计算机导论 课件 第9章 操作系统

第9章操作系统内容提要本章主要章节9.1操作系统概述9.2操作系统的发展史9.3操作系统的特征9.4操作系统的功能9.5操作系统的分类9.6主流操作系统9.7操作系统的发展方向§9.1操作系统概述图9.1计算机系统的抽象层次结构图从用户的角度看，操作系统就是人机接口，是用户和计算机之间桥梁，它屏蔽了计算机硬件和系统软件的很多细节，极大地方便了用户对计算机的资源的使用，从而使得计算机变得易学易用。从系统的角度看，操作系统是计算机系统所有资源的管理者，负责管理系统内的所有硬件和软件资源，是计算机系统资源的管理者。从发展的角度看，引入操作系统可以给计算机系统的功能扩展提供支撑平台，使之在追加新的服务和功能时更加容易和不影响原有的服务和功能。§9.1操作系统概述操作系统的定义：

操作系统（OperatingSystem，简称OS）是一组能有效地组织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。§9.2操作系统的发展史§9.2.1手工操作（无操作系统）手工操作阶段，程序员将对应于程序和数据的已穿孔的纸带（或卡片）装入输入机，然后启动输入机把程序和数据输入计算机内存，接着通过控制台开关启动程序针对数据运行；计算完毕，打印机输出计算结果；用户取走结果并卸下纸带（或卡片）后，才让下一个用户上机。手工操作方式有两个特点：(1)用户独占全机。不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源的利用率低。(2)CPU等待手工操作，CPU的利用不充分。§9.2操作系统的发展史§9.2.2批处理系统联机批处理系统实现了作业到作业的自动转接，减少了作业建立时间和手工操作时间，有效克服了人机矛盾，提高了计算机的利用率。但是，在作业输入和结果输出时，主机的高速CPU仍处于空闲状态，等待慢速的输入/输出设备完成工作，即主机处于“忙等”状态。(2)脱机批处理系统极大缓解了人机矛盾及主机与外设的矛盾。其不足之处在于：每次主机内存中仅存放一道作业，每当它运行期间发出输入/输出（I/O）请求后，高速的CPU便处于等待低速的I/O完成状态，致使CPU空闲。§9.2操作系统的发展史§9.2.3多道程序系统（多道批处理系统）

多道程序设计技术，就是指允许多个程序同时进入内存并运行。即同时把多个程序放入内存，并允许它们交替在CPU中运行，它们共享系统中的各种硬、软件资源。单处理机系统中多道程序运行时的特点：(1)多道性(2)宏观上并行(3)微观上串行多道批处理系统有两个特点：多道性成批性§9.2操作系统的发展史§9.2.4分时系统分时技术：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各联机作业使用。分时系统的特点：(1)多路性。(2)交互性。(3)独立性。(4)及时性。(5)可靠性。分时系统的主要目标：及时响应用户，即不能使用户等待每一个作业的处理时间过长。§9.2操作系统的发展史§9.2.5实时系统实时系统，即系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。实时系统可分成两类：(1)实时控制系统。(2)实时信息处理系统。良好的可靠性和及时性对实时系统而言是最重要的。§9.2操作系统的发展史§9.2.6通用操作系统

操作系统的三种基本类型：批处理系统、分时系统、实时系统。通用操作系统是指具有多种类型操作特征的操作系统。可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能或其中两种以上的功能。例如：实时处理+批处理=实时批处理系统。首先保证优先处理实时任务，插空进行批处理作业。常把实时任务称为前台作业，批作业称为后台作业。再如：分时处理

+批处理

=分时批处理系统。该系统将时间要求不强的作业放入“后台”处理（批处理），需频繁交互的作业在“前台”（分时）处理，处理机优先运行“前台”作业。§9.2操作系统的发展史§9.2.7操作系统的进一步发展(1)PC操作系统(2)网络操作系统(3)分布式操作系统(4)嵌入式操作系统§9.3操作系统的特征现代操作系统还一些共同的特征：并发共享虚拟异步§9.3操作系统的特征1.并发性并行性是指两个或者多个事件在同一时刻发生，即这些事件是同时发生的；并发性是指两个或者多个事件在同一时间的间隔内发生，换句话说，并发宏观上是并行的，微观上是串行的，即是交替执行的。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内有多道程序在同时运行，但在单处理机的系统中，每一时刻仅能执行一道程序，故微观上这些程序是在交替执行的。并发的对象是进程。

§9.3操作系统的特征2.共享性所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。由于资源的属性不同，故多个进程对资源的共享方式也不同，可以分为：互斥共享和同时访问的共享。并发和共享相互依存，是操作系统两个最基本的特征。§9.3操作系统的特征3.虚拟性虚拟性是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。在操作系统中虚拟的实现主要是通过时分复用技术或空分复用技术来实现的。§9.3操作系统的特征4.异步性进程的执行并非“一气呵成”，而是以“走-停-走-停”的方式运行。内存中每个进程何时获得处理机资源得以运行，何时又因为提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度向前推进，每道程序总共需要多少时间才能完成，都是不可预知的。这种不确定性，我们称之为异步性。或者说进程以不可预知的速度向前推进，即进程的异步性。§9.4操作系统的功能操作系统主要具有五大功能：处理机管理存储管理设备管理文件管理用户接口§9.4操作系统的功能§9.4.1处理机管理在多道程序环境下，多个用户作业同时运行，处理机分配和运行都是以进程为基本单位的，因此，处理机管理就变成了进程管理。多道程序系统中，程序仅仅是指令和数据的有序集合，是静态的。从一个程序被选中执行到其执行结束并再次成为一个程序的这段过程中，该段程序被称为一个作业。因此，每个作业都是程序，但不是所有的程序都是作业。进程是程序在一个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和处理机调度的独立单位。或者说，进程是一个在内存中运行的作业，它是从众多作业中选取出来并装入内存中的作业。需要注意，每个进程都是作业，但不是所有的作业都是进程。§9.4操作系统的功能§9.4.1处理机管理处理机管理的主要功能进程控制进程同步进程通信调度§9.4操作系统的功能§9.4.1处理机管理1.进程控制进程控制的主要功能是为作业创建进程、撤销（终止）已结束的进程，以及控制进程运行过程中的状态变迁。进程在其生命周期内可能具有多种状态，每个进程至少处于以下三种基本状态之一：图9.2

进程的3种基本状态之间的变迁关系§9.4操作系统的功能§9.4.1处理机管理1.进程控制图9.3

程序、作业和进程之间的转换关系§9.4操作系统的功能§9.4.1处理机管理2.进程同步进程同步对多个相关进程在并发执行次序上进行协调，使并发执行的诸进程间能按照一定的规则（或时序）共享系统资源，并能很好地相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。同步应遵循的原则是：(1)空闲让进。(2)忙则等待。(3)有限等待。(4)让权等待。2.进程同步在进程并发执行的过程中，只要有资源共享，就有可能出现死锁现象。图9.4

死锁发生时的资源分配图竞争互斥性资源是死锁产生的最根本的原因，而且陷入死锁状态的进程至少是两个，它们至少占有两种资源。死锁不经常发生，但死锁发生时必须满足如下4个必要条件。（1）互斥条件。（2）请求和保持条件（也称为部分分配条件）。（3）不可剥夺条件。（4）环路等待条件。§9.4.1处理机管理§9.4操作系统的功能§9.4操作系统的功能§9.4.1处理机管理3.进程通信进程通信实现的是相互合作的进程之间信息的交换。§9.4操作系统的功能§9.4.1处理机管理4.调度调度包括了作业调度和进程调度。作业调度是按照某种调度算法从后备作业队列中选择若干个作业调入内存，为其分配相应的资源并创建进程，将创建的进程插入就绪队列。进程调度则是按照某种调度算法从就绪队列中选择一个进程把处理机分配给它使之投入运行。§9.4操作系统的功能§9.4.1处理机管理4.调度图9.5

处理机的调度过程§9.4操作系统的功能§9.4.2存储管理存储管理的主要功能内存分配地址映射内存保护内存扩充§9.4操作系统的功能§9.4.2存储管理1.内存分配为调入内存的每道程序分配内存空间，要尽可能提高内存的利用率。内存的分配可以分为非交换和交换两种技术范畴。图9.9

多道程序的内存分配技术§9.4操作系统的功能§9.4.2存储管理2.地址映射多道程序技术下，每道程序经编译和链接后形成的可装入程序地址（称为逻辑地址）都是从0开始的，而内存地址（即物理地址）只有一个起始0，因此各程序段的地址空间内的地址（逻辑地址）与其在内存中的地址空间中地址（物理地址）之间不相一致。为了确保程序正确运行，需将逻辑地址转换为其所在的内存空间中的地址，称为地址映射。§9.4操作系统的功能§9.4.1处理机管理3.内存保护内存保护的任务是设置相应的内存保护机制，确保每道用户程序都在自己的内存空间内运行，互不干扰，而且不允许用户访问系统的程序和数据，也不允许用户程序转移到非共享的其它用户程序中去执行。§9.4操作系统的功能§9.4.2存储管理4.内存扩充内存扩充是借助于虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存空间而非增加实际的物理内存空间，从而使用户从感官上认为内存容量比实际的物理内存容量大得多，以便让更多的用户程序并发运行。这样扩充的内存就是通常所说的虚拟内存。§9.4操作系统的功能§9.4.3设备管理设备管理的主要功能设备分配设备处理缓冲管理虚拟设备§9.4操作系统的功能§9.4.3设备管理1.设备分配根据用户进程的I/O请求及当前系统的资源拥有情况，按照某种分配策略，为用户进程分配所需的I/O设备。由于设备是在控制器的控制下工作的，而控制器和CPU之间还存在着通道，所以，设备的分配其实还包括了控制器的分配及通道的分配。§9.4操作系统的功能§9.4.3设备管理2.设备处理设备处理程序又称为设备驱动程序，其基本任务是用于实现处理机和设备控制器的之间通信。目前，大部分的设备处理不是借助于操作系统来实现的，而是借助于设备厂商提供的驱动程序来实现的。§9.4操作系统的功能§9.4.3设备管理3.缓冲管理缓冲管理是在I/O设备和CPU之间引入缓冲区以缓存数据，进而缓和CPU和I/O设备之间的工作速度差异，提高CPU的利用率，提高系统吞吐量。同时，缓冲区也可以协调传输数据大小不一致的设备。缓冲区设置在内存空间中。通过增加缓冲区的容量可以改善系统的性能。不同的系统使用的缓冲机制各不相同，但操作系统的缓冲机制可以将系统内的缓冲区的有效地管理的起来。§9.4操作系统的功能§9.4.3设备管理4.虚拟设备虚拟设备是利用假脱机（SPOOL）技术将一台物理设备虚拟成多台逻辑上的存在，从而将一个互斥访问的独占设备转变成可以同时是访问的共享设备，允许多个用户共享一台物理I/O设备。§9.4操作系统的功能§9.4.4文件管理文件是具有文件名的相关信息的集合。文件名是用来标记一个文件的，由主名和扩展名两部分组成，其命名规则随着操作系统的不同而不同。表9.1

微软系统下不同版本操作系统文件的命名规则项目DOS/Windows3.1Windows9x及以后的版本文件的主名长度1～8个字符1～255个字符文件的扩展名长度0～3个字符0～255个字符（但是在系统层面，仍然保留3个字母的命名方式，这对很多用户来说都是不可见的）是否可以含有空格否是不允许使用的字符/、[、]、=、"、\、:、,、|、*、?、>、<<、>、/、\、|、:、"、*、?§9.4操作系统的功能§9.4.4文件管理文件的主名主要是用来标识文件的；文件的扩展名则用来标识文件的类型，不同类型的文件的用途也是不同的。表9.2常见的文件扩展名扩展名文件类型扩展名文件类型扩展名文件类型.com命令文件.sys系统文件.xls（.xlsx）Excel电子表格文件.bat批处理文件.exe可执行文件.doc（.docx）Word文档.rarWinRAR压缩文件.dll动态链接库文件.jpg普通图形文件.swfAdobeFlash影片文件.pdf便携文件格式文件.bak备份文件.ppt（.pptx）PowerPoint演示文稿文件.txt纯文本文件.png图形文件.cC语言的源程序文件.db数据库文件.ini初始化文件§9.4操作系统的功能§9.4.4文件管理软件和数据在计算机内是以文件的形式存在的，所以，软件的管理主要是指文件的管理。文件管理是对存放在磁盘空间的各种文件（包括用户文件和系统文件）进行管理，以方便用户的使用，并保证文件的安全性。因此，文件的管理包括了目录管理、文件读/写管理、文件存储空间的管理、文件的共享与保护等功能。§9.4操作系统的功能