《操作系统》第一章：操作系统概述

2023/12/51第1章操作系统概述

本章主要内容：

1.1操作系统的概念

1.2操作系统的目标和功能

1.3操作系统的发展和主要成就

1.4

现代操作系统的特征

1.5UNIX操作系统发展简史

1.6Windows操作系统发展简史

1.7

操作系统启动引导过程2023/12/52第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念计算机系统组成示意图…财务系统航空订票上网浏览电子商务科学计算(应用软件)…用户n用户4用户3用户2用户1编译程序汇编程序数据库(支撑软件)…实用程序操作系统(系统软件)计算机硬件操作系统在计算机系统中的地位:操作系统处于计算机硬件和应用软件和用户之间，是“中介机构”

计算机硬件对用户来说是透明的2023/12/53第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念管理资源的观点OS是资源管理者处理器管理存储管理设备管理文件管理系统实现的观点OS是虚拟机虚拟机OS结构OS运行模型安全与保护动态观察方法静态观察方法进程交互观点进程、线程、调度互斥与同步通信死锁OS是程序执行控制者

用户角度接口服务OS是服务提供者服务用户的观点

系统角度研究和观察操作系统2023/12/54第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念计算机系统的层次视图操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）相邻层之间可以沟通，每层对下一层负责，是上一层的“译员”2023/12/55第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念

什么是操作系统？

操作系统的定义：

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：它们能有效地组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使用户能够灵活、方便和有效地使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行。教材中的定义：

操作系统是一直运行在计算机上的程序（通常称为内核），其他程序则称为系统程序和应用程序。2023/12/56第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念操作系统的作用：3种观点(3)

OS是扩展机(extendedmachine)/虚拟机(virtualmachine)。

在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理(内存和外存)、处理机管理（CPU）另外，为合理组织工作流程：作业管理、进程管理(2)

OS是用户使用系统硬件、软件的接口。通常包括两种方式：系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口GUI）；系统调用（类似于过程调用，在应用编程中使用）(1)

OS是计算机硬件、软件资源的管理者。

管理对象包括：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）；

管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）2023/12/57第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念操作系统的特征：

操作系统作为一种系统软件，有着与其他软件不同的特征3

随机性－

OS所管理和处理的资源和事件有一定的随机性（1）系统中所运行的程序的行为是随机的（2）系统硬件设备的情况是随机的：有无故障，忙/闲，何时发中断请求2

共享性－

OS与多个用户程序共用系统中的各种资源，而且这种共享是在操作系统控制协调下实现的1

并发性－系统中同时存在多个程序，宏观上看它们同时向前推进（1）单CPU系统：并发体现在程序交替使用CPU运行（时间片）；宏观上、表面上的并行，微观上伪并行（2）多CPU系统：除了有（1）的特征外，在微观（处理器级）也是并发的（3）分布式系统：多个计算机的并行使程序的并发特征得到充分体现2023/12/58

UNIX:BSD,SRV4,OSF1,Solaris,IBM-AIX，

Linux

MSOS:MSDOS,Windows3.x/95/98/2000/XP，

WindowsNT

Novell：NovellNetware第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念

操作系统举例：

2023/12/59第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.1操作系统应达到的目标方便：

操作系统使计算机更易于使用

（这是OS产生的根本原因）有效：

操作系统允许以更有效的方式使用计算机系统资源

（以优化的算法合理分配、调度资源，提高效率）扩展的能力：

在构造操作系统时，应考虑如何有效地扩展新功能

原因：（1）硬件升级；（2）用户新的服务要求；

（3）OS纠正错误。2023/12/510第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能操作系统要做什么?管理所有硬件资源！2023/12/511伟大的冯诺依曼认为，计算机由五大部件组成:输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器OS需要管理CPU(运算器、控制器)OS需要管理memory(内存)OS需要管理disk(外存)OS需要管理IO(输入/输出设备)进程管理内存管理文件系统I/O系统课程核心内容第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能2023/12/512第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

从大的方面来说，操作系统具有如下5个功能：

1.进程管理

2.存储管理

3.文件管理

4.作业管理

5.设备管理2023/12/513第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

1.进程管理：（1）进程的概念是由描述多道程序的并发执行而引入的；（2）进程管理实质上是对处理器的管理：

处理器分配调度策略、进行分配、进行回收再分配等2023/12/514第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

2.存储管理

管理内存和外存资源，但主要是内存管理

解决多程序共享内存遇到的问题：为进程分配、释放内存空间；进行程序和数据隔离；虚拟存储器：内存、外存结合管理2023/12/515第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

3.文件管理

解决大容量、“永久”存储器，即外存（磁盘、

光盘等）的管理问题计算机系统中信息资源以文件形式存放

文件管理要解决的问题：外存的存储结构（比如FAT32、NTFS等）文件系统（文件格式、目录等）文件的读、写、修改磁盘调度：对磁盘访问的响应策略等

（电梯响应例子）2023/12/516第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

4.作业管理

从用户的角度来看，OS是用户和计算机系统之间的“中介机构”因此，作业管理的任务是为用户提供一个环境：接收用户的任务，并提交给计算机运行

比如Windows的程序管理模块Explorer.exe，

UNIX的C-Shell、B-Shell模块2023/12/517第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

5.设备管理

管理所有I/O设备，包括设备控制器等。如Printer，Keyboard，Mouse…

显示卡，USB接口…

2023/12/518第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

需要说明的问题：

1.除上述管理以外，OS还要具备中断处理、错误处理等功能

2.上述的OS功能并非完全独立，而是互相依赖的关系2023/12/519第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

1.手工操作

2.简单批处理系统

3.多道程序批处理系统

4.分时系统

5.UNIX6.DOS、Windows7.Linux2023/12/520第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

1.手工操作称为OS的史前“文明”（1）手工输入机器码（2）上世纪50年代早期，出现卡片读入装置，机器码

程序通过卡片穿孔记录并输入（3）出现汇编语言及汇编编译程序，及外设控制程序

特点：手工操作，独占所有资源，效率极低程序员兼操作员2023/12/521第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

2.简单批处理系统

●监督程序●单道批处理●

OS的雏形

背景：上世纪50中期，晶体管出现，计算机性能比较可靠，批量生产并销售，用户期望其长期稳定运行

计算机厂商设计了管理程序（监督程序）

1956年出现FORTRAN高级语言

1958年出现ALGOL高级语言2023/12/522第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

2.简单批处理系统

管理程序(监督程序)能批

量读入作业程序、能够自

动识别一个作业，处理后

再取下一个作业

--这就是“批处理”方式

由于作业是被串行执行，故称“单道批处理”作业卡片示意图DataforProgram2023/12/523第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

2.简单批处理系统常驻主存监控程序布局图$JOB$FTN…(Fortran程序)…$LOAD$RUN…(数据)…$END作业卡片内容序列图2023/12/524第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

3.多道程序批处理系统

●标志现代意义上的OS出现

背景：计算机进入第三代

（1）主存、辅存容量增大，可以同时装入多个程序到主存（2）出现代替CPU管理设备的“DMA通道”，使得I/O操作与CPU并行成为可能这一代典型的OS是FMS（FORTRANMonitorSystem)

和IBMSYS（IBM为7094计算机配备的OS）2023/12/525第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

3.多道程序批处理系统多道程序OS中程序运行时序示意图说明：（1）这种OS依靠I/O中断机制和DMA通道实现（2）CPU的切换只是在它空闲时才发生，调度机制特别简单2023/12/526第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

4.分时系统

●标志OS步入实用化阶段

背景：（1）多终端计算机出现（2）事务性计算、人机交互的需要（3）对用户快速响应的需要

同“多道批处理OS”不同的是：（1）CPU在程序间切换设定了固定时间（2）出现“存储器调度”：当作业多、主存不能

同时容下时，则程序在完成之前，可以写回

磁盘上，需要时再读回

2023/12/527第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

4.分时系统

●世界上第一个分时OS是1961年MIT开发的CTSS

（CompatibleTimeSharingSystem兼容分时系统）

●

IBM709计算机，主存容量：32000个36位字

●常驻监控程序大小＝36bit×5000≈22KB

●CPU切换时间片＝0.2秒

●为减小磁盘的读写频率，它采用了部分写出/读回的策略（见下页例子）282023/12/5JOB1被全部写出JOB2被调入

JOB2被部分写出JOB3被调入

JOB3全部被写出JOB2另一部分被写出JOB1被重新写入

JOB1部分被写出JOB4被调入

JOB1剩余部分被写出JOB4剩余部分被写出JOB2写出部分被重新写入JOB1被调入CTSS系统作业程序写出/读回例子2023/12/529第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

5.UNIX－OS革命

●

20世纪60年代，贝尔实验室的KenThompson

和DennisM.Ritchie设计出UNIX操作系统（开始用汇编语言编写，后用C语言重写）

●

UNIX是现代操作系统的代表

●

UNIX出色的设计思想与实现技术在理论界有着广泛而深远的影响2023/12/530第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

6.DOS、Windows－OS大众化

DOS、Windows一直统治着PC-OS市场

Windows2K/XP/NT面向网络的OS

7.Linux－OS新宠儿/自由软件里程碑

UNIX的新版本，自由版权OS1991年由LinusTorvalds公布推出后，迅速得到空前发展2023/12/531第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

操作系统的分类

1.批处理操作系统

2.分时操作系统

3.实时操作系统

4.嵌入式操作系统

5.个人计算机操作系统

6.网络操作系统

7.分布式操作系统2023/12/532第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

操作系统的分类

1.批处理操作系统

DOS中仍保留批处理命令形式：XXX.batc：

cd\aaacdbbbtypeXXX.batdir2023/12/533第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展