操作系统第1章计算机系统概述

操作系统第一章

计算机系统概述RmendedReadingl[1]操作系统原理、设计及应用，，蒲晓蓉等，高等教育出版社,2008l[2],.《计算机操作系统》学习指导与题解[M].西安电子科技大学出版社,2008.l[3].操作系统学习指导和考试指导[M].浙江大学出版社,2004.l[4],曾平,曾慧.计算机操作系统联考辅导教程#:#2012版[M].清华大学出版社,2011.第一讲什么是操作系统计算机操作系统概论l操作系统——是裸机上的第一层软件，它是对硬件系统功能的首次扩充，是填补人与机器之间的鸿沟。OS用户计算机操作系统与计算机同在最终用户程序员操作系统设计者应用程序实用程序(编译,数据库…)操作系统硬件操作系统的认识l

对操作系统的认识有两个方面:1.从用户的观点来看操作系统Ø虚拟机的观点Ø用户环境的观点2.是从系统设计者(系统分析员)的观点来看操作系统。Ø资源管理的观点Ø作业(任务)组织的观点虚拟机器观点l

该观点认为，操作系统是建立在计算机硬件平台上的虚拟机器，它为应用软件提供了计算机硬件功能更强或计算机硬件所没有的功能。l

操作系统在虚拟机中充当管理员和协调员的角色,管理计算机的软硬件资源,并协调多任务、多进程的运行。l

扩充：功能、计算机数量用户环境观点l

该观点认为，操作系统是计算机用户使用计算机系统的接口，它为计算机用户提供了方便的工作环境。l

计算机用户：终端用户、程序员和系统设计者l

操作系统提供的接口-

用户接口（UserInterface，也称为命令接口）-

程序接口（系统调用，也称为应用编程接口,ApplicationProgrammingInterface，简称API）命令接口l

命令接口——用户可通过该接口向作业发出命令以控制作业的运行。可分为联机用户接口和脱机用户接口。(1)联机用户接口：这是为联机用户提供的，它由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成。•

字符形式：较灵活但因繁琐而难记；(2)脱机用户接口：用户用JCL把需要对作业进行的控制和干预，事先写在作业说明书上，然后将作业连同作业说明书一起提供给系统。当系统调度到该作业运行时，再调用命令解释程序，对作业说明书上的命令，逐条地解释执行。该接口即为批处理接口。程序接口l

该接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。l

它是由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序，每当应用程序要求OS提供某种服务（功能）时，便调用具有相应功能的系统调用。l

不同的系统其调用形式不同。资源管理观点l

该观点认为，操作系统是计算机系统中各类资源的管理者，它负责分配、回收以及控制系统中的各种软硬件资源。-

监视资源-

分配/回收资源-

保护资源l

跟踪资源的使用状况、满足资源请求、提高资源利用率,以及协调各程序和用户对资源的使用冲突。资源类型作业组织观点l

该观点认为，操作系统是计算机系统工作流程的组织者，它负责协调在系统中运行的各个应用软件的运行次序。l

用于巨型机和大型服务器上，以批文件方式提交作业，请求主机逐个运行。l

主机操作系统负责组织、协调各个作业的运行，报告执行结果或错误信息。l

减少了人工干预，提高了系统的效率。操作系统的定义操作系统是计算机系统中的一个系统软件，管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机的工作流程，以便有效利用这些资源为用户提供一个功能强、使用方便的工作环境，从而在计算机与用户之间起到接口的作用。第二讲操作系统的主要功能和基本特征操作系统的主要功能操作系统应具有六方面的功能：1、进程管理2、存储器管理3、设备管理4、文件管理5、作业管理6、操作系统的安全进程管理功能●

进程管理的主要功能：按照一定的算法把处理机分配给进程（线程），并对其进行有效的管理和控制。1.进程控制进程控制的主要功能是为作业创建进程、撤消已结束2.进程同步——是为多个进程的运行进行协调。•

两种协调方式：3.进程通信——是进程之间的信息交换。当相互合作的进程（线程）处于同一计算机系统时，通常在它们之间是采用直接通信方式，即由源进程利用发送命4.进程调度——是从进程的就绪队列中,按照一定的算法，选出一新进程，把处理机分配给它，使进程投入执行。存储器管理功能l

存储器管理的主要任务：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以及能从逻辑上扩充内存。l

存储器管理功能有4个：1、内存分配2、内存保护3、地址映射4、扩充内存内存分配内存分配有两种方式：①静态分配方式，每个作业运行之前分配好内存空间，在作业的整个运行期间不再改变。②动态分配方式，每个作业在运行前或运行中，均可申请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增涨。内存分配的机制中的结构和功能l内存分配的机制中的结构和功能①内存分配的数据结构，该结构用于记录内存空间的使用情况。②内存分配功能——为用户程序分配内存空间。③内存回收功能——当用户不再需要的内存时，系统能回收内存的功能。内存保护l

内存保护的主要任务：是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。l

内存保护机制：是设置两个界限寄存器，越界检查都由硬件实现地址映射l

地址空间——目标程序或装入程序限定的空间，称为“地址空间”。单元的编号称为逻辑地址，又称为相对地址。l

内存空间——由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为“内存空间”，其中的地址称为“物理地址”。l

地址映射——运行时，将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址，称为地址映射内存扩充l

借助于虚拟存储技术从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多；l

扩充内存必须具有内存扩充机制：(1)请求调入功能。在程序运行过程中，若所需的程序和数据尚未装入内存，可由OS从磁盘中将所需部分调入内存，继续运行。(2)置换功能。将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调出到磁盘上，然后再将所需调入的部分装入内存。设备管理功能设备管理的主要任务：是完成用户进程提出的I/O请求；为用户进程分配其所需的I／O设备；提高CPU和I／O设备的利用率；提高I／O速度；方便用户使用I／O设备。设备管理功能设备管理具有的功能：1.设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务：用于实现CPU和设备控制器之间的通信，即由CPU向设备控制器发出I／O命令，要求它完成指定的I／O操作；反之由CPU接收从控制器发来的中断请求，并给予迅速的响应和相应的处理。2.设备分配的基本任务，是根据用户进程的I／O请求，按照某种设备分配策略，为之分配其所需的设备。不同的设备类型（独占、共享）而采用不同的设备分配方式。3.缓冲管理：有效地缓和CPU和1／O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率。不同的系统采用不同的缓冲技术。文件管理功能l

文件管理的主要任务：是对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。文件管理的主要功能：1．文件存储空间的管理——是对诸多文件及文件的存储空间，实施统一的管理。基于数据结构（MCB）对存储空间进行分配和回收的功能。2．目录管理——为每个文件建立目录项，并对众多的目录项加以有效的组织与管理（例如，按名存取，文件共享）。3．文件的读／写管理和保护（1）文件的读／写管理：是根据用户的请求，从外存中读取数据或将数据写入外存。（2）文件保护：操作系统的服务人们希望操作系统提供的服务有三种:1、操作系统能提供的服务：Ø

通过命令接口和程序接口来实现的。2、操作系统在提供这些服务时,需要满足的限制条件：Ø

硬件资源的能力、操作系统的类型（实时系统、分时系统）3、操作系统具有适应某些变化的能力。第1类服务需求是后两类服务需求赖以存在的基础,称之为操作系统的功能性需求，后两类服务称为操作系统的非功能性需求。操作系统的基本特征l现代OS的四个基本特征：1、并发2、共享3、虚拟4、异步l并发是最重要的特征，其它特征都以并发为前提。1.并发l并发——并行性和并发性，并发执行的

过程。-

并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。-

并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。l任务共行-

从宏观上看，任务共行是指系统中有多个任务同时运行-

从微观上看，任务共行是指单处理机系统中的任务并发（TaskConcurrency：即多个任务在单个处理机上交替运行）或多处理机系统中的任务并行（TaskParallelism：即多个任务在多个处理机上同时运行）。2.共享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。1、互斥共享方式：-

把在一段时间内只允进程访问的资源，称为临界资源。-

系统中的临界资源可以提供给多个进程使用，但一次仅允进程使用，称为互斥共享方式。2、同时访问方式：-

从宏观上看，资源共享是指多个任务可以同时使用系统中的软硬件资源-

从微观上看，资源共享是指多个任务可以交替互斥地使用系统中的某个资源。例如磁盘。3.虚拟l

所谓虚拟是指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。l

虚拟处理机：分时实现l

虚拟设备：SPOOLING技术l

虚拟存储器：虚拟存储管理实现4.异步1、执行结果不确定。2、异步性——是指进程以异步的方式执行，进程是以人们不可预知的速度向前推进。操作系统的形成与发展l

推动操作系统发展的动力l

操作系统能够不断发展，其原因：1.

硬件升级和新型硬件的出现：OS都应能适应。2.

新的服务：为适应用户的要求或系统管理员的需要，需要扩展操作系统以提供新的服务。3.

纠正错误：任何一个操作系统都有错误，在使用一段时间后发现了错误就需要进行纠错。当然，纠错本身可能会产生新的错误。4.

计算机体系结构的不断发展.操作系统的进展与演变第

1

代电子管计算机世界上第1台计算机●名称：ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandputer)●目的：用于第二次世界大战后期的弹道计算●诞生时间：1946年2月15日●诞生地：美国宾夕法尼亚大学ENIAC计算机电子管●使用18000只电子管●1500个继电器●占地面积170m2●重量30吨●耗电量140千瓦l没有操作系统计算机诞生中的三个第一l

世界上第一台投入运行的电子计算机ENIAC,

1946.2,

美国l

世界上第一台按存储程序控制功能设计的计算机EDVAC，1946--1950，美国l

世界上第一台投入运行的实现存储程序控制的计算机EDSAC，1947--1949，英国计算机时代的开始：以1951年UNIVAC-Ⅰ投入运行为标志，第一台批量生产的商用计算机，从此，计算机走向社会。第

2

代

晶体管计算机●

1947年，美国贝尔电话实验室发明了晶体管，利用半导体锗和硅制作的晶体管开始用于计算机的制造上。●晶体管体积小，反应速度快，使计算机的运算速度和处理能力得到很大提高。晶体管●程序设计方面•

研制出通用的算法和语言•

出现批处理操作系统•

主要应用于科学计算、数据处理和实时控制等方面第

3

代集成电路计算机l

1958年，美国德州仪器公司利用照像技术把多个晶体管和电路蚀刻在一块硅片上，这种半导体集合体就是:“集成电路”——IC(IntegratedCircuit)l程序设计方面•

提出“多道程序”和“分时系统”概念•

出现了系列计算机、远程终端联机系统•

应用于系统模拟、系统控制、智能模拟等新的领域苹果(Apple)计算机第

4

代大规模集成电路计算机l

大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）器件的使用是第四代计算机的主要标志。l

计算机系统引入图形界面(GUI)以来，视窗操作系统的代表:Windows。l

应用领域：军事预警、尖端科学、航天科学、天气预报。超大规模集成电路第

5

代

智能计算机●广泛使用多媒体技术，使人们能够用语音、图像、视频等更为自然的方式与计算机进行信息交互。●硬件系统支持高度并行和快速推理，软件系统能够处理知识信息

。第

6

代生物计算机l

利用蛋白质分子制造出基因芯片,研制生物计算机是当今计算机技术的最前沿。l

阻抗低、能耗少、发热量极小。生物芯片现代计算机的发展趋势(1)微型化体积更小，重量更轻，价格更便宜，且功能更强。现代计算机的发展趋势（2）巨型化目前世界上还有很多领域，如国防、百年天气预测和地震分析等，都需要功能更为强大的计算机。为某著名企业引进了大型计算机数据处理

为国家气象中心引进了中期气象预报系统数据分析系统现代计算机的发展趋势（３）网络化将计算机连成网络，可实现计算机的相互通信和资源共享。计算机网络化的出现，掀起了电子计算机发展史上的第三次浪潮!在第一次浪潮中，信息处理是关键。第二次浪潮的情景是每上摆有一台计算机。第三次浪潮是把所有这些计算机都连接在一起。现代计算机的发展趋势（5）智能化（4）多媒体化使人们面对图、文、声并茂的计算机信息。让计算机能够模仿人脑的功能，即对信息具有智能处理能力。操作系统的分类无操作系统时的计算机系统1、

人工操作方式一台计算机的所有资源由用户独占，降低了计算机资源利用率，人操作慢，出现了严重的人机矛盾。2、

脱机输入输出方式l在外围计算机的控制下，实现输入输出。l主要解决了CPU与设备之间不匹配的矛盾单道批处理系统1、在内存中仅存一道作业运行，运行结束或出错，才自动调另一道作业运行。2、单道批处理系统主要特征：自动性、顺序性、单道性。3、单道批处理系统主要优点：减少人工操作，解决了作业的自动接续。4、单道批处理系统主要缺点：平均间长，没有交互能力。多道批处理系统l

多道程序的概念在内存中存放多道作业运行，运行结束或出错，自动调度内存中的另一道作业运行。l

多道程序带来的好处：1、提高CPU的利用率。2、提高内存和I/O设备利用率。3、增加系统吞吐率。举例:多道执行情况程序1程序2程序3用户程序单道监督程序执行I/O操作A请求I/OA完成A程序多道执行B请求I/OB完成B程序C程序C请求I/OC完成D请求I/OD完成D程序调度l

多道批处理系统主要特征：多道性、无序性、调度性（进程调度和作业调度）。l

多道批处理的主要优点：提高了资源利用率和吞吐能力。l

多道批处理的主要缺点：平均间长，没有交互能力。分时系统l

分时系统的产生用户需要：人机交互、共享主机、便于用户上机l

分时系统实现的方法简单分时系统具有“前台”和“后台”的分时系统多道分时系统l

分时系统实现中的关键问题：及时接收：实现多个用户的信息及时接收。及时处理：及时控制作业的运行。简单分时系统示意图A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

BOSOSOSOSOSOSA

BA

B

C

A

B

CC具有“前台”和“后台”的分时系统示例A

B

A

B

A

B

AA、B前台作业OSOSOSOSOSA

BA

B

A

B

ADC

C

CDC

DC、D后台作业多道分时系统示意图A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

BOSOSOSOSOSOSA

BA

A

A

A

A

AB

B

B

B

B

BCC

C

C

C

CC分时系统的特征多路性：多个用户分时使用一台计算机。独立性：独立运行，不混淆，不破坏。及时性：系统能在很短的时间得到回答。交互性：能实现人机对话。影响响应时间的若干因素系统开销用户数Ti（响应时间）=

NQ+

To.s+

Twap时间片信息交换时间改善响应时间的方法采用重入码减少信息的对换量采用虚拟存储技术,减少信息对换量实时系统所谓实时系统：是计算机及时响应外部

事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致的运行。实时系统分为两类1、实时控制系统2、实时信息处理系统实时系统的特征1.

多路性：能对多个对象进行控制。2.

独立性：独立运行，不混淆，不破坏。3.

交互性：仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。4.

可靠性：高可靠性，应具有过载防护能力。5.

及时性：不同的系统要求不一样，控制对象必须在截止时间内完成。第5-6讲

操作系统的体系结构和主流操作系统操作系统的体系结构l

操作系统中增加了越来越多的功能，并且随着底层硬件更高的性能，更加通用，操作系统的大小和复杂性也随着增加。l

为了控制该软件的复杂性，在开发OS时，先后引入了分解、模块化、抽象和隐蔽等方法。开发方法的不断发展，促进了OS结构的更新换代。1．模块化OS结构l使用分块结构的系统包含若干module（模块）；其中，每一块实现一组基本概念以及与其相关的基本属性。l块与块之间的相互关系：所有各块的实现均可以任意引用其它各块所提供的概念及属性。模块化OS的优缺点优点：①

提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性。②

增强了0S的可适应性。③

加速了OS的开发过程。缺点:①

对模块的划分及对接口的规定要精确描述很困难。②

从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别；2．分层式OS结构l

使用分层系统结构包含若干layer（层）；其中，每一层实现一组基本概念以及与其相关的基本属性。l

层与层之间的相互关系：Ø所有各层的实现不依赖其以上各层所提供的概念及其属性，只依赖其直接下层所提供的概念及属性；Ø每一层均对其上各层隐藏其下各层的存在。3.常见OS总体结构双模式基础平台子系统总体结构风格l

双模式基础平台子系统其总体结构包含两个模式模块；它们分别在两种不同的CPU特权模式下运行。l

程序状态字:处理机状态注：习惯上，人们把双模式基础平台子系统的这两个模式模块分别称为核外子系统和核心子系统；把核外子系统所使用的CPU的模式称为UserMode，把核心子系统所使用的CPU特权模式称为KernelMode双模式运行结构图当前主流操作系统简介lWindowslUnixlLinuxWindows操作系统l

DOS(DiskOperatingSystem)操作系统曾经是最著名的个人计算机操作系统，以Intel80x86处理器的16位机器上，是一种以字符为基础的、命令行式的界面平台。l

MS-DOS和PC-DOS，前者是微软(Microsoft)公司的产品，后者是IBM公司的产品。l

DOS操作系统家族已经完成了它们的历史使命，进入了IT博物馆。l

Microsoft于1985年推出了一种采用图形用户界面(Gr