计算机操作系统（第3版）课件 第1章 导论

操作系统课程概述操作系统课程介绍的内容课程考试方式及成绩计算闭卷考试平时成绩30%，由作业及课堂练习构成期末考试成绩70%OS参考书《操作系统教程（第5版）》，费翔林等，高等教育出版社，2014。《计算机操作系统（第4版)》，汤小丹等，西安电子科技大学出版社，2014。《计算机操作系统（第2版）》，郑鹏等，武汉大学出版社，2014。《现代操作系统》英文影印版第4版，AndrewS.Tanenbaum著，机械工业出版社，2017。《操作系统：精髓与设计原理》英文版第8版，WilliamStallings，电子工业出版社，2017。第一部分概述PartOne

Overview

第1章导论Introduction

操作系统是管理计算机硬件的程序，它还为应用程序提供基础，并且充当计算机硬件和计算机用户之间的中介。

AnOperatingsystemisaprogramthatmanagesthecomputerhardware.Italsoprovidesabasisforapplicationprogramsandactsasanintermediarybetweenthecomputeruserandthecomputerhardware.本章目标ChapterObjectives提供对操作系统主要部件的浏览提供基本计算机体系结构的概述Toprovideagrandtourofthemajoroperatingsystemscomponents.Toprovidecoverageofbasiccomputersystemorganization.1.1

操作系统做什么

WhatOperatingSystemsDo计算机系统可以大致分为四个部分：Acomputersystemcanbedividedroughlyintofourcomponents.硬件Hardware操作系统Operatingsystem系统程序与应用程序Systemandapplicationprograms用户Users计算机系统部件

ComputerSystemComponents硬件：提供基本的计算资源

Hardware：

providesbasiccomputingresources.操作系统：控制与协调各用户应用程序对硬件的使用OS：controlsandcoordinatestheuseofthehardwareamongthevariousapplicationprogramsforthevarioususers.

应用程序：定义解决用户问题的资源使用方式Applications：definethewaysinwhichthesystemresourcesareusedtosolvethecomputingproblemsoftheusers.用户：Users

.

系统部件的简要视图操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件的首次扩充。它位于硬件与其它软件之间，是所有其他软件运行的基础。虚拟机

裸机：没有配置软件的计算机。即计算机硬件虚拟机：覆盖了软件的机器称为虚拟机或扩展机。每当人们在计算机系统上覆盖了一层软件，系统功能便增强了。配置操作系统的主要目标提供用户与计算机之间的接口，使计算机更易于使用；有效地控制和管理计算机系统中的各种资源，使之得到更有效的利用；合理地组织计算机系统的工作流程，以提高资源利用率并改善系统性能。研究操作系统的两个视角

ExploreOperatingSystemsfromTwoViewpoint用户视角：操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。为用户使用计算机提供服务。系统视角：操作系统是计算机系统资源的管理者。1.1.1用户视角

从用户视角看：操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。为用户使用计算机提供服务。1.1.2系统视角从系统视角看：操作系统是计算机系统资源的管理者。1.1.3操作系统定义

OperatingSystemDefinitions目前没有一个关于操作系统的十分完整的定义。Wehavenocompletelyadequatedefinitionofanoperatingsystem.一个比较公认的定义是：操作系统是一直运行在计算机上的程序（通常称为内核）。Amorecommondefinitionisthattheoperatingsystemistheoneprogramrunningatalltimesonthecomputer（usuallycalledthekernel）.1.1.3定义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，合理地组织计算机工作流程，以及方便用户的程序的集合。OS管理的计算机系统资源

操作系统管理的计算机系统软硬件资源包括：处理机存储器设备文件资源的共享使用方式资源的共享使用方式有：时分复用：多个用户或程序轮流使用某个资源空分复用：多个用户或程序同时使用资源的一部分1.2计算机系统组织1.2.1计算机系统操作引导，中断，系统调用1.2.2存储结构内存，寄存器，磁盘1.2.3I/O结构外设，控制器，DMA，通道1.3计算机系统体系结构1.3.1单处理器系统1.3.2多处理器系统1.3.3集群系统1.4操作系统的形成与发展操作系统的发展过程是一个从无到有，从简单到复杂的过程。最初计算机上无操作系统，20世纪50年代出现了简单批处理系统，60年代出现了多道批处理系统，不久又出现了分时系统及实时系统…

手工操作阶段人工操作方式：46~50年代中后期，计算机系统上没有配置操作系统，人们使用计算机采用手工操作方式。用户使用计算机的过程大致如下：先将程序纸带（或卡片）装入输入机，然后启动输入机把程序和数据送入计算机，接着通过控制台开关启动程序运行，当程序运行完毕，由用户取走纸带和计算结果。手工操作方式的特点

手工操作方式的特点：用户独占计算机资源，资源利用率低CPU等待人工操作手工操作方式的不足：手工操作的慢速与CPU运算的高速之间的矛盾。此即人机矛盾。CPU的快速与I/O设备慢速的矛盾。早期批处理为解决人机矛盾，人们提出了从一个作业到下一个作业的自动过渡方式，从而出现了批处理技术。监督程序监督程序是一个常驻内存的程序，它管理作业的运行，负责装入和运行各种系统程序来完成作业的自动过渡。监督程序是最早的操作系统雏形。批处理技术批处理技术是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。早期的批处理分为：联机批处理脱机批处理联机批处理在早期联机批处理系统中，操作员将若干作业合成一批输入到磁带上，接着监督程序自动把磁带上该批作业的第一个调入内存编译，然后由装配程序把编译结果装入内存启动执行，该作业运行结束后输出结果；第一个作业完成后，监督程序又调入第二个作业并重复上述过程，直到该批作业全部完成。在完成了一批作业后，监督程序又控制输入另一批作业到磁带上，并按上述步骤重复处理。

联机批处理的不足联机批处理中采用联机输入/输出，即输入/输出操作在主机控制下进行，其缺点是速度慢。为此引入脱机输入/输出技术。脱机批处理在脱机批处理系统中，除主机外另设一台外围机（又称卫星机）。用户作业通过外围机输入到磁带上，而主机只负责从磁带上把作业调入内存，并予以执行。作业完成后，主机负责把结果输出到磁带上，然后再由外围机把磁带上的信息在打印机上输出。脱机输入/输出技术

脱机输入：将用户程序和数据在一台外围机（又称卫星机）的控制下，预先从低速输入设备输入到磁带上，当CPU需要这些程序和数据时，再直接从磁带机高速输入到内存。脱机输出：当CPU需要输出时，高速地把结果送到磁带上，然后在外围机的控制下，把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出。输出带脱机输入/输出示意图打印机纸带机外围机输入带输出带主机输入带脱机I/O与联机I/O脱机输入/输出：输入/输出操作在外围机的控制下，脱离主机进行。脱机I/O优点：减少了CPU的空闲时间；提高I/O速度。联机输入/输出：输入/输出操作在主机控制下进行。计算单道程序系统单道批处理系统中内存仅一道程序，系统资源无法得到充分利用。下图是单道程序运行实例启动I/O用户程序监督程序I/O操作I/O完成结束中断请求输入

继续计算多道程序设计技术将多个作业存放在主存中，这些程序在管理程序的控制下交替运行，共享处理机和系统中的其他资源。多道程序运行实例

运行处理

输出数据

等待CPU

运行处理输出

等待结束

CPUCPU输入设备输出设备程序A程序B程序A程序B程序A程序B请求输入请求输出输入结束请求输入运行处理

输入数据

运行处理输入数据单处理机系统中多道程序运行特点多道：计算机内存中同时存放多道相互独立的程序。宏观上并行：同时进入系统的多道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。微观上串行：内存中的多道程序轮流占有

CPU，交替执行。

多道批处理系统需要解决的问题处理机管理：如何分配回收处理机内存管理：内存分配回收，信息保护设备管理：设备分配回收、缓冲管理文件管理：文件存储、共享保护及检索作业管理：作业合理搭配（如CPU型与I/O型）为解决上述问题人们设计了操作系统

操作系统的发展由于批处理系统没有人机交互性，后来又出现了分时系统、实时系统；近年来又出现了个人计算机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统等。推动操作系统发展的因素主要可归结为：硬件技术更新应用需求扩大操作系统的类型最基本的操作系统类型有三种：批处理操作系统分时操作系统实时操作系统。作业Job作业是用户在一次解题或一个事务处理过程中要求计算机系统所做工作的集合，包括用户程序、所需的数据及命令等。单道批处理系统工作流程把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上，并在系统中配置监督程序，在它的控制下，使一批作业一个接一个地连续处理，其过程为：有下一个作业吗？N停止调入内存运行Y开始单道批处理系统及其特征内存中始终只保持一道作业的批处理系统称为单道批处理系统。单道批处理系统的特征：自动性：自动依次运行，无人工干预顺序性：完成顺序与进入顺序相同单道性：内存只有一道作业单道批处理系统的内存分布多道批处理系统及其特征在批处理系统中引入多道程序设计技术后就形成了多道批处理系统。多道批处理系统的特征：多道性：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。无序性：进入顺序与完成顺序无严格对应关系。调度性：作业从提交到完成经历两级调度：作业调度、进程调度。多道程序批处理系统内存分布同一时刻在内存中存在多道作业，这些作业以某种方式共享CPU分时系统推动分时系统发展的主要动力是用户需求，即：人机交互：控制程序运行共享主机：机器昂贵，多人使用较经济方便用户上机：可以通过终端提交作业分时技术所谓分时技术就是：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。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂停运行，把处理机让给另一个作业使用，等待下一轮时再继续其运行。分时技术示意图时间片运行就绪队列

1假设系统中有4个联机用户，按1、2、3、4的顺序排列：用户1用户2用户3用户4用户1用户2用户3用户42用户2用户3用户4用户13用户3用户4用户1用户24用户4用户1用户2用户35用户1用户2用户3用户40分时操作系统在操作系统中采用分时技术就形成了分时操作系统。在分时操作系统中，一个计算机和许多终端设备连接，每个用户可以通过终端向系统发出命令，请求完成某项工作，而系统则分析从终端设备发来的命令，完成用户提出的要求，然后用户再根据系统提供的运行结果，向系统提出下一步请求，这样重复上述交互会话过程，直到用户完成全部工作为止。

分时系统实现中的关键问题及时接收：设置多路卡及时处理：时间片轮转分时操作系统的特征多路性、也称同时性：一台计算机与若干台终端相连接，终端上的这些用户可以同时使用计算机。交互性：用户通过终端采用人机会话的方式直接控制程序运行，同程序进行交互。独立性：用户彼此之间都感觉不到别人也在使用这台计算机，好像只有自己独占计算机一样。及时性：用户请求能在很短时间内获得响应。实时系统实时系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间范围内完成对该事件的处理，并控制实时任务协调一致地运行。实时系统分类实时控制系统：指以计算机为中心的生产过程控制系统。实时信息处理系统：要求对信息进行实时处理的系统。实时系统的特征及时性：响应时间由控制对象决定。可靠性：高可靠性。操作系统的基本类型操作系统有三种基本类型：批处理操作系统分时操作系统实时操作系统如果一个操作系统兼有批处理、分时和实时操作系统三者或其中两者的功能，则称该操作系统为通用操作系统。其他操作系统类型嵌入式操作系统个人计算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对整个智能芯片以及它所控制的各种部件模块等资源进行统一调度、指挥和控制的系统软件称为嵌入式操作系统。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上PDA、手机、微波炉、数字相机、自动售货机、工业自动化仪表与医疗仪器等。

个人计算机操作系统个人计算机操作系统主要供个人使用，它功能强，价格便宜，能满足一般人工作、学习、游戏等方面的需求。个人计算机操作系统的主要特点是计算机在某一段时间内为单个用户服务，采用图形界面人机交互的工作方式，界面友好，使用方便。网络操作系统网络操作系统是基于计算机网络的，是在各种计算机操作系统上按网络体系结构协议标准开发的软件包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和各种网络应用服务，其目标是互相通信及资源共享。分布式操作系统分布式系统是指多个分散的处理单元经互连网络连接而形成的系统，其中每个处理单元既具有高度自治性又相互协同，能在系统范围内实现资源管理、任务动态分配，并能并行地运行分布式程序。配置在分布式系统上的操作系统称为分布式操作系统。分布式操作系统与网络操作系统的比较1分布性：分布式系统中的处理和控制功能较均匀分布在系统的各个站点上；而网络系统中控制功能大多集中在网络服务器上。并行性：分布式系统中的任务分配程序可将多个任务分配到系统的多个处理单元上并行执行；而网络系统中每个用户的任务通常在自己的计算机上处理。透明性：分布式系统能很好隐藏系统内部的实现细节，对象的物理位置、并发控制及系统故障等对用户是透明的；而网络系统中主要是操作实现上的透明。分布式操作系统与网络操作系统的比较2共享性：分布式系统中各站点上的资源可供所有用户共享；而网络系统中共享的资源主要设置在服务器上。健壮性：由于分布式系统的控制功能分布，当站点故障时可以通过容错来重构系统以保证系统正常运行；而网络系统中控制功能主要集中在服务器上，使系统具有潜在的不可靠性。

操作系统的基本特征操作系统有4个基本特征：并发共享虚拟不确定并发并行：是指两个或多个事件在同一时刻发生。并发：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发是指宏观上一段时间内有多道程序在同时运行，但在单处理机系统中，微观上这些程序是交替执行的。共享共享是指系统中的资源可供多个并发执行的进程共同使用。有两种资源共享方式：互斥共享：一段时间只允许一个进程访问同时访问：一段时间允许多个进程访问操作系统的两个最基本的特征并发和共享是操作系统的两个最基本特征，二者之间互为存在条件。一方面，资源的共享是以程序的并发执行为条件的，若系统不允许程序的并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效的管理，也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。虚拟性虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。如分时技术、虚拟内存不确定不确定性表现为多个作业的执行顺序和每个作业的执行时间是不确定的。不确定性也称异步性操作系统的作用操作系统是用户与计算机硬件之间的接口操作系统为用户提供虚拟机操作系统是计算机系统的管理者1.5操作系统操作

Operating-SystemOperations共享系统资源要求操作系统确保一个出错程序不会引起其他程序的运行错误。

Sharingsystemresourcesrequiresoperatingsystemtoensurethatanincorrectprogramcannotcauseotherprogramstoexecuteincorrectly.双重模式操作

Dual-ModeOperation至少需要两种模式：用户模式及内核模式。在计算机硬件中增加模式位表示当前模式：内核模式（0）或用户模式（1）。

Attheveryleast，weneedtwoseparatemodesofoperation：usermodeandkernelmode.Modebitaddedtocomputerhardwaretoindicatethecurrentmode:kernel(0)oruser(1).

计算机系统的两种运行状态核心态：又称管态、系统态，是操作系统管理程序执行时机器所处的状态。这种状态具有较高的特权，能执行一切指令，访问所有的寄存器和存储区。用户态：又称目态，是用户程序执行时机器所处的状态。这种状态具有较低特权，只能执行规定的指令，访问指定的寄存器和存储区。用户模式到内核模式的转换

TransitionfromUsertoKernelMode操作系统的功能操作系统的主要功能包括：处理机管理：也称进程管理存储器管理设备管理文件管理1.6进程管理

ProcessManagement进程是正在执行的程序。Aprocessisaprograminexecution.为了完成其任务，进程需要一定的资源，包括CPU时间，存储器，文件，以及I/O设备。Aprocessneedscertainresources,includingCPUtime,memory,files,andI/Odevices,toaccomplishitstask.进程管理2

ProcessManagement操作系统负责下述与进程管理有关的活动：Theoperatingsystemisresponsibleforthefollowingactivitiesinconnectionwithprocessmanagement:进程管理3

ProcessManagement进程创建和删除

Processcreationanddeletion.进程挂起和恢复

Processsuspensionandresumption.提供进程同步机制Providingmechanismsforprocesssynchronization提供进程通信机制Providingmechanismsforprocesscommunication提供死锁处理机制

Providingmechanismsfordeadlockhandling

处理机管理的任务处理机管理的主要任务是对处理机的分配和运行实施有效的管理。进程控制：负责进程的创建、撤消及状态转换。进程同步：对并发执行的进程进行协调。有同步与互斥进程通信：负责完成进程间的信息交换。调度：分为作业调度和进程调度。作业调度与进程调度作业调度：从后备作业队列中按照一定的原则，选择若干作业进入内存。进程调度：决定哪个进程获得处理机。1.7内存管理

MemoryManagement内存是字或字节的一个大数组，每一字或字节有自己的地址。Memoryisalargearrayofwordsorbytes,eachwithitsownaddress它是一个可被CPU和I/O共享、可快速存取数据的存放地。ItisarepositoryofquicklyaccessibledatasharedbytheCPUandI/Odevices.内存管理2

MemoryManagement操作系统负责下列有关内存管理的活动：Theoperatingsystemisresponsibleforthefollowingactivitiesinconnectionswithmemorymanagement:记录内存的哪部分正在被使用及被谁使用Keeptrackofwhichpartsofmemoryarecurrentlybeingusedandbywhom.决定将哪个进程及其数据调入（调出）内存Decidewhichprocessesanddatatomoveintoandoutofmemory

需要时分配和收回存储空间Allocateanddeallocatememoryspaceasneeded.

存储器管理的任务存储器管理的主要任务是方便用户使用存储器，提高存储器利用率，从逻辑上扩充内存。存储器管理具有内存分配、保护、扩充和地址变换功能。内存分配内存分配的任务是按一定的策略为每道程序分配内存，程序运行结束后回收内存。内存分配方式有静态和动态两种：静态：作业的内存空间在装入时确定，作业装入内存后不允许再申请新的内存空间，也不能在内存中移动。动态：作业需要的基本内存空间在装入时确定，允许作业运行期间继续申请新的附加内存空间，允许作业在内存中移动。内存保护内存保护的任务是保证各程序在自己的内存区域内运行而不相互干扰。如简单的内存保护机制有：上下界寄存器。地址映射逻辑地址：用户编程时所使用的地址。又称相对地址、虚地址。地址空间：逻辑地址的集合。物理地址：内存中的地址。又称绝对地址、实地址。内存空间：物理地址的集合。地址映射：将逻辑地址转换为物理地址。又称地址变换。内存扩充

借助虚拟存储技术从逻辑上扩充内存。通过请求调入和置换功能可以实现虚拟内存。

1.8文件管理及I/O系统

FileManagementandI/OSystems文件是由其创建者定义的一组相关信息的集合Afileisacollectionofrelatedinformationdefinedbyitscreator.通常文件表示程序（源程序和目标程序）和数据Commonly,filesrepresentprograms(bothsourceandobjectforms)anddata.

文件管理

FileManagement操作系统负责下列有关文件管理的活动：Theoperatingsystemisresponsibleforthefollowingactivitiesinconnectionswithfilemanagement:创建和删除文件Creatinganddeleting

file.创建和删除目录Creatinganddeleting

directory.提供操作文件和目录的原语Supportingprimitivesformanipulatingfilesanddirectories.

把文件映象到二级存储器Mappingfilesontosecondarystorage.

在稳定存储介质备份文件Filebackuponstable(nonvolatile)storagemedia.文件管理功能文件管理的主要任务是对文件进行管理，方便用户使用并保证文件安全性。文件管理功能包括：文件存储空间的管理：对文件存储空间进行管理，包括存储空间的分配与回收等功能。目录管理：管理文件的数据结构，提供按名存取的功能。文件操作管理：从外存读入数据或将数据写入外存。文件保护：防止未授权用户存取文件；防止授权用户以不正确方式存取文件。I/O系统

I/OSystemsI/O子系统包括：TheI/Osubsystemconsistsof:包括缓冲区、高速缓存和假脱机系统的内存管理部分Amemory-managementcomponentthatincludesbuffering,cachingandspooling

通用设备驱动器接口Ageneraldevice-driverinterface特定硬件设备的驱动程序DriversforspecifichardwaredevicesI/O系统I/O子系统包括：缓冲区、高速缓存和假脱机系统

通用设备驱动器接口特定硬件设备的驱动程序设备管理功能设备管理功能包括：设备分配：根据用户的I/O请求，为之分配所需的设备，设备使用完成后还应回收。缓冲管理：对各类设备缓冲区进行有效管理。设备驱动：主要完成设备启动、I/O操作及中断处理。设备独立性：设备独立性设备独立性又称设备无关性，是指用户程序中的设备与实际使用的物理设备无关。操作系统的运行环境计算机硬件所提供的支持，构成了现代操作系统的运行环境。包括：处理机存储器设备时钟中断等习题习题11.1Whatarethethreemainpurposesofanoperatingsystem?1.2Wehavestressedtheneedforanoperatingsystemtomakeefficientuseofthecomputinghardware.Whenisitappropriatefortheoperatingsystemtoforsakethisprincipleandto“waste”resources?Whyissuchasystemnotreallywasteful?习题1.5Howdoesthedistinctionbetweenkernelmodeandusermodefunctionasarudimentaryformofprotection(security)?1.6Whichofthefollowinginstructionsshouldbeprivileged?a.Setvalueoftimer.b.Readtheclock.c.Clearmemory.d.Issueatrapinstruction.e.Turnoffinterrupts.f.Modifyentriesindevice-statustable.g.Switchfromusertokernelmode.h.AccessI/Odevice.习题习题11、2、3选择题1在脱机批处理方式中，有一台负责与外部设备交换信息的计算机，一般称之为_____。A．终端处理机B．外围处理机C．客户机D．服务处理机在计算机系统中，操作系统是_____。A.一般应用软件 B.核心系统软件

C.用户应用软件D.硬件选择题2实时操作系统必须在_____内处理来自外部的事件。A.时间片