操作系统 第1章

1、计算机操作系统主讲教师：主讲教师： 刘咏梅刘咏梅 安春燕安春燕 白翔宇白翔宇内蒙古大学计算机学院内蒙古大学计算机学院计算机操作系统参考书：1、计算机操作系统（汤子瀛著）西安电子科技大学2、现代操作系统（陈向群译）机械工业出版社3、操作系统精髓与设计原理（William Stallings著）清华大 学出版社4、实用操作系统概念（Abraham Silberschatz著） 高等教育 出版社5、 操作系统原理教程（孟静著）清华大学出版社第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 1.1 什么是操作系统什么是操作系统1.2 1.2 操作系统的发展操作系统的发展1.3 1.3 操作系统的特征和功能

2、操作系统的特征和功能1.4 1.4 操作系统的结构操作系统的结构1.1 什么是操作系统什么是操作系统一、计算机系统组成一、计算机系统组成 中央处理机（中央处理机（CPU） 硬件硬件 内存内存 I/O设备设备（键盘、显示器、打字机、鼠标） 外部设备外部设备 存储设备存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带） 其它设备其它设备（MODEM、通信口） 系统软件系统软件（操作系统、Turbo-C、数据库管理系统） 软件软件 应用软件应用软件 （CAD、游戏、用户自己开发的系统等） 一个现代计算机系统CPU磁盘磁盘驱动器驱动器打印机打印机驱动器驱动器磁带磁带驱动器驱动器存储器驱动器存储器驱动器 磁盘磁盘 磁盘磁

3、盘打印机打印机磁带磁带存储器存储器系统总线系统总线1.1 什么是操作系统什么是操作系统二、操作系统在计算机系统中的地位二、操作系统在计算机系统中的地位应用软件应用软件其它系统软件其它系统软件操作系统操作系统计算机硬件（裸机）计算机硬件（裸机） 操作系统的地位：操作系统的地位： 配置在硬件之上的配置在硬件之上的第一层软件；第一层软件； 对硬件功能的第一对硬件功能的第一次扩充。次扩充。1.1 什么是操作系统什么是操作系统应用软件应用软件其它系统软件其它系统软件操作系统操作系统计算机硬件（裸机）计算机硬件（裸机）普通用户普通用户操作系统操作系统开发人员开发人员三、用户使用操作系统的途径三、用户使用操

4、作系统的途径1.1 什么是操作系统什么是操作系统 1. 方便性：使计算机系统更容易使用。 2. 有效性：提高计算机系统的资源利用率； 提高系统的吞吐量。 3. 可扩充性：允许改进老的功能及增加新的功能。 四、设置操作系统的目标四、设置操作系统的目标1.1 什么是操作系统什么是操作系统五、操作系统的作用五、操作系统的作用 v作用作用1 1：操作系统是用户与计算机硬件系统之间的接口。操作系统是用户与计算机硬件系统之间的接口。操作系统为用户和程序员提供的服务：操作系统为用户和程序员提供的服务： 1.负责程序的创建、启动、执行和结束处理。 2.访问I/O设备。 3.控制文件存取。 4.通信。 5.差错

5、检测。接口类型：接口类型： 1.命令接口：例如DOS命令。 2.程序接口：即系统调用，例如编程中使用的read命令。 3.图形接口：例如WINDOWS图标。1.1 什么是操作系统什么是操作系统包括：包括： 1.CPU管理； 2.存储器管理； 3.I/O设备管理； 4.文件管理。五、操作系统的作用五、操作系统的作用 v作用作用2 2：操作系统是计算机系统的资源管理者，它负责 计算机系统的全部资源的分配、控制、调度和回收。1.1 什么是操作系统什么是操作系统五、操作系统的作用五、操作系统的作用 v作用作用3 3：操作系统隐蔽硬件特性，为用户提供了一台等 价的扩充机器（虚拟机）。虚拟机：虚拟机：覆盖

6、了软件、功能变得更加强大的机器。例：只能做加法的机器（只能做加法的机器（+ +）2+325先转成先转成2+2+2+2+2实现乘法的软件（实现乘法的软件（+ +和和 ）直接做直接做直接做直接做直接做直接做1.1 什么是操作系统什么是操作系统一是自顶向下、从用户的角度看；（作用一是自顶向下、从用户的角度看；（作用1、3） 一是自底向上、从硬件的角度看。（作用一是自底向上、从硬件的角度看。（作用2）面对用户、面对机器面对用户、面对机器1.1 什么是操作系统什么是操作系统操作系统定义：操作系统定义： 操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业

7、进行调度，以及方便用资源、合理地对各类作业进行调度，以及方便用户的程序的集合。户的程序的集合。1.2 操作系统的发展操作系统的发展发展原因：发展原因：内因：受计算机硬件发展的驱动。外因：受计算机应用的刺激。 与计算机系统发展同步与计算机系统发展同步1.2 操作系统的发展操作系统的发展一、无操作系统时的计算机系统一、无操作系统时的计算机系统工作过程：工作过程： 用户1：纸带 纸带输入机 计算机 纸带输出机 纸带 用户2：工作方式：工作方式： 编程语言：机器语言。 输入输出：纸带或卡片。 用户：既是程序员，又是操作员；是计算机专业人员。1.2 操作系统的发展操作系统的发展一、无操作系统时的计算机系

8、统一、无操作系统时的计算机系统特点：特点： 1.用户独占全机：不出现资源被其他用户占用的情况， 资源利用率低； 2.CPU等待用户：计算前后，手工装卸纸带或卡片； CPU利用率低。造成：1、人机矛盾； 2、CPU与I/O设备 速度不匹配的矛盾。 -CPU浪费严重!解决解决专门的操作员；批处理。1.2 操作系统的发展操作系统的发展二、单道二、单道批处理系统（批处理系统（Simple Batch System）工作过程：工作过程： 程序员将各自的作业提交给系统操作员，系统操作员采用脱机输入方式将多个作业组织成一批，输入磁带。在系统中配置有监督程序，它从磁带上读入第一个作业并运行，其输出写到另一个磁

9、带；每个作业结束后，监督程序自动从磁带上读入下一个作业并运行。当这批作业全部结束后，系统操作员再采用脱机输出技术将保存在磁带上的结果打印，交给相应的程序员。提交的作业包括提交的作业包括：用户程序、数据和作业说明书（作业控制语言） 关键 脱机输入输出技术 监督程序：现代操作系统的前身，常驻内存 job1job2job3job4主机主机监督程序监督程序输入设备输入设备外围机外围机磁盘磁盘磁盘磁盘输出设备输出设备程序员程序员操作员操作员外围机外围机job1job2job3job4job1job2job3job41.2 操作系统的发展操作系统的发展二、单道二、单道批处理系统（批处理系统（Simple

10、Batch System）工作方式：工作方式： 编程语言：汇编语言、FORTRAN语言。 输入输出：磁带。 用户：第一次在程序员、操作员和维护员之间有了明确的分工。进步之处：进步之处： 减少了CPU的空闲时间、提高了I/O速度，从而提高了 CPU的利用率。不足之处：不足之处： I/O速度仍显慢，使CPU许多时间空闲；无交互能力。1.2 操作系统的发展操作系统的发展三、多道批处理系统三、多道批处理系统（Multiprogramming Batch SystemMultiprogramming Batch System）与单道批处理系统的区别：与单道批处理系统的区别： 输入输出：磁盘，spooli

11、ng技术（联机）。 操作系统：使用多道程序技术处理作业。优点：优点： 1.资源利用率高； 2.系统吞吐量大。缺点：缺点： 1.平均周转时间长； 2.无交互能力1.2 操作系统的发展操作系统的发展多道程序技术：多道程序技术：多道：计算机内存中同时存放几个用户作业；宏观上并行运行：内存中的几个作业都处于运行状态， 但都未运行完；微观上串行运行：内存中的各作业交替使用CPU；可共享计算机系统中的各种软、硬件资源。例：作业A和B在单道和多道系统下的运行对比。job1job2job3job4主机主机监督程序监督程序单道系统单道系统job1job2job3job4主机主机监督程序监督程序多道系统多道系统j

12、ob1job1job2job2job3job3job4job4job1job3job3job2job4job1job4job2 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9时间时间输入机输入机CPU打印机打印机 磁带机磁带机时间时间输入机输入机CPU打印机打印机 磁带机磁带机BAAAAAABBAAAAABBB单单道道多多道道1.2 操作系统的发展操作系统的发展四、分时系统（四、分时系统（Time-sharing System）工作方式：工作方式： 一台计算机连接多个用户终端，允许多个用户共享计 算机中的资源，每个用户可通过各自的终端以交互方式 使用计算机。分类：分类： 1.单道分时系统

13、 2.具有“前台”和“后台”的分时系统 3.多道分时系统1.2 操作系统的发展操作系统的发展四、四、分时系统（分时系统（Time-sharing System）特点：特点： 1.多路性 2.独立性 3.及时性 4.交互性 1.2 操作系统的发展操作系统的发展五、五、实时系统（实时系统（Real-time System）实时系统：实时系统：系统能及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。分类：分类： 1.实时控制：例如飞机自动驾驶系统、工业控制等 2.实时信息处理：例如图书管理系统、民航售票系统等特点：特点： 1.多路性 2.独立性 3.及时性

14、 4.交互性 5.可靠性 1.2 操作系统的发展操作系统的发展六、六、微机操作系统微机操作系统应用领域：应用领域：事务处理，个人娱乐；系统要求：系统要求：使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、 网络、远程通信）、效率不必很高。常用的个人计算机操作系统：常用的个人计算机操作系统： 1.单用户单任务：CP/M、MS-DOS 2.单用户多任务：OS/2、MS Windows 3.多用户多任务：UNIX1.2 操作系统的发展操作系统的发展七、网络操作系统（七、网络操作系统（Network Operating System）计算机网络：计算机网络：一些自主的计算机系统，通过通信设施相互连接， 完

15、成信息交换、资源共享、互操作和协同工作等功能。计算机网络类型：计算机网络类型： 1.按网络拓扑：星形、树形、总线形、环形、网状形； 2.按地理范围：局域网、广域网；1.2 操作系统的发展操作系统的发展七、七、网络操作系统（网络操作系统（Network Operating System）网络网络OS：根据已有标准开发出的、具有支持网络资源通信、共 享和管理等功能的软件模块和原有网络计算机系统中 操作系统的合称。网络网络OS功能：功能： 1.通常操作系统的功能 2.网络通信功能 3.网络资源管理 4.网络服务 5.网络管理 6.互操作能力1.2 操作系统的发展操作系统的发展八、八、分布式操作系统（

16、分布式操作系统（Distributed System）分布式系统：分布式系统：指由多个分散的处理单元，经互连网络的连接而 形成的系统。它的基本特征是处理上的分布，即 资源、功能、任务和控制的分布。分布式操作系统：分布式操作系统：所有系统任务可在系统中任何处理机上运行， 自动实现全系统范围内的任务分配并自动调度各 处理机的工作负载。1.2 操作系统的发展操作系统的发展分布式分布式OS与网络与网络OS的比较的比较分布式分布式OS网络网络OS分布性分布性处理分布、控制分布处理分布、控制分布处理分布、控制集中处理分布、控制集中并行性并行性有任务分配功能，任务有任务分配功能，任务可并行执行可并行执行无任

17、务分配功能无任务分配功能透明性透明性网络资源调度对用户透网络资源调度对用户透明明网络资源的使用由用户直网络资源的使用由用户直接指定接指定共享性共享性所有资源可供系统中所所有资源可供系统中所有用户共享有用户共享可共享资源大多设置在服可共享资源大多设置在服务器上务器上健壮性健壮性强强弱弱1.2 操作系统的发展（小结）操作系统的发展（小结）第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代1945-19551955-19651965-19801980至今电子管晶体管集成电路超大规模集成电路无操作系统；无程序设计语言；采用手工操作方式单道批处理系统；FORTRAN、汇编语言；多道批处理系统；分时系统；实

18、时系统；多道程序设计技术；spooling技术；中断、通道、DMA、虚存、设备独立性；微机操作系统；网络操作系统；分布式操作系统；1.3 操作系统特征和功能操作系统特征和功能一、操作系统的特征一、操作系统的特征1. 并发性（并发性（Concurrence） 并行性：并行性：两个或多个事件在同一时刻发生。 并发性：并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。并行是一种微观的同时性概念。并发是一种宏观上的同时性概念：宏观上并发，微观 上交替占用CPU运行。为更好描述并发性，引入进程概念。 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9时间时间输入机输入机CPU打印机打印机 磁带机磁带机时间时

19、间输入机输入机CPU打印机打印机 磁带机磁带机BAAAAAABBAAAAABBB单单道道多多道道1.3 操作系统特征和功能操作系统特征和功能一、操作系统的特征一、操作系统的特征2.2.共享共享（Sharing） 共享：共享：指计算机系统中的各种软、硬件资源可供内存中 多个并发运行的进程共同使用。 方式方式： 互斥共享：例打印机 同时访问：例磁盘文件 （注：“同时”也是宏观上的同时）1.3 操作系统特征和功能操作系统特征和功能一、操作系统的特征一、操作系统的特征3.3.虚拟虚拟（Virtual） 虚拟：虚拟：通过某种技术将一个物理实体变为若干个逻辑上 的对应物。 例：CPU -分时系统 多个CP

20、U 前者真实存在；后者只是用户的感觉。4.4.异步性（异步性（Asynchronism） 异步性异步性：也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间 的不确定。1.3 操作系统的特征和功能操作系统的特征和功能二、操作系统的功能二、操作系统的功能存储器管理：指内存管理； 内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充；处理机管理：实质是进程管理； 进程控制、进程同步、进程通信和调度； 设备管理：缓冲管理、设备分配、设备处理、设备独立性和虚 拟设备；文件管理：存储空间的管理、目录管理和文件操作；用户接口：命令接口、程序接口和图形接口。1.3 操作系统的特征和功能操作系统的特征和功能相关概念相关概念1.CPU的

21、执行状态： 系统态（核心态） 分为 用户态能执行一切指令，访问所有寄存器和存能执行一切指令，访问所有寄存器和存储区；操作系统运行在核心态。储区；操作系统运行在核心态。 只能执行非特权指令，访问规定的寄存只能执行非特权指令，访问规定的寄存器和存储区；用户程序运行在用户态。器和存储区；用户程序运行在用户态。 作用：防止用户程序破坏操作系统及其关键数据。1.3 操作系统的特征和功能操作系统的特征和功能2.程序接口用户程序用户程序系统调用命令系统调用命令用户态用户态核心态核心态操作系统操作系统实现系统功实现系统功能的子过程能的子过程l 与一般过程调用不同之处： 1）运行在不同的系统状态； 2）通过软中

22、断进入；l 实例：汇编语言中，打印字符。 MOVE A，PARA1 MOVE A，PARA2 INT 21H l由各种各样的系统调用（System Call）组成。l 用户程序可通过系统调用来调用OS中的特定过程，以获得操作 系统的服务功能。l 执行过程： 1.4 操作系统的结构操作系统的结构一、整体式系统（一、整体式系统（Monolithic Systems）整个操作系统是一个过程集，每个过程都可以调用其它 过程。 每个过程都有一个完好定义的接口； 每个过程都对其它过程可见。应用程序和操作系统本身分开。 操作系统运行在核心态； 应用程序运行在用户态。 用户态用户态 核心态核心态 操作系统操作系统过程过程系统调用系统调用应用程序应用程序应用程序应用程序硬硬 件件1.4 操作系统的结构操作系统的结构二、层次式系统（二、层次式系统（Layered Systems）操作系统被划分成若干层，每一层放在较低层的顶上。 最底层是硬件；最高层是用户接口。在任一特定层次上的代码只能调用较低层次的代码。优点： 1便于系统的设计和实现。 1）设计上层时，可认为下层已经正确实现； 2）上层无需知道下层操作如何实现，只需知道下层操作是什么。 2便于系统的扩展。 用户态用户态 核心态核心态应用程序应用程序应用程序应用程序系统调用系统调用文件系统文件系统内存和内存和I/O设备管理设备管理处理器调