操作系统原理及应用(Linux)(第二版)第1章 操作系统概论

1、 本章学习目标 本章主要讲解操作系统的基本知识。通过本章学习，读者应该掌握以下内容： 操作系统的功能和地位 操作系统的发展过程 操作系统的特征 操作系统的结构1教学内容3操作系统是计算机系统中具有一定功能的软件系统。操作系统的目标是方便用户使用计算机系统和提高计算机系统资源利用率。41作业控制级接口 作业：用户上机所作的一系列顺序相关的工作。一道作业由若干顺序相关的作业步构成。例如，我们上机编程要经历如下步骤：5 6编 辑编 译连 接运 行源程序目标程序可执行程序7由一组键盘字符命令（或鼠标命令）和命令解释器组成，使用户可以联机交互方式使用计算机。用户每次键入一个合法命令（解释器能执行的命令）

2、，启动一个作业步；一个作业步运行完毕后，再键入下一个命令名，启动下一个作业步。在一个作业步结束后，若发现错误，可以由用户修正错误，然后重新启动该作业步。用户可根据作业运行情况随时进行作业步的调整。8操作命令的形式为作业控制语言，用户以脱机批处理方式使用计算机。用户对作业流程的控制意图是利用作业控制语言书写成一份作业说明书来表达的。上机时，用户将作业控制说明书交给系统，系统逐条解释执行说明书中的命令。在这种方式下，用户一旦提交了作业，作业流程就由操作系统根据作业控制说明书自动控制，用户无法干预该作业的运行。因此，用户必须事先设计好作业流程，还要预测作业运行过程中可能出现的错误，并给出发生错误时的

3、处理方法。9操作系统提供的程序级接口由一组系统功能调用命令以及完成这些命令的程序模块组成。为方便用户编程，提高编程效率，规范编程，操作系统提供了完成某些通用功能的程序提供用户在开发应用程序时调用。不同的操作系统提供了不同的系统功能调用以及调用方式。如DOS的系统功能调用主要是进行硬件驱动，以软中断INT 21H的方式提供。10Windows中的系统功能调用要比DOS丰富，且层次要高，不只局限于硬件驱动，以用户可在编程语言中使用的应用编程接口函数的方式提供，称为APIApplication Programming Interface 。使用Windows的API函数，可以提高编程效率，并规范Wi

4、ndows环境下的编程，如可开发具有统一风格的应用程序窗口界面，这会使得软件用户能很快熟悉该软件的窗口界面而不必重新学习。11计算机系统中的资源包括硬件资源和软件资源。硬件资源有：处理机、存储器、外部设备；软件资源有：程序和数据。12处理机的任务是运行程序，我们把程序在某个数据对象上的一次运行过程称为进程，处理机管理又称为进程管理。在单处理机系统中，程序有两种运行方式：单道程序顺序执行，多道程序并发执行。13单道程序顺序执行：要执行的多个程序按一定次序依次执行，一个程序运行完毕才能运行下一个程序，即在一个程序运行期间不插入运行其他程序。这种运行方式的优点是实现简单，不需要在多个进程之间进行转换

5、；缺点是资源利用率低。 多道程序并发执行：在内存中同时存放多道程序，按一定策略调度多道程序交叉运行，形成“微观上串行、宏观上并行”的情况。这使得处理机和设备可以并行工作，当某个进程在进行输入输出操作时，可以同时有另一个进程在处理机上进行计算。 14计算机系统采用了冯诺依曼提出的存储程序原理，即把要运行的程序先一次性存放在存储器中，然后由处理机自动从存储器中依次取出程序指令运行，处理机的运行过程就是不断地取指令、执行指令循环往复的过程，每次取一条指令，执行一条指令。则存储器是计算机系统中的重要资源与处理机一起称为计算机系统中的主机。因此，程序的运行机构不只是处理机，而是由处理机和存储器构成的主机

6、。15在多道程序环境中，要在内存中同时存放多道程序，则必须对内存进行合理管理以保证程序的顺利运行，并提高内存的利用率。操作系统提供如下存储管理功能：（1）内存分配（2）地址转换（3）内存保护（4）内存扩充16设备管理的任务是：接受用户程序提出的I/O请求，为用户程序分配I/O设备；使CPU和I/O设备并行操作，提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户程序使用I/O设备。为完成以上任务，操作系统的设备管理子系统应该具有设备分配、缓冲管理、设备驱动、设备无关性等功能。 17设备无关性又称设备独立性。即用户编写的应用程序与实际使用的物理设备无关。用户编写的应用程序中不直接指定使用哪台

7、具体的物理设备，而是使用操作系统提供的逻辑设备，然后由操作系统把用户程序中使用的逻辑设备映射到具体的物理设备，实施具体的I/O操作。这样做的一个明显好处是用户应用进程的运行不取决于某台具体物理设备的状态，而由操作系统为其分配一台合适的设备完成I/O操作。这样会避免出现有设备可用但进程却无法运行的情况。18计算机系统中的软件资源（程序和数据的集合）不是一次性用品，用了一次后就再也不用了，而是要反复利用的，因此要永久保存（相对于内存的暂时存储而言）起来，如银行中的存贷款数据、学校的学籍管理软件和学籍数据等等。软件资源以文件的形式存放在外部存储介质中，供用户反复使用。19操作系统中对文件进行管理的子

8、系统称为文件系统，文件系统的任务是：为用户提供一种简便的、统一的存取和管理文件的方法，对用户而言，按名存取是一种简便的存取文件的手段；实现文件的共享；维护文件的秘密和安全。 20文件管理具体有如下功能：（1）文件存储空间的管理（2）目录管理（3）文件操作（4）文件的存取权限控制根据以上所述操作系统的功能，我们可以给操作系统下一个描述性的定义：操作系统是一个软件系统，它控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，提供用户与计算机系统之间的接口。211.3.1 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的需要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22此时，人们采用

9、手工方式使用计算机，用户一个挨一个地轮流使用计算机。每个用户的工作过程大致是：先把程序纸带（或卡片）装到输入机上，然后启动输入机把程序和数据输入计算机存储器，接着利用控制台开关启动程序开始执行。计算结束，用户取走打印出来的结果，并卸下纸带.23在这个过程中，需要人工装卸纸带、人工控制程序运行。手工操作速度相对于计算机的运行速度而言是很慢的，因此在使用计算机完成某一工作的整个过程中，手工操作时间占了很大的比例，而计算机运行时间所占比例较小，这就形成了明显的人机矛盾，致使计算机资源利用率很低，从而使计算机工作效率很低。在早期计算机运行速度较慢的时候，这种状况还是可以容忍的。24单道批处理系统在当时

10、称为监督程序，是操作系统的雏形。监督程序常驻内存，在它的控制下，实现了作业的自动过渡，从而去掉了原先的作业过渡时的手工操作。此时，出现了汇编语言、高级语言编程工具，每一种语言编译程序（如汇编语言或某种高级语言的编译程序）、实用程序（如连接程序）都作为监督程序的子例程，当需要用到它们时由监督程序进行调用。25早期的批处理分为联机批处理和脱机批处理两种。1. 联机批处理操作员把一批作业装到输入设备上（纸带输入机/卡片阅读机），然后由监督程序控制把这批作业输入到磁带上，之后在监督程序的控制下，使这批作业一个接一个的连续执行，直至磁带上的所有作业运行完毕。2627输入带主 机输出带输入带读卡机打印机输

11、出带卫星机卡片为了进一步提高资源利用率，从而最终提高系统吞吐量（系统在单位时间内完成的总工作量），在60年代中期引入了多道程序并发执行技术，从而形成了多道批处理系统。多道程序并发执行的基本思想是：在内存中同时存放多道程序，在操作系统的控制下交替执行。在多道批处理系统中，用户提交的作业都先存放在外存中并排成一个队列，称为后备队列，然后由作业调度程序按一定的策略从后备队列中选择若干作业调入内存，使它们并发运行，从而共享系统中的各种资源，提高资源利用率，最终提高系统吞吐量。28多道程序并发执行系统的特征：（1）多道性（2）调度性（3）宏观上并行，微观上串行（4）异步性29在分时系统中，虽然若干用户通

12、过各自的终端共享一台主机，但是在操作系统的管理下，每个用户都感觉自己在独占一台主机。分时系统采用的策略是：基于主机的高速运行，分时为终端用户服务。即主机按一定次序轮流为各终端用户服务，每个用户一次仅使用主机很短的一段时间（称为时间片，毫秒级），在分得的时间片内若用户没有完成工作则暂时中断，将处理机分配给下一个用户。虽然在一个用户使用主机时其他用户处于等待状态，但是等待的时间很短，用户感觉不到，从而每个用户的各次请求都能得到快速响应，给每个用户的印象是：他独占一台计算机。30分时系统具有以下特征：（1）多个用户同时联机操作（2）各用户独立（3）交互性311. 实时控制实时控制当把计算机用于生产过

13、程的控制，以形成以计算机为中心的控制系统时，系统要求能实时采集现场数据，并对所采集的数据进行及时处理，进而自动地控制相应的执行机构，使某些（个）参数（如温度、压力、方位等）能按预定的规律变化。类似地，也可将计算机用于武器的控制，如火炮自动控制系统、飞机的自动驾驶系统，以及导弹的制导系统等。通常把要求进行实时控制的系统称为实时控制系统。32通常，我们把要求对信息进行实时处理的系统，称为实时信息处理系统。该系统由一台或多台主机通过通信线路连接成百上千个远程终端，计算机接收从远程终端发来的服务请求，对数据进行检索和处理，并及时将结果反馈给用户。典型的实时信息处理系统有：飞机订票系统、情报检索实时系统

14、的特征：（1）及时性（2）可靠性331. 单用户单任务操作系统单用户单任务操作系统 单用户单任务是指，只允许一个用户上机，用户要运行的多个程序要按一定次序依次执行，不能交替执行。这是最简单的微机操作系统，代表性产品是：CP/M和MS-DOS。34单用户多任务是指，只允许一个用户上机，但是可以并发执行多道程序，从而充分利用系统资源，满足用户同时执行多个任务的需求，如一边打字一边听音乐。代表性产品是OS/2和Windows。35微机是面向个人用户而开发的，所以一般由单个用户使用，配置单用户操作系统。但是这并不意味着微机不可由多个用户同时联机使用，特别是现在的微机与小型机的差距已经很小，只要在微机上

15、配置多用户操作系统就可以使微机同时为多个用户服务。具有代表性的产品是UNIX、LINUX。36为了实现计算机之间的数据通信和资源共享，把分布在各处的计算机通过通信线路连接在一起，构成一个系统，这就是计算机网络。计算机网络要有一个网络操作系统对整个网络实施管理，并为用户提供统一的、方便的网络接口。网络操作系统一般建立在各个主机的本地操作系统基础之上，其功能是：实现网络通信、资源共享和保护，提供网络服务和网络接口。37大量的实际应用要求一个完整的一体化的系统。在分布式系统中，有一个全局的分布式操作系统，它负责整个系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输、控制协调等工作，并为用户提供一个统一的界面。

16、用户通过这一界面实现所需的操作和使用系统资源，至于操作是在哪一台计算机上资源是系统的事，用户不必知道，即系统对用户是透明的。38并发性共享性异步性虚拟性其中，并发性是操作系统的最基本的特征。39 一般而言，操作系统有两种结构：层次结构、微内核结构。1.5.1 层次结构层次结构 层次结构操作系统的设计思想是：按照操作系统各模块的功能和相互依存关系，把系统中的模块分为若干层次，其中任一层（除底层模块）都建立在它下面一层的基础上，每一层仅使用其下层所提供的服务。40微内核结构是20世纪90年代发展起来的。其基本思想是：把操作系统中的基本功能模块组织为微内核，其他功能模块尽量放到核外，通过调用微内核来

17、实现。微内核结构是对传统内核的提炼，它有如下优点：1. 简化内核代码维护工作2. 建构灵活3. 安全性高4. 方便移植41Linux现在是个人计算机和工作站上的UNIX类操作系统。按照层次结构的观点，在同一种硬件平台上面，Linux可以提供和UNIX相同的服务，即相同的用户级和程序员级接口。同时，Linux绝不是简化的UNIX。相反，Linux是强有力和具有创新意义的UNIX操作系统。它不仅继承了UNIX的特征，而且在许多方面超过了UNIX。作为UNIX类操作系统，它具有下列基本特征：42（1）是真正的多用户、多任务操作系统；（2）是符合POSIX标准的系统；（3）提供具有内置安全措施的分层的文件系统；（4）提供shell命令解释程序和编程语言；（5）提供强大的管理功能，包括远程管理功能；（6）具有内核的编程接口