第1章绪论操作系统

12:52:001教材：

计算机操作系统教程（第3版）清华大学编著：张尧学中国工程院院士，教育部高等教育司司长，清华大学教授、博士生导师。

史美林清华大学教授，博士生导师。

张高中科院软件所工学博士学位，微软亚洲研究院高校关系中国区经理。主要参考书：

张尧学

计算机操作系统教程(第3版)习题解答与实验指导清华大学出版社汤子瀛

计算机操作系统西安电子科技大学12:52:0026个问题什么是操作系统？为什么需要操作系统？（地位）为什么要学操作系统？这门课学什么？这门课如何学？操作系统如何工作？12:52:003第1章绪论§1.1操作系统概念§1.2操作系统的历史§1.3操作系统的基本类型§1.4操作系统功能§1.5计算机硬件简介§1.6算法的描述§1.7研究操作系统的几种观点12:52:004一、计算机系统：是按用户要求接收和存储信息、自动进行数据处理并输出结果信息的系统。

§1.1操作系统概念应用软件硬件裸机操作系统其它系统软件图1.1操作系统与硬件软件的关系硬件系统：由中央处理器（运算器和控制器）、存储器、输入设备和输出设备等组成。软件系统：包括应用软件和系统软件。

计算机系统12:52:005三、虚拟机：经过操作系统提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能把裸机改造成为功能更强、使用更为方便的机器。二、裸机：没有任何软件支持的计算机。

它仅仅构成了计算机系统的物质基础，而实际呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层软件改造的计算机。

12:52:006四、操作系统定义

2、操作系统的定义：是计算机系统中的一个系统软件，由它管理和控制计算机系统的硬件和软件资源，合理地组织计算机的工作流程，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，从而在计算机与用户之间起到接口的作用。1、引入操作系统的目的：（1）为用户提供良好的界面（2）资源的管理者（3）便于扩展新的服务和功能

12:52:007§1.2操作系统的历史

四个阶段：1946年—50年代末：电子管时代，无操作系统60年代中期—70年代中期：集成电路，多道程序设计50年代末—60年代中期：晶体管，批处理系统70年代中期—今：大（超大）规模集成电路，分时系统、实时系统、通用操作系统、网络操作系统。其它如嵌入式系统、分布式系统（网格计算、云计算）等。手工（无）→单道批处理（有）→多道（批处理、分时、实时）→通用本课程主要内容：单机（CPU）多道系统原理12:52:0081.2.1手工操作阶段

1946年—50年代末：电子管时代，无操作系统，用户既是程序员，又是操作员。上机完全是手工操作。特点：（1）计算机运算速度慢（2）一个程序独占机器（3）机器（CPU）等待手工操作（4）机器语言、纸带或卡片

50年代后期，手工操作的漫速度与计算机的高速度之间的矛盾越来越突出,解决矛盾的唯一办法是实现作业的自动过渡,因而出现了批处理。12:52:0091.2.2早期批处理（batchprocessing）

批处理：操作员把用户提交的作业分类，把一批中的作业编成一个作业执行序列。每一批作业将有专门编制的监督程序（monitor）自动依次处理。

作业的组成：包括用户程序、数据和作业说明书（作业控制语言）。

批：供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装而成，在处理中使用一组相同的系统软件（系统带）。

12:52:0010早期批处理分为两种：联机批处理和脱机批处理

1、联机批处理慢速的输入输出设备是和主机直接相连，在输入输出过程中CPU处于等待状态。主机输入机打印机监督程序系统程序用户作业磁带机12:52:0011图1.3监督程序管理下的解题过程12:52:0012联机批处理主要优点：解决了作业自动转接，减少了作业建立和手工操作时间。联机批处理存在问题：CPU与I/O串行操作，输入输出时，CPU处于等待状态，CPU的时间仍有很大的浪费。12:52:00132、脱机批处理增加一台或多台不与主机直接连接而专门用于与输入输出设备打交道的卫星机。主机与卫星机可并行工作。卫星机：完成面向用户的输入输出（纸带或卡片），中间结果暂存在磁带或磁盘上。

多个手工手工图1.2早期脱机批处理模型

12:52:0014

（1）由监督程序自动依次装入作业，不需人工干预。（2）用户除提交程序和数据，还需提交作业说明书。（3）用汇编语言编写程序，需汇编程序或编译程序及连接装配程序。（4）用磁带存储作业。新问题：监督程序、系统程序和用户程序之间存在着调用关系，任何一个环节出问题，整个系统都会停顿，用户程序也可能破坏系统程序，系统安全与保护成为最重要的问题。问题的解决：硬件的发展（通道和中断技术），导致操作系统进入执行系统阶段。批处理特点：12:52:0015中断：是指当主机（CPU）接到外部信号时，马上停止原来工作，转去处理这一事件，处理完毕后，主机回到原来的断点继续工作。执行系统：监督程序借助于通道、中断技术和输入输出在主机控制下完成批处理。这个功能增强的监督程序常驻内存，称为执行系统。通道：是一种专用处理部件，它能控制一台或多台输入输出设备工作，负责输入输出设备与主存之间的信息传输。它一旦被启动就能独立于CPU运行，这样可使CPU和通道并行操作，而且CPU和多种输入输出设备也能并行操作。

12:52:00161.2.3多道程序系统

早期批处理系统是单道顺序的处理作业，即每次只调用一个用户作业程序进入内存并运行，称为单道运行（单道程序系统）问题：I/O量大的作业，CPU利用率降低，而计算量大的作业，I/O设备空闲。因而计算机资源使用效率仍然不高。问题的解决：同时装入多道程序，合理搭配交替运行，充分利用资源，提高效率。图1.4程序工作示例12:52:0018特点：

（1）多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。（2）宏观上并行：（3）微观上串行：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。要解决的技术问题：

（1）同步与互斥机制（2）内存管理（3）内存保护12:52:00191.2.4分时操作系统问题：批处理方式交互性差，中间不需人工干预虽然效率高，但有时很不方便，处理出错、中间结果等。问题的解决：随着软硬件技术发展，采用分时技术。既能保证计算机效率，又能方便用户使用。分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给联机作业使用。分时系统：采用分时技术，用时间片轮转的方式，使一台计算机为多个终端用户服务。12:52:0020(1)人机交互性好：在调试和运行程序时由用户自己操作。(2)多用户同时性：多个用户同时使用。(3)用户独立性：对每个用户而言，好象独占主机。

多用户分时操作系统是当今计算机操作系统中使用最普遍的一类操作系统。分时系统的特点：12:52:00211.2.5实时操作系统问题：随着计算机应用领域的不断扩大，计算机用于工业过程控制、军事实时控制，需对外部信息作出快速响应，要求高可靠性。问题的解决：专用的各种实时处理系统，要求计算机对外来信息能以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许时间范围内作出快速响应。响应时间要求在秒级、毫秒级甚至微秒级或更小。12:52:00221.2.6通用操作系统

通用操作系统是在批处理系统、分时系统和实时系统基础上发展而来的，同时具备了批处理、分时、实时处理和多重处理的功能或其中两种以上的功能。

UNIX是一个通用的多用户分时交互型的操作系统，应用非常广泛，对现代操作系统有着重大的影响。

Windows系列是通用操作系统，主要原理也是基于UNIX系统，而Linux系列是从UNIX演变而成的。12:52:00231.2.7操作系统的进一步发展

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个人计算机上的操作系统（DOS）

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嵌入式操作系统

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网络操作系统

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分布式操作系统

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智能化操作系统12:52:0024§1.3操作系统的基本类型操作系统的基本类型：

(1)批处理操作系统

(2)分时操作系统

(3)实时操作系统

(4)个人计算机操作系统

(5)网络操作系统

(6)分布式操作系统可从硬件平台、硬件数量、资源共享、交互与响应、通用专用、传统现代、多媒体、人工智能等角度给操作系统分类。12:52:00251.3.1批处理操作系统

是早期的大型机用操作系统，但现代操作系统大都具有批处理功能。图1.5批处理系统中作业处理及状态12:52:0026

主要特征：（1）用户脱机使用计算机。（2）成批处理。（3）多道程序运行。

优点：作业之间自动调度执行，资源利用率高，吞吐量大。

缺点：无交互性，作业周转时间长，使用不方便。多道程序系统和多重处理系统的区别12:52:00271.3.2分时系统

分时系统一般采用时间片轮转的方式，使一台计算机为多个终端用户服务。主要特征： （1）交互性。 （2）多用户同时性。 （3）独立性。分时操作系统是一个联机的多用户交互式的操作系统。UNIX是最典型最流行的分时系统。12:52:00281.3.3实时系统

它用于实时控制和实时信息处理领域中，主要特点是提供即时响应和高可靠性。设计实时操作系统要考虑的因素： （1）实时时钟管理 （2）连续的人—机对话 （3）过载保护 （4）高可靠性和安全性

1.3.4

通用操作系统它是在批处理系统、分时系统和实时系统基础上发展而来的，同时具备了批处理、分时、实时处理和多重处理的功能或其中两种以上的功能。12:52:00291.3.5个人计算机上的操作系统

是一联机的交互式的单用户操作系统，它提供的联机交互功能与通用分时系统所提供的很相似。多媒体技术

Windows系列

Linux系统12:52:00301.3.6网络操作系统

计算机网络是通过通信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，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。特征:

（1）互连的计算机系统的群体（2）既独立工作,又可在网络协议控制下协同工作（3）系统互连通过通讯设施（硬件、软件）来实现（4）通过通讯设施执行信息交换、资源共享、互操作和协作处理

Novell的NetWare、Microsoft的WindowsNT12:52:00311.3.7分布式操作系统

可定义为：通过通信网络将物理上分布的具有自治功能的计算机系统互连起来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务。分布式系统与网络系统的区别：（1）网络已制定了明确的通信网络协议体系结构及一系列协议族，而各种分布式系统并没有制定标准的协议。（2）分布式系统要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性。（3）分布式系统具有透明性，而网络系统不具备。（4）分布式系统的基础是网络。（5）分布式系统还处在研究阶段，而网络已得到广泛应用。

12:52:0032§1.4操作系统功能1.4.1处理机管理为用户合理地分配处理机时间，尽可能地使处理机处于忙状态，提高处理机的工作效率。1.4.2存储管理实现对主存储器的管理，为用户分配主存空间，保护主存中的程序和数据不被破坏，提高主存空间的利用率以及内存扩充。1.4.3设备管理（1）通道、控制器、I/O设备的分配和管理。（2）设备独立性。12:52:00331.4.4信息管理（文件管理）

程序和数据统称为信息或文件。面向用户实现按文件名存取文件，管理用户信息的存储、检索、共享和保护，合理地分配和使用文件的存储空间。1.4.5用户接口为用户提供使用计算机方便灵活的手段。

程序级接口：用户程序通过系统提供的系统功能调用完成数据传输、文件操作等功能。

作业控制级接口：提供一组控制操作命令，用户编写作业说明书。联机和脱机量大类。12:52:0034§1.5计算机硬件简介1.5.1计算机的基本硬件元素

四种：处理器、存储器、I/O控制与总线、I/O设备。图1.6计算机的基本硬件元素12:52:00351.5.2与操作系统相关的几种主要寄存器

典型的用户可编程寄存器：

1、数据寄存器

2、地址寄存器

3、条件码寄存器典型的控制与状态寄存器：

4、程序计数器PC5、指令寄存器IR6、程序状态字PSW7、中断现场保护寄存器

8、堆栈（过程调用）12:52:00361.5.3存储器的访问速度

寄存器、高速缓存、内存、硬盘缓冲、硬盘、光盘、磁盘。图1.7存储介质的访问速度12:52:0037多级存储层次速度高低容量低高位价格高低12:52:0038

用多级存储器把要用的程序和数据，按其使用的急迫程度分段调入存储容量不同、运行速度不同的存储器中，并由软硬件系统统一调度管理。具体方案：如果使CPU大部分时间访问高速缓存CACHE，则速度最快；仅在从缓存中读不到数据时才去读主存，那么速度略慢但容量更大；当从主存中还读不到时才去成批量读虚存，结果速度很慢，但是容量极大；这样做就能很好地同时解决了对速度、容量、成本三个方面的需求。12:52:00391.5.4指令的执行与中断

执行周期：一条指令的读入和执行过程称为一个执行周期图1.8指令的执行周期12:52:0040图1.9中断执行过程图1.10中断处理时的指令执行周期12:52:00411.5.5操作系统的启动

加电后，CPU（Intelx86为例）所有的寄存器值为1，程序计数器为0，既CS=FFFF、PC=0000。这时CPU根据CS和PC的值执行FFFF0H处的指令。由于FFFF0H已经到了基本内存的高地址顶端，所以，FFFF0H处的指令一般总是一个JMP指令，跳到位于ROMBIOS中的特定位置，执行BIOS中的系统测试代码，负责开机自检。如检查内存，键盘等。如发现外部存储设备（如启动磁盘），控制权会转移给ROM中的启动程序(ROMbootstraproutine)，这个程序会将磁盘上的第0轨0扇区读入内存中（bootsector），并开始执行，他负责装载其他的系统程序，经过一系列复杂操作（多次加载、执行，完成初始化相关硬件和系统所需的数据结构）后，最后将控制权转移给操作系统。12:52:0042§1.6算法的描述类Pascal语言过程的开头和结尾：beginend直到条件成立结束“操作”：Repeat操作Until条件12:52:0043条件成立，就执行“操作”：While条件

do

操作