围设备同时联机操作) -虚拟存储虚拟存储 异步性和不确定性：异步性和不确定性：如何理解？如何理解？ -程序执行结果不确定程序执行结果不确定 -多道程序中执行顺序不确定多道程序中执行顺序不确定OS的特征与功能的特征与功能

55、 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院如：现有两个运行程序共享相同变量如：现有两个运行程序共享相同变量 a：a=0;Process PAbeginloop:a:=a+1；a:=a+1；goto loop;end:Process PBbeginloop:print a;a:=0；goto loop;end:PA、PB并发执行，因此并发执行，因此PA与与PB之间能以任意速之间能以任意速度向前推进。度向前推进。？OS的特征与功能的特征与功能 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院功能：功能： 处理机管理处理机管理进

56、程管理进程管理 存储器管理存储器管理内存资源内存资源 设备管理设备管理I/O设备设备 文件管理文件管理硬盘管理和数据管理硬盘管理和数据管理OS的特征与功能的特征与功能 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院 处理器管理的主要任务是对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在单道环境下，处理器为一个作业所独占，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器，因而对处理器的管理可归结为对进程的管理 。 n为用户作业分配必要的资源，并创建进程。n合理分配处理器时间，控制进程状态的转换。n撤消

57、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。多个进程竞争处理器资源，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。处理器管理处理器管理 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院 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。为每道程序分

58、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。存储器管理存储器管理 操作系统操作系统 白恩健白恩健 信息科学与技术与技术学院信息科学与技术与技术学院设备管理设备管理 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。 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