第一章 操作系统引论

计算机操作系统21.为什么学习操作系统?

设计操作系统或者修改现有的系统如嵌入式系统(EmbeddedOS）、智能卡系统加深对使用的OS的理解，有利于深入编程

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WinXP/7/83涉及面广（并发程序，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：

与硬件有关、与其它软件有关、与用户有关、讲课过程中往往用到后面的知识。2.操作系统课程的特点操作系统是所有软件系统中功能最复杂、设计最困难、调试难度最大的一类软件，它的内部几乎集中了软件领域最精华的算法和最巧妙的设计技巧43、课程目的不是如何使用操作系统而是理解操作系统如何工作OS工作方式OS内部算法和数据结构设计OS过程中的问题、解决方案和折中权衡54.学习方式听课是关键

课后认真反复研读教材和参考书掌握内容，不能只通过Powerpoint来复习课程认真完成作业及教材和参考书有关习题。

注重实践环节

善于发现问题、提出问题,要努力寻求问题的答案65、成绩评定（1）平时听课作业10%（2）上机实习28%（3）期中考试20%（4）期末考试42%学位课：70分以上过关76、参考书目（1）操作系统教程（第四版），孙钟秀，高等教育出版社。（2）操作系统教程（第二版），陈向群、杨芙清，北京大学出版社。（3）计算机操作系统教程（第三版），左万历等，高等教育出版社（3）操作系统---精髓与设计原理（第七版），陈向群等译，（美）WilliamStallings著，电子工业出版社。（4）现代操作系统（第三版），陈向群等译，（荷）AndrewS.Tanenbaum著，机械工业出版社。8

第一章操作系统引论操作系统的概念操作系统的历史

操作系统的类型

操作系统的功能和特征

操作系统的硬件环境操作系统的结构设计9第一章操作系统引论§1.1操作系统的概念一、计算机系统的组成1．计算机系统是由硬件和软件两部分组成。

中央处理机（CPU）

硬件子系统

存储器裸机计算机系统

输入输出设备

操作系统系统程序

程序设计语言软件子系统编译程序···

应用程序10硬件部分：构成了系统本身和用户作业赖以活动的物质基础和环境。系统软件：主要管理计算机系统本身的操作；应用软件:主要解决用户的问题。2．操作系统在计算机系统中的地位和作用

应用软件系···

统编译软件软程序设计语言件操作系统裸机11计算机系统的层次结构操作系统的地位：是系统硬件之上的第一层软件，为其他软件提供单向支撑作用。裸机：没有任何软件支持的计算机。虚拟机：对裸机功能的首次扩充，把裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。12二、操作系统的目标1、有效地控制和管理计算机系统中的各种硬件和软件资源，提高计算机系统资源利用率；2、合理地组织计算机系统的工作流程，以改善系统性能。3、提供一个计算机用户与计算机硬件系统之间的接口，使计算机系统更易于使用；三、操作系统的定义

操作系统是计算机系统中的一个大型的系统软件，它管理和控制计算机系统中的全部软、硬件资源，合理地组织计算机的工作流程，为用户应用程序的运行提供一个友好的界面和良好的工作环境。13四.推动操作系统发展的主要动力

不断提高计算机资源利用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14一、操作系统的产生

1．人工操作阶段

电子管时代，计算机的运算速度较慢，没有操作系统，人们采用人工操作方式使用计算机。手工操作计算机§1.2操作系统的历史152.成批处理阶段

晶体管时代，随着中央处理机速度的大幅度提高，人工操作的慢速度和中央处理机运算的高速度之间出现了矛盾，即所谓人机矛盾。为解决这一矛盾，只有设法去掉人工操作，实现作业的自动过渡，这样就出现了成批处理。监控程序：是一个常驻内存的小的核心代码，用于实现各作业之间的自动转接，提高了系统效率。16[例]用户以卡片形式提交作业。17优点:

系统吞吐量大资源利用率高。缺点:

作业的周转时间长用户无法实现对作业执行过程的控制。18成批处理经历了两个阶段：联机批处理阶段和脱机批处理阶段。联机批处理系统：作业的I/O和计算全部由CPU直接控制。19脱机批处理系统：由主机和外围计算机（卫星机）组成，外围计算机负责I/O处理，主机和外围计算机可以并行工作。系统带应用带输出带输入带卫星机（外围机）打印机主机卡片输入机203.执行系统通道：是独立于CPU，专门用来控制输入、输出设备的I/O处理机。I/O设备CPU主存通道中断：当主机接到某信号（如I/O完成信号），马上停止原来的工作，转去执行这一事件，处理完后，回到原处继续工作。

借助于通道和中断技术，输入输出操作可以在中央处理机控制之下完成。这时，原有的监督程序不仅要负责调度作业自动运行，而且还要提供输入输出控制功能，它比原有的监督程序的功能增强了。这个发展了的监督程序常驻内存，称为执行系统。21二、操作系统的完善1．

多道批处理系统

多道程序设计技术是指在计算机内存中同时存放多个作业，它们在管理程序控制之下交替执行，共享系统中的各种资源。

多道程序运行的特征：

1）主存中存放多道程序；

2）宏观上并行；

3）微观上串行。22232．分时系统

多用户交互式系统。多个用户通过交互方式分享使用同一台计算机。分时技术：把处理机的时间划分成很短的时间片，按时间片轮流地把处理机分配给各联机用户使用。24主机终端分时系统示意图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。25主要特征：(1)多路性：指一台计算机与若干台终端相连，各终端用户可以同时操作，共同使用同一系统的资源。(2)独占性：由于分时操作系统采用时间片轮转的办法使一台计算机同时为多个终端用户服务，因而每个终端用户彼此之间都感觉不到别人也在使用这台计算机，好像自己独占整个计算机系统。(3)及时性：用户的请求能在较短的时间内得到及时响应。(4)交互性：分时操作系统支持联机操作方式。用户可以通过终端，采用人机会话的方式直接控制程序运行，同程序进行会话。263.实时系统

实时操作系统按其用途的不同可分为两种类型：实时控制系统和实时信息处理系统。

实时是指计算机系统要能够及时响应外部事件的请求，并以足够快的速度完成对事件的处理。271.实时控制系统。通常是指以计算机为中心的生产过程控制系统。实时控制系统的应用：对导弹发射、飞机飞行、钢铁生产、电力生产、石油化工生产过程的自动控制等。

2.实时信息处理系统。在这类系统中，用户通过终端提出服务请求，计算机系统根据用户提出的问题对信息进行检索和处理，并在很短的时间内通过终端对用户作出回答。实时信息处理系统的应用：情报检索系统、航空订票系统、银行系统和图书管理系统等。28实时操作系统的主要特点(1)

即时响应：系统必须保证对实时信息的分析和处理的速度比其进入系统的速度要快。(2)

高可靠性：与其它类型系统相比，实时操作系统更注重其稳定性和可靠性。(3)

专业性[双工系统]：一台做为主机，另一台作为后备机与主机并行运行。一旦主机发生故障，后备机便立即代替主机继续工作，以保证系统不间断运行。29三、操作系统的发展1．网络操作系统计算机网络是通过通信设备和通信线路将地理上分散的多个计算机系统相互连接起来，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。

网络环境下的操作系统是网络用户和网络之间的接口，它除了具有通常操作系统的资源管理功能外，还具有网络管理、网络通信、网络资源共享、系统安全和多种网络应用服务的功能。

网络操作系统既要为本机用户提供使用网络资源的手段，又要为网络用户使用本机资源提供服务。302、分布式操作系统

分布式计算机系统是由多台计算机组成的一种特殊的计算机网络。该网络中的各台计算机没有主次之分；网络中任意两台计算机之间可以通过通信交换信息；网络中的资源供各用户共享。分布式计算机系统是一个一体化的系统（统一的界面，标准的接口），在整个系统中有一个全局的操作系统，称为分布式操作系统。

分布式操作系统能使系统中若干台计算机相互协作完成一个共同的任务。它负责全系统的资源分配和调度、任务的划分、信息的传输控制协调等工作，为用户提供一个统一的界面和标准的接口。31（2）坚强性：当系统中的部分计算机或通路发生故障时，其余部分可自动重构成为一个新的系统。（1）统一性：逻辑上的统一系统，使用户感觉不到系统是由多台计算机构成的，系统能够自动的实施任务分配和协调。基本特征：32网络OS和分布式OS的区别

(1)分布具有各个计算机间相互通讯，无主从关系；网络有主从关系；(2)分布式系统资源为所有用户共享；而网络有限制地共享；(3)分布式系统对用户是透明的。33

3.微型机(个人）操作系统

计算机在某一时间内为单用户服务,其追求目标是界面友好，使用方便，丰富的应用软件。

（1）

MS-DOS

（2）微机多任务操作系统

按系统结构分：内在式（built-in）

贴附式（bolt-on）

按任务调度方式分：先决式（preemptive）

协作式（cooperative）34

微型机操作系统（续）

1)内在式是指操作系统开始设计就把多任务功能构筑。其中，如OS/2和UNIX操作系统。2)贴附式是指把多任务功能附加到一个单任务操作系统中而形成，如Microsoft的Windows就是在DOS基础上加入多任务功能而构成的多任务操作系统。35

微型机操作系统（续）

3)先决式是指由系统内部时钟来决定CPU由一个任务转移去执行另一个任务的时刻，转移时刻是系统以某种分配策略预先确定的，应用程序无权干预。如OS/2和UNIX都是先决式多任务操作系统。4)协作式是指几个应用程序联合动作，通过某种通信方式来分享CPU。Windows和Novell公司的Netware网络操作系统是以协作式来工作的。36

4.

嵌入式操作系统1)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37382）嵌入式系统的组成

39

3)

嵌入式操作系统在嵌入式系统中的OS，称为嵌入式操作系统。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。40

4）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41

5.操作系统领域中新的操作系统有线电视机顶盒领域，PowerTV移动通信领域，EPOC掌上计算机领域，PalmOS数字影像领域，Digita42§1.3操作系统的类型按功能特征的不同把操作系统分为：(1)

批处理操作系统(2)

分时操作系统(3)

实时操作系统(4)

单用户操作系统(5)

分布式操作系统(6)

网络操作系统

(7)嵌入式操作系统

(8)智能卡操作系统一、批处理操作系统

批处理操作系统一般适用于大中型计算机系统。批处理操作系统可分为单道批处理操作系统和多道批处理操作系统两种。431．单道批处理操作系统

单道批处理操作系统是早期计算机系统中配置的一种操作系统类型。主要代表有：FMS（FORTRAN监控系统）、IBYSY（IBM/7094）。

2．多道批处理操作系统多道批处理操作系统是在60年代中期以后计算中心（或数据中心）等较大的计算机系统上所配置的一种操作系统。主要代表有：IBM360/370。

主要特征：(1)

成批处理。(2)

多道程序运行。(3)

用户脱机使用计算机。44优点：有利于提高系统资源利用率、增大作业吞吐量。缺点：无交互性，这给程序设计人员带来很大的不便。二、分时操作系统分时操作系统提供了多个用户共同使用一台计算机的环境。主要代表：Unix、VAX/VMX、CTSS、MUTICS等。主要特征：(1)

多路性(2)

独占性(3)

及时性(4)

交互性45三、实时操作系统主要特征：(1)

即时响应(2)

高可靠性(3)

专业性四、单用户操作系统

是为个人用微型计算机所配置的操作系统。这类操作系统在处理机的调度、存储保护等方面将简单得多，为用户提供良好的工作环境和方便的用户接口成为这类操作系统的主要目标。典型系统：MS-DOS、Windows、Linux等。46五、网络操作系统典型系统：WindowsNTServer、NetWare

主要特征：(1)

网络通信(2)

资源共享(3)

互操作(4)

协作处理六、分布式操作系统分布式操作系统的原型机开始出现,其中较为突出的是机群操作系统和网格操作系统.主要特征：(1)

统一性(2)

坚强性47七、嵌入式操作系统嵌入式操作系统（EOS）就是运行在嵌入式芯片环境中，对整个芯片以及它所操作、控制的各种装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。主要特征：

高可靠性、实时性、占用资源少、智能化能源管理、易于连接、低成本应用领域

汽车（点火系统、引擎控制、刹车系统）消费电子（手机、mp3播放器、电子书阅读器、数字及模拟电视、机顶盒、个人数字助理、厨房用具、玩具、游戏、电话、相机、全球定位系统）工业控制（制造业的机器人技术及控制系统、传感器）医疗（输液泵、透析器、假肢装置、心脏监测器）办公自动化（传真机、复印机、打印机、显示器、扫描仪）八、智能卡操作系统48§1.4操作系统的功能和特征一、操作系统的功能1．处理机管理

处理机管理的主要任务是对中央处理机的分配和运行实施有效的管理。(1)进程控制。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。(2)进程调度。指按一定的算法从进程就绪队列中选择一个进程，把处理机分配给它，并为该进程设置运行现场，使之投入运行。(3)进程同步。指系统对并发执行的进程进行协调。(4)进程通信。对于相互合作的进程，在它们运行期间，彼此之间往往要交换一定量的信息，进程通信将负责完成进程间的信息交换。492．存储管理

存储器的存储调度应和处理机的调度结合起来，只有程序在主存时才有可能被处理机执行，而且仅当它可以到处理机上执行时才把它调入主存。(1)内存分配。存储管理的基本功能是为每道程序分配内存空间，在作业结束时收回作业所占空间。(2)存储保护。保证各程序在自己的存储区域内运行而不相互干扰。(3)存储扩充。由于物理内存的大小可能限制了大型作业或多个作业的并发执行，因此，存储管理借助于虚拟存储技术来获得增加内存的效果，使系统能运行内存需求量远比物理内存大得多的作业，或让更多的作业并发执行。503．设备管理设备分配。当用户程序提出输入输出请求后，设备管理根据一定的设备分配原则和系统中设备情况对设备进行分配。(2)设备传输控制。启动指定的输入输出设备，完成用户规定的输入输出操作，并对由设备发来的中断请求进行响应，根据中断类型进行相应的处理。(3)设备无关性。即用户向系统申请的设备与实际使用的设备无关。（即使用设备的逻辑名）514．文件管理（软件资源管理）(1)

文件存储空间的管理。负责为新建文件分配存储空间，回收已撤消文件所占用的空间，以提高文件存储空间的利用率和文件系统的工作速度。(2)

目录管理。主要负责为每一个文件建立其目录项，并通过对目录项的有效组织和管理，实现为用户按名存取的功能。(3)

文件保护。为了防止文件被窃取和破坏，文件系统必须提供有效的保护机制，以保证文件系统的安全性。(4)文件操作管理。用于实现文件的操作，负责完成数据的读写。525．作业管理(用户接口)操作系统提供两种形式的接口供用户使用。(1)命令接口提供一组命令供用户直接或间接控制自己的作业；(2)程序接口提供一组系统调用供用户应用程序和其他系统程序调用操作系统的功能。53二、操作系统的特征(1)并发性：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

在多道程序环境下，并发性是指宏观上在一段时间内有多道程序在同时运行。但在单处理机系统中，每一时刻仅能执行一道程序，故微观上这些程序是在处理机上交替执行。（2）共享性

从资源使用的角度来讲，所谓共享性是指操作系统程序与多个用户程序共同使用系统中的各种资源。54（4）异步性(不确定性）

指在多道程序环境下，程序以异步方式执行。即每道程序在何时执行、各自执行的顺序、完成每道程序所需要的时间都是不确定的，也是不可预知的。（3）虚拟性指把一个物理上的实体，变为若干个逻辑上的对应物。前者是实际存在的；而后者是虚的，只是用户的一种感觉。例如：虚拟处理机、虚拟存储器、虚拟I/O设备。

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。55§1.5操作系统的硬件环境一、CPU与外设并行工作CPU

主存通道2通道3通道1

通道n

I/O

控制器

I/O

控制器

I/O

控制器

I/O

控制器

现代计算机系统的硬件组织

56二、I/O中断的作用

在输入输出控制系统控制下，外部设备独立工作，不需要中央处理机的干预。但由于外部设备是由中央处理机根据程序的要求而启动的，因此，当外部设备工作结束后，应把工作情况反馈给中央处理机。这种反馈通过I/O中断完成的。三、管态与目态

处理机的工作状态。根据对资源和机器指令的使用权限，把处理机执行时的工作状态分为管态和目态。57目态：用户程序执行时中央处理机所处的状态。当中央处理机处于目态时不允许执行特权指令。

在系统运行的过程中，中央处理机的状态处于动态变化之中。当系统启动时，硬件置中央处理机的初始状态为管态，然后装入操作系统程序。如果操作系统选择了用户程序占用处理机，则把管态转换成目态。如果中断装置发现了一个事件，则又将其置为管态，让操作系统去处理出现的事件。管态：操作系统程序执行时中央处理机所处的状态。当中央处理机处于管态时可执行包括特权指令在内的一切机器指令，实现对资源的分配和管理并为用户使用外部设备进行服务。

58程序状态字（PSW）的内容：指令地址程序基本状态条件码（结果特征）中断码管态/目态中断屏蔽位等待