操作系统第1章

1、操作系统主讲教师：朱若凡徐州师范大学计算机学院1操作系统教程孙中秀主编 高等教育出版社出版计算机操作系统汤子瀛等编著 西安电子科技大学出版社OPERATING SYSTEM CONCEPTS （第六版）美Abraham Silberschatz等编 高等教育出版社出版参考书2本课程成绩的组成卷面成绩 60%平时成绩 30%期中成绩 10%3第一章 绪论1.1 什么是操作系统1.2 操作系统的基本特征1.3 操作系统的类型1.4 操作系统的发展历史1.5 实用操作系统介绍1.6 操作系统的安装与引导1.7 操作系统的运行环境1.8 如何学习操作系统4 什么是操作系统说说你所用过的（或知道的）操作

2、系统有哪些？ 下面这些软件中哪些是操作系统呢? QQ、DOS、WINDOWS、TURBO-C、WORD、FOXPRO、UNIX、C语言源程序、VI和LINUX 5操作系统在计算机系统中的地位用户1用户2用户3用户4用户n财务系统航空订票上网浏览电子商务科学计算（应用程序）编译程序汇编程序编辑程序数据库（系统程序）操作系统计算机硬件6操作系统的目标 方便性 以命令（或图形方式）方式代替手工方式（或程序方式）操作机器有效性 使CPU及各I/O设备有效利用（充分忙碌） 可扩充性 便于修改或增加功能 开放性 结构开放乃至源代码开放7操作系统的定义 操作系统（operating system，简称OS）

3、是负责计算机系统的全部系统资源的分配、调度和管理，通过为用户提供简单、直观、灵活的接口，方便用户使用计算机，并合理有效地组织计算机工作流程的一种系统软件。 8操作系统的功能资源管理角度计算机资源的管理者： 处理机管理、内存管理、I/O设备管理、文件管理用户角度用户与计算机硬件系统之间接口，通过用户接口提供服务。 用户接口包括：命令接口、程序接口9处理器管理 在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程 为基本单位，因而对处理机的管理归结为对进程的管理。 （1）进程控制 创建、撤消进程，进程状态转换 通过原语或系统调用实现 （2）进程同步 协调进程间的关系 互斥和同步 同步机制 如锁、信号量

4、（3）进程通信 进程间的信息交换 直接通讯和间接通讯 （4）进程死锁 死锁的预防、避免、检测和解除 （5）进程调度 为进程分配处理机 核心为调度算法 10内存管理（1）内存的分配与回收 为进程分配存储空间 ，分为静态分配和动态分配（2）地址转换 将程序中的逻辑地址转换为内存中的物理地址，也称为地址重 定位 （3）存储保护 防止程序相互干扰，硬、软件结合实现（4）存储共享 多个作业共同使用同一存储空间 解决存储空间不足（5）内存的逻辑扩充 在不增加物理内存的情况下 向用户提供海量存储空间 11设备管理任务：分配与回收设备 驱动设备 响应I/O请求目的：提高I/O设备利用率 方便使用I/O设备 （

5、1）缓冲管理 解决CPU与I/O速度不匹配 缓冲机制：单缓冲、双缓冲、缓冲池（2）设备分配 分配设备（含通道、控制器） 设备分配表（3）设备处理 设备驱动程序控制设备工作（4）设备独立性和虚拟设备 设备独立性（device independence) 指应用程序独立于物理设备，即用户程序与物理设备无关 虚拟设备 将一个物理设备变换为多个与之对应的逻辑设备，供多个用户共享12文件管理（1）文件空间管理 分配、回收文件空间（2）目录管理 目录登记文件，实现文件按名存取，共享与保护（3）文件读写和存取控制 实现对文件的具体访问 防止文件被坏 13操作系统的接口命令接口（键盘命令）脱机用户接口联机用户

6、接口程序接口（系统调用）SHELL编程系统调用其他编程14操作系统的结构设计传统的操作系统结构无结构操作系统模块化OS结构分层式OS结构现代的操作系统结构 微内核OS结构15无结构操作系统（第一代） 早期的操作系统多数都采用这种体系结构。这种体系结构其实是没有结构的，各组成单位密切联系，好似“铁板一块”。 16模块化OS结构（第二代） 所谓模块就是完成一定功能的子程序，它是构成软件的基本单位。 操作系统中有大量的模块，但这些模块是无序的，各个模块之间可直接调用，不分层次，结构如图所示。进程控制进程调度内存分配内存保护磁盘管理目录管理操作系统文件管理存储器管理进程管理模块子模块17模块化OS结构

7、（第二代）优点各个模块可以单独设计，这样就缩短了开发周期缺点 模块的划分与接口的规定很困难，且模块间的相互依赖是很强的，而且调用关系复杂，给分析、移植和维护带来了很大困难。18分层式OS结构（第三代） 设计思想： 层次结构的操作系统是模块化的，就是将操作系统分成许多层，每一层都是在它的下一层模块的基础上实现。 最底层是硬件，最上层是用户接口。 运行效率高的放在最低层。 公用模块设置在最低层。 MS-DOS操作系统就是比较典型的例子。19层次化结构图用户接口文件服务处理器调度硬 件优点： 容易扩充系统的功能。 各层功能的实现、调试等都是相对独立的。 简化了接口设计内存和I/O设备管理用户应用程序

8、用户应用程序20微内核OS结构 基本思想：把所有操作系统基本上都具有的那些操作放在内核中，而操作系统的其它功能由内核之外的服务器实现，通过消息传递把客户、服务器与内核联系在一起。 21微内核技术微内核 它将各种操作系统共同需要的核心功能（如，中断处理等）提炼出来，形成微内核的基本功能。微内核实现了操作系统的本质功能，是操作系统的小核心。服务器 核外部分，在微内核提供支持的基础上通过各种服务器实现操作系统的非本质功能 。消息机制 消息传递使那些相对独立的服务器联系在一起，也同微内核联系在一起，形成一个有机的整体，共同而又协调地工作，成为一个操作系统产品。 22微内核操作系统模型23操作系统的基本

9、特性 并发性（Concurrence）共享性（Sharing）虚拟性（Virtual）异步性（Asynchronism）24并发性 所谓并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。即在内存中放多道作业， 在一个时间段上来看，每一道作业都能不同程度地向前推进。但在任何一个时间点上只能有一道占用CPU。 与并发相关的两 个概念：串行：在内存中每次只能放一道作业，只有它完全执行完后别的作业才能进入内存执行。并行：指两个或多个事件在同一时刻发生。存在于有多个CPU的环境中， 在内存中放多道作业，在任一时间点上都可能有多道作业在不同的CUP上同时执行。 并行是一种物理的、或微观的同时性概念； 并发是一种

10、逻辑的、或宏观的同时性概念； 单处理机系统不能实现并行，但可实现并发； 多处理机系统既可实现并发，又可实现并行。25共享性共享性系统中的资源可供多个并发的进程共同使用。两种共享方式互斥共享方式：指某个资源在一段时间内只允许一个进程访问，这种资源称临界资源（独占资源）；同时共享方式：指某个资源在一段时间内允许多个进程同时使用。但这里的同时的概念是宏观的，微观上则可能是交替地对资源进行访问。26虚拟性虚拟是指将一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体。前者是实的后者是虚的，是一种感觉性存在，如虚CPU、虚存、虚设备等。 虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。CPU每个用户（进程）的

11、虚处理机存储器每个进程都占有的地址空间 （指令数据堆栈）显示设备多窗口或虚拟终端27异步性（不确定性、随机性）操作系统必须随时对以不可预测的次序发生的事件进行响应。 进程的运行速度不可预知： 这是由共享和并发引起的在操作系统中可运行多道用户程序，而每个用户程序的运行时间、要使用哪些系统资源、使用多长时间、使用的资源是共享还是独占的，操作系统在程序运行前是不知道的。所以多个进程并发执行，是“走走停停”，无法预知每个进程的运行推进快慢。 难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误） 注意：同一程序在相同的初始数据下，无论何时运行都应获得同样的结果。28操作系统的类型 批处理操作系统分时操作

12、系统实时操作系统单用户操作系统网络操作系统分布式操作系统并行操作系统嵌入式操作系统29单道批处理操作系统单道批处理系统的工作过程用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入到辅存（如磁带）上，形成一个作业队列。当需要调入作业时，监控程序从这一批中选一道作业调入内存运行。当这一作业完成时，监控程序调入另一道程序，直到这一批作业全部完成。监控程序：操作系统的雏形。单道批处理系统的特征单道性自动性顺序性30对单道批处理阶段的评价(1) 作业转换时间大大减小，系统运行效果提高(2) 内存中只有一道作业，无法充分利用系统资源(3) 程序员（和非编程用户）无法同计算机交互31多道批处理操作系统多道程序设计的基

13、本概念在内存中放多道程序,使它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。多道批处理系统的特征多道性无序性调度性 多道批处理系统的优缺点优点：资源利用率高；系统吞吐量大。缺点：无交互能力32 分时操作系统（1）分时系统的产生 主要动力是用户的需要：人机交互共享主机分时系统的实现方法多个用户分时使用主机，每一用户分得一个时间片，用完这个时间片后操作系统将处理机分给另一用户，如此循环，每一用户可以周期性地获得CPU使用权，这样每一用户都有一种独占CPU的感觉。 33分时系统图示34分时系统（2）分时系统的特征多路性：同一主机联接多台终端；独立性：每一用户独占一个终端；及时性：用户请求能及时响应；交互性：可

14、人机对话。分时系统举例UNIX操作系统35实时操作系统(1)实时系统的引入实时控制：如工业控制；炼钢时锅炉温度的控制；拦截导弹，飞机自动驾驶等。 实时信息处理：如联网订票系统。实时操作系统是指计算机能在规定的时间内,及时响应外部事件的请求,同时完成对该事件的处理,并能够控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统.36实时操作系统(2)实时操作系统分类硬实时系统:有严格的时间要求,否则会产生严重的不良后果.如:火箭和导弹控制、飞行控制软实时系统:有一定的时间范围要求，不满足要求会影响系统的服务质量，但不会引发灾难性后果。如：视频信息处理、银行、飞机定票等是软实时系统的典型应用领域。实时系

15、统的特征及时性可靠性专用性交互性注意：以上三种为操作系统的基本类型37单用户操作系统也称个人计算机操作系统计算机系统在同一时间只为一个人使用。 单用户单任务操作系统所有资源归一个程序使用DOS、CP/M单用户多任务操作系统一个用户可以同时运行多个程序Windows38网络操作系统网络操作系统的引入为了管理网络中的共享资源，实现用户通信以及向用户提供多种有效的服务。网络操作系统的特点网络上的计算机是独立自治的其OS是在个人计算机OS的基础上增加了网络通信模块，网络服务模块。网络操作系统举例Microsoft公司的WindowsNTNovell公司的Intrenetware 39分布式操作系统分布

16、式操作系统是由若干台独立计算机构成，整个系统给用户的印象是一台计算机分布式操作系统的特点多机合作：是自动的任务分配和协调健壮性：是指局部故障时自动重构新系统40并行操作系统并行操作系统是并行计算机发挥高性能的基础和保障并行操作系统举例Standford大学的V-KernelBell实验室的Meglos41嵌入式操作系统嵌入式操作系统指运行在嵌入式计算机环境中，对整个系统及所有操作的各种部件、装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制的系统软件。嵌入式操作系统的特点微型化：内存少，不配置外存，运算速度有限可定制：能运行在不同的微处理器平台上实时性、可靠性、易移植性42操作系统的发展历史手工操作时期

17、手工操作方式直接使用计算机硬件系统监控程序时期它是为了减少人工操作时间和作业转换时间提高CPU利用率而设计的。多道程序与操作系统成熟时期出现了多道批处理系统、分时系统和实时系统，出现通用操作系统软件工程与操作系统发展时期(集成电路）微机操作系统的出现，网络操作系统、分布式操作系统、并行操作系统、嵌入式操作系统43手工操作时期电子管时代（1946-1955）工作方式 由程序员手工把程序纸带装上输入机，启动输入机把程序和数据送入计算机，控制作业的输入输出，通过控制台开关启动程序运行，计算完毕后，用户拿走打印结果，并卸下纸带。缺点用户独占机器程序运行前的准备时间过长人机矛盾44监控程序时期晶体管时代

18、（1955-1965）工作方式 操作员按照各用户作业的性质组成一批作业，将这批作业统一从纸带或卡片输入到磁带上，然后由监控程序依次把磁带上的作业装入内存进行处理，完成后再自动选择下一个作业运行，直到这批作业全部处理结束。监控程序：操作系统的雏形。出现了CPU与I/O速度不匹配的矛盾45多道程序设计集成电路时代（1965-1980）多道程序设计是指允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计算的方法。从宏观上看:多个程序同时运行；从微观上看:多个程序交替执行；引入多道程序设计技术的根本目的提高资源利用率和系统吞吐率，但对每道程序来说，却延长了计算时间，及以牺牲用户的响应时间为代价的。46推动操作系统发展的动力不断提高计算机资源利用率的需要；方便用户；器件的不断更新换代； 电子管-晶体管-集成电路计算机体系结构的不断发展。47实用操作系统介绍Windows客户端: Windows 1.0/2.0,Windows3.X,（16位） Windows 95/98/ME(1632混合内核） Windows 2000