第01章 操作系统引论

计算机操作系统（第三版）

汤小丹著西安电子科技大学出版社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31.1操作系统的目标和作用1.计算机系统的组成

一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统按功能可分为：计算机软件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备指程序和程序相关的文档的集合。软件系统软件：应用软件:由计算机厂家提供，具有通用功能为解决实际问题而研制的软件。1.1操作系统的目标和作用2.计算机系统的层次结构图1.1计算机系统的层次结构注:操作系统是裸机上加载的第一层软件。编译器、编辑器、命令解释器3.操作系统的目标

目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下4点：

1.方便性

2.有效性

3.可扩充性

4.开放性

:指凡是能遵循世界标准规范,特别是遵循开放系统互连OSI国际标准的硬件和软件,能彼此兼容,可方便地实现互连.4.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；

OS作为计算机系统资源（处理器、存储器、I/O设备、数据和程序等信息）的管理者；

OS用作扩充机器（虚机器）；5.推动操作系统发展主要动力不断提高计算机资源利用率、吞吐率方便用户器件的不断更新换代计算机体系结构的不断发展1.2操作系统的发展及分类1、概述

操作系统历史划分为4个阶段

第1阶段

硬件非常昂贵，没有操作系统

第2阶段

硬件昂贵，人力便宜

第3阶段

硬件较以前便宜，人力昂贵

第4阶段

硬件非常便宜，人力昂贵一、操作系统的发展

实现：控制台一个用户

一次完成一个功能（计算，I/O，用户思考/反应）程序通过卡片装入用户在控制台前调试程序缺点：工作效率非常低

每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码

工作量大，难度高，易出错，需要大量人力和物力第1阶段硬件非常昂贵，没有操作系统1、简单批处理：装入程序、运行、打印结果、撤出、再重复用户把程序（卡片或磁带）交给负责调度的操作员（系统管理员）常驻监控程序自动地装入程序、运行、撤出作业第2阶段硬件昂贵，人力便宜2、多道程序批处理系统在磁盘上多个作业等待运行在内存多道程序-同时运行多个作业

选择若干作业准备运行（调度）并装入内存（存储管理）运行一个作业，当它等待时切换至内存中的另一个作业（如需安装磁带，等键按下）多道程序设计：多个用户共享系统增加：存储保护，重定位利用率高（多个作业）有必要采用并发程序设计技术操作系统成为研究焦点：需要处理复杂性

首次面对重大失败：-MULTICS于1963年开始，直至1969年才发布-IBM的OS/360发布时，带着已知的1000个错误第3阶段硬件较以前便宜，人力昂贵

交互式分时处理

一台计算机，多个便宜终端-所有用户可与系统立即交互-调试比较方便

磁盘便宜，故可在线存放程序和数据-1张穿孔卡片=100个字节-1MB=10K卡片

新问题-易于使用，提高人的生产力-合理的响应时间-引入文件系统，使用户可存取数据

解决-需要抢占式调度以便保持适当的响应时间-需要避免抖动（程序在内存中过于频繁的对换）-需要提供适用的安全检测

成功：一群计算机迷(Tomson,Ritchie)在贝尔实验室发展出了UNIX。1969年，在贝尔退出MULTICS研制项目后，KenThompson和DennisM.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UNIX随后，UNIX用C语言全部重写，自此，UNIX诞生了第4阶段硬件非常便宜，人力昂贵目标：

充分利用人和时间个人计算雏形CPU便宜到可在每台终端上安装，功能强大有效-成为大众的计算机

放弃多道程序、并发和保护机制，更注重交互和响应时间，使OS回归简单网络

允许不同机器很容易共享资源操作系统的历史:

变化!意味着技术总在改变要适应、折衷权衡迄今为止，各操作系统均属于下列操作系统之一或它们的组合。⑴单用户(微机)操作系统⑵批处理系统⑶分时系统⑷实时系统⑸网络操作系统⑹分布式操作系统⑺多处理机操作系统以单处理机系统为主以多处理机系统为主基本的操作系统为：批处理系统、实时系统、分时系统二、操作系统的分类1.2.1单道批处理系统1.单道批处理系统的处理过程批处理:是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。工作过程:(1)操作员将收到的一批作业信息存入外存，等待处理⑵单道批处理操作系统从外存中依次选择作业，按其作业说明书的规定自动地控制它的运行，并将结果存入外存。⑶操作员将该批作业的运行结果，打印输出分发给用户图1-3单道批处理系统的处理流程2.单道批处理系统的特征

单道批处理系统是最早出现的一种OS，严格地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。该系统的三主要特征如下：(1)自动性：作业一个一个自动接受处理，期间任何用户不得对系统的作业进行干预。

(2)顺序性；先调入内存的作业先完成。(3)单道性；每次仅允许一个用户进入内存1.2.2多道批处理系统1.多道程序设计的基本概念

在计算机内存中同时存放若干道已开始运行尚未结束的程序，它们交替运行，共享系统中的各种硬、软件资源，从而使处理机得到充分利用。

在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。卡片早期批处理系统IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带磁带机卡片阅读机输出磁带打印机图1-4单道和多道程序运行情况

2.多道批处理系统的4个特点多道性：多道指某个作业占用CPU，若由于某种原因暂时不用CPU则系统让第二个作业占用CPU。无序性调度性:作业调度（外存到内存），进程调度（在内存中选择一个分配处理机，投入运行）。成批处理：用户自己不能干预自己作业的运行，一旦发现作业错误不能及时改正，并延长开发软件时间，所以适用于成熟的程序。3.多道批处理系统的优缺点

资源利用率高；(2)系统吞吐量大；(3)可提高内存和I/O设备利用率；(4)平均周转时间长；(5)无交互能力。适合大型科学计算、数据处理。4.多道批处理需要解决的问题

处理机管理问题。(2)内存管理问题。(3)I/O设备管理问题。(4)文件管理问题。(5)作业管理问题。1.2.3分时系统1.分时系统(Time-SharingSystem)的产生

分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型OS。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。用户的需求具体表现在以下几个方面：(1)人—机交互

(2)共享主机

(3)便于用户上机主机终端图1-7分时系统示意图2.分时系统的思想采用时间片轮转的方法，同时为许多终端用户服务，对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话的功能。时间片：将CPU的时间划分成若干个片段,称为时间片，操作系统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务。设计目标：对用户的请求及时响应，并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率。适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。3.分时操作系统特点多路性交互性“独占”性及时性同时有多个用户使用一台计算机宏观上：是多个人同时使用一个CPU微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU用户根据系统响应结果进一步提出新请求(用户直接干预每一步)用户感觉不到计算机为其他人服务（OS提供虚机器，各个用户的虚机器互不干扰）用户的请求能在很短时间内获得响应,此时间间隔以人所能忍受确定4.影响响应时间的因素终端数目多少调度算法（时间片的选取）信息交换量和信息交换速度机器处理能力请求服务的时间长短及服务请求的分布1.2.4实时系统“实时”：是表示“及时”，而实时系统(Real-TimeSystem)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。是具有特殊用作的专用系统特点：及时性要求高，系统可靠性高。

1.实时操作系统的分类实时控制系统：指以计算机为中心的生产过程控制系统，又称计算机控制系统。如：钢铁冶炼和钢板轧制的自动控制、炼油、化工生产过程的自动控制,军事控制等。实时信息处理系统：计算机及时接收从远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，并在很短时间内对用户做出正确回答。例如：银行，机票订购系统、股市行情实时信息处理系统等。2.实时任务按任务执行时是否按周期划分：a.周期性任务(周期性控制外部设备)b.非周期性任务（开始截止时间、完成截止时间）按截止时间的要求来划分：a.硬实时任务(系统必须满足任务对截止时间的要求.)b.软实时任务(也有截止时间,但不严格,即使错过影响也不大)3.实时系统与分时系统特征的比较实时系统

分时系统（1）多路性：多路采集信息多个用户同时工作（2）独立性：信息采集不干扰每个用户各占一终端（3）及时性：s,ms,百微s2,3秒钟（4）交互性：仅限于访问系统特定服务向终端用户提供数据处理服务、资源共享服务等（5）可靠性：高相对低1.2.6网络操作系统1、计算机网络：指把地理上分散的具有独立功能的多个计算机和终端设备，通过通信线路加上连接，以达到数据通信和资源共享的一种计算机系统。在网络中各独立的计算机仍有各自的操作系统，只有它们在进行相互通信时，才会用到网络操作系统。注意：2、网络操作系统：在网络范围内用于管理网络通信和共享资源，协调各计算机上任务的运行，并向用户提供统一的有效方便的网络接口的程序集合。网络通信

(建立和拆除通信链路,传输控制,差错控制,流量控制,路由控制)资源管理

(对共享软硬资源管理,保证数据安全性, 一致性)提供多种网络服务

(e-mail,共享硬盘及打印)提供网络接口

(向用户提供统一的网络接口，以方便用户上网，获得共享资源和网络服务。)3、网络操作系统的基本功能1.2.7分布式操作系统1、分布式系统：

是以计算机网络为基础的，它的基本特征是处理上的分布，即功能和任务的分布。分布式操作系统的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。2、分布式操作系统特征1）系统内只有一个全局操作系统，采用分布式控制的办法，负责全系统的资源管理和运行控制。2）资源进一步共享:系统内包含有多个物理资源和逻辑资源，它们可以动态地分配给各个任务3）透明性:用户不了解所占有资源的位置,网络操作系统中对网络资源的使用要由用户明确指定.4）自治性:处于分布式系统的多个主机处于平等地位，无主从关系,所有资源都必须高度自治而相互配合地工作，它们之间不存在层次控制或主从控制的关系。5）处理能力增强、速度更快、可靠性增强3、

网络和分布式的区别

(1)网络操作系统可以构架于不同的操作系统之上，也就是说，它可以在不同的本机操作系统上，通过网络协议实现网络资源的统一配置，在大范围内构成网络操作系统；分布式操作系统是由一种操作系统构架的。(2)分布式系统资源为所有用户共享,用户无需知道资源在哪；网络有限制地共享(3)分布式系统中若干个计算机可相互协作共同完成一项任务1.2.8嵌入式操作系统什么是嵌入式系统？在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机”通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统嵌入式系统软件：用于提供系统所需的功能和灵活性硬件=（处理器、存储器…）用于提供所需的性能以及部分安全机制专用门阵列模拟I/O处理器核存储器嵌入式操作系统，是运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件在嵌入式系统中的OS，称为嵌入式操作系统典型嵌入式操作系统的特性

完成某一项或有限项功能；不是通用型的在性能和实时性方面有严格的限制能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要因素占有资源少、易于连接系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成以便满足最终产品的设计要求嵌入式操作系统的应用嵌入计算的各种应用特点掌上电脑： 运算速度：100KIPS

在大小上优化、支持手写、低能耗工业设备： 运算速度：1MIPS

安全优先，控制流程为主军事装备 运算速度：1GFLOPS

可靠性最重要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1.3操作系统的基本特性（重点）1.操作系统的定义操作系统可定义为如下三方面的内容：⑴有效控制和管理计算机硬件资源和软件资源⑵合理地组织计算机的工作流程⑶方便用户使用,为用户提供一个良好的界面操作系统（OperatingSystem，简称OS）是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的一些程序模块的集合。2.操作系统的特征操作系统基本特征包括：

并发性、

共享性、

虚拟性

异步性(1)并发性并行性: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。程序的并发执行，有效地改善了系统资源的利用率和提高了系统的吞吐量，但它使系统复杂化，操作系统必须具有控制和管理各种并发活动的能力。

进程：在系统中能够独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个活动实体。多个进程之间可以并发执行和交换信息。线程：作为独立运行的基本单位。一个进程包含了多个线程。共享性共享：系统中的资源可以供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用。有两种方式对资源共享：

a.互斥共享方式把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源（或称为独占资源）

b.同时共享方式（宏观的，在微观上是互斥访问）允许在一段时间内由多个进程“同时”对他们进行访问。如：多用户同时访问磁盘，并发和共享关系

并发和共享是操作系统两个最基本的特征，这两者之间又是互为存在条件的：资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题。若系统不能对资源共享实施有效的管理，也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。(3)虚拟性在操作系统中，所谓虚拟，是指把一个物理上的实体，变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前