操作系统设计原理 课件 第1章 操作系统概述

2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组1操作系统江苏大学计算机学院操作系统课程组2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组2课程的性质与任务性质：操作系统是计算机系统中不可缺少的基础系统软件。它是用于管理和控制计算机系统中软、硬件资源，是计算机系统直接与用户打交道的界面，是计算机系统的灵魂和核心。本课程是计算机科学与技术专业的重要专业基础课和必修课。2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组3课程的性质与任务任务：本课程的任务是学习并掌握计算机操作系统的基本原理和实现方法，培养具备一定的复杂软件系统的设计与开发能力，并以UNIX、LINUX或Windows为实例，加深领会和理解操作系统的基本概念和基本原理，为今后适应系统软件的研究与开发工作以及企事业计算机系统的管理和维护工作打下良好的基础。本课程支持的毕业要求指标点如下：指标点3.1：能运用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别和判断计算机领域复杂工程问题的关键环节和影响因素。指标点3.3：能认识到计算机领域复杂工程问题的解决有多种方案可选择，会通过文献研究寻求可替代的解决方案。指标点4.1：针对计算机领域复杂工程问题，能够遵循计算机系统开发和工程化的基本要求，确定设计目标和技术方案，并具有创新意识。指标点5.5：能够对实验结果进行输入条件关联分析和解释，并通过信息综合给出合理有效的结论。指标点10.1：掌握一门外语，具有外语听说读写能力；了解不同的文化，具有一定的国际视野和跨文化交流和沟通的能力。本课程目标：课程目标1：能够理解和解释操作系统的基本概念、基本原理、功能和作用。课程目标2：能够理解操作系统的实现是一个系统化的过程。课程目标3：能运用计算机系统工程科学的基本原理，识别和判断操作系统功能模块实现问题的关键环节和影响因素。课程目标4：能认识到操作系统功能模块的实现有多种方案可选择。课程目标5：能够通过文献研究，在相关操作系统功能模块实现的多种方案中，寻求一种更合适的解决方案。课程目标6：能够遵循系统化的基本要求，确定操作系统相关功能模块设计目标和技术方案，并体现创新意识。课程目标7：能够运用所学知识设计实现作系统的功能模块相关算法。课程目标8：能够对实验结果进行输入条件关联分析和解释，并能综合应用场景和技术需求，得出结论的有效性。课程目标9：能够阅读和理解操作系统相关英文资料，能基本听懂文件系统英文授课内容。课程目标10：能正确理解文件系统的英文表达问题，给出问题的解决方案。课程目标11：能理解操作系统对祖国建设与发展的重要作用。课程考核与参考书课程考核方法期末考试60%+平时40%（实验20%+作业5%+大作业5%+随堂测验10%）要求缺勤超过15学时，不许参加期末考试作业超过1/3未交，不许参加期末考试学习方法：理解、思考、设计、畅想课程网页：/course/94889994.html

参考书：1）毛启容等编.《操作系统设计原理》.清华大学出版社，2025年；2）AndressSTanenbaum等.《ModernOperatingSystems》.Publisher:Pearson,2014年第四版2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组8第1章操作系统概述1.0计算机的系统结构1.1操作系统的定义1.2操作系统的形成和发展1.3操作系统的分类1.4操作系统的运行环境1.5操作系统的结构1.6现代操作系统

2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组91.0计算机的系统结构一.计算机系统组成计算机系统(层次结构)软件硬件及固件（裸机）应用软件系统软件语言处理系统

常用的例行服务程序

操作系统1.0计算机的系统结构2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组111.0计算机的系统结构二、软件与硬件的关系

硬件：计算机系统工作的基础。软件：提高计算机系统效率和方便用户使用计算机的程序，完成一定的处理任务。它们二者相互依赖、相互促进、共同发展。

裸机（硬件）是僵尸，软件是灵魂.2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组121.1操作系统的定义1、科普的观点：操作系统是计算机系统的管理和控制中心，它依照设计者制定的各种调度策略组织和管理计算机系统资源，使之能高效地运行。2、功能的观点：操作系统是一个计算机资源管理系统，它负责计算机系统的全部资源的分配、控制、调度和回收。3、用户的观点：操作系统是计算机与用户之间的接口，用户通过这种接口使用计算机。一.基本概念OS包含于各类系统中：移动设备、家电、控制系统、计算机；2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组131.1操作系统的定义一.基本概念4、软件的观点：操作系统是程序和数据结构的集合。5、管理的观点：操作系统是计算机硬件和软件资源合理而协调的管理者。6、

操作系统是一个大型的系统软件，它负责计算机的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动，实现信息的存取和保护。它提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。操作系统使整个计算机系统实现了高效率和高度自动化。2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组141.1操作系统的定义二.计算机系统的视图

计算机硬件操作系统语言处理应用软件应用用户应用程序员操作系统设计人员编译程序设计者2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组151.1操作系统的定义OS：对计算机硬件的第一层扩充；其它软件系统工作于OS之上；操作系统内的操作者包括几种类别：一般用户：操纵员：管理员：注意：和OS的用户（使用者、程序）的区别。2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组161.1操作系统的定义人机交互界面(虚拟机）资源管理三.操作系统的基本功能对应OS定义中的两大方面2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组171.1操作系统的定义目标：提供一个友好的用户访问操作系统的接口。系统命令：供用户组织和控制自己的作业运行。形式：命令行、菜单式、GUI、命令脚本；控制方式：联机、脱机编程接口：供用户程序和系统程序调用操作系统功能。系统调用、高级语言库函数；三.操作系统的基本功能（人机交互）2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组181.1操作系统的定义计算机系统组成软件资源存储器外部设备处理器运行任务控制三.操作系统的基本功能（资源管理）OS功能模块文件管理存储管理设备管理处理器和进程管理作业管理计算机系统核心部分外加设备2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组191.1操作系统的定义解决软件资源的存储、共享、保密和保护。文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能。目录管理：解决信息检索问题。文件的属性（如文件名）、单一副本赋予多文件名。文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。系统设口令“哪个用户”、用户分类"哪个用户组"、文件权限"针对用户或用户组的读写权"。软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和拆除等。三.操作系统的基本功能（资源管理——文件管理）如何更好地组织文件方便使用2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组201.1操作系统的定义管理目标：提高利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、方便进程并发运行。存储分配与回收存储保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如：访问合法性检查、甚至要防止从"垃圾"中窃取其他进程的信息；地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地址的映射；内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存利用率、扩大进程的内存空间；同一类型内的公平性、高效率（吞吐量大）、作业周转时间等。三.操作系统的基本功能（资源管理——存储管理）2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组211.1操作系统的定义设备操作：利用设备驱动程序（通常在内核中）完成对设备的操作。还需处理外设的IRQ。设备独立性(deviceindependence)：提供统一的I/O设备接口，使应用程序独立于物理设备，提高可适应性；在同样的接口和操作下完成不同的内容（如FAXModem作为Windows上的打印机设备）。三.操作系统的基本功能（资源管理——设备管理）目标：方便的设备使用、提高CPU与I/O设备利用率；2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组221.1操作系统的定义设备分配与回收：在多用户间共享I/O设备资源。虚拟设备(virtualdevice)：设备由多个进程共享，每个进程如同独占。缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率（单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区）三.操作系统的基本功能（资源管理——设备管理）2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组231.1操作系统的定义三.操作系统的基本功能（资源管理——处理器和进程管理）进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等－－主动改变进程的状态进程同步：协调并发进程之间的推进步骤，以协调资源共享；－－交换信息能力弱完成处理器资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为进程或线程。2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组241.1操作系统的定义三.操作系统的基本功能（资源管理——处理器和进程管理）进程通信：进程之间传送数据，以协调进程间的协作，也可以用来协调进程之间的推进。－－交换信息能力强进程调度：作业和进程的运行切换，以充分利用处理机资源和提高系统性能。－－未必是进程控制操作所引起（可能是时间片轮转、I/O操作）完成处理机资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为进程或线程。1.1操作系统的定义提供“作业控制语言”供用户写作业说明书。作业调度。在满足资源需求的情况下，选择哪些作业投入运行。方法：先来先服务、最短作业优先、响应比最高者优先、优先数法、分类调度法等注：通常在大中型操作系统中，才提供作业管理的功能。一般微机操作系统以及单用户操作系统不考虑作业管理的功能。三.操作系统的基本功能（资源管理——作业管理）2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组261.2操作系统的形成和发展手工阶段管理程序(初级OS)多用户、多道作业和分时系统(unix)微型机操作系统通道和中断技术的出现硬件的发展单用户、单道作业(CDOS,MS-DOS)多任务OS(Windows,LINUX）嵌入式OS原始汇编系统分布式OS、云计算OS网络的发展2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组271.2操作系统的形成和发展工作方式用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员；编程语言：为机器语言；输入输出：纸带或卡片；计算机的工作特点用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率低；CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；手工阶段1946~1950年代（电子管），集中计算（计算中心），计算机资源昂贵；2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组281.2操作系统的形成和发展60年代计算机硬件获得两个重大的进展：

通道技术和中断技术通道:

是一种专用部件，负责外部设备与内存之间信息的传输。中断：指主机接到外界信号（来自CPU外部或内部）时，立即中止原来的工作，转去处理这一外来事件，处理完后，主机又回到原来工作点继续工作。通道、中断2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组291.2操作系统的形成和发展主要功能：向用户提供多个共享资源来运行他们的程序；帮助操作员控制用户程序的执行和管理计算机的部分资源。计算机的工作特点程序员与操作员分开；操作员通过命令与计算机交互。管理程序2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组301.2操作系统的形成和发展定义

多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。特征:

－多道：内存中同时存放几个作业；－宏观上并行：都处于运行状态，但都未运行完；－微观上串行：各作业交替使用CPU；多道程序设计让多个任务在计算机中同时运行（宏观）2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组311.2操作系统的形成和发展优点：资源利用率高：处理器和内存利用率较高；作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；缺点：用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；多道程序设计的特点2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组321.2操作系统的形成和发展“分时”的含义分时是指多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。多个用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。有用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停，等待下一次用户输入－－时走时停；前台和后台程序(foreground&background)分时：后台程序不占用终端输入输出，不与用户交互－－现在的图形用户界面(GUI)，除当前交互的程序(有输入交互)之外，其他程序均作为后台；分配策略：按时间片(timeslice:各个程序在CPU上执行的轮换时间)分配。分时操作系统让多个用户同时使用计算机2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组331.2操作系统的形成和发展人机交互性好：在调试和运行程序时由用户自己操作。共享主机：多个用户同时使用。用户独立性：对每个用户而言好象独占主机。分时操作系统的特点2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组341.2操作系统的形成和发展云计算：通过Internet以服务方式提供动态可伸缩的虚拟化资源的计算模式。云计算操作系统：构架于服务器、存储、网络等基础硬件资源和单机操作系统、中间件、数据库等用于管理海量的基础硬件、软件之上的云平台综合管理系统。唤来了基于网络的分布式操作系统和虚拟化软件的研究的春天云计算操作系统2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组351.3操作系统的分类1.单用户操作系统

2.批处理操作系统

3.实时操作系统

4.分时操作系统

5.网络操作系统

6.分布式操作系统7.嵌入式操作系统分类原则：按操作系统所提供的功能分2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组361.3操作系统的分类基本特征：

一个用户独占计算机系统资源。系统所有软、硬件资源全为一个用户服务，单独地执行该用户提交的一个任务。常用的单用户操作系统：单用户单任务：MSDOS；CP/M单用户操作系统2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组371.3操作系统的分类作业的处理流程作业提交：作业的输入；作业执行：作业完成：作业的输出；分类：－单道批处理系统：MSDOS

－多道批处理系统：IBMDOS批处理操作系统特点：用户脱机使用计算机成批处理2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组381.3操作系统的分类单道和多道批处理的比较：批处理操作系统区别：作业道数：作业处理方式：2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组391.3操作系统的分类实时操作系统专用系统：许多实时系统是专用系统。实时控制：实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的迅速响应，具有较强的中断处理机构。高可靠性：实时系统用于控制重要过程，要求高度可靠，具有较高冗余。如双机系统。事件驱动和队列驱动：实时系统的工作方式：接受外部消息，分析消息，调用相应处理程序进行处理。可与通用系统结合成通用实时系统：实时处理前台作业，批处理为后台作业。特征：解决对时间要求高的问题人工干预少。2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组401.3操作系统的分类分时操作系统同时性：多个用户同时工作。共享系统资源，提高了资源利用率。节省维护开支，可靠性高：笨终端－－至今仍在使用。促进了计算机的普遍应用，提高资源利用率，远地用户通过终端（较便宜）联机使用。独立性：各用户独立操作，互不干扰。交互性：系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高调试和修改程序的效率，缩短了周转时间；及时性：用户的请求能在较短时间内得到响应。特征：解决多人同时使用机器的要求以时间片方式分配工作2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组411.3操作系统的分类网络操作系统通常操作系统的功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等；网络通信功能：通过网络协议进行高效、可靠的数据传输；网络资源管理：协调各用户使用；网络服务：文件和设备共享，信息发布；网络管理：安全管理、故障管理、性能管理等。功能：提供网络通信和网络资源共享功能的操作系统

2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组421.3操作系统的分类分布式操作系统特征：l

系统中任意两台计算机可以通过通信来交换信息。l

系统中各台计算机无主次之分，既没有控制整个系统的主机，也没有受控于它机的从机。l

系统资源为所有用户共享。l

系统中若干台计算机可以互相协作来完成一个共同任务，或者说，一个程序可以分布于几台计算机上并行地运行。2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组431.3操作系统的分类嵌入式操作系统嵌入式操作系统（EmbeddedOperatingSystem，简称：EOS）是指用于嵌入式系统的操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能常用的有：嵌入式Linux、WindowsEmbedded、VxWorks等，以及应用在智能手机和平板电脑的Android、iOS等2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组441.4操作系统的运行环境l

CPUl

特权指令:指令系统中那些只能由操作系统使用的指令

l

处理器状态:多数系统将处理器工作状态较简单地划分为管态（一般指操作系统管理程序运行的状态）和目态（用户程序运行时的状态）。l

程序状态字(PSW):用来指示处理器状态。与操作系统的资源管理功能密切相关的硬件环境：

执行不同程序时，对处理器设置的不同状态。2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组451.5操作系统的结构l

软件组件化:OS也是一种软件，用软件工程的方法来组织。l

分层:每层完成操作系统要求的一个功能子集，每层都依赖紧挨着的较低一层的功能，并且为较高层提供服务。

随着操作系统的发展，功能越强，OS自身代码量越大－－采用良好的结构：有利于保证正确性以及自身修改和扩充。2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组461.5操作系统的结构操作系统的层次模式：层次名称对象操作举例1312111098外壳用户进程目录设备文件系统通信用户程序设计环境用户进程目录外设：打印机、显示器等文件管道Shell语言中的语句Quit,kill,suspend,resumeCreate,destroy,attach,detach,search,listCreate,destroy,open,close,read,writeCreate,destroy,open,closeCreate,destroy,open,close,read,write765虚拟存储器局部辅存进程原语段、页数据块、设备通道进程原语、信号量、就绪队列read,write,fetchread,write,allocate,freesuspend,resume,wait,signal4321中断过程指令集电子线路中断处理程序过程、调用栈、显示演算栈、微程序解释器寄存器、门电路、总线等Invoke,mask,unmask,retryMarkstack,call,retumLoad,store,add,subtract,branchClear,transfer,activate,complement2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组471.6现代操作系统特征：绝大多数是个人独占计算机，通常使用交互方式。

多机系统，尤其对称多处理器SMP(symmetricmultiprocessing）方式被广泛使用。设计技术上和结构上的改进和发展

。2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组481.6现代操作系统特征：微内核结构：减少内核的大小多线程机制：加快调度速度对称多处理器（SMP）机制

分布式操作系统采用面向对象技术2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组491.6现代操作系统UNIX一个通用的、交互式的分时系统设计目标统一的硬件管理多用户多任务2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组501.6现代操作系统Linux基于IBMPC结构的一个UNIX变种开源主要特点接口符合POSIX1003.1标准支持多用户访问和多任务编程高效的存储资源管理支持动态链接支持多种文件系统支持TCP/IP、SLIP和PPP2025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组511.6现代操作系统WindowsWindowsNT3.1是微软的第一代产品WindowsNT3.5x系列WindowsNT4.0WindowsNT5.0X：Windows2000、XP和WindowsServer2003WindowsNT6.0X：WindowsVista、WindowsServer2008、Windows7、WindowsServer2008R2、Windows8、Windows8.1和WindowsServer2012Windows10、112025/11/6江苏大学计算机学院操作系统课程组521.6现代操作系统OpenHarmony分布式操作系统架构；分布