操作系统课件 第一章 操作系统概述

姓名：邓红霞学院：计算机科学与技术学院学校：太原理工大学第一章操作系统概述操作系统分类操作系统发展历程操作系统概念1操作系统功能主要内容23现代操作系统特征45操作系统结构61.1.1操作系统与计算机系统1.1.2操作系统定义1.1.3研究操作系统的几种观点1.1操作系统概念

计算机系统是一个复杂系统，由硬件系统和软件系统两部分组成。操作系统（operatingsystem，OS）是配置在计算机硬件上的第一层软件。1.1操作系统概念

计算机系统的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）设备组成。，为软件运行提供载体和支撑。

软件系统是计算机系统的灵魂，包括系统软件和应用软件，而操作系统是灵魂中的基石，是对硬件系统的第一次扩充。计算机的硬件和软件是相互依存、相互配合的关系，二者缺一不可，构成了计算机系统。1.1.1操作系统与计算机系统

操作系统的定义在不同的教材中描述有所不同，但核心思想基本一致。它是计算机硬件系统上配置的第一大型软件，同时满足如下要求：（1）管理各类资源（2）方便用户使用（3）扩充机器功能（4）构筑开放环境（5）提高系统效率1.1.2操作系统定义不同的人出发点不同，看待操作系统的角度也不同，不同的观点体现操作系统的不同侧面。（1）用户角度：希望系统界面友好；提供的服务安全可靠、高效。（2）系统管理人员的观点：引入操作系统是为了合理组织计算机工作流程，管理和分配计算机系统硬件及软件资源。（3）发展的观点：引入操作系统可为计算机系统的功能扩展提供平台。1.1.3研究操作系统的几种观点1.2.1无操作系统---第一代计算机1.2.2批处理系统---第二代计算机1.2.3多道程序系统---第三代计算机1.2.4多元化操作系统---第四代计算机1.2操作系统发展历程这个时代的计算机主要用来做数字运算。计算机也只能通过人工操作工作。（1）人工操作人工操作的慢速和计算机运行的高速形成了鲜明对比，使得系统利用率降低。（2）脱机输入/输出仍存在许多缺陷，需要操作员干预。1.2.1无操作系统---第一代计算机摆脱人的手工操作，实现作业自动过渡，出现了批处理系统。（1）单道批处理系统

内存中仅有一个作业，无法充分利用系统中的所有资源，致使系统的利用率较低。

（2）多道批处理系统

①多道②成批

不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。1.2.2批处理系统---第二代计算机在单处理器系统中，多道程序运行的特点如下：（1）多道计算机内同时存放几道相互独立的程序。（2）宏观上并行同时进入系统的几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。（3）微观上串行各道程序轮流使用CPU，交替执行。多道程序系统的出现标志着操作系统日渐趋于成熟。1.2.3多道程序系统---第三代计算机随着大规模集成电路（LSI）的发展，在每平方厘米的芯片上可以集成数千个晶体管，进入了个人计算机时代。但微处理器却使每个人都能拥有自己的计算机。（1）基于磁盘的操作系统CP/M（2）MS-DOS（3）名为Windows的一系列操作系统（4）分时操作系统、实时操作系统。（5）网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统等多种操作系统。1.2.4多元化操作系统---第四代计算机1.3.1批处理操作系统1.3.2分时操作系统1.3.3实时操作系统1.3.4网络操作系统1.3.5分布式操作系统1.3.6嵌入式操作系统1.3.7云操作系统1.3操作系统分类早在20世纪60年代就出现了多道批处理操作系统，其主要优缺点如下：（1）资源利用率高（2）系统吞吐量大（3）平均周转时间长（4）无交互能力1.3.1批处理操作系统在多道系统中，若采用了分时技术，就是分时操作系统。分时操作系统与批处理操作系统之间的主要差别在于，所有用户都是通过使用显示器和键盘组成的联机终端与计算机交互。分时操作系统的特点如下：（1）多路性（2）交互性（3）独立性（4）及时性1.3.2分时操作系统实时操作系统是能对来自外部的请求和信号在限定的时间范围内做出及时响应的一种操作系统。实时操作系统主要是为联机实时任务服务的，其特点如下：（1）高及时性（2）高可靠性（3）交互会话功能较弱1.3.3实时操作系统在网络范围内，用于管理网络通信和共享资源，协调各计算机上任务的运行，并向用户提供统一的、有效方便的网络接口的程序集合，称为网络操作系统。网络操作系统的研制开发是在原来各自计算机操作系统的基础上进行的。按照网络体系结构的各个协议标准进行开发，包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和多种网络应用服务等诸方面。网络操作系统有如下四个基本功能：（1）网络通信（2）资源管理（3）提供网络接口（4）提供网络服务1.3.4网络操作系统一个计算机网络系统，其处理和控制功能被分散在系统的各台计算机上，系统中的所有任务可动态地分配到各台计算机中，使它们并行执行，实现分布处理。其上配置的操作系统，被称为“分布式操作系统”。分布式操作系统的特点如下：（1）分布式操作系统的基础是网络（2）系统的透明性（3）并行性（4）可靠性和健壮性（5）扩展性1.3.5分布式操作系统嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。用于嵌入式系统的操作系统，为嵌入式操作系统。嵌入式操作系统是嵌入式系统的软件核心。嵌入式操作系统的特征如下：（1）专用性（2）小型化与有限资源（3）系统软硬件设计的协同一体化（4）软件开发需要交叉开发环境嵌入式操作系统大多用于控制，因而具有实时特性，与一般操作系统相比具有比较明显的差别：（1）可裁剪性

（2）可移植性

（3）可扩展性1.3.6嵌入式操作系统是以云计算、云存储技术为支撑的操作系统，是云计算后台数据中心的整体管理运营系统。是指构架于服务器、存储、网络等基础硬件资源和单机操作系统、中间件、数据库等基础软件之上，管理海量的基础硬件、软件资源的云平台综合管理系统。云操作系统具有以下几个作用：（1）治众如治寡，能管理和驱动海量服务器、存储等基础硬件，将一个数据中心的硬件资源逻辑上整合成一台服务器

（2）为云应用软件提供统一、标准的接口（3）管理海量的计算任务及资源调配

1.3.7云操作系统1.4.1并发性1.4.2共享性1.4.3虚拟性1.4.4异步性1.4现代操作系统特征配置操作系统的目的是提高计算机系统的处理能力，充分发挥系统的资源利用率，方便用户使用计算机。以多道程序设计为基础的现代操作系统具有以下特性：（1）并发性

（2）共享性（3）虚拟性（4）异步性

1.4.1现代操作系统特征1.5.1对处理器的管理1.5.2存储管理1.5.3设备管理1.5.4文件管理1.5.5用户接口1.5操作系统功能操作系统作为一个特殊的系统软件，对运行在计算机上的多道程序进行“程序监控”，其目的是通过监测多道程序的运行情况和资源需求，合理地分配系统中的资源，即对多道程序“提供资源”，以保证多道程序有条不紊、高效地运行，并能最大限度地提高系统中各种资源的利用率和方便用户使用。

1.5操作系统功能为了提高处理器的利用率，操作系统采用了多道程序设计技术。为了描述多道程序的并发执行，引入了进程的概念，通过进程管理协调多道程序之间的关系，可以解决对处理器的调度分配及回收等问题。（1）进程控制

（2）进程同步（3）进程通信（4）进程调度

1.5.1对处理器的管理存储器要管理的资源是内存。它的任务是方便用户使用内存，提高内存的利用率，以及从逻辑上扩充内存。（1）内存分配

（2）地址映射（3）存储保护（4）内存扩充

1.5.2存储管理设备管理主要任务是完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备，提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，以及方便用户使用I/O设备。（1）通道、控制器、输入/输出设备的分配和管理

（2）设备独立性

1.5.3设备管理文件管理是针对系统的软件资源的管理。其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。1.5.4文件管理操作系统为用户提供一个友好的用户接口。该接口以命令或系统调用的形式呈现在用户面前，命令提供给用户在键盘终端使用，系统调用提供给用户在编程时使用。现在，操作系统又向用户提供了图形接口，如Windows系统。1.5.5用户接口1.6.1单体结构1.6.2层次式结构1.6.3微内核与客户---服务器模式1.6.4面向对象结构1.6.5多处理器模式1.6操作系统结构操作系统结构设计有三层含义：一、研究操作系统的整体结构，如功能如何分块，相互之间如何交互，并要考虑构造过程和方法；二、研究操作系统的局部结构，包括数据结构和控制结构；三、操作系统运行时的组织，如系统是组织成进程还是线程，在系统空间还是在用户空间运行，等等。

1.6操作系统结构操作系统单体结构又称模块组合法，是基于结构化程序设计的一种软件结构设计方法。早期操作系统都采用这种设计方法。单体结构设计方法的主要优点如下：(1)结构紧密、组合方便(2)系统效率高。单体结构设计方法的主要缺点如下：(1)模块独立性差(2)系统功能的增、删、改困难1.6.1单体结构这种结构把操作系统划分为内核和若干模块，模块按功能的调用次序排列成若干层次，各层之间只能存在单向依赖或单向调用关系，即低层为高层服务。层次式结构的优点如下：(1)整体问题局部化(2)增加、修改或替换层次，不影响其他层次，有利于系统的维护或扩充层次式结构的缺点如下：层次结构是分层、单向、依赖的，必须要建立模块间的通信机制，系统花费在通信上的开销较大。1.6.2层次式结构微内核结构将操作系统分成两部分：一、运行在核心态的内核二、运行在用户态并以客户—服务器方式运行的进程层微内核结构的优点如下：(1)对进程的请求提供一致性接口(2)具有较好的可扩充性和易修改性(3)可移植性好(4)对分布式系统提供有力的支撑微内核结构的缺点如下：(1)运行效率较低1.6.3微内核与客户—服务器模式面向对象的程序设计方法是把系统中的所有资源都看作对象。对象是将一组数据或使用它的一组基本操作或方法封装在一起，而将此封装体看成是一个实体。从程序设计者角度看，对象是一个程序模块；从用户角度看，对象为他