计算机操作系统(三)

犍

出

IB

遇程主要内容

.摞作系统引论（1章）

蕾迸程管理（2-3章）

W存储管理（4章）

W汆备管理（5章）

蕾文件管理（6章）

蕾操作系统接口”章J

蕾系统内核结构

中教材选用

新世纪计算机类本科系列

《计算机操作系统》（第三版）

汤子瀛等编

西安电子科技大学出版社出版

中参考书：

■《计算机操作系统教程》，张尧学等，清华大学出版社

■《操作系统一精髓与设计原理》(第五版)，William

Stallings著，电子工业出版社

■((OPERATINGSYSTEMDesignandImplementation)),

AndrewS.Tanenbaum等，清华大学出版社

第1章擦隹系疏引於

■1.1操作系统的目标和作用

■L2操作系统的发展过程

■1.3操作系统的基本特征

■1.4操作系统的主要功能

■1.5操作系统的结构设计

■*UNIX系统简介

■*典型的现代操作系统

■本章作业

1.1操除系统的目标和隹用

一、操作系统目的/目标

二、计算机系统组成

三、操作系统的作用

返回目录

“二、计算机系统组成

［中央处理机（CPU）

「硬件内存「I/O设备（键盘、显示器、打字机、鼠标）

〔外部设备1存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带）

L其它设备（MODEM、通信口）

r系统软件（操作系统、语言编译程序、）

【软件＜

、应用软件（CAD、MIS、用户自己开发的系统等）

中二、计算机系统组成

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）。I—

1.1

申一、擦傕系统目的片裤

方便性

■计算机只能识别0、1;用户熟悉的是各种语言。

有效性

-使计算机的各类资源在系统的管理下得到更有效的利

用，提高系统吞吐量。

可扩充性

・便于修改和增加功能。

开放性

-系统能支持世界标准规范。要求统一开放的环境，能

通过网络集成化，并正确、有效地协同工作，实现应

用程序的移植r

1.1

三.森隹系统的隹用

■OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

■作为计算机系统资源的管理者

■处理机管理：分配和控制处理机

-存储器管理：分配及回收内存

■I/O(Input/Output)设备管理：I/O分配与操作

-文件管理：文件存取、共享和保护

■作为扩充机器

-把覆盖了软件的机器称为扩充机或虚拟机。

1.1

|1.3摊作系就的基本特SB

Characteristic：

■^X(concurrence)

■共享(sharing)

■虚拟(virtual)

■异步性(asynchronism)

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,舞坎（Concurrenc。

■并发：计算机系统中同时存在多道运行的程序（进程）。

□宏观上：多道程序同时在执行

微观上：任何时刻只有一道程序在执行，即微观上多道程序在CPU上

轮流（交替）执行（单机）

■并行（parallel）：与并发相似，指多道程序在同一时刻执行，

但需多个硬件支持。

注：1、程序的并发执行能有效改善系统资源的利用率，但使系统复杂

化，因此操作系统必须对并发活动进行控制和管理。

2、并发是操作系统最重要的特征，其它特征均以并发为前提。

[13

共孳(scaring)

■指系统中的资源不再为某道程序所独占，而是

供多道程序共同使用。

■资源共享方式：互斥共享式、同时访问式

■并发和共享是操作系统的两个最基本的特征

■二者互为存在条件：

□资源的共享是以程序的并发执行为条件。

程序的并发执行也以资源的共享为条件。

1.3

T虚拟｛virtua。

虱加巴一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实

体----分时或分空间。

演虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，

可提高资源利用率。如：虚拟处理机、虚拟存储

器、虚拟设备

1.3

葬步性（asynchronisn^

温^也称不确定性，指进程在执行中，其执行时间、

顺序、向前推进的速度和完成的时间等都是不可预

知的。

1.3

1.4擦隹系统的功能

•处理机管理

•存储器管理

•设备管理

•文件管理

・用户接口

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I-、处理机管理的功能2

■处理机管理的主要任务：

■是对处理机进行分配

■对处理机运行进行有效的控制和管理

■注：处理机的分配和运行以进程为基本单位，因此对

处理机的管理可归结为对进程的管理。

■处理机管理的功能

-进程控制

.进程同步

.进程通信

■调度

1.4

二、存储器管理的功能

■主要任务

■为多道程序的运行提供良好的环境

-方便用户使用存储器

-提高存储器的利用率

■从逻辑上扩充内存

■功能

■内存分配

■内存保护

■地址映射

■内存扩充

1.4

三、设备管理的功能

■主要任务

■完成用户提出的I/O请求

■为用户分配I/O设备

■提高I/O设备的利用率及速度

■方便用户使用I/O设备

■功能

■缓冲管理

■设备分配

■设备处理

■虚拟设备

1.4

皿、文件管理的功能

■主要任务

■对用户文件和系统文件进行管理

■方便用户使用文件

■保证文件的安全性

■功能

■文件存储空间的管理

■目录管理

■文件的读、写管理

■文件的共享与保护

1.4

五、用户接口管理的功能

■主要任务

-方便用户使用操作系统

■功能

■命令接口

■程序接口（系统调用）

■图形接口

1.4

Z.2蝶作案t的发展过程

1.2.1推动操作系统发展的主要动力

一、无操作系统的计算机系统五、微机操作系统

(1)人工操作方式

六、多处理机操作系统

(2)脱机输入输出方式

七、网络操作系统

二、批处理系统

1.2.2单道批处理系统八、分布式操作系统

1.2.3多道批处理系统九、嵌入式操作系统

三、分时系统

四、实时系统

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寒.2.2推动攥隹系就发展的至要劭力

■不断提高计算机资源利用率的需要

■如批处理系统的出现

■方便用户

■如分时交互式系统的出现

■器件的不断更新换代

■8位—16—32—64-...

■计算机体系结构的不断发展:

■单机OS-多机os-网络OS

1.2

申(1)人工操作方式

■工作流程：

(1)由程序员事先穿孔(对应程序和数据)

(2)将穿孔的纸带(卡片)装入纸带(卡片)输入机

(3)再启动输入机修程序和数据输入计算机

(4)然后启动计算机运行

(5)运行完毕取走计算机结果

(6)下一位用户

r»_*~~~v,V*与r；————awvii靠-w«**«»u-v»r、«•,>G

I人工操作方式带宋的矛盾及解决方法

缺点：

T■用户独占全机（资源浪费）

■CPU等待人工操作：装入时、取走时的CPU

及内存等资源是空闲的。

■矛盾

.人机矛盾即人工操作方式与机器利用率的

矛盾

.CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾

■解决方法

■脱机输入输出方式

1.2

（2）脱机输入投曲方式:西£zRe7/0）

■工作流程：（示意图1-2）

■优点：

.减少了CPU的空闲时间。

-提高了I/O速度（与高速的磁盘打交道）

睨机输入獭电方式(步£ineI/O)

1.2

申1.2.2单道就处理系统

I用户在一次解题或一个事务处理过程中要求

1、工作流程://计算机系统所做的全部工祚。

（1）作业合成一批输入到外存上，同时在系统中配上监

控程序。

（2）monitor）寻作业逐个送入内存并运行。

2、特征：（1）自动性（2）顺序性（3）单道性

3、优点：减少了人工操作的时间，提高机器的利用率和系

统吞吐量。

4、缺点：对某些作业来说，当它发出输入/输出请求后，

CPU必须等待I/O的完成，特别因为I/O设备的低速性，从

而使机器的利用率很低。

1.2

中1.2.3岁道林处理系统

L引入：

■为解决单道批处理系统中内存仅存放一道作

业，导致资源利用率和吞吐量低下的问题，

引入了多道程序设计技术,从而引出了多道

批处理。Q

允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储

器并启动进行计算的方法.

多道程序设计

1/8仅=0.125道程序

等待I/O的时,〈结束〈

吞吐率分别为:AA..

III_kt

0京17811

1/8=0.125(a)单道情况_

2/9=0.2222/9仅=0辛22道程序出

4/11=0.363ABAB

道程序情况比t

40M12A=l/。।8911

单道提高了近3(b)两道情况

倍。显然不仅使4/11仅=0.363道程序加

内存充分利用，A且ABCDAt

还带来处理机利01712~~3~~47891011

用率的提高，使(c)四道情况

整个系统效率得单道、两道和四道情况

以提IWJ。

Z2.3多道就处理系统

2■多道批处理操作系统的工作原理

体现两个特征，一是“多道”,二是“成批”。

lr

II

II

II

II

II

II

II

II

II

II

ifJI

Z2.3多道就处理系统

注意：图中输入井和输出井分别为磁盘上的

两个区域，是系统特别划分出来用于输入输

出的区域。设置输入井和输出井的目的有两

个：

■协调输入/输出设备速度与处理机速度的

差异。

；为作业调度提供条件。

RI1.2.3多道就处理系就

继续计算（1）单道程序

请求"0

操作系统启动I/O"0完成处理

IfO操作设备完成

⑵多道

程序工作

，I/O中断「•”、启动I/O

!请求+启呐g4/0完成中断中断请求

用户程序・i_|r'.......

・・・・・・金里…・・…i

CPU监督程序^

IIDO布断

操作…

I/O1处理结束

II

t3

(a)单道情形：ht2

।打印请I仍有空闲J

i―i后图仪请求.

L程序A••…

CPU,程序B••…

空闲：：

一监督程序…...............ar

「绘图仪…

I/O设备］

一打印机…绘图完成

i；；i打印完成

i।i।।i

t]t2t3t4t5t(10

(b)多道情形:

单道与多道程序运行情况

中理解单道和多道程序抗行时的不同

例!A、B两个程序，程序A按顺序使用CPU10s,设备甲5s,CPU

5s,设备乙10s,CPU10s,程序B按顺序使用设备甲10s,CPU

10s,设备乙5s,CPU5s,设备乙10s。

问：①在顺序环境下执行程序A和B,CPU利用率多少？

②在多道环境下呢？

答：①A和B顺序执行时，A执行完毕B才开始，总共耗时80s,占

用CPU40s,故利用率为40/80=50%。

②CPU:I_A___IBIAIBI空闲IAL

甲等待乙

A：।CPU।।।CPUIICPU।

B:।甲।CPU।乙।CPU।等待।乙।

多道时，两程序共耗时45s,占用CPU40s,故利用率40/45=88.89%

中1.2.3力道就处理系统

■特征：（1）调度性（2）无序性（3）多道性

■优点：（1）资源的利用率高（2）系统吞吐量大

■缺点：（1）平均周转周期长（2）无交互能力

■需解决问题

处理机管理、

内存管理、

I/O设备管理、

文件及作业管理问题

申L2.3多道就处理系统，缜）

■操作系统的形成

为解决上述问题，在多道程序系统中增设一

组软件以有效加以解决，同时增设方便用户使用

计算机的软件，这样便形成了操作系统。

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。

1.2

¥三、分时系统

分时操作系统(TimeSharingOperatingSystem),

简称分时系统，就是支持多道程序i以联机操作为标

志的操作系统。

1.分时系统的产生

用户对系统功能需求不断增长，主要以下3个方面：

■人一机交互；程序调试、修改可直接对计算机进行控制。

■共享主机；多个用户都希望以“独占”方式共享一台计算

-方便上机；用户希望有一个终端设备直接将作业传递给计

算中心主机，并能直接对其作业控制。

三、分时系统

分时系统示意图

计算机硬件响应时间

分时操★乍系统

123n

时间片

f/5i\/SS\/5S\/SS\

¥三、分时系统

2.（终端）分时系统需解决的4个问题：

■提供一'组交互终端命令

■将系统时钟时间划分很小的片段——时间片

q=M/n：以q为单位轮流为每个终端服务（M=响应周期,

n=终端个数）。

■能及时接收用户的命令；有两个配置；多路转

接器（或多路卡）和每个终端配置一个缓冲区

（暂存键入的命令）

■及时处理用户键入的命令

¥三、分时系统

3.分时系统的4个主要特征：

■多路性/同时性；宏观上同时有多个用户在运行。

■交互性；在终端上编辑、运行程序，或其它操作。

■独占性；每个用户一个终端，独立操作，互不干扰

■及时性；在很短时间内得到响应，小于2〜3秒。

1.2

IU实时系统

■实时操作系统（Real-TimeOperatingSystem）：指系统

能及时（或即时）响应外部事件的请求，并控制所有实时

任务协调一致地运行。

■实时操作系统的应用领域

有实时要求（有严格确定的时间限制）的领域（过程控

制及事务处理）。

■实时系统分类：

（1）实时控制系统（2）实时信息处理系统

■实时操作系统的主要特征：实时性和可靠性；多路性、独

立性、交互性

・三种基率的徐伯系统

■三种基本的操作系统

批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。

■通用操作系统(Multi-PurposeOperatingSystem)

如果一个操作系统兼有批处理、分时和实时系统三

者或二者的功能，则称该操作系统为通过操作系统。

例如，UNIX操作系统：SUN公司的Solaris;Microsoft公司的Windows

系列。Linux操作系统:Redhat,红旗Linux等。

[11

中五、微机舞作系统

微机操作系统(MicrocomputerOperating

System)作为操作系统的一个类型，是由于随

着VLSI的发展，芯片集成度越来越高，价格越

来越低而带来了微机时代，在微机上配置的操

作系统就称为微机操作系统。

■微机操作系统(MicrocomputerOperatingSystem)的特征

■应用领域：事务处理、个人娱乐

■系统要求：使用方便、支持多种硬件和外部设备(多媒

体设备、网络、远程通信)、效率不必很高。

申五、微机舞作系统

■常用的微机操作系统

■单用户单任务：CP/M,MS-DOS

■单用户多任务：OS/2,Windows

■多用户多任务：UNIX,Solaris,Linux。

1.2

申九、嵌入氏搽隹系统

嵌入式操作系统(EmbeddedOperatingSystem)根

据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义：是

“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装

置，，是从应用上考虑的。

嵌入式系统是软件和硬件的综合体，可以涵盖机

电等附属装置。它更一般性的定义：以应用为中心、

以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠

性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

嵌入式操作系统大多用于机电设备、仪器等专用

控制方面，因此大多采用微内核结构。

银入之操隹系统

嵌入式操作系统的几个重要特征：

■系统内核小；由于是应用于小型电子装置，系统资源相

对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。

■专用性强；个性化很强，软件系统和硬件结合非常紧密。

■系统精简；一般没有系统软件和应用软件的明显区分，

以安全可靠为主。

■高实时性操作系统；这是嵌入式软件的基本要求,而且

软件要求固态存储，以提高速度。

九、嵌入式操作系统

嵌，自动售货机掌上PDA

水电表

楼宇控制喳

窝电话

随睾、鼠靠思嘉、工业应用、军事国防、网纥设备、

医疗电子隔骏轻如踹卜型智能截/器等加廊i社会迫切霄赢库

嵌入£b可以说I技术无如南归正在遂制改

变着彳建的。手业生产、会生活和服务方式，星斗

技术样畛一个后微机技术发展阶段。

浏览器

蜂窝电话＜

fl撵

工厂自动化I球心用户应用

・p九、银入氏操作系统

1.2

¥六、器处理机擦隹藁统

多处理机操作系统(Multi-ProcessorOperatingSystem)

是指具有两个以上的处理机，并在其上建立的操作系统。

1.多处理机系统的引入的原因

■利用多台处理机进行多任务处理，协同求解一个而复杂的

问题来提高速度。

■依靠冗余的处理机来提高系统的可靠性、适应性和可用性。

由于应用目的和结构不同，多处理机有不同的构型。

¥六、器处理机擦隹藁统

2•多处理机的类型

■紧耦合多处理机：通过共享主存和I/O设备来实现处理机

间通信。系统中的所有资源和进程都由操作系统统一的控

制和管理.

■松散耦合多处理机：不同的处理机间或者通过通道互连

实现通信，以共享某些外部设备；或者通过通信线路来交

换通信信息。每台处理机也都配备有操作系统来管理本地

的资源和进程，因此，每台处理机能够独立运行。

¥六、器处理机擦隹藁统

3•多处理机操作系统的类型：

■非对称多处理机(AsymmetricMultiProcessor)：其

中每台处理机都指派专门的任务，有一台主处理机控制整

个系统，其余处理机执行主处理机下达的指令，或执行预

先规定好的任务。这是一种主——从关系。

■对称多处理机(symmetricMultiProcessor)：这是一

种常见的形式，所有处理机都是相同的，且都运行一个相同

的操作系统副本。所有处理机是对等的，没有主——从之分,

成为多处理机系统的主要形式。

1.2

申七、网络擦倍系统

■计算机网络的类型

■网络OS的模式

■客户/服务器模式

■对等模式:每个点即可做客户，又可做服务器。

■网络OS的功能

通信、资源管理、网络服务、网络管理、互操作

能力

1.2

中八、分布氏雅伯系统

分布式系统：

“真正的分布式系统是运行在不具有共享内存的

多台机器上，但在用户眼里却像是一台计算机。

在分布式处理系统中，系统的处理和控制功能，

都分散在系统的各个处理单元上，系统中的所有

任务，也可动态地被分配到各个处理单元上去，

使它们并行执行，实现分布处理。

中八、分布氏雅伯系统

分布式系统

具有与计算机网络不同的5个方面的特征：

■分布式处理；资源、功能、任务及控制都分散在各个处

理机上，这是网络所没有的一个很重要的特征，这要求连

网的计算机有一个统一的操作系统。

■并行性；分布式系统可以并行处理多个子任务，以达到

共同完成某个任务，加快了整体任务的完成。

■透明性；系统中各子任务执行位置、资源位置等对用户

是透明的。网络也具备透明性，但主要指操作实现上的。

申八、分布氏雅伯系统

■共享性；分布在各个计算机上的软、硬资源可供整个系

统所共享，并以透明的方式访问，这也是网络系统所没有

的。网络系统的共享多半是指在服务器上的。

■健壮性；分布式系统处理和控制功能都是分布的，因此,

从理论上来说，任何结点上的故障，对整体系统影响不大。

分布式操作系统(DistributedOperatingSystem)

是一个非常复杂的系统，是网络操作系统的更

高级形式。目前真正可用的分布式软件很少，还

有些问题有待解决。

1.2

:1.5攥传系统的结杓或针

■操作系统的结构设计经历了以下几代:

■传统的操作系统结构

■无结构操作系统

■模块化OS结构

■分层式0s结构

■现代操作系统结构

■微内核的OS结构

元结构森隹系统

■OS是由众多的过程直接构成，各过程之间可相互调

用，但OS内容不存在任何结构，所以这种OS是无结

构的，又称为整体系统结构。

■缺点:

既庞大又杂乱，缺乏清晰的程序结构；程序错误多,

调试难、阅读难、理解难、维护难。

1.5

中楼块化森隹系统结构

■OS是采用“模块化程序设计”技术，按其功能划分为若干个独

立的模块，管理相应的功能，同时规定好各模块之间的接口，

以实现其交互，对较大模块又可按子功能进一步细分下去。所

以这种OS称为模块化OS结构。

■优点

■提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性

-增强了OS的可适用性

■加速了OS的开发过程

■缺点：

■设计时模块及接口划分较困难

・各模块设计齐头并进，无法寻找一个可靠的决定顺序

■Linux（多用户、多任务OS）

1.5

申分麋丸康伯系统飨构

■分层式OS结构按分层式结构设计的基本原则，将OS划

分为若干个层次，每一层都只能使用其底层所提供的功

能和服务，从硬件开始，在其上面一层一层地自底向上

增添相应功能的软件。

■优点：

-每一步设计都建立在可靠的基础上，结构更清晰

-调试和验证更容易，正确性更高

缺点：系统效率降低。

1.5

微内核的C5结构

■微内核技术的主要思想

在os内核中只留下一些最基本的功能，而将其他服务

分离出去，由工作在用户态下的进程来实现，形成所谓

“客户/服务器”模式。客户进程可通过内核向服务器进程

发送请求，以取得OS的服务。

■微内核

精心设计的，能实现现代OS核心功能的小型内核，它小

而精炼，运行在核心态下，开机后常驻内存，不会因内存

紧张而换出，它为构建通用OS提供了一个重要基础。

I微内核的OS结构（续）

■微内核的基本功能

■进程（线程）管理

-低级存储器管理

■中断和陷入处理

■特点

■小而精练

■系统的灵活性和可扩充性好

■系统的可靠性高

.适用于分布式系统

■windows2000/XP>UNIX、嵌入式OS

1.5

UN［浮统僧介

■UNIX系统的发展

■UNIX系统的特性

■开放性（系统遵循国际标准规范）

.多用户、多任务环境

・功能强大、实现高效

■提供丰富的网络功能

■支持多处理机的功能

■UNIX系统的内核结构

P322图10-1

庠卫竺子匹的发展

■UNIX系统是美国贝尔实验室的两名程序员K.Thompson

和D.M.Ritchie为PDP-7机器所设计和实现的一个分时操

作系统。

■最初采用汇编语言编写，后采用了C语言，并先后形成了

第3、4、5、6、7版、UNIXSystemv2.0(UNIXSVR2)>

UNIXSVR3>UNIXSVR4.UNIXSVR4.2版本以及

BSDUNIX版本系列。

■UNIX是目前世界上最成功、最流行的OS之一。

■UNIX操作系统发展历程图(下页)

UNIX版本发展历史

1.6

,典型的现代操作系统

1.Windows

从1983年微软宣布Windows诞生到现在的WindowsXP、

WindowsVista,已经走过了20多年的历史。

•Windows的开发过程

Windows的起源可以追溯到美国Xerox公司工作。该公司著名

的研究机构PaloAltoResearchCenter(PARC)于1981

年宣布推出世界上第一个商用的GUI(GraphicUser

Interface,图形用户界面)系统，Star8010工作站。随后

不久，AppleComputer公司成功地推出了第一个商用的GUI

系统AppleMacintosh0

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,典型的现代操作系统

1.Windows

•Windows的开发过程

图形界面的优势人人可见，这是未来的趋势；

1981年，微软内部制定发展“界面管理者”计划。到1983

年5月，微软决定把这一计划命名为MicrosoftWindowso

1983年H月，比尔•盖茨宣布推出Windows,但是一直到

1985年H月微软公司才正式发布Windowsl.0版。Windows

在微软公司历史上创造了投入开发人员最多、开发时间最

长、延迟交货次数最多、销售成绩最佳的历史记录。

1990年5月，微软公司推出Windows3.0。该版本

的Windows许多功能都比以前大有提高。从此，在许多独

立软件开发商和硬件厂商的支持下，微软的Windows在市

场上逐渐开始取代DOS成为操作系统平台的主流软件。

,典型的现代操作系统

1.Windows

•WindowsNT系统

WindowsNT开发，主要包括以下4个方面：

■可扩充性；随着时间推移，可对软件进行改动。

■可移植性；系统只需做很小的再编码就可工作于不同的

计算机平台。

■可靠性；包括正确性和健壮性。主动保护自身及其用户,

免遭用户程序偶然或有意的破坏。

■可兼容性；是个较为复杂的问题。比如适应UNIX风格的

接口，应用程序就易于从一个系统搬到另一个系统上。

典型的现代操