操作系统第一章

1、操作系统主讲 陈晓明2014年9月Email: minny- Tel:3600543(H) 2022/10/71第一章 操作系统引论教材：汤小丹.计算机操作系统（第四版）.西安电子科技大学出版社 参考书：邹恒明.计算机的心智-操作系统之哲学原理. 机械工业出版社Andrew S.Tanenbaum.现代操作系统.机械工业出版社 William Stallings. 操作系统内核与设计原理. 电子工 业出版社张献忠. 操作系统学习辅导. 清华大学出版社2022/10/72第一章 操作系统引论参考网站中大操作系统CAI:/os/南开操作系统CAI：2/OSTEACH/fr

2、ame_4.asp贵大操作系统 CAI:36贵大开放实验系统: 372022/10/73第一章 操作系统引论本课程地位专业核心课程考研核心课程技术开发的理论基础2022/10/74第一章 操作系统引论操作系统与其它专业课程的关系前趋基础课程计算机组成原理（组织与结构）程序设计基础数据结构后继发展课程软件工程数据库基础计算机网络高级程序设计2022/10/75第一章 操作系统引论成绩考核方法作业、出勤率：20考试成绩：80注意：作业、报告上交时间2022/10/76第一章 操作系统引论本课程内容第一章 操作系统引论第二章 进程的描述与控制第三章 处理机调度与死锁第四章 存储器管理第五章 虚拟存储

3、器第六章 输入输出系统第七章 文件管理第八章 磁盘存储器的管理第九章 操作系统接口2022/10/77第一章 操作系统引论第一章 操作系统引论操作系统是什么？在计算机运行过程中扮演什么角色？它的来历是什么？它有一些什么基本概念？我们应如何看待操作系统？它是如何参与到程序的执行过程中的？2022/10/78第一章 操作系统引论第一章 操作系统引论1.1 操作系统的目标和作用1.2 操作系统的发展过程1.3 操作系统的基本特性1.4 操作系统的主要功能1.5 操作系统的硬件环境1.6 OS结构设计2022/10/79第一章 操作系统引论魔术师 将丑陋变得美好，将没有变为有，将少变为多；管理者 对所

4、有计算机资源进行管理以达到公平和效率的“双料”境界操作系统所扮演的角色2022/10/710第一章 操作系统引论程序是如何运行的？程序设计语言高级语言程序编译器和汇编器机器语言程序操作系统（加载器、文件、内存）进 程操作系统（CPU调度，进程管理）CPU上执行操作系统（文件、输入输出）结 果人工编写程序语言执行环境指令集结构2022/10/711第一章 操作系统引论操作系统是什么?操作系统为你完成所有 “硬件相关、应用无关”的工作，以给你 方便、效率、安全2022/10/712第一章 操作系统引论计算机系统： 计算机软件计算机硬件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备操作系统是什么?计算

5、机硬件2022/10/713第一章 操作系统引论 编译程序 操作系统 解释程序 系统软件 语言处理系统 汇编程序 常用的例行程序 库连接程序等计算机软件 连接编译程序 诊断排错程序 应用软件 ：火车售票系统、超市管理系统2022/10/714第一章 操作系统引论操作系统的定义 操作系统（operating system，简称OS）是计算机系统中的一个系统软件，它是这样一些程序模块的集合它们管理和控制计算机系统中的软件和硬件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作用。 2022/10/715第一

6、章 操作系统引论1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标方便性（配置OS后计算机系统更容易使用）有效性（改善资源利用率，提高系统的吞吐量）可扩充性（为适应计算机硬件、体系结构以及计算机应用发展的要求。与OS的结构联系紧密，推动了OS结构不断发展）开放性（OS应遵循世界标准规范。是90年代后计算机技术的核心问题，是衡量新出系统或软件能否被广泛应用的至关重要的因素）2022/10/716第一章 操作系统引论操作系统的作用计算机硬件设备如何使用？底层硬件控制用户输入处理结果课程导论2022/10/717第一章 操作系统引论操作系统的作用OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口命令方式系统调用方式图形

7、、窗口方式2022/10/718第一章 操作系统引论OS作为计算机系统资源的管理者处理器存储器I/O设备文件（数据和程序）操作系统的作用2022/10/719第一章 操作系统引论操作系统的作用OS实现了对计算机资源的抽象裸机：没有配置任何软件的计算机软件是在硬件基础之上对硬件的性能加以扩充和完善把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器OS包含了若干个层次，因此在裸机上覆盖OS后，便可获得一台功能显著增强，使用极为方便的多层扩充机器或多层虚机器。2022/10/720第一章 操作系统引论推动操作系统发展的主要动力不断提高计算机资源的利用率（多道批处理系统、SPOOLing系统、虚拟存储器技术、网络

8、环境下的网络文件系统和数据库系统）方便用户（分时系统、图形用户界面）器件的不断更新换代（随微机芯片的发展，微机OS也不断发展；OS支持的外设越来越多）计算机体系结构的不断发展（OS由单机系统发展为多机系统；计算机网络OS)不断提出新的应用需求(实时OS，嵌入式OS)2022/10/721第一章 操作系统引论1.2 操作系统的发展过程 操作系统因由客观的需要而产生，它伴随着计算机技术及其应用的发展而逐渐发展和不断完善，它与运行其上的计算机组成与体系结构休戚与共，它的功能由弱到强，在计算机系统中的地位不断提高，至今，它已成为计算机系统的核心。2022/10/722第一章 操作系统引论1.2 操作系

9、统的发展过程 操作系统的产生 1.2.1 人工操作阶段（20世纪40年代） 1.2.2 单道批处理阶段（ 20世纪50年代） 1.2.3 执行系统阶段（20世纪60年代初）操作系统的形成 1.2.4 多道批处理（ 20世纪60年代中） 1.2.5 分时系统（ 20世纪60年代后）1.2.6 实时操作系统（ 20世纪60年代后）2022/10/723第一章 操作系统引论操作系统的发展（80年代开始）1.2.7 微机操作系统1.2.8 多处理机操作系统1.2.9 网络操作系统1.2.10 分布式操作系统1.2.11 嵌入式操作系统2022/10/724第一章 操作系统引论1.2.1 人工操作阶段

10、电子管计算机，无操作系统，由手工控制作业的输入输出,通过控制台开关启动程序运行。 用户使用计算机的过程大致如下：先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，然后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。2022/10/725第一章 操作系统引论手工交互方式的特点(1) 程序设计直接编制二进制目标程序 (2) 输入输出设备主要是纸带和卡片 (3) 程序员上机必须预约机时(4) 程序员自己上机操作 (5) 程序的启动与结束处理都以手工方式进行(6) 程序员的操作以交互方式进行(控制台) (7) 单用户方式(8) 程序执行过程得不到任何帮助2022/10/7

11、26第一章 操作系统引论手工交互方式的缺点用户独占计算机手工装卸、人工判断、手工修改与调试内存指令等造成CPU空闲；提前完成造成剩余预约时间内的CPU完全空闲；I/O设备的慢速与CPU的速度不匹配造成的CPU空闲等待时间。2022/10/727第一章 操作系统引论1.2.2 单道批处理系统 晶体管计算机，操作系统的雏形，称为监督程序。 为缩短手工操作的时间，使作业与作业之间的过渡摆脱人为干预，实现自动化，便出现了批处理（把若干个作业合成一批，调入计算机执行，完成后再调入下一批作业） 单道批处理： 联机批处理 脱机批处理 2022/10/728第一章 操作系统引论 用户将作业交到机房，操作员将一

12、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，监督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，监督程序调入另一道程序，直到这一批作业全部完成。单道批处理系统的工作过程2022/10/729第一章 操作系统引论联机批处理：由CPU直接控制作业输入输出脱机批处理：由外围机控制作业输入输出2022/10/730第一章 操作系统引论联机批处理和脱机批处理2022/10/731第一章 操作系统引论卡片IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带磁带机卡片阅读机输出磁带打印机脱机批处理2022/10/732第一章 操作系统引论作业（步）间不需要人的干预监控程序常驻内存

13、，开机后第一个进入内存，直到关机一直驻留在内存中专职操作员，程序员不在现场单道监控程序只为一个计算机系统设计开发过程可以使用FORTRAN等高级语言，程序的最后一条指令需是返回控制到监控程序单道批处理阶段的特征2022/10/733第一章 操作系统引论作业转换时间大大减小，系统运行效果提高（自动性、顺序性）存在I/O慢造成的CPU空闲等待时间（单道）程序员（和非编程用户）无法同计算机交互一个操作系统被设计成只能在一种机器上运行对单道批处理系统的评价2022/10/734第一章 操作系统引论批处理操作系统重要实例IBM开发的FORTRAN监视系统FMS，用于IBM709；IBM开发的基于磁带的工

14、作监控系统IBSYS，用于IBM7090和7094；密歇根大学开发的UMES(密歇根大学执行体系统），用于IBM7094。2022/10/735第一章 操作系统引论1.2.3 执行系统阶段批处理仍有缺点：如需要额外的卫星机、磁带机的装卸需要手动操作等20世纪60年代初期，硬件在两个方面取得了重要的进展：通道的引入和中断技术的出现。这是操作系统发展史上的重要事件，推进操作系统进入执行系统阶段。执行系统阶段是操作系统的初级阶段，它为操作系统的最终形成奠定了基础。2022/10/736第一章 操作系统引论1.2.4 多道批处理系统操作系统发展史上革命性变革。多道程序设计技术：在内存中存放多道程序,使

15、它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。2022/10/737第一章 操作系统引论单道和多道程序工作过程比较2022/10/738第一章 操作系统引论多道程序运行的特点多道。宏观上并行：同时有多道程序在内存运行，某一时间段上，各道程序不同程度地向前推进。微观上串行：任一时刻最多只有一道作业占用CPU，多道程序交替使用CPU 。2022/10/739第一章 操作系统引论多道批处理系统的工作过程在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了多道批处理系统。 用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入到辅存（如磁盘）上，形成一个作业队列。当需要调入作业时，管理程序从这一批中选几道作业调入内存，让它们进入内

16、存运行。当一些作业完成时，管理程序调入另一些程序，直到这一批作业全部完成。 2022/10/740第一章 操作系统引论多道批处理系统的优点资源利用率高。资源指CPU及设备。系统吞吐量大。系统吞吐量指系统在单位时间完成的总工作量。2022/10/741第一章 操作系统引论多道批处理系统的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。2022/10/742第一章 操作系统引论多道批处理系统典型的多道批处理系统是IBM的OS/360，它运行在IBM的第三代计算机System/360，System/370，System/4300等上。202

17、2/10/743第一章 操作系统引论1.2.5 分时系统推动多道批处理系统形成和发展的动力是提高资源利用率和系统吞吐量。推动分时系统形成和发展的主要动力是用户的需要：交互、共享主机、方便上机。分时系统是指在一台主机上连接多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的键盘，以交互的方式使用计算机，共享主机中的资源。2022/10/744第一章 操作系统引论图示主机终端2022/10/745第一章 操作系统引论分时系统实现中的关键问题 实现人机交互是即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理。及时接收作业直接进入内存、不允许一个作业长期占用处理机2022/10

18、/746第一章 操作系统引论分时系统实现中的关键问题及时处理（划分时间片） 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。2022/10/747第一章 操作系统引论分时系统的特征多路性：允许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：可进行广泛的人机对话。2022/10/748第一章 操作系统引论分时操作系统分时操作系统里最有名的应该是MULTICS和UNIX。分时操作系统通常运行在第三代机PDP，VAX和CRAY上，其

19、中PDP，VAX是DEC公司生产的，CRAY是CRAY公司生产的。2022/10/749第一章 操作系统引论1.2.6 实时操作系统实时系统（RealTime System）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。实时控制：如工业控制、武器的控制等。 实时信息处理：如联网订票系统。2022/10/750第一章 操作系统引论1.2.5 实时操作系统实时系统的特征：多路性独立性及时性交互性可靠性2022/10/751第一章 操作系统引论实时操作系统商业实时操作系统的代表有VxWorks和EMC的DART系统。2022/10/752第一章

20、 操作系统引论1.2.7 微机操作系统 单用户单任务OS：只允许一个用户上机、且只允许用户程序作为一个任务运行。最具代表性的是CP/M和MS-DOS。 单用户多任务OS：只允许一个用户上机、但允许将一个用户程序分为若干个任务，使它们并发执行。最具代表性的是OS/2和MS-WINDOWS。 多用户多任务OS：允许多个用户通过各自的终端使用同一台主机，共享主机的各类资源，同时用户程序又可进一步分成几个任务，使它们并发执行。最具代表性的是UNIX OS。2022/10/753第一章 操作系统引论CP/M 操作系统随着大规模集成电路发展，个人计算机时代到来了,各种类型的个人计算机和软件层出不穷1973

21、年Gary Kildall看到对个人计算机操作系统的需求,设计了CP/M操作系统(Control Program/Microprocessor or Microcomputer)CP/M操作系统有较好的层次结构。它的BIOS把操作系统的其他模块与硬件配置分隔开，所以它的可移植性好, 具有较好的可适应性和易学易用性到了1981年，CP/M操作系统成为世界上流行最广的8位操作系统之一2022/10/754第一章 操作系统引论微软MS DOS个人计算机的成功，逼得IBM采取紧急战略行动,决定要在1980年尽快生产出微型计算机，以应付挑战但没有操作系统不行。要想快就是找现成系统配套，IBM公司洽谈 C

22、P/M操作系统不顺利，机遇落到了微软公司在关键时刻，开发新操作系统时间和人手上已经不可能，微软找到西雅图计算机产品公司，达成由微软经销西雅图计算机产品公司的QDOS操作系统的协议当时西雅图公司并不知道QDOS将被转卖给IBM，否则历史将会怎样演变，谁也无法知晓2022/10/755第一章 操作系统引论IBM在1981年推出个人计算机，宣布了DOS操作系统随着IBM PC和MS DOS普及，CP/M逐渐走向下坡路MS DOS有优良的文件系统 但受到Intel x86体系结构的限制，缺乏以硬件为基础的存储保护机制随着IBM PC机及其兼容机的畅销，MS DOS成为16位微机单用户单任务操作系统标准

23、从1981的 1.0版到1998年在Windows 95/98之下的7.0版，MS DOS历经了16个年头迄今仍有MS DOS爱好者继续开发各种DOS软件产品微软MS DOS2022/10/756第一章 操作系统引论IBM OS/2 1987年4月，IBM公司在宣布下一代个人系统PS/2的同时，发表了OS/2。 它是一种在80286保护方式下工作的单用户多任务操作系统 该系统的硬件必须以80286或80386为芯片，存储容量在1MB以上并带有硬盘。 OS/2能够实现真正的多任务处理，它允许16个任务并发执行，能在最大16MB实存及1GB虚存之间进行地址映射，并具有可运行原MS DOS软件的机制

24、2022/10/757第一章 操作系统引论微软Windows 操作系统1983年10月，PC机竞争厂家的图形界面相关产品上市面对市场压力，比尔.盖茨在1983年11月10日宣布推出Windows操作系统然而宣布容易，交货就不简单了，Windows交货期的灾难，成了当年计算机界的笑柄直到1985年11月20日，Windows 1.0才正式上市2022/10/758第一章 操作系统引论Windows 的历史记录 Windows在当时微软历史上创了几个记录：延迟交货次数最多，投入开发人员最多，开发时间最长，更换主管人员最多 1990年微软公司推出的Windows 3.0以其易学易用、友好的图形用户界

25、面、支持多任务的优点，很快占领了市场。 1992年推出的Windows 3.1版，提供了386增强模式，提高了运行速度，功能也更强大。 1993年推出了Windows NT是一个全新的32位多任务操作系统，成为Windows家族中功能最强并支持网络功能的操作系统。 1995年推出了Windows 95,之后在此基础上又推出了Windows 97、98 ，提供了Internet浏缆器和网络功能，使它们成了当今个人计算机上最广泛使用的操作系统。 个人计算机采用Windows占90以上，微软公司成了垄断PC行业的同义词2022/10/759第一章 操作系统引论Windows系列2022/10/760

26、第一章 操作系统引论多处理机系统（70年代）的类型：紧密耦合MPS：多处理机通过高速线路互连，它们共享主存和外设。松散耦合MPS：通过通道或通信线路实现多台计算机互连，每台计算机可独立工作，必要时通过通信线路与其它计算机交互。1.2.8 多处理机操作系统2022/10/761第一章 操作系统引论多处理机操作系统的类型：非对称多处理模式：主从模式，主处理机只有一个，配置操作系统。从处理机可有多个。对称多处理模式：所有处理机都相同。操作系统可根据需要运行于其中的任一处理机上。2022/10/762第一章 操作系统引论 计算机网络：通过通讯设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互连起来的，实

27、现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。 网络操作系统的特征：（1）计算机网络是一个互连的计算机系统的群体。（2）这些计算机是自治的，每台计算机有自己的操作系统，各自独立工作，它们在网络协议控制下协同工作。（3）系统互连要通过通信设施（软、硬件）来实现。（4）系统通过通信设施执行信息交换、资源共享、互操作和协作处理，实现多种应用要求。1.2.9 网络操作系统2022/10/763第一章 操作系统引论1.2.10 分布式操作系统 在以往的系统中，其处理和控制功能都高度集中在一台主机上，所有的任务都由主机处理，这样的系统称为集中式处理系统。所谓分布式系统，是指由多个分散的处理单元经网络的连

28、接而形成的系统。在分布式处理系统中，系统的处理和控制功能都分散在系统的各个处理单元上。系统中的所有任务可以动态地分配到各个处理单元中去。 2022/10/764第一章 操作系统引论分布式操作系统 与网络操作系统的比较分布性：在分布式系统中只有一个分布式操作系统，而在网络系统中各个结点可以有不同的网络操作系统。并行性：分布式系统中可以将一个或多个任务动态分配到不同的单元上，在网络系统中每个用户的一个或多个任务通常都在本地处理。透明性：分布式系统具有透明性，如用户要访问某文件，他只需要知道文件名，无需知道文件在哪个站点。对网络系统来说，用户要访问一个文件时要知道文件名及位置。2022/10/765

29、第一章 操作系统引论 共享性：在分布式系统中，各站点的所有资源都可供全系统共享，在网络系统中一般仅有服务器上的部分资源可供全网共享。健壮性：分布式系统有健壮性，当某站点出现故障时，正在该站点处理的任务能被自动迁移到好的站点。在网络系统中若服务器故障往往导致全网瘫痪。分布式操作系统 与网络操作系统的比较2022/10/766第一章 操作系统引论 1.2.11 嵌入式操作系统在机器人、PDA、车载系统、家用电器、手机等设备上，都需要一个支持多道程序设计的环境，提供这种环境的操作系统称为嵌入式操作系统（Embedded Operating System)。嵌入式操作系统大多用于控制，因而具有实时特性

30、。代表性的嵌入式操作系统有WinCE(微软公司的Vinus计划)、PalmOS、VxWorks、国内的Hopen(女娲计划)等2022/10/767第一章 操作系统引论1）可裁减性：嵌入式操作系统的硬件配置和应用需求差别很大，要求嵌入式操作系统必须具备较好的适应性，即可裁减。2）可移植性：在嵌入式开发中存在多种多样的CPU和底层硬件环境，仅流行的CPU就会达到十几款，在设计时必须充分考虑，通过一种可移植方案来实现不同硬件平台上的移植。3）可扩展性：指可以很容易地在嵌入式操作系统上扩展新的功能。这要求在进行系统设计时，充分考虑功能之间的独立性，并为将来的扩展预留接口。嵌入式操作系统与一般操作系统

31、的差别2022/10/768第一章 操作系统引论嵌入式操作系统的应用智能卡移动通信计算机外设机顶盒零售设备印刷机复印机互联网服务器电话交换设备2022/10/769第一章 操作系统引论1.3 操作系统的基本特性 1.3.1 并发（Concurrence）1.3.2 共享（Sharing）1.3.3 虚拟（Virtual）1.3.4 异步性（Asynchronism）2022/10/770第一章 操作系统引论1.3.1 并发 所谓并发是指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

32、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： 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CPU上同时执行。 2022/10/771第一章 操作系统引论引入进程：程序是静态实体，在多道程序系统中，不能并发执行，操作系统引入进程的目的就是为了使多个程序能并发执行。引入线程：进程是操作系统中可以拥有资源并作为独立运行的基本单位。当一个进程因故不能继续运行时，操作系统便调度另一进程运行。由于进程拥有自己的资源，故使调度付出的开销较大，为此20世纪80年代中期，人们引入了比进程更小的单位线程，以便进一步提高系统的并发性。2022/10/

33、772第一章 操作系统引论1.3.2 共享共享：系统中的资源可供多个并发的进程共同使用。两种资源共享方式： 互斥共享方式（临界/独占资源） 同时访问方式并发与共享互为条件！2022/10/773第一章 操作系统引论1.3.3 虚拟通过某种技术将一个物理实体映射为若干个逻辑上对应物。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。操作系统中利用了两种方式实现虚拟技术：时分复用技术和空分复用技术2022/10/774第一章 操作系统引论时分复用技术即分时使用方式，在计算机领域中，广泛利用该技术来实现虚拟处理机、虚拟设备等，以提高资源的利用率。 虚拟处理机技术：利用多道程序设计技术，为每道程

34、序建立一个进程，让多道程序并发地执行，以此来分时使用一台处理机。即利用多道程序设计技术，把一台物理上的处理机虚拟为多台逻辑上的处理机，在每台逻辑处理机上运行一道程序。 虚拟设备技术：可以通过虚拟设备技术，将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备，这样便可使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备（即临界资源），变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。2022/10/775第一章 操作系统引论空分复用技术由频分复用技术发展而来。在计算机中使用空分复用技术来提高存储空间的利用率。 虚拟磁盘技术：通过虚拟磁盘技术将一台硬盘虚拟为多台虚拟磁盘

35、，即将硬盘划分为若干个卷，再通过安装程序将它们分别安装在C、D、E等等逻辑驱动器上，这样机器上便有了若干虚拟磁盘，使用起来即方便又安全。 虚拟存储器技术：空分复用是利用存储器的空闲空间来存放其它程序，以提高内存的利用率。但单纯的空分复用存储器不能实现逻辑上扩大存储器容量的功能，必须引入虚拟存储技术才能达到此目的。而虚拟存储技术在本质上就是使内存分时复用，它可以使一道程序通过时分复用方式，在远小于它的内存空间运行。2022/10/776第一章 操作系统引论应着重指出：如果虚拟的实现是通过时分复用的方法来实现的，即对某一物理设备进行分时使用，设N是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则每台虚拟设备

36、的平均速度必然等于或低于物理设备速度的1/N。类似地，如果是利用空分复用方法来实现虚拟，此时一台虚拟设备平均占用的空间必然也等于或低于物理设备所拥有空间的1/N。2022/10/777第一章 操作系统引论1.3.4 异步性多道程序环境下，多个进程并发执行，但只有进程在获得所需资源后方能执行。在单处理机环境下，每次只允许一个进程执行，其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源要求时，如打印请求，此时打印机正在为另一进程打印，因此正在执行的进程必须等待，且放弃处理机，直到打印机空闲，并再次把处理机分配给该进程时，该进程方能继续执行。即进程的执行通常是以“走走停停”的方式运行。内存中的每个进程在

37、何时获得处理机运行，何时又因提出某种资源请求而暂停，进程以怎样的速度向前推进，每道程序需多少时间才能完成，等等，都是不可预知的，此即进程的异步性。2022/10/778第一章 操作系统引论1.4 操作系统的主要功能 1.4.1 处理机管理 1.4.2 存储管理 1.4.3 设备管理 1.4.4 文件管理1.4.5 用户接口2022/10/779第一章 操作系统引论1.4.1 处理机管理 处理机是最重要的资源，现代操作系统允许多个程序共享处理机，按照某种算法（分时、优先级）交替地使用处理机。处理机管理包括以下几方面：进程控制、进程同步、进程通信、调度2022/10/780第一章 操作系统引论1.

38、4.2 存储管理 第二重要资源。存储器管理要具备下列功能：内存分配 地址映射：把程序中的逻辑地址映射为物理地址 存储保护：使多道程序间互不干扰存储扩充：用辅存扩充主存，实现“虚拟存储器” 2022/10/781第一章 操作系统引论1.4.3 设备管理最庞大、琐碎的部分，因为： 物理设备品种繁多、用法各异 各种外设能和主机并行工作主机与各类外设速度极不匹配，级差很大2022/10/782第一章 操作系统引论主要任务: 完成用户进程提出的I/O请求 为用户进程分配其所需的I/O设备 提高CPU和I/O设备的利用率 提高I/O速度 方便用户使用I/O设备2022/10/783第一章 操作系统引论设备

39、管理的功能缓冲管理：为设备提供缓冲区以缓和CPU与设备的I/O速度不匹配的矛盾。 设备分配 设备处理（设备驱动程序）：实现CPU和设备控制器之间的通信。2022/10/784第一章 操作系统引论1.4.4 文件系统管理文件系统管理的功能： 文件存储空间管理。目录管理：为了用户方便找到他所需的文件。 文件的读写管理和保护：文件保护就是防止文件被非法使用。2022/10/785第一章 操作系统引论1.4.5 操作系统与用户之间的接口用户接口：为了便于用户直接或间接地控制自己的作业。 （联机用户接口、脱机用户接口和图形用户接口）程序接口：为用户程序在执行中访问系统资源而设置的。由一组系统调用组成。2

40、022/10/786第一章 操作系统引论1.5 操作系统的硬件环境1.5.1 定时装置：为实现系统的管理和维护，硬件必须提供定时装置，即实时时钟。硬件时钟通常有两种，即绝对时钟和间隔时钟 1.绝对时钟：类似电子表，其值保存在硬件寄存器中，开机时由电源供电计时，关机时由机内电池供电计时，程序一般可通过特权指令设定、修改和读取其值。 操作系统根据绝对时钟的值记录作业进入系统和处理的时间、文件修改和存取的时间、资源占用时间、日志记录时间等 2022/10/787第一章 操作系统引论2.间隔时钟：也称闹钟，它每隔固定的时间，如10ms，发生一次时钟中断。时钟中断发生后，操作系统获得系统的控制权，以便运

41、行系统管理和实现程序开发。只有通过中断才能实现多道程序设计，尽管还有其他可能引起中断的事件，但时钟中断是最“可靠”的，因此间隔时钟是现代操作系统的基础2022/10/788第一章 操作系统引论1.5.2 系统栈：这是内存中操作系统空间的一个固定区域，它主要有两个用途：中断响应时保存中断现场，对于嵌套中断，被中断程序的现场信息依次压入系统栈，中断返回时逆序弹出；保存操作系统子程序间相互调用的参数、返回值、返回点以及子程序的局部变量。 每个运行程序有一个对应的系统栈，进程切换时同时伴随系统栈的切换，但硬件只有一个系统栈指针。2022/10/789第一章 操作系统引论1.5.3 特权指令和非特权指令

42、：现代计算机的指令系统由特权指令集和非特权指令集两部分组成，它们的使用与系统状态有关。 1.特权指令：只能在管态下才能执行的指令，如开关中断、修改地址映射寄存器、置程序状态字、停机等。这些指令一般只有操作系统才能执行。 2.非特权指令：在管态和目态下均可执行的指令,它的执行只与运行程序本身有关，如数据传送指令、算术运算指令等。2022/10/790第一章 操作系统引论1.5.4 处理机状态及状态转换 1.处理机状态：为构造一个可靠的系统，硬件至少要区分两种状态:管态和目态，它由一位触发器标识，通常属于程序状态字(PSW)的一部分。 （1）管态：也称为系统态、核心态，是操作系统运行时所处的状态。

43、计算机处于管态时可运行硬件所提供的所有指令。利用特权指令可以修改程序状态字，即在管态下可以改变机器状态，由管态转换为目态 （2）目态：也称为用户态，是一般用户程序运行时所处的状态。处理器在处于目态时只能执行非特权指令。一旦用户程序在目态下执行特权指令，硬件将产生中断，进入操作系统，特权指令的执行将被制止。目态程序不能将其运行的状态转换为管态，这样就可以防止用户侵入系统，从而起到保护系统的作用。2022/10/791第一章 操作系统引论2.状态转换：在系统运行的过程中，处理器的状态处于动态变化中，但变化是有规律的。 （1）目态到管态的转换：目态程序无法直接控制处理器的状态转换，唯一的途径是中断。

44、中断发生时，中断向量中的处理器状态字应标识处于管态，这个标识一般是由操作系统初始化程序来设置的。 （2）管态到目态的转换：可通过修改程序状态字来实现。由于操作系统运行于管态，用户程序运行于目态，因此这种状态转换伴随着由操作系统到用户程序的转换。2022/10/792第一章 操作系统引论1.5.5 地址映射机构:在多道程序系统中，内存中同时存在多个程序，一个程序在内存中的存放位置是随机确定的，而且通常可以改变，因此程序不能采用物理地址，而只能采用逻辑地址。为使每个程序的基本单位都能从0开始编址，硬件需要提供地址映射机构，负责将运行程序所产生的逻辑地址转换为内存的物理地址。地址映射机构在不同的硬件

45、环境中不尽相同，它在很大程度上确定了存储管理方式。2022/10/793第一章 操作系统引论1.5.6 存储保护设施：在多道程序系统中，一个程序有意或无意产生的错误地址可能会侵犯其他程序空间甚至操作系统空间，一个程序对公共存储区域试图执行非法操作，这些都有可能影响其他程序甚至整个系统。为防止这些情况的发生，硬件必须提供存储保护措施，当发生存储越界错误或非法存取错误时，硬件的存储保护设施能够立即发现，并触发中断进入管态加以制止。2022/10/794第一章 操作系统引论1.5.7 中断装置：发现并响应中断的硬件机构，具有以下两个功能： 1.发现中断：中断发生时能够识别。有多个中断事件同时发生时，

46、按优先级别响应最高者。 2.响应中断：将目前运行进程的中断向量PSW和PC压入系统栈，然后根据中断原因到指定的内存单元将新的中断向量取出并送到寄存器中，从而控制转到相应的中断处理程序。2022/10/795第一章 操作系统引论1.5.8 通道与DMA控制器 为使处理器从繁重的输入输出操作中解脱出来，同时为了增加处理器与设备之间、设备与设备之间的并行度，硬件提供了通道。通道是专门负责输入输出操作的处理器，具有自己的指令系统，可以执行通道程序，完成CPU委托的输入输出操作任务。 DMA是与通道相似的输入输出方式，DMA控制器接受CPU的委托完成数据在内存与块设备之间的传输。与通道相比，DMA控制器

47、相对简单，没有专门的指令系统，一般一次只能传输一个数据块。2022/10/796第一章 操作系统引论操作系统纵览下面让我们顺着历史轨迹纵览各个时期的操作系统2022/10/797第一章 操作系统引论单道批处理操作系统1、FMS（FORTRAN Monitor System，FORTRAN监控系统）2、IBMSYS（IBM为7090和7094机配备的操作系统）3、UMES（密歇根大学执行体系统，用于IBM7094）-操作系统的黎明2022/10/798第一章 操作系统引论IBM OS/360（多道批处理系统）1964 年IBM 宣布推出System/360计算机 第一个采用小规模集成电路的主流机

48、型0S/360在技术上和理念上都是划时代的操作系统。它引进了内存的分段管理，提供了资源管理和共享，允许多个I/O同时运行，CPU和磁盘操作可以并发。2022/10/799第一章 操作系统引论IBM OS/360, 庞大的软件怪兽数千名程序员写的数百万行汇编语言代码 系统自身占据了大量存储空间和一半的CPU时间数百万行汇编代码中有成千上万处错误IBM不断发行新的版本试图更正这些错误 每个新版本在更正老错误的同时又引入新错误所以随着时间的流逝，错误的数量大致保持不变2022/10/7100第一章 操作系统引论MULTICS的灾难1965年在ARPA的支持下MIT、贝尔实验室和DEC公司决定开发一种

49、“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 （MULTiplexed 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2022/10/7101第一章 操作系统引论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，DEC公司也退出了MULTICS引入了许多现代操作系统的概念雏形，对随后操作系统特别是UNIX的成功有着巨大的影响

50、2022/10/7102第一章 操作系统引论UNIX 一个极为成功的操作系统2022/10/7103第一章 操作系统引论UNIX概述多用户多任务操作系统目前三大主流操作系统之一跨越从PC到巨型机范围的唯一操作系统有许多变种与克隆2022/10/7104第一章 操作系统引论UNIX发展简史产生：69年ATT公司贝尔实验室Thompson&Ritchie，PDP-7第二阶段（73-79）：免费扩散第三阶段（7585）：商用版本的出现（77年）和三大主线的形成第四阶段（80年代后期）：两大阵营和标准化第五阶段（90年代至今）：共同面对外来竞争、两大阵营淡化2022/10/7105第一章 操作系统引论

51、UNIX的诞生1969年，在贝尔退出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2022/10/7106第一章 操作系统引论UNIX的诞生为了使游戏能够在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UNIX1973年，UNIX用C语言全部重写。2022/1

52、0/7107第一章 操作系统引论第二阶段（73-79）免费扩散73年后，UNIX迅速以许可证形式免费传播到各大学。这些大学、研究机构对UNIX进行了深入研究、改进和移植。AT&T又将这些改进加入到UNIX。众多大学免费使用UNIX，使学生们熟悉了UNIX，他们毕业后将UNIX传播到各地。2022/10/7108第一章 操作系统引论第三阶段（7585）商用版本的出现（77年）和三大主线的形成UNIX的发展导致许多公司开发自己机器上UNIX增值商业版本。 UNIX变种大量增加。这些变种围绕3条主线：由Bell实验室发布的UNIX研究版（V1到V10）；伯克利发布BSD；Bell发布的UNIX Sy

53、stem III和 System V。BSD对UNIX的发展有重要影响，许多新技术是BSD率先引入的：TCP/IP，分页存储管理，快速文件系统，套接字等。2022/10/7109第一章 操作系统引论第四阶段（80年代后期）两大阵营和标准化80年代后期，UNIX变种的增多导致了程序的不兼容性和不可移植，因此迫切需要标准化。87年AT&T同SUN合作将System V和SUN OS统一为一个系统。其它厂商（IBM、DEC、HP等）感到了威胁，于是联合起来在88年成立了开放软件基金会（OSF）。作为回应AT&T和SUN成立了UNIX国际（UI）。2022/10/7110第一章 操作系统引论第四阶段（

54、80年代后期）两大阵营和标准化IEEE尝试将两大阵营统一起来，制定了POSIX标准。在标准化的过程中，各厂商总想加入一些特性来标榜自己的“产品特色和优势”，这使得标准化没有完全成功。2022/10/7111第一章 操作系统引论第五阶段（90年代至今）共同面对外来竞争、两大阵营淡化80年代是UNIX蓬勃发展的十年，进入90年代，Windows的发展、Linux的出现，两大阵营的争斗很快淡化下来。2022/10/7112第一章 操作系统引论UNIX发展简图2022/10/7113第一章 操作系统引论UNIX主要变种概况2022/10/7114第一章 操作系统引论UNIX评析早期优点：内核结构小巧精

55、湛接口简洁统一功能丰富实用用高级语言编写和好的结构导致可移植性好源码免费开放早期缺点：缺乏图形界面内核单体结构可扩充性差现在这些优缺点有的还在，有的没有了结构越来越庞大源码免费开放和简单许可证形式促进了早期的普及，但也导致各变种间的不兼容图形界面大大增强内核仍是单体结构源码不开放后又开始开放2022/10/7115第一章 操作系统引论拯救苹果公司的Macintosh(MAC OS)在推出IBM PC机后，市场卷起一股龙卷风IBM自己也没有料到产品会有如此巨大的成功IBM的成功说明必有其他公司失败。甚至连苹果公司也遇到了问题，销售数量落到了兰色巨人的后面苹果公司推出Lisa机遭到失败，Apple

56、 III型也遭到失败2022/10/7116第一章 操作系统引论施乐(Xerox)Palo Alto研究中心-70年代的计算机研究思想库世界上第一台个人计算机Alto，1972年在这里出现图形界面，手持鼠标，面向对象程序设计 微机网络，桌面出版和激光打印等等 具有先进概念和技术的原型都首次出现在这里2022/10/7117第一章 操作系统引论1979年苹果公司允许施乐公司购买一百万股的苹果公司股票 作为回报，施乐公司允许苹果公司的少数人员，包括乔布斯（Jobs），在有限的时间内考察施乐公司Palo Alto研究中心内部，并同该思想库的研究人员交谈苹果公司对Palo Alto研究中心内的技术大感

57、吃惊他们更吃惊的是，施乐公司在拥有这些宝贵技术的同时竟然什么也没有做！2022/10/7118第一章 操作系统引论对Palo Alto研究中心这些科学家们而言，苹果公司的人是他们第一次遇到真正理解他们技术的人这些科学家们后来有的去了苹果公司，微软公司，有的最终创办了自己的公司在访问的基础上，苹果决定立即开发采用这些新技术的个人计算机2022/10/7119第一章 操作系统引论MAC OS、鼠标的新型个人计算机1984年，人们看到一则广告：“What was that?”和对Macintosh的介绍, 这是配有图形界面操作系统 MAC OS和鼠标的新型个人计算机MAC机一上市立即在市场上获得极大

58、的成功当年比尔.盖茨都说，这是一台他的妈妈也能使用的计算机Macintosh把苹果公司从连续的失败中拯救出来 苹果公司又开始向前发展正是Mac先进图形界面操作系统技术，超前PC机若干年，造就了一批苹果的忠实追随者2022/10/7120第一章 操作系统引论基于微内核的Mach操作系统系统设计者之一Richard Rashid 移居到CMU后，在DARPA支持下，1984年开始了Mach的开发希望Mach能与UNIX兼容，运行线程，更好的进程通信机制，支持多处理机及好的虚拟存储系统Mach第一个版本是1986年为VAX 11/784四CPU多处理机发布1988年的Mach 2.5版包含了大量的B

59、SD UNIX的代码1989年，Mach 内核中去掉了所有的BSD UNIX的代码，剩下了一个纯的Mach微内核，这就是Mach 3.0版本，它是OSF/1发布的基础2022/10/7121第一章 操作系统引论Mach中采用了许多当代操作系统使用的技术, 微内核、线程、进程间消息传递和面向对象的设计方法等等在Mach的基础上，有不少用于微处理器、多处理器以及超级计算机的操作系统和实时嵌入式操作系统陆续设计和开发出来，如OSF/1，DCE Unix, NeXT等等2022/10/7122第一章 操作系统引论IBM大型计算机操作系统OS/39090年代末期，电子商务发展刺激对计算能力的要求，导致大

60、型机市场的再度升温三十年的改进,IBM OS/390已成为有高可靠性、可扩展性、及安全可用性的现代大型计算机系统支持UNIX 95标准，UNIX应用程序可在IBM OS/390上运行同时还可继续运行OS/390应用程序，包括OS/370上开发的应用程序包括TCP/IP的多种通信协议，具有高网络安全性采用面向对象程序设计、并行处理、分布式处理以及客户机/服务器技术，具有较强的互操作性、可移植性与可扩展性2022/10/7123第一章 操作系统引论由于历史渊源，OS/390有不同的系统运行方式: OS/370本机模式，支持原先在OS/370运行的程序 ESA/390模式，支持到10个240M处理器