计算机操作系统第一章(new)

1、2022/8/51本章目录曲阜师范大学计算机科学学院操作系统原理Principles of Operating System王 华2022/8/52计算机考研专业课形式考查目标计算机学科专业基础综合考试涵盖数据机构、计算机组成原理、操作系统和计算机网络等学科专业基础课程。要求考生比较系统地掌握上述专业基础课程的概念、基本原理和方法，能够运用所学的基本原理和基本方法分析、判断和解决有关理论问题和实际问题。 考试形式和试卷结构一、 试卷满分及考试时间本试卷满分为150分，考试时间为180分钟二、 答题方式答题方式为闭卷、笔试三、 试卷内容结构数据结构 45分计算机组成原理 45分操作系统 35分计

2、算机网络 25分四、 试卷题型结构单项选择题 80分(40小题，每小题2分)综合应用题 70分2022/8/53一、考查目标(1)了解操作系统在计算机系统中的作用、地位、发展和特点。(2)理解操作系统的基本概念、原理，掌握操作系统设计方法与实现技术。(3)能够运用所学的操作系统原理、方法与技术分析问题和解决问题。2022/8/54二、知识点解析操作系统学科是围绕操作系统的功能来展开的，包括进程管理、存储管理、文件管理、作业管理和设备管理(输入/输出管理)。2022/8/55涉及面广（并行程序，性能问题，结构问题，程序方法论，软件工程，等等）实践性强（从实践总结出原理）错综复杂：纵横交叉 如何学

3、好操作系统？ 1.操作系统课程的特点：2022/8/56操作系统因它在计算机系统中所处的地位而决定了它的重要性。学好操作系统不仅能掌握操作系统的基本理论，而且能具备开发系统软件的技能。且为以后学习数据库系统、计算机网络等课打下基础。1.操作系统课程的特点：2022/8/57教师只指出要点 要通过自学、研读参考书掌握内容整理笔记相当重要 不能只通过PowerPoint来复习课程善于发现问题、提出问题 要努力寻求问题的答案2.注意学习方式的变化2022/8/58设计操作系统或者修改现有的系统 存在人们意识不到的大量“操作系统” 嵌入式系统(Embedded OS） 加深对使用的OS的理解，有利于深

4、入编程 用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法 操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他领域 选择购买操作系统 我们并不总使用Win95/NT/2000/XP3.为什么学习操作系统?2022/8/59计算机体系结构/硬件 软件设计 程序设计语言 数据结构 算法 网络 学习核心技术并能在其他地方应用之4.涉及到计算机科学的很多领域2022/8/5105.操作系统的工作（1）程序的执行 负责启动每个程序，以及结束程序的工作 （2）完成与硬件有关的工作 （3）完成与应用无关的工作 易于使用，基本服务，统一性 （4）计算机系统的效率与安全问题2022/8/

5、5116.与应用无关： 是指这些工作是任何一个程序都需要的、最基本的工作； 它们具有共性，工作过程相同与具体应用无直接关系，即与用户所关心的应用目标无直接关系。2022/8/512第一章操作系统引论学习目标 1 掌握：操作系统的定义和主要功能。 2 理解：操作系统的主要类型和主要 特性，分时概念。 3 了解：分时和实时操作系统的特点，操作系统的结构，操作系统在计算机系统中的地位，主要操作系统产品系列。2022/8/513操作系统是系统软件中最基本的部分。其主要作用：（扩展机器和管理资源）(1)管理资源。包括：中央处理机、主存储器、输入输出设备、数据文件和网络等。(2)使用户能共享系统资源，并对

6、资源的使用进行合理调度。第一章操作系统引论2022/8/514(3)提供输入输出的便利，简化用户的输入输出工作。(4)规定用户的接口，以及发现并处理各种错误的发生。第一章操作系统引论2022/8/515本章主要目录1.1操作系统的目标、作用和模型1.2 操作系统的形成和发展1.3操作系统的特征和服务1.4操作系统的功能1.5操作系统的进一步发展1.6 操作系统的结构设计1.7 总结1.8 作业2022/8/5161.1OS的目标、作用和模型1.1.1 操作系统的目标:与系统的规模和应用环境有关1、方便性2、有效性3、可扩充性4、开放性1.1.2 操作系统的作用1、OS作为用户与计算机硬件系统之

7、间的接口2、OS作为计算机系统资源的管理者3、OS用作扩充机器1.1.3 操作系统的层次模型1、OS对象2、对对象操纵和管理的软件集合3、用户接口2022/8/517目前流行多种类型的OS，不同类型的OS其目标侧重不同。1.方便性配置OS后，用户可通过OS提供的各种命令来使用计算机，大大方便了用户，使计算机易学易用。（因为不需了解机器原理或机器语言等有关硬件的属性），特别是在微机环境中。1.1.1 操作系统的目标2022/8/518 2. 有效性 早期的计算机环境中，尤其注重有效性。提高了系统资源的利用率。OS还可合理地组织计算机的工作流程，进一步提高系统的吞吐量。注：方便性和有效性是OS最重

8、要的两个目标。过去因价格昂贵，而追求有效性，现在更重视方便性。1.1.1操作系统的目标2022/8/519 3.可扩充性计算机系统结构的发展以及元器件的更新换代，对OS提出了更高的功能和性能要求。所以，OS要具有更好的可扩充性来适应新的发展要求。 4. 开放性：遵循世界标准规范 上个世纪末，出现了各种类型的计算机硬件系统，为使各种类型的计算机及其设备，能通过网络加以集成化并能正确、有效地协同工作，实现应用程序的可移植性和互操作性，要求OS具有开放性。1.1.1操作系统的目标2022/8/520从一般用户的观点，OS是用户与计算机硬件系统之间的接口；从资源管理观点，OS则可看作计算机系统资源的管

9、理者(包括：CPU、主存、输入输出设备、数据文件和网络等)。一、OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口1.1.2 操作系统的作用2022/8/521三种接口：（1）命令接口。OS提供一组联机命令（语言），用户通过键盘键入有关的命令，直接操纵计算机系统。（2）系统调用接口。OS提供一组系统调用，用户在应用程序中通过调用相应的系统调用来操纵计算机。（3）图形、窗口接口。GUI技术1.1.2 操作系统的作用2022/8/522二、OS作为计算机系统资源的管理者计算机系统中包含了各种各样的硬件和软件资源，分为四类：处理器、存储器、I/O设备和信息（数据和程序）OS主要对这四类资源进行有效的管理：（1）

10、处理机管理：用于分配和控制处理机（2）存储器管理：负责内存的分配与回收（3）I/O设备管理：负责I/O设备的分配与操纵（4）文件管理：负责文件的存取、共享和保护。1.1.2 操作系统的作用2022/8/523三、OS用作扩充机器:实现了对计算机的抽象 裸机是难以正常使用的，在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件，用户可利用它所提供的I/O命令，来进行数据输入和打印输出。比裸机功能更强了。我们把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。若在第一层软件上再覆盖上一层文件管理软件，用户可利用该软件提供的文件存取命令进行文件的存取。1.1.2 操作系统的作用2022/8/524用户所看到的是一台功能更强的虚机

11、器。若在文件管理软件上再覆盖上一层面向用户的窗口软件，用户可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能极强的虚机器。由此，在计算机系统上覆盖上一层软件，系统功能便增强一级。而OS本身包含了上述多层软件，裸机上覆盖OS后，可获得一台功能增强、使用方便的多层扩充机器或多层虚机器。1.1.2 操作系统的作用2022/8/525 大型软件多采用层次结构，OS模型分三个层次，其最底层是OS对象（处理机、存储器、设备、文件和作业），中间层是对对象进行操纵和管理的软件集合（处理机管理软件、存储器管理软件、设备管理软件和文件管理软件），其最高层是OS提供给用户使用的用户接口（命令接口、程序接口、图形用户接口）

12、。1.1.3 操作系统的层次模型银行系统航空订票Web浏览器编译器编辑器命令解释器操作系统机器语言微体系结构物理设备包括硬件、系统程序及应用程序的计算机系统应用程序系统程序硬件2022/8/5271、OS对象：一个或多个处理器，存储器系统，各类I/O设备以及文件和作业。2、对对象操纵和管理的软件集合：是OS的核心部分，集中了OS五大功能中的四大功能，分别用于对上述四类对象进行操纵和管理。1.1.3 操作系统的层次模型2022/8/5283、用户接口：（1）命令接口：用户和OS的接口。用户通过从键盘键入某种命令取得OS的服务。（2）程序接口：应用程序与OS的接口。用户通过在程序中安排系统调用取得

13、OS有服务。（3）图形用户接口：OS配置了直观的图形用户接口，将系统的各项功能及各种应用程序，以各种形式的图标逼真的表示出来，再利用鼠标进行操作，使计算机的操作更为简捷，生动有趣。1.1.3 操作系统的层次模型用户接口(命令接口，程序接口、图形用户接口)对对象操纵和管理的软件集合(处理机管理软件、存储器管理软件、设备管理软件、文件管理软件)操作系统对象(处理机、存储器、设备、文件和作业)OS层次模型2022/8/5301.2 操作系统的发展过程1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 1.2.2 操作系统的发展历程 1 无操作系统时的计算机系统 2 单道批处理系统 3 多道批处理系统 4 分时系

14、统 5 实时系统 1.2.7操作系统大观2022/8/531OS迅速发展的主要动力归结为以下四个方面：1、不断提高计算机资源利用率的需要计算机发展初期，其价格昂贵，提高其各种资源的利用率，成为OS发展的动力，由此形成了能自动对一批作业进行处理的批处理系统。1.2.1 推动操作系统发展的主要动力2022/8/5322、方便用户资源利用率不高的问题解决后，人们又想方设法改善用户上机，调试程序时的条件，这成为了OS发展的又一动力，随之形成了允许进行人机交互的分时系统，或称为多用户系统。3、器件的不断更新换代计算机器件不断地更新，由第一代的电子管发展到第二代的晶体管、第三代的集成电路、第四代的大规模集

15、成电路，计算机的性能不断提高，其规模急剧扩大，从而推动OS的功能和性能也迅速提高。1.2.1 推动操作系统发展的主要动力2022/8/5334、计算机体系结构的不断提高体系结构的发展也不断地推动着OS的发展并产生新的操作系统类型。例：从单处理机系统发展到多处理机系统，又出现了网络操作系统。1.2.1 推动操作系统发展的主要动力2022/8/534一、人工操作方式 第一代计算机时期，构成计算机的主要元器件是电子管，计算机运算速度慢，未出现OS，用户（程序员）采用人工操作方式操作计算机，手工方式下，用户一个接一个地轮流使用计算机，每个用户的使用过程大致如下 ：先将程序纸带(或卡片)装入输入机，然后

16、启动输入机把程序和数据送入计算机，接着通过控制台开关启动程序运行，当程序运行完毕，由用户取走纸带和计算结果。1.2.2 无操作系统时的计算机系统2022/8/535 (1)用户独占全机。（2）CPU等待人工操作。出现所谓的人机矛盾。另一方面，CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾也日益突出。为缓和此矛盾，先后出现了通道技术、缓冲技术。后来引入的脱机输入输出技术才获得了较为令人满意的效果。1.2.2 无操作系统时的计算机系统2022/8/536二、脱机输入输出方式off-line I/O50年代末出现了脱机输入输出技术。该技术指事先将装有用户程序和数据的纸带（卡）装入纸带（卡）输入机，在一台外围

17、机(卫星机)的控制下把纸带（卡）上的数据（程序）输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时再从磁带上高速地调入内存。1.2.2 无操作系统时的计算机系统2022/8/537当CPU需要输出时由CPU直接高速地把数据从内存送到磁带上，然后再在另一台外围机的控制下，将磁带上的结果通过相应的输出设备输出。由于程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下完成的，称之为脱机输入输出方式。 在主机的直接控制下进行输入输出的方式称为联机输入输出方式。On-line I/O 1.2.2 无操作系统时的计算机系统2022/8/538脱机I/O方式的主要优点：（1）减少了CPU的空闲时间。缓和了人机矛盾。 （2）提

18、高I/O速度。1.2.2 无操作系统时的计算机系统2022/8/53920世纪50年代末，晶体管时代。一、批处理系统的处理过程由监督程序将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行控制权交还给监督程序monitor，再由监督程序把磁带上的第二个作业调入内存。系统就这样自动地一个作业一个作业地进行处理，直至磁带上的所有作业全部完成，形成了早期的批处理系统，由于系统对作业的处理是成批进行的，且在内存中始终只保持一道作业，称之为单道批处理系统。Simple batch processing system1.2.3 单道批处理系统2022/8/540二、单道批处理系统的特征该系统的主要特征如下：（1）自动性

19、。无须人工干预。（2）顺序性。先调入内存的作业先完成。（3）单道性。内存中仅有一道程序并使之运行。1.2.3 单道批处理系统2022/8/54120世纪60年代中期，集成电路时代一、多道程序设计的基本概念 60年代中期引入了多道程序设计技术，形成了多道批处理系统。多道程序设计技术是“将一个以上的作业存放在主存中，并且同时处于运行状态。这些作业共享处理机、外围设备以及其他资源”。现代计算机系统一般都基于多道程序设计技术。1.2.4 多道批处理系统2022/8/542 所谓作业就是用户在一次解题或一个事务处理过程中要求计算机所做工作的集合，包括用户程序、所需的数据及命令等。1.2.4 多道批处理系

20、统2022/8/543引入多道程序设计技术的优点：（1）提高CPU的利用率。引入多道程序设计，可同时把若干道程序装入内存，使它们交替地执行，当正在运行的程序因I/O而暂停执行时，系统可调度另一道程序运行，从而保持了CPU处于忙碌状态。1.2.4 多道批处理系统2022/8/544（2）可提高内存和I/O设备利用率。允许装入多道程序，并可并发执行时，会大大提高内存利用率和I/O设备的利用率。1.2.4 多道批处理系统2022/8/545（3）增加系统吞吐量。保持CPU、I/O设备不断忙碌地同时，必然会提高系统的吞吐量，降低作业加工所需的费用。二、多道批处理系统的特征：大、中、小型机。（1）多道性

21、。计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。1.2.4 多道批处理系统2022/8/546(2)宏观上并行。同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。(3)微观上串行。实际上，内存中的多道程序轮流占有CPU，交替执行。1.2.4 多道批处理系统2022/8/547（4）无序性。多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间，并无严格的对应关系。（5）调度性。作业从提交给系统直至完成，经过两次调度：作业调度。按一定的作业调度算法，从外存的后备作业队列中，选择若干个作业调入内存。进程调度。按一定的进程调度算法，从已在内存的作业中选择一个作业，将处理机分配给它

22、，使之执行。1.2.4 多道批处理系统2022/8/548三、多道批处理系统的优缺点优点：资源利用率高。多个进程并发运行可共享资源，保持资源忙碌状态，使各种资源得以充分利用。系统吞吐量大。吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。大的原因：第一，CPU和其它资源保持“忙碌”状态，第二，仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。1.2.4 多道批处理系统2022/8/549缺点：平均周转时间长。作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。无交互能力。1.2.4 多道批处理系统2022/8/550四、多道批处理系统需要解决的问题1、处理机管理问题：如何调

23、度CPU给并发的进程。2、内存管理问题使每个进程“各得其所”且相互独立，互不干扰1.2.4 多道批处理系统2022/8/5513、I/O设备管理问题如何分配、共享I/O设备。4、文件管理问题如何组织和管理大量的程序和数据，它们才能便于用户使用，并能保证数据的安全性和一致性。1.2.4 多道批处理系统2022/8/5525、作业管理问题系统中的各种应用程序，有的属于计算型（以计算为主），有的属于I/O型（以I/O为主），有的既重要又紧迫，有的要求系统能及时响应，应如何对它们进行组织。1.2.4 多道批处理系统2022/8/553一、分时系统的产生推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提高资源利

24、用率和系统吞吐量，推动分时系统形成和发展的主要动力，则是用户的需要。用户需要表现在如下几个方面1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/5541、人机交互2、共享主机1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/5553、便于用户上机多道批处理系统中，用户上机须把自己的作业送到机房，对于远地用户不是很方便，用户希望通过自己的终端直接将作业传送到机器上进行处理，并能对自己的作业进行控制。1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/556分时系统是指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用

25、户共享主机的资源，每个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机。1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/557在60年代初期，美国麻省理工学院首先开始建立了第一个分时系统CTSS。1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/558 所谓分时是指多个用户分享使用同一台计算机，也就是说把计算机的系统资源(尤其是CPU时间)进行时间上的分割，即将整个工作时间分成一个个的时间段，每个时间段称为一个时间片，从而可以将CPU工作时间分别提供给多个用户使用，每个用户依次地轮流使用时间片。1.2.5 分时系统 time-sharing syst

26、em2022/8/559二、分时系统实现中的关键问题最关键的问题是人机交互。即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也能全部及时地接收并及时处理。1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/5601、及时接收在系统中配置一多路卡（有几个终端，配置几个多路卡），多路卡的作用是使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据，另外，还须为每个终端配置一个缓冲区，用来暂存用户键入的命令。1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/5612、及时处理人机交互的关键是使每个作业都必须在内存中，且能频繁地获得处理机而运行，否则，用户键入的命令将无

27、法作用到自己的作业上。批处理系统无法实现人机交互，因为大多数作业都驻留在外存上，用户键入的命令很难及时地作用到自己的作业上。1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/562即要实现人机交互应该：使所有的用户作业都直接进入内存在不长的时间内，使每个作业都运行一次，使用户键入的命令获得及时处理。1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/563三、分时系统的实现方法 为确保系统能及时处理，彻底改变原来批处理系统的运行方式，方法是：（1）用户作业不能先进入磁盘，然后再调入内存。作业应直接进入内存。1.2.5 分时系统 time-shari

28、ng system2022/8/564（2）不允许一个作业长期占用处理机直至它运行结束或发生I/O请求后，才能调度其它作业运行。应该规定每个程序只运行一很短的时间，然后暂停该作业的运行并立即调度下个程序运行，在不长的时间，能使所有的用户作业都执行一次，便可使每个用户都能及时地与自己的作业交互，从而可使用户的请求能及时得到响应。具体实现方法：1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/5651、单道分时系统 该系统中内存只驻留一道程序，其余作业都在外存上。每当内存中的作业运行一个时间片后，便被调至外存（调出），再从外存上选一个作业装入内存（调入）并运行一个时间片，依

29、此使所有的作业都能在一规定的时间内轮流运行一个时间片，使所有的用户都能与自己的作业交互。例：60年代初期，美国麻省理工学院建立的第一分时系统CTSS。但由于只有一道作业驻留内存，需要频繁地调进调出多次，开销大，系统性能差。1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/5662、具有“前台”和“后台”的“单道”分时系统单道批处理系统中，作业调进调出时CPU空闲，内存中的作业在执行I/O请求时CPU也空闲。为了充分利用CPU,引入了“前台”和“后台”的概念。在具有前、后台的系统中，内存被固定地划分为“前台区”和“后台区”两部分，前台区存放按时间片调进和调出的作业流，后台

30、区存放批处理作业。仅当前台调进/调出时、或前台已无作业可运行时，才可运行后台区中的作业。1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/5673、多道分时系统分时系统引入多道程序设计技术后，可在内存中同时存放多道作业，每道程序无固定位置，作业小时，可多装入几道作业，由系统把已具备运行条件的所有作业排成一个队列，使之依次轮流获得一个时间片来运行。作业切换时都在内存中，不须花费调入、调出开销，具有较好的性能。现代的分时系统都属于多道分时系统。1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/568四、分时系统的特征（四点）（1）多路性。亦即同时性。

31、允许在一台主机上同时联接多台终端，系统按分时原则为每个用户服务。宏观上，是多个用户同时工作，共享系统资源，微观上，是每个用户作业轮流运行一个时间片。1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/569（2）独立性(独占性)。每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。用户感觉像自己独立主机一样。1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/570（3）交互性。分时系统中用户的操作系统方式是联机的，即用户通过终端可以直接控制程序运行，同其程序之间可以进行“会话”，这样程序员就可以把自己想法通过计算机进行检验，并得到进一步发展。1.2.5

32、分时系统 time-sharing system2022/8/571（4）及时性。用户的请求能在很短时间内获得响应，时间间隔是以人所能接受的等待时间，约为23秒。1.2.5 分时系统 time-sharing system2022/8/572一、实时系统的引入 多道批处理系统和分时系统，仍不能满足以下两个领域的需要：1、实时控制 把要求进行实时控制的系统称为实时控制系统。如：火炮的自动控制系统，飞机的自动驾驶系统，导弹的制导系统等。1.2.6 实时系统 real-time system2022/8/5732、实时信息处理 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

33、程终端发来的服务请求，根据用户提出的问题，对信息进行检索和处理，并在很短的时间内为用户做出正确的回答。例：飞机订票系统、情报检索系统等。1.2.6 实时系统 real-time system2022/8/574实时控制和实时信息处理系统统称为实时系统。所谓实时，是表示及时、即时，实时系统是指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。二、实时任务的类型 实时系统中必须存在着若干个实时任务，由它们反映或控制某个外部事件，因而带有某种程度的紧迫性。1.2.6 实时系统 real-time system2022/8/5751、按任务执行时是否呈现

34、周期性来划分（1）周期性实时任务。要求按指定的周期循环执行，以便周期性地控制某个外部事件。（2）非周期性实时任务。任务的执行无明显的周期性，但都必须联系着一个截止时间deadline。又可分：开始截止时间。任务在某时间以前必须开始执行。完成截止时间。任务在某时间以前必须完成。1.2.6 实时系统 real-time system2022/8/5762、根据对截止时间的要求来划分（1）硬实时任务hard real-time task。系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。（2）软实时任务soft real-time task。它也联系一个截止时间，但不严格，错过了任务的截

35、止时间，对系统产生的影响也不会太大。1.2.6 实时系统 real-time system2022/8/577三、实时系统与分时系统的比较1、多路性实时信息处理系统与分时系统都具有多路性。系统按分时原则为多个终端用户服务，实时控制系统，其多路性则主要表现在经常对多路的现场信息进行采集以及对多个对象或多个执行机构进行控制。1.2.6 实时系统 real-time system2022/8/5782、独立性实时信息处理系统与分时系统都具有独立性，每个终端用户在向实时系统提出服务请求时，彼此独立地操作，互不干扰。实时控制系统中信息的采集和对对象的控制，也是彼此互不干扰。3、及时性实时系统对实时性要求

36、与分时系统类似，是以人所能接受的等待时间来确定的。实时控制系统的及时性，一般为秒级、百毫秒级直至毫秒级，甚至低于100微秒。1.2.6 实时系统 real-time system2022/8/5794、交互性实时信息处理系统的交互性是人与系统的交互，并仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序，不像分时系统中能向终端用户提供数据处理服务、资源共享等服务。5、可靠性实时系统要求系统高度可靠。1.2.6 实时系统 real-time system2022/8/580批处理系统、分时系统、实时系统是三种基本的操作系统类型，实际的操作系统可能会兼有三者或其中两者的功能。1.2.6 实时系统 real-ti

37、me system2022/8/5811.3 操作系统的特征和服务1.3.1 操作系统的特征1、并发concurrence 2、共享sharing3、虚拟virtual4、异步性asynchronism1.3.2 操作系统的服务 1、操作系统的公共服务类型 2、系统调用的作用 3、系统调用的类型2022/8/582一、并发concurrence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。1.3.1 操作系统的特征2022/8/583进程，又称为任务。是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。它是一个活动实体。多个进程之间可以并发执行和交换信息。

38、线程、纤程等1.3.1 操作系统的特征2022/8/584二、共享sharing所谓共享是指，系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。由于资源的属性不同，进程对资源的共享方式也不同，可分如下两种方式：1.3.1 操作系统的特征2022/8/5851、互斥共享方式在一段时间内只允许一个进程访问的资源称之为临界资源（许多物理设备及某些变量、表格等）。临界资源要求互斥地被共享。1.3.1 操作系统的特征2022/8/5862、同时(步)访问方式所谓同时，是宏观上的，微观上，这些进程是交替地对该资源进行访问的。如：可供多个进程同时访问的磁盘，一些用重入码编写的文件等。 并发和共享是OS的两个

39、最基本的特征，是互为存在条件的。1.3.1 操作系统的特征2022/8/587三、虚拟virtual 所谓虚拟，是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。1、时分复用虚拟CPU、虚拟设备等2、空分复用电话业务中的频分、逻辑分区、虚拟存储器。1.3.1 操作系统的特征2022/8/588四、异步性asynchronism 即不确定性 “走走停停”的方式1.3.1 操作系统的特征2022/8/589不同OS所提供的服务并不尽同，但有一部分公共服务是相同的。一、OS的公共服务类型1、程序执行 系统必须能够把程序装入内存并运行它，情况正常下能使程序完成，出现异常时，能终止其执行。1.3.

40、2 操作系统的服务（一般了解）2022/8/5902、I/O操作 运行中的程序可以I/O请求的方式，请求OS的服务，对特殊设备，可要求使用其特定的功能，为使系统能有效和安全地管理设备，系统不允许由用户去直接控制I/O设备，而是由OS统一实施管理。1.3.2 操作系统的服务（一般了解）2022/8/5913、文件系统操纵 OS允许用户程序能够读和写文件，还允许用户使用文件名创建、删除和修改文件，及对文件进行保护。1.3.2 操作系统的服务（一般了解）2022/8/5924、通信 OS还提供实现进程之间通信的服务，分两种情况：第一，是相互通信的进程运行在同一个计算机系统中，第二，是相互通信的进程分

41、别处于不同的计算机系统中，它们通过计算机网络联接在一起。现代的OS能同时提供两种服务。1.3.2 操作系统的服务（一般了解）2022/8/5935、差错检测 OS须知道系统中所出现的差错。差错有两种类型： 第一类，是硬件故障，如CPU、存储器、I/O设备及电源等所发生的故障。第二类，是软件异常，如地址越界、非法存取、算术错、占用CPU时间过长等每一类差错，OS都采用适当措施，保证不丢失数据和计算的一致性。1.3.2 操作系统的服务（一般了解）2022/8/594二、系统调用system call的作用OS提供服务的最基本方法是以系统调用的方式提供的，在应用程序中，可通过系统调用来调用OS中的特

42、定过程，以实现特定的服务。如：在应用程序中安排一条创建文件的系统调用，则OS便会调用创建文件的过程为用户创建一个新文件。1.3.2 操作系统的服务（一般了解）2022/8/595又如：在程序中安排一条创建进程的系统调用，OS便会为之创建一个新进程。系统调用本身也是一个由若干个指令构成的过程，但与一般的过程不同，区别是：系统调用是运行在系统态，一般过程是运行在用户态。1.3.2 操作系统的服务（一般了解）2022/8/596 由于应用程序及其所调用的过程都运行在用户态，所以通常应用程序可直接转至其所调用的过程，而一般程序是不能直接进入系统调用的，它必须通过中断进入OS（此时为系统态），然后再转入

43、相应的特定功能（系统调用）过程。三、系统调用的类型1、进程控制类系统调用1.3.2 操作系统的服务（一般了解）2022/8/597此类系统调用包含：用于创建一个新进程的系统调用Create Process,能用于终止一个进程运行的系统调用Terminate process,用于获得指定进程属性的系统调用Get process attributes,及用于设定某进程属性的系统调用Set process attributes等。1.3.2 操作系统的服务（一般了解）2022/8/5982、文件操纵系统调用 包含：用于创建新文件的系统调用Create file，删除文件的系统调用Delete fil

44、e，读或写一个文件，可用读系统调用Read和写系统调用Write，设置文件属性的系统调用Set file attributes和获得某文件属性的系统调用Get file attributes等。1.3.2 操作系统的服务（一般了解）2022/8/5993、设备管理系统调用 OS中把I/O设备看做是一个特殊文件，所以许多对文件进行操纵的系统调用，对设备也是可行的，多用户环境下，用户不能直接使用设备，当进程需要I/O时，须首先利用请求设备的系统调用Request device 请求设备，若系统中该类设备空闲，系统分配给该进程，I/O完成后，进程又应利用释放设备的系统调用Release device

45、来释放该设备。进程请求到所需设备后，利用读系统调用Read来输入数据，或用写系统Write进行数据输出。1.3.2 操作系统的服务（一般了解）2022/8/51004、通信用系统调用不同OS根据的通信方式的不同，所提供的通信用的系统调用也不同：当系统采用消息传送方式时，通信前必须先打开一个连接，为此，由源进程发出一条打开连接的系统调用Open connection ，而接收进程则采用接受连接的系统调用Accept connection表示同意进行通信，然后，发送和接收进程之间便开始通信。再利用读消息系统调用Read message或写消息系统调用Write message来交换信息。通信结束后

46、，利用关闭连接系统调用Close connection来结束通信。1.3.2 操作系统的服务（一般了解）2022/8/51015、信息维护OS提供一类有关信息维护的系统调用。主要用途是在用户程序和OS之间传递信息。如：多数OS都提供了回送当前时间和日期的系统调用，另一些系统调用可用于向用户返回一些有关系统的信息（如当前用户数、OS的版本号、空闲内存和磁盘空间的大小等）。1.3.2 操作系统的服务（一般了解）2022/8/51021.4 操作系统的功能1.4.1 存储器管理的功能1、内存分配2、内存保护3、地址映射4、内存扩充1.4.2 处理机管理的功能1、进程控制2、进程同步3、进程通信4、进

47、程调度1.4.3 设备管理的功能1、缓冲管理2、设备分配3、设备处理4、设备独立性和虚拟设备2022/8/51031.4.4 文件管理的功能1、文件存储空间的管理2、目录管理3、文件的读、写管理和存取控制1.4.5 用户接口1、命令接口2、程序接口3、图形接口1.4 操作系统的功能2022/8/5104存储器管理的主要任务，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。所以存储器管理应具有如下功能：一、内存分配其主要任务：是为每道程序分配内存空间，使它们“各得其所”，以提高存储器的利用率，以减少不可用的内存空间，允许正在运行的程序申请附加的

48、内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。OS实现内存分配时，采取以下两种方式：1.4.1 存储器管理的功能2022/8/5105静态分配方式。每个作业的内存空间是在作业装入时确定的，在作业装入后的整个运行期间，不允许再申请新的内存空间，也不允许作业在内存“移动”。动态分配。每个作业所要求的基本内存空间，也是在装入时确定的，但允许在作业运行过程中，继续申请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增长，也允许作业在内存中“移动”。为实现内存分配，在内存分配的机制中应具有如下结构和功能：1.4.1 存储器管理的功能2022/8/5106内存分配数据结构。该结构用于记录内存空间的使用情况，作为内存分

49、配的依据。内存分配功能。系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存空间。内存回收功能。系统对用户不再需要的内存，通过用户的释放请求，去完成系统的回收功能。1.4.1 存储器管理的功能2022/8/5107二、内存保护 其主要的任务：是确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互不干扰 。绝不允许用户程序访问OS的程序和数据，也不允许转移到非共享的其它用户程序中去执行。 要确保每道程序只在自己的内存区间运行，必须设置内存保护机制。1.4.1 存储器管理的功能2022/8/5108 简单方法是，设置两个界限寄存器，分别用于存放正在执行程序的上界和下界，系统要对每条指令所访问的地址进行越界检查，若

50、发生越界，便发出越界中断请求，以停止该程序的执行。 越界检查由硬件实现，发生越界后的处理，是与软件配合来完成的。1.4.1 存储器管理的功能2022/8/5109三、地址映射 源程序经编译后，会形成若干个目标程序，目标程序经链接后形成可装入程序。程序的地址都是从“0”开始的，程序中的其它地址都是相对于起始地址计算的，由这些地址所形成的地址范围称为“地址空间”，其中的地址称“逻辑地址”或“相对地址”。1.4.1 存储器管理的功能2022/8/5110 另，由内存中的一系列单元所限定 的地址范围称“内存空间”，其中的地址称为“物理地址”。 多道程序环境下，地址空间中的逻辑地址和内存空间中的物理地址

51、是不可能一致的。 所以，存储器管理必须提供地址映射功能，以将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能在硬件的支持下完成的。1.4.1 存储器管理的功能2022/8/5111四、内存扩充 物理内存的容量是有限的，难于满足用户的需要，势必影响到系统的性能。存储器管理中的内存扩充任务，不是去增加物理内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多，即，是使系统能运行的应用程序，其所要求的内存容量比物理内存大得多，或者是让更多的用户程序能并发运行，既满足了用户的需要、改善了系统性能，又不需增加硬件开销。 要从逻辑上扩充内存，

52、系统必须具有内存扩充机制，用于实现下述各功能：1.4.1 存储器管理的功能2022/8/5112请求调入功能。允许在仅装入一部分用户程序和数据的情况下，启动该程序运行，在运行过程中当发现继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存时，可向OS发出请求，由OS临时将所需部分调入内存，以便继续运行。置换功能。若内存中已无足够的空间来装入需要调入的部分时，系统应能将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调至磁盘上，以便腾出内存空间，然后再将所需部分调入内存。1.4.1 存储器管理的功能2022/8/5113 处理机管理的主要任务：是对处理机进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。 多道程序环境下，处理机的分

53、配和运行都是以进程为基本单位，所以对处理机的管理可看作是对进程的管理。包括：1.4.2 处理机管理的功能2022/8/5114一、进程控制 多道程序环境下，作业要运行，必须先为它创建一个或几个进程，并为之分配必要的资源。进程运行结束时，要立即撤消该进程，以便及时回收该进程所占用的各类资源。 进程控制的主要任务，是为作业创建进程，撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。1.4.2 处理机管理的功能2022/8/5115 在OS中，利用若干条进程控制原语或系统调用，来实现进程控制。所谓原语，是指用以完成特定功能的、具有原子性的一段程序。所谓原子性，是指在程序中的一组动作，要么全做，要

54、么全不做。即，原子性是表明该程序所实现的操作(由多条语句所构成)是不可分割的。1.4.2 处理机管理的功能2022/8/5116二、进程同步 进程是以异步方式运行的，并以人们不可预知的速度向前推进。 为使多个进程能有条不紊地运行，系统必须设置进程同步机制。 进程同步的主要任务是对诸进程的运行进行协调。两种协调方式：1.4.2 处理机管理的功能2022/8/5117(1)进程互斥方式。是指诸进程在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式。(2)进程同步方式。指在相互合作完成共同任务的进程间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。 为实现进程同步，系统中必须设置进程同步机制。1.4.2 处理机管理的功能

55、2022/8/5118 最简单的用于实现进程互斥的机制，是为每一种临界资源配置一把锁W，并为该锁设置一对关锁原语Lock(w)和开锁原语Unlock(w)。当锁已打开时，进程可对临界资源进行访问，若关上时，则禁止进程访问该临界资源。 实现进程同步最常用的机制是信号量。1.4.2 处理机管理的功能2022/8/5119三、进程通信 多道程序环境下，由系统为一个应用程序建立多个进程。这些进程相互合作去完成一共同任务，而在这些相互合作的进程之间，需要交换信息。 如：有三个相互合作的进程，输入进程、计算进程和打印进程。 1.4.2 处理机管理的功能2022/8/5120 输入进程负责将所输入的数据传送

56、给计算进程，计算进程利用输入数据进行计算，并把计算结果传送给打印进程，由打印进程把结果打印出来。 进程通信的任务，是用来实现在相互合作的进程之间的信息交换。1.4.2 处理机管理的功能2022/8/5121 若相互合作的进程处于同一计算机系统时，通常采用直接通信方式。即由源进程利用发送命令直接将消息挂到目标进程的消息队列上，以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。 若相互合作的进程处于不同的系统中时，采用间接通信方式，即由源进程利用发送命令将消息送入一个存放消息的中间实体中，以后由目标进程利用接收命令从中间实体中取走消息。 该中间实体通常称为邮箱，相应的通信系统称为电子邮件系统。1.

57、4.2 处理机管理的功能2022/8/5122四、调度 等待在后备队列上的每个作业，要经过调度，才能执行，包括作业调度和进程调度两步。 作业调度的基本任务，是从后备队列中按照一定的算法，选择若干个作业，为它们分配必要的资源(首先是分配内存)。1.4.2 处理机管理的功能2022/8/5123 将它们调入内存后，为它们建立进程，使之成为可能获得处理机的就绪进程，并将它们按一定算法插入就绪队列。 进程调度的任务，是从进程的就绪队列中，按照一定的算法选出一新进程，把处理机分配给它，并为它设置运行现场，使进程投入运行。1.4.2 处理机管理的功能2022/8/5124 进行作业调度和进程调度时，必须遵

58、循某种调度算法。作业调度算法与进程调度算法是相似的。 如：先来先服务，即最先调度先进入后备队列(就绪)的作业(进程)。 又如：优先权高者优先调度算法，系统为每个作业(进程)赋予一个优先权，调度程序对队列中的作业(进程)的优先权进行比较，从中选出优先权高的作业(进程)，进入内存(或分配处理机)。1.4.2 处理机管理的功能2022/8/5125 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，以及方便用户使用I/O设备。 要实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理，及虚拟设备等功能。 1.4.3 设备管理的功能

59、2022/8/5126一、缓冲管理 其基本任务，是管理好各种类型的缓冲区(如字符缓冲区和字符块缓冲区)，以缓和CPU和I/O速度不匹配的矛盾，最终达到提高CPU和I/O设备利用率，进而提高系统吞吐量的目的。常见的缓冲区机制： 单缓冲机制、能实现双向传送数据的双缓冲机制、及能供多个设备同时使用的公用缓冲池机制。1.4.3 设备管理的功能2022/8/5127二、设备分配 其基本任务是，根据用户的I/O请求，为之分配其所需的设备。 如：若在I/O和CPU之间存在设备控制器和I/O通道时，须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。1.4.3 设备管理的功能2022/8/5128 要实现设备分配，系统

60、中要配置设备控制表、控制器控制表等数据结构，用于记录设备以及控制器的标识符和状态。说明该设备是否可用，是否忙碌，以供设备分配时参考。 进行设备分配时，针对 不同的设备类型而采用不同的设备分配方式，设备用完后应立即收回。1.4.3 设备管理的功能2022/8/5129三、设备处理 设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务是，实现CPU和设备控制器之间的通信。即由CPU向设备控制器发出I/O指令，要求它完成指定的I/O操作，并能接收由设备控制器发来的中断请求，给予及时的响应和相应的处理。1.4.3 设备管理的功能2022/8/5130 处理过程： 设备处理程序，首先检查I/O请求的合法性，了解设