第1章操作系统引论-1

操作系统主讲：刘亚辉1课程安排：上课：48学时上机：20学时考试方式：闭卷试卷：80%；平时：20%讲授内容：操作系统引论进程管理处理机调度与死锁存储管理设备管理文件管理2参考书：1、《计算机操作系统》郁红英，清华大学出版社2、《操作系统概念》[美]Silberschatz等编著

，郑扣根译，高等教育出版社。3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

45计算机系统计算机系统软件硬件系统软件应用软件操作系统：Windows、Unix、Linux语言处理程序：汇编、编译程序等办公软件、信息管理系统、各种软件包等输入设备：键盘、鼠标、扫描仪

输出设备：显示器、打印机

外

存：硬盘、光盘、闪存

外部设备主机运算器控制器内存CPU随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)高速缓冲存储器(Cache)

回顾

操硬件作统

系用软件硬件与软件的关系头颅人的头颅与思想的关系操作系统作用

文化、思想

应67计算机硬件内存插槽总线插槽接口卡CPU并行口USB接口芯片组鼠标口键盘口串行口回顾插槽内存条8冯.诺依曼提出“存储程序”原理

计算机采用二进制码（0，1）存储与处理在内存中存储程序与数据计算机由（运算器、控制器、存储器、输入和输出）五大基本部件组成输入设备内存储器输出设备中央处理器运算器控制器程序数据结果数据控制命令信号控制命令信号地址指令数据图1计算机的硬件组成回顾9各部件的主要功能存储器：存储各种信息的部件运算器：进行算术运算和逻辑运算的部件控制器：控制指挥所有部件协调工作的部件指令：让计算机工作的命令，由操作码和操作数构成程序：完成某项任务的指令集合输入设备：输入信息到计算机内部，转换信息输出设备：将计算机内部的信息输出回顾1011存储器访问速度快信息暂时性相对价格高访问速度慢信息永久性相对价格低微型计算机存储器分内部存储器和外部存储器内部存储器外部存储器回顾121.1操作系统的目标什么是操作系统？操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度、以及方便用户使用的程序集合。下列哪些软件是操作系统？OfficeFoxProWindows8DOSUnixLinuxPowerPointMacOS131.1.1操作系统的目标1.方便性

一个未配置OS的计算机系统是极难使用的，因为计算机硬件只能识别0和1这样的机器代码。如果我们在计算机硬件上配置了OS，用户便可通过OS所提供的各种命令来使用计算机系统。

2.有效性（1）资源忙，而得到有效的利用

（2）数据有序而节省存储空间

（3）合理地组织计算机工作流程

143.可扩充性（1）适应硬件与网络发展要求；（2）应采用层次化结构4.开放性指系统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。90年代以后计算机技术的一个核心问题。

15161.1.2操作系统的作用1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口2.OS作为计算机系统资源的管理者3.OS实现了对计算机资源的抽象（用作扩充机器）软件接口，给用户提供三种方式(用户通过三种方式使用计算机，用以操纵硬件和运行自己的程序)：（1）命令方式（2）系统调用方式（3）图形、窗口方式1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口图1-1OS作为接口的示意图

182.OS作为计算机系统资源的管理者（1）处理机管理（2）存储器管理（3）设备管理（4）文件管理193.OS实现了对计算机资源的抽象裸机：

无任何软件的计算机系统扩充机器：

覆盖了软件的机器又称虚拟机图1-2I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节

20为了方便用户使用文件系统，人们又在第一层软件上再覆盖上一层用于文件的管理软件，同样由它来实现对文件操作的细节，并向上提供一组对文件进行存取操作的命令，用户可利用这组命令进行文件的存取。此时，用户所看到的是一台功能更强、使用更方便的虚机器。该层软件实现了对硬件资源操作的第二个层次的抽象。而当人们又在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件后，用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能更强的虚机器。由此可知，OS是铺设在计算机硬件上的多层系统软件，它们不仅增强了系统的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，由它们实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象。

21221.2操作系统的发展过程231.2.1未配置操作系统的计算机系统1.2.2单道批处理系统（50年代）1.2.3多道批处理系统（60年代）1.2.4分时系统（60年代）1.2.5实时系统（60年代）1.2.6微机操作系统的发展1.2操作系统的发展过程1.2.1未配置操作系统的计算机系统1、人工操作方式缺点：(1)用户独占全机。此时，计算机及其全部资源只能由上机用户独占。(2)CPU等待人工操作。当用户进行装带(卡)、卸带(卡)等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。

24图4脱机I/O示意图

25磁带2、脱机输入/输出(Off-LineI/O)技术输入输出机261.2.2单道批处理系统过程：一批作业以脱机方式输入到磁

带上，在监督程序的控制下连续处理。特征：（1）自动性（2）顺序性无人工干预按进入内存的先后执行（3）单道性内存中只保持一道作业。虽然系统对作业的处理都是成批地进行的，但是在内存中始终只保持一道作业，故称此系统为单道批处理系统图1-4单道批处理系统的处理流程

271.2.3多道批处理系统多道：内存中同时存放多个相互独立的程序，多道技术是共享的基础。

1、多道批处理特征多道性内存中有多道程序，可并发执行无序性完成时间与进入内存先后无关调度性作业从提交到完成经两次调度（1）作业调度外存内存（选多个）（2）进程调度分配处理机（选1个）在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处：

(1)提高CPU的利用率。当内存中仅有一道程序时，每逢该程序在运行中发出I/O请求后，CPU空闲，必须在其I/O完成后CPU才继续运行；尤其因I/O设备的低速性，更使CPU的利用率显著降低。图(a)示出了单道程序的运行情况，从图中可以看出：在t2～t3、t6～t7时间间隔内CPU空闲。在引入多道程序设计技术后，由于同时在内存中装有若干道程序，（通过作业调度算法使用CPU）并使它们交替地运行，这样，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。图(b)示出了四道程序时的运行情况。

29图1-6单道和多道程序运行情况

书p7调度程序程序A程序B程序C程序D

(2)可提高内存和I/O设备利用率。为了能运行较大的作业，通常内存都具有较大容量，但由于80%以上的作业都属于中小型，因此在单道程序环境下，也必定造成内存的浪费。类似地，对于系统中所配置的多种类型的I/O设备，在单道程序环境下也不能充分利用。如果允许在内存中装入多道程序，并允许它们并发执行，则无疑会大大提高内存和I/O设备的利用率。

(3)增加系统吞吐量。在保持CPU、I/O设备不断忙碌的同时，也必然会大幅度地提高系统的吞吐量，从而降低作业加工所需的费用。

31322、多道批处理优缺点优点：资源利用率高系统吞吐量大

吞吐量：单位时间内完成的总工作量

原因（1）资源忙

（2）完成或运行不下去时才切换缺点：平均周转时间长作业周转时间：从作业进入系统开始到完成并退出系统所经历的时间。通常几小时，甚至几天。无交互能力修改和调试极不方便。331.2.4分时系统定义：一台主机上连接了多个终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。产生动力：（1）人—机交互。（边运行边调试）（2）共享主机。（设备昂贵）（3）便于用户上机（在终端上输入、控制）

34分时系统特征

多路性

允许在一台主机上同时联接多台联机终端，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；而微观上，则是每个用户作业轮流运行一个时间片。独立性每个用户感觉独占主机。及时性较短时间响应（2-3秒）交互性用户可以请求系统提供多方面的服务，如文件编辑、数据处理和资源共享等。时间片：每个作业只运行一个很短的时间（例如0.1秒），通常把这段时间成为~。351.2.5实时系统实时：及时响应外部事件请求应用需求：（1）实时控制：

工业生产、武器控制、飞机的自动驾驶（2）实时信息处理：

火车订票系统1.2.6微机操作系统的发展随着VLSI（超大规模集成电路）和计算机体系结构的发展，先后形成了微机操作系统、网络操作系统等。（1）单用户单任务操作系统

单用户单任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，且只允许用户作为一个任务运行。这是最简单的微机操作系统，主要配置在8位和16位微机上。最有代表性的单用户单任务微机操作系统是CP/M和MS-DOS。

36（2）单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。目前在32位微机上配置的操作系统基本上都是单用户多任务操作系统，其中最有代表性的是由微软公司推出的Windows。37（3）多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统的含义是，允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。在大、中和小型机中所配置的大多是多用户多任务操作系统，而在32位微机上也有不少是配置的多用户多任务操作系统，其中最有代表性的是UNIXOS。

38现在最有影响的两个能运行在微机上的UNIX操作系统的变型是SolarisOS和LinuxOS。

391.3操作系统的基本特性401.3.1并发性（最重要特征）1.3.2共享性1.3.3虚拟性1.3.4异步性1.3操作系统的基本特征411.3.1并发性并行性：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。单处理机系统：宏观并发，微观串行。多处理机系统：可能有并行。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并行执行，即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序，这样，多个程序便可同时执行。

p13页421.3.2共享性（1）互斥共享方式对临界资源的访问；临界资源：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独占资源。打印机等硬件；栈、变量、表格等软件互斥访问：当一个进程A要访问某资源时，必须先提出请求。如果此时该资源空闲，系统便可将之分配给请求进程A使用。此后若再有其它进程也要访问该资源时(只要A未用完)，则必须等待。仅当A进程访问完并释放该资源后，才允许另一进程对该资源进行访问。43（2）同时访问方式

允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问，如：磁盘、重入码写的文件。操作系统两个最基本的特征：并发和共享441.3.3虚拟性通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。如：虚拟处理器、虚拟内存等1.3.4异步性进程以不可预知的速度向前推进。在多道程序环境下允许多个进程并发执行，但只有进程在获得所需的资源后方能执行。在单处理机环境下，由于系统中只有一台处理机，因而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，而此时打印机正在为其它某进程打印，由于打印机属于临界资源，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。可见，由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不是“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。

45内存中的每个进程在何时能获得处理机运行，何时又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成，等等，这些都是不可预知的。由于各用户程序性能的不同，比如，有的侧重于计算而较少需要I/O，而有的程序其计算少而I/O多，这样，很可能是先进入内存的作业后完成，而后进入内存的作业先完成。或者说，进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性(Asynchronism)。尽管如此，但只要在操作系统中配置有完善的进程同步机制，且运行环境相同，作业经多次运行都会获得完全相同的结果。因此，异步运行方式是允许的，而且是操作系统的一个重要特征。

46资源管理5.用户接口1.处理机管理（硬件）2.存储器管理（硬件）3.设备管理（硬件）4.文件管理（软件）命令接口程序接口图形接口1.4操作系统的五大功能联机用户接口脱机用户接口5.用户接口

(1)联机用户接口适用：几乎所有计算机的操作系统中。组成：命令+终端处理程序+命令解释程序过程：用户在键盘上输入命令；终端处理程序接收命令并显示在屏幕上；命令解释程序解释并执行该命令。联机命令举例：UNIX:login;logout；DOS:copy;format;命令解释程序：操作系统的最高层，如：

MS-DOS:COMMAND.COMUNIX:Shell.(2)脱机用户接口适用：批处理系统。又称批处理用户接口组成：JCL+作业说明书+命令解释程序JCL：作业控制语言过程：用户把对作业的控制用JCL写在作业说明书上，命令解释程序按照作业说明书解释并执行。(3)程序接口目的：为用户程序访问系统资源而设置。组成：一组系统调用系统调用：一个系统调用是一个能完成特定功能的子程序。系统调用过程系统调用命令

用户程序

系统功能

调用

返回1.5操作系统的结构设计操作系统的发展阶段：第一代：无结构OS第二代：模块化OS结构第三代：分层式OS结构第四代：微内核OS结构（20世纪90年代）传统OS结构中断54请求系统服务；实现并行工作；处理突发事件；满足实时要求，都需要打断处理器正常的工作，为此，提出了中断的概念。中断是指程序执行过程中，当发生某个事件时，终止CPU上现行程序的运行，引出处理该事件的程序执行的过程。中断：55CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应。CPU暂停正在执行的程序，保留CPU环境后，自动地转去执行该I/O设备的中断处理程序。执行完后，再回到断点，继续执行原来的程序。

中断是由外部设备引起的，又称外中断。I/O设备可以是字符设备，也可以是块设备、通信设备。字符设备：大多是以字符为单位发送和接收数据的，如：键盘和显示器为一体的字符终端、打印机等。块设备：又叫外部存储器。是以块为单位进行传输的，如：磁盘、光盘等。网络通信设备：如网卡、调制解调器等。图5-17中断现场保护示意图

57第一章操作系统概述1、OS概念：

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程序集合。2、操作系统的基本特性操作系统两个最基本的特征：并发和共享并发性：并行性与并发性的区别；共享性：临界资源、互斥。虚拟性异步性583．操作系统的目标和功能（1）操作系统作为计算机系统资源的管理者处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管