计算机操作系统第三版一

1、第一章 操作系统引论主要内容目标和作用发展过程基本特征主要功能结构设计(自学）第一章 操作系统引论计算机系统组成： 软件：应用软件 系统软件（操作系统、语言处理系统和常用的例行服务程序） 硬件：输入输出（IO）设备存储器（MEMORY） 处理器（CPU）1.1 操作系统的目标和作用一、操作系统的目标二、操作系统的作用三、推动操作系统发展的主要动力1.1 操作系统的目标和作用一、操作系统的目标1.有效性：使计算机资源的使用更有效，使资源利用率更高，提高系统吞吐量。2.方便性：使计算机系统更易于使用。3.可扩充性：必须能方便地开发、测试和引进新的系统功能，以适应计算机硬件和体系结构的迅速发展以及应

2、用不断扩大的要求。4. 开放性：必须能提供统一开放的环境，以使其应用在不同的系统中具有可移植性，并使不同的系统能够通过网络进行集成，从而能正确、有效地协同工作。二、操作系统的作用三、推动操作系统发展的主要动力1.1 操作系统的目标和作用一、操作系统的目标二、操作系统的作用1、OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口2、OS作为计算机系统资源的管理者3、OS实现了对计算机资源的抽象（扩充机或虚拟机）三、推动操作系统发展的主要动力系统调用方式命令方式图形窗口方式1.1 操作系统的目标和作用一、操作系统的目标二、操作系统的作用1、OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口2、OS作为计算机系统资源的管理者

3、3、OS实现了对计算机资源的抽象（扩充机或虚拟机）三、推动操作系统发展的主要动力处理机管理， 用于分配和控制处理机；存储器管理，主要负责内存的分配与回收；I/O设备管理，负责I/O设备的分配与操纵；文件管理，负责文件的存取、共享和保护。1.1 操作系统的目标和作用一、操作系统的目标二、操作系统的作用1、OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口2、OS作为计算机系统资源的管理者3、OS实现了对计算机资源的抽象（扩充机或虚拟机）三、推动操作系统发展的主要动力通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器（Extended Machine）或虚机器（Virtual Machine）。1.1 操作系统的目标和作用一

4、、操作系统的目标二、操作系统的作用三、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2、方便用户3、器件的不断更新换代4、计算机体系结构的不断发展1.2 操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统单道批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统1.2 操作系统的发展过程年代年代名称名称元件元件语言语言应用应用第一代第一代1946年年1957电子管计算机电子管计算机电子管电子管 机器语言机器语言 汇编语言汇编语言 科学计算科学计算 第二代第二代19581964晶体管计算机晶体管计算机 晶体管晶体管 高级程序高级程序设计语言设计语言 数据处理数据处理 第三代第三代19651970集成电路计算机集

5、成电路计算机 中小规模中小规模集成电路集成电路 高级程序高级程序设计语言设计语言 广泛应用到广泛应用到各个领域各个领域 第四代第四代 1970年现年现在在 集成电路计算机集成电路计算机 集成电路集成电路 面向对象的面向对象的高级语言高级语言网络时代网络时代 补充：计算机的发展1.2 操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统1.2 操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统 人工操作方式缺点： (1) 用户独占全机 (2) CPU等待人工操作。 脱机输入/输出（Off-Line I/O）方式1.2 操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统人工操作方式脱机输入/输出（Off-Line I/O）方式

6、优点：减少了CPU的空闲时间。 (1)(2) 提高I/O速度。 1.2 操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统(1946-50年代末) 没有系统软件，用户直接用机器语言编程。在上机时独占全部资源。用户既是程序员又是操作员。 缺点：CPU工作时间大量被浪费编程困难、操作困难1.2 操作系统的发展过程单道批处理系统(simple batch processing system)1.2 操作系统的发展过程单道批处理系统单道程序运行情况 用户程序监督程序I/O操作计算请求输入启动I/O结束中断I/O完成继续计算特点：自动性、顺序性、单道性多道程序运行多道程序运行1.2 操作系统的发展过程单道批处理系

7、统把下一个作业的源程序转换为目标程序？源程序有错吗？装配目标程序运行目标程序还有下一个作业？开始停止否是是否程序数据处理步骤1.2 操作系统的发展过程单道批处理系统 优点：解决了作业自动转接问题缺点：作业的输入和执行结果的输出过程中，CPU处于等待状态中。1.2 操作系统的发展过程多道批处理系统(Multiprogrammed batch processing system)60年代中前提：中断技术、通道技术的出现思想：用户提交的作业先在外存排成队列（后备队列），由作业调度程序按照一定的算法从中选择若干作业调入内存，共享系统中的各种资源。a、状态转换图 b、 运行示意图专门用于负责输入输出的硬

8、件装置(输入输出处理机)1.2 操作系统的发展过程多道批处理系统(Multiprogrammed batch processing system)提交状态后备状态运行状态完成状态P1P2P3cpuI/O1.2 操作系统的发展过程多道批处理系统(Multiprogrammed batch processing system)运行程序A程序B程序C程序D从处理器看运行运行 运行 运行 运行 运行 运行时间单道程序运行单道程序运行运行I/O运行运行I/O运行1.2 操作系统的发展过程多道批处理系统好处： 提高CPU的利用率(理论上可从7提高到100) (2) 可提高内存和I/O设备利用率(3) 增加

9、系统吞吐量特征： 多道性、无序性、调度性1.2 操作系统的发展过程多道批处理系统优点(1) 资源利用率高。 (2) 系统吞吐量大。 缺点(3) 平均周转时间长。 (4) 无交互能力。 1.2 操作系统的发展过程多道批处理系统 需要解决的问题 (1) 处理机管理：分配、回收。 (2) 内存管理问题：存储保护机制。 (3) I/O设备管理问题：I/O设备合理分配机制。 (4) 文件管理问题：检索、存储。 (5) 作业管理问题：作业调度算法（短优先、I/O型与CPU型搭配、。 1.2 操作系统的发展过程 操作系统的定义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行调度、以及方便用户使用的程

10、序的集合。说明：操作系统是软件，是系统软件，是由一整套程序组成基本职能：控制和管理系统内各种资源，有效地组织多道程序地运行提供众多服务，方便用户使用，扩充硬件功能。操作系统的地位：其他软件的支撑环境1.2 操作系统的发展过程 首次面对重大失败：首次面对重大失败： - MULTICS 于 1963 年开始， 直至 1969 年才发布 - IBM 的 OS/360 发布时， 带着已知的 1000 个错误MULTICS的灾难 1965年在ARPA的支持下MIT、贝尔实验室和通用电气公司决定开发一种“公用计算服务系统”， 希望能够同时支持整个波士顿所有的分时用户。该系统称作MULTICS (MULTi

11、plexed Information and Computing Service ) MULTICS设计目标是：便利的远程终端使用，大量终端通过电话线接入计算机主机 高可靠的大型文件系统；大容量的用户信息共享；存储和构造层次化信息结构的能力 MULTICS研制难度超出了所有人预料 长期研制工作达不到预期目标，1969年4月贝尔实验室退出，通用电气公司也退出了 但最终，经过多年的努力，MULTICS成功地应用 运行MULTICS的计算机系统在九十年代中陆续被关闭 MULTICS引入了许多现代操作系统领域概念雏形，对随后操作系统特别是UNIX的成功有着巨大的影响 MULTICS的灾难1.2 操作系

12、统的发展过程分时系统(Time-Sharing Operating System)实现思想：一台主机周围联接多个终端，多个用户通过不同的终端共享使用主机资源。关键问题： 及时接收。 及时处理。主机CPU内存用户用户用户1.2 操作系统的发展过程分时系统(Time-Sharing System)特征 ：(1)多路性。(宏观：多用户同时工作，共享系统资源；微观：用户作业轮流运行 )(2) 独立性。 (3) 及时性。 (4) 交互性。 1.2 操作系统的发展过程 第一个分时系统由 MIT的Fernando Corbato 等1961年在一改装的IBM 7090/94机上开发成功当时有32个交互式用户

13、 IBM 7090/94计算机有32K内存，系统用5K，用户用27K，用户存储映象在内存和一台磁鼓之间切换 1962年Manchester大学的Atlas计算机投入运行 运行速度200 kFLOPS 第一个有虚拟存储器(virtual memory)和页面调度(paging) 的机器 指令执行是管道式(pipelined)的1.2 操作系统的发展过程 成功：一群计算机迷 ( Thompson, Ritchie ) 在贝尔实验室发展出了UNIX。Ken Thompson，Dennis Ritchie1983年图灵奖获得者1999年4月 美国国家技术金奖1.2 操作系统的发展过程 1969年，在贝

14、尔退出MULTICS研制项目后，Ken Thompson和Dennis M. Ritchie 想申请经费买计算机从事操作系统研究，但多次申请得不到批准 项目无着落，他们在一台无人用的PDP-7上，重新摆弄原先在MULTICS项目上设计的“空间旅行”游戏 为了使游戏能够在PDP-7上顺利运行，他们陆续开发了浮点运算软件包、显示驱动软件，设计了文件系统、实用程序、shell 和汇编程序 到了1970年，在一切完成后，给新系统起了个同MULTICS发音相近的名字UNIX 随后，UNIX用C语言全部重写，自此，UNIX诞生了1.2 操作系统的发展过程实时系统（real-time system) 应用需

15、求(1)实时控制。 (2)实时信息处理。指对随机发生的外部事件做出及时的响应并对其进行处理。（所谓事件时指来自与计算机系统相连接的设备所提出的服务要求和采集数据） 定义实时系统：指系统能及时（或即时）响应外部 事件的请求，在规定的时间内完成对该事件 的处理，并控制所有实时任务协调一致地运 行。1.2 操作系统的发展过程实时系统 实时任务 按任务执行时是否呈现周期性来划分(1)周期性实时任务。 (2)非周期性实时任务。A.开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行；B.完成截止时间任务在某时间以前必须完成。2) 根据对截止时间的要求来划分(1) 硬实时任务(hard real-time task)

16、。(2) 软实时任务(Soft real-time task)。1.2 操作系统的发展过程实时系统 实时系统与分时系统特征的比较 (1) 多路性。 (2) 独立性。 (3) 及时性。 (4) 交互性。 (5) 可靠性。1.2 操作系统的发展过程 6、微机操作系统的发展 单用户单任务 CP/M MS-DOS 单用户多任务 Windows 多用户多任务 Solaris OS:SUN Linux OS:史上十大失败操作系统 OS/360，IBM公司，1964ITS, 60年代后期GNU Hurd，1983年发布，至今仍不完整Windows 1.01, 1985MS-DOS 4.0, 1988SCO

17、Open Desktop, 1989JavaOS, 1996Windows Me (Millennium Edition), 2000Lindows/Linux XP Desktop, 2001/2006Windows Vista, 20061.3 操作系统的基本特性 并发(Concurrence) 共享(Sharing) 虚拟(Virtual) 异步性(Asynchronism) 并行性：是指两个或多个事件在同一时刻发生；并发性：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。1.3 操作系统的基本特性 并发(Concurrence) 共享(Sharing) 虚拟(Virtual) 异步性(Asyn

18、chronism) 互斥共享方式 同时访问方式1.3 操作系统的基本特性 并发(Concurrence) 共享(Sharing) 虚拟(Virtual) 异步性(Asynchronism) “虚拟”：是指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。相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。1.3 操作系统的基本特性 并发(Concurrence) 共享(Sharing) 虚拟(Virtual) 异步性(Asynchronism) 进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。1.4 操作系统的主要功能处理机管理功能 进程控制：创建与撤销、状态转换进程同步 进程互斥方式， 这是指

19、诸进程(线程)在对临界资源进行访问时， 应采用互斥方式； 进程同步方式，指在相互合作去完成共同任务的诸进程(线程)间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。 进程通信 调度1.4 操作系统的主要功能 存储器管理功能主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充内存，为此，存储器管理应具有以下功能：内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充1.4 操作系统的主要功能存储器管理功能 1 内存分配 分配方式：静态分配方式、动态分配方式在内存分配的机制中应具有这样的结构和功能： 内存分配数据结构 内存分配功能 内存回收功能2 内存保护 确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。1.4 操作系统的主要功能存储器管理功能 3 地址映射 “逻辑地址”或“相对地址”。 “物理地址”。 4 内存扩充 借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量 为了能在逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制， 用于实现下述各功能： (1) 请求调入功能。 (2) 置换功能。 1.4 操作系统的主要功能设备管理功能缓冲管理设备分配和设备处理虚拟设备等功能。 1.4 操作系统的主要功能文件管理功能 1) 文件存储空间的管理 相应的数据结构，存储空间的分配和回收功能。 通常是采用离散分配方式，以减少外存零头，并以盘块为基本分配单位。盘块的大小通常为5