计算机操作系统（第二版）课件：操作系统引论

OperatingSystem操作系统

操作系统引论1.什么是操作系统2.操作系统的发展过程及分类

3.操作系统的特征和功能4.操作系统用户接口5.操作系统内核结构6.典型操作系统介绍1.1什么是操作系统计算机系统硬件有哪些？各自的功能是什么？计算机系统中的软件是如何分类的？举例说明从用户观点、系统观点、虚拟机观点，如何看待操作系统？操作系统的概念？中央处理机（CPU：运算器+控制器）、内存、外存、其他外部设备。为多种应用而编制的程序，如：财务管理、电子商务、车票销售系统等操作系统语言处理系统（编译、汇编程序）1.1什么是操作系统一.计算机系统计算机系统软件硬件系统软件应用软件支撑软件数据库管理系统常用的服务程序（库连接、诊断、排错程序）1.1什么是操作系统二.操作系统概念1.用户观点:

OS是用户与计算机硬件之间的接口计算机硬件操作系统普通用户应用软件设计者系统软件设计者命令方式、系统调用方式、图形方式命令接口二.操作系统概念

1.用户观点普通用户：cp/home/TEST/mydir/test程序开发者：

如Linux下实现cp命令的C语言片段：inf=open(“/home/TEST”,O_RDONLY);outf=open(“/mydir/test”,O_WRONLY);do{len1=read(inf,buf,4096);len2=write(outf,buf,4096);}while(len1);close(outf);close(inf);程序接口二.操作系统概念2.资源管理观点OS是计算机系统资源的管理者四种资源处理器存储器I/O设备信息四种功能处理机管理存储器管理I/O设备管理文件管理二.操作系统概念用户物理接口硬件机器指令物理接口硬件I/O软件用户3.虚拟机观点牌子、型号、容量、柱面数、磁头数、每磁道扇区数、缓存大小、转速、传输速率、控制器中的寄存器，使用情况，用机器语言写驱动程序，…等文件系统把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。操作系统概念：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的集合。从用户的观点看，操作系统是（）。用户与计算机之间的接口控制和管理计算机资源的软件合理组织计算机工作流程的软件由若干层次的程序按一定结构组成的有机体ABCD提交单选题10分1.1什么是操作系统如何从用户观点、系统观点、虚拟机观点，理解操作系统的作用？操作系统的概念是什么？本节知识小结1.2操作系统的发展与分类

操作系统发展的初期阶段

手工操作阶段

脱机I/O技术

单道批处理个人计算机操作系统

网络操作系统分布式操作系统

多道程序系统操作系统进一步发展操作系统的形成嵌入式操作系统

多道批处理系统

分时系统

实时系统纸带（卡片）输入机计算机打印结果取走纸带1.手工操作阶段一.无操作系统的计算机系统带孔为1，无孔为01.2操作系统的发展与分类1.手工操作阶段CPU等待人工操作：人——机矛盾一.无操作系统的计算机系统1.2操作系统的发展与分类纸带（卡片）输入机计算机打印结果取走纸带该方式有什么不好呢？机器速度程序要求处理时间人工操作时间操作时间与机器有效运行时间之比1万次/秒1小时3分钟1:2060万次/秒1分钟3分钟3:1用户独占全机串行性2.脱机输入输出技术纸带机外围机磁带磁带主机磁带磁带外围机打印机优点：

减少主机CPU空闲时间；提高I/O速度。外围机又称为卫星机一.无操作系统的计算机系统1.2操作系统的发展过程二.单道批处理系统

1.作业的概念：是用户定义的、由计算机完成的一个工作单位。作业由不同的顺序相连的作业步组成。组成：作业=程序+数据+作业说明书应用：早期批处理系统，现代大型机、巨型机系统后台作业：Linux的shell中：命令&Windows命令行界面：start/b

<命令名>二.单道批处理系统（50年代中期：晶体管计算机）

2.基本原理系统管理员用户作业提交磁带脱机输入作业2作业3作业1……磁带监督程序主机作业1作业2作业3关键技术：脱机+作业自动过渡特点：自动性、顺序性、单道性OS雏形程序+数据+作业说明书作业运行结果磁带1959年，IBM70901962年，IBM7094二.单道批处理系统3.单道批处理系统的性能分析CPU作业A运行I/O操作作业A运行外设CPU和I/O设备串行工作作业A计算计算输入那怎么解决这个问题呢？三.多道批处理系统多道程序设计技术

内存中同时驻留多个独立程序，共享资源，穿插运行作业A输入计算计算输出作业B计算输入计算输出作业BA输入CPU输入设备输出设备B输入AA输入请求B输入请求作业AA输出请求等待设备B等CPUB等设备B输出A输出B输出请求多道宏观并行，微观串行走走停停运行多道程序系统中程序运行有什么特点呢？课堂练习设某计算机系统有一台输入机和一台打印机。现有两道程序同时进入系统，且程序A先开始运行，程序B后运行。程序A的运行轨迹为：计算50ms，打印信息100ms，再计算50ms，打印信息100ms，结束；程序B的运行轨迹为：计算50ms，输入数据80ms，再计算100ms，结束。回答以下问题：（1）若A、B顺序运行，总共耗时多少ms？CPU利用率是多少？（2）若A、B并发运行，总共耗时多少ms？CPU利用率是多少？提高CPU的利用率；提供内存和I/0设备的利用率；增加系统吞吐量多道程序设计技术优点?答案发弹幕在多道程序设计技术的计算机系统中，CPU（）只能被一个程序占用可以被多个程序同时占用可以被多个程序交替占用可以被操作系统和另一个程序同时占用ABCD提交单选题10分以下关于多道程序设计技术的描述，正确的有（）提高了系统的吞吐量提高了CPU的利用率可以保证每个作业都一口气连续快速运行完成在单处理机系统中也能实现多道程序设计技术ABCD提交多选题10分2.多道批处理系统原理作业2作业3作业1……磁盘OS主机内存后备队列作业调度选择若干作业入内存作业i作业k…作业n多道批处理特点：多道性无序性调度性多道批处理系统优缺点：优点：缺点：资源利用率高、系统吞吐量大作业平均周转时间较长、无交互能力进入后备队列运行完成出系统单道批处理特点：单道性顺序性自动性作业运行结果磁盘比较分析单道批处理系统与多道批处理系统的特点有哪些不同？1964.4.7，耗资50亿美元，IBMSystem/360关于批处理系统，以下说法正确的有（）批处理系统允许多个用户将多个作业提交给计算机集中处理批处理作业必须具有作业控制信息批处理系统资源利用率高批处理系统交互性好，作业周转时间短ABCD提交多选题10分1.2操作系统的发展与分类说明分时系统的基本概念说明时间片、响应时间的概念分析分时系统要解决的关键问题及解决办法分析分时系统的性能特点说明实时系统的两种适用场景、实时系统的概念比较分析两类实时系统的特点举例说明两种截止时间的概念比较分析分时系统与实时系统1.2操作系统的发展及分类┇主机终端1终端2终端n分时原则终端请求响应四.分时系统一台主机上连接多个终端，允许多个用户同时通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。哈哈！我只有显示器和键盘哦！响应时间四.分时系统时间片：每个终端用户的作业能连续使用CPU的最长时间。CPUJ1J2J3……Jn-1Jn时间片qJ2J3J4……JnJ1J3J4J5……J1J2tJ1J2J3J4……JnJ1J2J3作业0q2q3q4q……

多个作业分时共享CPU及时接收及时处理及时返回处理结果四.分时系统2.分时系统实现中的关键问题

配置多路卡为每个终端配置输入输出缓冲区作业（终端用户请求）提交时直接进内存引入时间片的概念，多个作业分时共享CPU及时响应用户请求

人机交互

解决办法196119651969-1974CTSS麻省理工学院第一个分时系统运行于IBM7094实现了时间片技术MULTICS贝尔实验室、麻省理工学院、通用电气公司1969年因研发进度缓慢、资金短缺宣告失败动态链接、分层文件系统等新技术UNIXKenThompsonDennisRitchie

1970为DECPDP-71973用C重写UNIX1991-1994DennisRitchie丹尼斯·里奇KenThompson肯·汤普森1983年获图灵奖典型分时系统

LINUXLinusTorvalds基于MINIX开发开源免费支持多种平台LinusTorvaldsLinuxKernel红帽DebianSuSEopenEulerfedoraubuntuSLESopenEulerRHELOpenSuSECentOS麒麟V10iSoftV5.1EulixOS1.0免费版社区版商用版免费版商用版商用版社区免费版openEuler与SuSE、Debian、RedHat的上游社区都是kernel社区Linux主要发行版四.分时系统3.分时系统的特征多路性；独立性；及时性：响应时间交互性大家能总结分时系统的特征并进行解释吗？┇主机终端1终端2终端n响应请求某分时系统中预计有50个用户同时上机，为使每个用户能在2s内得到响应，时间片最大限度为

[填空1]ms。作答填空题10分下面关于分时系统的说法中，正确的有（）分时系统是一种多用户操作系统由于采用了分时技术，用户可以独占计算机资源分时系统不一定都具有人机交互功能时间片是一个终端用户作业能连续使用CPU的最长时间ABCD提交多选题10分1.2操作系统的发展及分类五.实时系统

1.实时系统应用需求实时控制：生产过程控制、武器控制实时信息处理：订票系统、情报检索系统糟了，一颗螺丝钉没有拧上不合格产品！1.2操作系统的发展及分类五.实时系统

1.实时系统应用需求实时控制：生产过程控制、武器控制实时信息处理：订票系统、情报检索系统火星探路者号：1997.7.4着陆火星着陆后的第10天,开始无规律重启，每次重启都造成数据丢失1.2操作系统的发展及分类五.实时系统

1.实时系统应用需求实时控制：生产过程控制、武器控制实时信息处理：订票系统、情报检索系统2021.5.15着陆火星表面祝融号火星车：2020.7.23发射中国“天和”空间站设计寿命：90个火星日，约92个地球日1.2操作系统的发展及分类五.实时系统

1.实时系统应用需求实时控制：生产过程控制、武器控制实时信息处理：订票系统、情报检索系统实时控制：生产过程控制、武器控制实时信息处理：订票系统、情报检索系统作战指令未收到贻误战机！2.实时系统概念系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。五.实时系统3.截止时间（1）开始截止时间：例：生产线上一个工作点，任务周期50s，任务需要时间30s0s50s100s20s（2）完成截止时间：锅炉爆炸了！大家能不能举出其他使用开始截止时间或者完成截止时间控制的任务？上节课知识回顾什么是操作系统？解释说明多道程序设计技术的概念，对系统性能有什么影响？说明多道批处理系统的性能优缺点？说明分时系统的基本概念？说明时间片的概念？实现分时系统需要解决哪些关键问题？如何解决？

说明实时系统的基本概念、截止时间的概念？比较分析实时系统与分时系统的区别？课前学习中不理解的问题、希望老师重点讲解的内容有哪些？用弹幕给出五.实时系统4.实时系统与分时系统的比较设计目标不同及时性：实时系统更高交互性：分时系统最强可靠性：实时系统要求高度可靠5.实时系统举例国产实时系统：RT-threadOS、HDU-edge-OSVxWorks、QNX、LynxOS

美国WindRiver公司于1983年设计开发嵌入式实时操作系统良好的可靠性和卓越的实时性通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航美国的F-16、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机、爱国者导弹，系列火星探测器等火星探路者(TheMarsPathfinder)

1997年7月4日抵达火星表面着陆后的第10天,开始无规律重启，每次重启都造成数据丢失五.实时系统5.实时系统举例——RT-threadOS主要由中国开源社区主导开发开源实时操作系统集实时操作系统内核、中间件组件和开发者社区于一体的技术平台物联网操作系统TCP/IP协议栈，文件系统，libc接口，图形用户界面五.实时系统5.实时系统举例——HDU-edgeOS特点：能够在负载不断增加的情况下，保证任务的可预测性高实时性高可靠性应用领域：无人驾驶无人机无人船分布式计算1.2操作系统的发展及分类六.微机操作系统的发展单用户单任务操作系统：DOS单用户多任务操作系统：Windows单机版多用户多任务操作系统：Unix、Linux、Windowsserver由线路将一组独立自治的计算机相互连接形成的一个集合体(1)计算机网络的定义多个独立计算机无公共内存具备消息通信机制

(2)计算机网络的特点七.网络操作系统1.2操作系统的发展过程一般操作系统功能模块网络通信模块（通信接口中断处理程序、通信控制程序以及各级网络协议软件）(3)网络操作系统概念不能支持透明的资源存取不能支持合作计算

不能对网络资源进行有效、统一的管理

(4)计算机网络的局限性七.网络操作系统计算机1计算机2计算机3计算机4(1)分布式系统概念包含多个分布的通用资源部件，并经过通信网络相互作用有一个分布式操作系统对资源进行全局和动态的管理控制系统对用户是透明的任务可以分布处理八.分布式系统1.2操作系统的发展过程可扩展性增加性能高可靠性

(2)分布式系统的特点八.分布式系统(3)分布式系统与网络系统的区别计算机1计算机2计算机3计算机4用户计算机1计算机2计算机3计算机4用户超级计算机网络操作系统分布式操作系统1.2操作系统的发展过程九.嵌入式操作系统EOS（1）概念将应用程序和OS与计算机硬件集成在一起的系统。负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作、控制协调并发活动等。（2）嵌入式系统举例手机操作系统：Android、iOS,黑莓等。VxWorks：是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。它支持多种处理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPSRX000、POWERPC等等。大多数的VxWorksAPI是专有的。采用GNU的编译和调试器。九.嵌入式操作系统pSOS：该系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠性。可以让开发者根据操作系统的功能和内存需求定制成每一个应用所需的系统。开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。

QNX：是一个实时的、可扩充的操作系统，它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务，都实现为协作的用户进程，因此QNX内核非常小巧(QNX4.x大约为12Kb)而且运行速度极快。LynxOS：是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统，支持线程概念；提供一些传统的、非实时系统的服务特征；包括基于调用需求的虚拟内存，一个基于Motif的用户图形界面，与工业标准兼容的网络系统以及应用开发工具。（2）嵌入式系统举例下列说法中正确的是（）从响应时间的角度看，实时系统与分时系统差不多机票订购系统是一个分时系统资源利用率不是设计实时系统主要追求的目标实时系统通常具有较强的交互性ABCD提交单选题10分下列说法正确的有（）。（可多选）Win7是单用户单任务操作系统Unix是多用户多任务操作系统Linux是单用户多任务操作系统iOS4是单用户多任务操作系统ABCD提交Android是多用户多任务操作系统E多选题10分1.2操作系统的发展过程①航空航天，核变研究；②国家统计局数据处理中心；③机房学生上机学习编程；④锅炉炉温控制；⑤两个不同地区之间发送电子邮件；⑥产品组装流水线。2.现有以下计算机的应用场合，请为其选择适当的操作系统：

1.2操作系统发展过程脱机输入输出技术的概念？多道程序设计技术的概念就性能优点？批处理系统的基本概念、实现原理、性能特点？分时系统的基本概念、实现原理、性能特点？实时系统的基本概念、性能特点、截止时间的概念？微机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统的基本概念？本节知识小结1.3操作系统的特征和功能OS特征：

1.并发：

OS最基本的特征程序B程序A程序A程序BA输入B输入A输出B等CPU等设备CPU输入设备输出设备等设备并发与并行的区别：并发性：宏观上在同一时间段内同时运行，微观上交替执行并行性：两个或多个事件在同一时刻同时发生

OS特征程序A部分代码程序B部分代码inta,b,c;a=10;b=5;c=a+b;inta,b,c;a=20;

b=15;c=a*b;进程：一个程序的一次运行过程每个进程设置一个“PCB”：下一条要执行的指令地址1.并发初识“进程”概念

1.3操作系统的特征与功能互斥共享方式临界资源：打印机，扫描仪等同时访问方式宏观同时，微观轮流处理机、内存磁盘、可重入代码进程1，进程2进程3，进程4进程5，进程6文件，队列共享变量等OS特征2.共享进程1，进程2，进程nCPU1CPU2虚拟主存1

打印机1打印机2虚拟主存2

CPU主存打印机分时主存管理假脱机打印软件硬件

1.3操作系统的特征与功能OS特征3.虚拟：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导致的原因：竞争资源进程B进程A进程A进程BA输入B输入A输出B输出B等CPU等待设备CPU输入设备输出设备等设备1.3操作系统的特征与功能OS特征4.异步：进程以人们不可预知的速度向前推进程序B计算100s输入80s计算50s输出30s执行程序1.3操作系统的特征与功能二.操作系统的功能：控制硬件进程管理存储器管理设备管理文件管理用户接口现代操作系统的两个基本特征是（

）和资源共享。多道程序设计中断处理

并发执行

实现分时与实时处理ABCD提交单选题10分在操作系统中，并发性是指若干事件（

）同时发生。在同一时刻

一定在不同时刻在某一时间间隔内

依次在不同时间间隔内ABCD提交单选题10分在单CPU系统中实现并发技术后，（

）各进程在某一时刻并行运行，CPU与外设间并行工作各进程在一时间段内并行运行，CPU与外设间并行工作各进程在一时间段内并行运行，CPU与外设间串行工作各进程在某一时刻并行运行，CPU与外设间串行工作ABCD提交单选题10分1.3操作系统的特征与功能操作系统的四个特征：并发、共享、虚拟、异步操作系统最基本的特征：并发操作系统的功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、提供用户接口本节知识小结1.4操作系统用户接口1.4操作系统的用户接口命令接口：作业控制语言键盘命令

操作系统程序接口：

系统功能调用图形接口实用程序命令接口：普通用户与OS的接口联机用户接口脱机用户接口

作业说明书:作业基本情况描述：

作业名、用户名、编程语言、允许的最长处理时间等作业控制描述：各作业步的操作顺序、出错处理等作业资源要求描述：

要求处理时间、内存大小、外设种类及数量、优先级等1.4操作系统的用户接口一组键盘命令+命令解释程序一组作业控制语言：I/O命令+编译命令+操作命令+条件命令二.程序接口：系统调用（以Linux/openEuler为例）系统调用概念系统功能调用是用户在程序一级请求操作系统服务的一种手段，它是带有一定功能号的“访管指令”。其功能是由操作系统中的程序完成的。1.4操作系统的用户接口INT指令Dos：INT21HLinux：INT80Htrap指令┇fork()┇在应用程序中调用系统调用fork(){┇int0x80┇}在libc库中的封装例程用户态system_call:┇sys_fork()

┇ret_from_sys_calliretsys_fork(){┇}内核态系统调用处理程序系统调用服务例程2.系统调用执行流程系统调用与API有什么区别？二.系统调用（以Linux/openEuler为例）三.图形接口（GraphicalUserInterface——GUI）更加友好的交互型用户接口直观地操纵计算机系统1.5操作系统内核结构一.整体式结构（单体结构）应用软件其他系统软件操作系统其他功能操作系统内核概念：操作系统是一组过程的集合，每个过程有接口定义，包括入口参数和返回值，过程间可任意调用。设计重点：功能的实现和高效率缺点：缺乏清晰的程序结构、错误多、难以维护实例：Linux、AT&TSystemV，BSDUNIXLinux内核模块概念操作系统课程实践-实验一Linux/openEuler内核模块编程要求：实现一个指定功能要求的内核模块能详细分析所编写的模块代码及Makefile文件根据自身情况，阅读分析所用到相关内核函数的源码评价方法：群文档：课程实践验收方法与要求内容：教材P336的实验二群文档：实验1添加内核模块小组题目应用软件其他系统软件操作系统其他功能操作系统内核概念：操作系统按功能划分模块，模块要封装，具有良好接口定义，模块间可任意调用特点：有利于系统设计和扩展缺点：模块间依赖关系复杂，使OS结构不清实例：Choices系统，实验性质1.5操作系统内核结构二.模块化结构模块1：文件系统过程1过程2过程3过程n打开文件读文件

模块2

进程管理×5操作系统应用软件其他系统软件操作系统其他功能内核把OS的功能模块划分为若干层，每层之间的模块只能单向调用①②③1.5操作系统内核结构三.层次结构模型优点：易保证系统的正确性，易扩充和易维护性缺点：系统效率降低实例：Dijkstra的THE系统，Unix系统层次结构划分分析5小组讨论回答：一个分层结构操作系统有裸机、用户管理、CPU调度、文件管理、作业管理、内存管理、设备管理和命令管理等部分组成，试按层次结构的原则从内到外将各部分进行层次组织。可能顺序：裸机、CPU调度、内存管理、设备管理、文件管理、作业管理、命令管理、用户管理三.层次结构模型1.5操作系统内核结构5内核操作系统应用软件其他系统软件操作系统其他功能内核核心功能基础核心系统内核基础核心进程管理（线程）中断和陷入处理低级存储器管理其他核心：文件管理、设备驱动、内存管理、网络管理等基础通信：消息传递特点：采用面向对象技术基于客户/服务器模式运行在核心态的微内核运行在用户态的并以客户/服务器方式活动的进程层四.微内核结构模型1.5操作系统内核结构裸机（硬件）微内核客户进程客户进程进程服务器存储器服务器文件服务器请求应答用户态核心态优点：提高系统的可扩展性

增强系统的可靠性、可移植性

提供了对分布式系统的支持

融入了面向对象技术实例：Mach系统Tru64UNIX系统WinNT

华为鸿蒙操作系统进程管理（线程）低级存储器管理中断和陷入处理基础通信：消息传递设备服务器应答四.微内核结构模型1.5操作系统内核结构7二.实例操作系统的结构UNIX操作系统结构示意图①UNIX核心层处理机管理存储管理设备管理文件系统②UNIX实用层实用程序——编辑程序、调试程序、系统状态监控、文件管理等实用程序存储管理软件工具——源代码控制程序SCCS、文档准备程序包等1.5操作系统内核结构

(1)UNIX操作系统的结构：层次式8系统调用界面程序库进程通信进程调度存储管理文件子系统高速缓冲字符设备块设备设备驱动程序用户程序

硬件控制

硬件用户级核心级硬件层进程管理与存储管理网络管理网络协议网络驱动(2)Linux系统的核心结构：整体式二.实例操作系统的结构9系统虚拟机32位Windows应用程序32位Windows应用程序

16位Windows应用程序16位Windows应用程序Windows子系统WindowsKernelWindowsGDIWindowsUserMSDOS虚拟机MSDOS虚拟机MSDOS虚拟机

可安装的文件系统管理程序32位FATCD-ROM文件系统

网络重定向程序

块I/O子系统

主存管理调度程序

Vxds服务及动态装入程序

MSDOSVM管理程序设