第1讲 操作系统概述

1、操作系统原理，主讲人：闫平电子邮件：操作系统原理，必修课程：微机原理，程序设计语言，数据结构课程教学目的：学生通过本课程的学习可以系统地掌握操作系统的基本概念，主要功能，工作原理和实现技术；能够使用操作系统和分析操作系统。通过实践，我们可以了解和掌握Windows操作系统的基本工作原理和使用方法，为今后在操作系统平台上开发各种应用软件或系统软件打下坚实的基础。第一章，计算机网络，信息工程学院，推荐教材：唐子英，计算机操作系统(修订版)，西安电子科技大学出版社参考资源：(1)张尧学，石梅林，计算机操作系统教程(第二版)，北京：清华大学出版社。(2)陈向群等译，现代操作系统，现代操作系统，北京：机

2、械工业出版社。(3)涂琦、涂立德：操作系统基础，北京：清华大学出版社。操作系统原理，计算机网络，第1章，课程表：总课时40小时=授课时间32小时实验时间8小时综合分数=试卷表面分数70%实验分数20%平时分数10%，操作系统原理，操作系统原理，第1章操作系统介绍，第2章第3章第4章内存管理，第5章设备管理，第6章文档管理，第7章操作系统界面，第1章操作系统概述，教学要领本章主要介绍操作系统的基本概念、发展历史、功能和主要特点以及操作系统的结构。我们应该关注操作系统的基本概念、特征和功能，对操作系统的发展历史和操作系统的微内核结构有一定的了解。1.1什么是操作系统？1.1.1操作系统是最重要的系

3、统软件吗？1.1.2操作系统是资源管理器吗？1.1.3操作系统是用户(应用程序)和计算机硬件系统之间的接口。1.1.1操作系统是最重要的系统软件。计算机系统可以看作是由硬件和软件按层次构成的系统。硬件系统是指必须配置成计算机系统的硬件设备。软件系统是为计算机系统配置的程序和数据的集合。软件系统可分为应用软件和系统软件。操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是计算机系统中最重要的系统软件。其他系统软件和大量应用软件依赖于操作系统的支持。1.1.2操作系统是资源管理器，计算机系统资源可分为四类：处理器、存储器、输入/输出设备和信息(数据和程序)。操作系统的任务是充分有效地利用整个系统的资源，合

4、理有序地控制系统资源在竞争程序之间的分配，从而控制计算机系统的工作流程。作为资源管理器，操作系统应该完成以下任务：跟踪资源状态。分配资源。回收资源。保护资源。1.1.3操作系统是用户(应用程序)和计算机硬件系统之间的接口。操作系统在用户和计算机硬件之间，用户通过操作系统使用计算机。用户可以通过三种方式使用计算机：命令模式操作系统提供一组在线命令，用户可以通过键盘输入相关命令直接操作计算机系统。系统调用模式操作系统提供一组系统调用，用户可以在自己的应用程序中通过相应的系统调用来操作计算机。图形用户操作计算机系统，并通过屏幕上的窗口和图标运行自己的程序。定义：操作系统是一套硬件和软件资源，用于控制

5、和管理计算机系统，合理组织计算机工作流程，为用户使用计算机提供方便的程序和数据。在计算机系统中设置操作系统的目的是提高计算机系统的效率，增强系统的处理能力，提高系统资源的利用率，方便用户使用计算机。1.2操作系统发展历史1.2.1手动操作阶段1.2.2在线批处理系统1.2.3离线批处理系统1.2.4多通道批处理系统1.2.5分时系统1.2.6实时系统1.2.1手动操作阶段当计算机刚刚出现时，由于计算机存储容量小，操作速度慢，输入/输出人只能手动使用这种计算机，而根本没有操作系统。在手工操作的情况下，用户轮流使用计算机一个接一个。这种手动操作模式有以下两个缺点：(1)用户垄断了整个机器。(2)中

6、央处理器等待手动操作。随着计算机速度的提高，人与机器之间的矛盾已经达到了不可容忍的程度。为了解决这一矛盾，只有努力摆脱人工干预，实现作业的自动转换，于是批处理技术应运而生。1.2.2为了实现作业建立和作业转换的自动化，在线批处理系统引入了批处理监控程序。主管程序的工作对象以作业流程的形式提供。每个用户都需要一台计算机来解决计算工作，而计算工作被组织成一项工作。每个作业都有一个独立于程序的描述文件，即作业描述(提供基本信息，如用户标识、要使用的编译器和所需的系统资源)、一个程序和一些原始数据，最后是作业的终止信息。在这个批处理系统中，作业的输入/输出是在线的，也就是说，作业从输入机器转移到磁带，

7、从磁带转移到存储器，结果的输出和打印由中央处理器直接控制。随着中央处理器速度的不断提高，中央处理器与输入输出设备之间的速度差距形成了一对矛盾。1.2.3离线批处理系统为了克服在线批处理的缺点，离线输入/输出技术被引入到批处理系统中，从而形成离线批处理系统。离线批处理系统由主机和卫星计算机(外围计算机)组成，不直接与主机相连，只处理外部设备。批处理系统是在解决人机矛盾和高速中央处理器与低速输入输出设备矛盾的过程中发展起来的。它的出现提高了中央处理器和外围设备的利用率，实现了作业的自动排序和转换，从而提高了整个计算机系统的处理能力。1.2.4多通道批处理系统，多通道编程技术是将几个独立的程序同时存

8、储在计算机内存中，以便它们能在管理程序的控制下交替运行。当一个程序由于某种原因(如等待外部设备传输数据)无法继续运行时，管理程序会将内存中的另一个程序投入运行，这样可以使中央处理器和外部设备尽可能保持忙碌，从而大大提高计算机的使用效率。多渠道节目运作的特点如下：多渠道。也就是说，几个独立的程序同时存储在计算机内存中。宏观上平行。同时，进入系统的几个程序正在运行过程中，也就是说，它们已经开始了自己的运行，但还没有运行完毕。显微镜下，连续的。微观上，内存中的多个程序轮流或分时占用处理器，并交替执行(单处理器情况)。多通道批处理的优点是系统的吞吐量高，但缺点是对用户的响应时间长(从用户提交作业到系统

9、得到系统处理的时间)，用户不能及时了解自己程序的运行情况并加以控制。1.2.5分时操作系统的工作模式是一台主机连接多个终端，每个终端由一个用户使用。用户向系统提出命令请求，系统接受每个用户的命令，以时间片循环方式处理服务请求，并以交互方式向用户显示结果。用户根据上一步的处理结果发出下一个命令。分时操作系统将中央处理器的运行时间分成几个部分，称为时间片。操作系统在时间片上依次为每个终端用户服务。因为时间片很短，每个用户都感觉不到其他用户的存在。分时系统具有多元性、互动性、排他性和时效性的特点。通用操作系统是分时系统和批处理系统的结合。它的原则是：分时优先，批处理后来。“前台”响应需要频繁交互的操

10、作，例如终端要求；“背景”处理时效性要求较低的工作。1.2.6实时操作系统(RTOS)是指能够使计算机及时响应外部事件请求，在严格规定的时间内完成事件处理，并控制所有实时设备和实时任务协调工作的操作系统。根据使用方式的不同，实时系统可以分为两类：实时控制系统和实时信息处理系统。1.3操作系统的基本特征1.3.1并发性、并行性和并发性是两个相似但不同的概念：并行性意味着两个或多个事件同时发生；并发意味着两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多程序环境中，并发意味着在一段时间内，有几个程序同时运行，但在单处理器系统中，一次只能执行一个程序，因此这些程序只能分时交替执行。如果计算机系统中有多个处理器

11、，这些可以并发执行的程序可以被分配给多个处理器来实现并行执行，也就是说，每个处理器用于处理可以并发执行的程序，使得多个程序可以同时执行。1.3.2共享在操作系统环境中，所谓的共享是指系统中的资源可以被内存中的多个并发进程(线程)使用。由于不同的资源属性，流程以不同的方式共享资源。目前，资源共享主要有以下两种方式。1。互斥共享系统中的一些资源，如打印机和磁带机，可以为多个进程(线程)提供，但是为了防止打印或记录的结果造成混乱，应该规定在一定时间内只允许一个进程(线程)访问资源。我们把这种资源共享称为互斥共享，我们把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为关键资源或互斥资源。计算机系统中的大多数物

12、理设备以及一些软件中使用的堆栈、变量和表都是关键资源，它们需要相互排斥和共享。系统中还有另一种资源，它允许多个进程在一段时间内“同时”访问它们。这里所谓的“同时性”往往是宏观的，而微观的，这些过程可以交替访问资源。多个进程可以同时访问的典型资源是磁盘设备，一些以可重入代码编写的文件也可以同时共享，即多个用户可以同时访问这些文件。并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们是彼此存在的条件。一方面，资源共享是以程序(进程)的并发执行为条件的。如果系统不允许程序的并发执行，自然就不存在资源共享问题；另一方面，如果系统不能有效地管理资源共享和协调各种进程对共享资源的访问，将不可避免地影响程序的并发执

13、行程度，甚至根本不能并发执行。1.3.3虚拟操作系统中所谓的“虚拟”是指通过某种技术将一个物理实体转换成多个逻辑实体。物理实体(前者)是真实的，也就是说，它实际上是存在的；而后者是虚拟的，这是用户的感受。因此，用于实现虚拟化的技术被称为虚拟化技术。操作系统采用多种虚拟技术来实现虚拟处理器、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟通道。在虚拟处理器技术中，处理器通过多道程序设计技术和多道程序设计的并行执行以分时方式使用。此时，虽然只有一个处理器，但它可以同时为多个用户服务，这使得每个终端用户都认为有一个专用于为他服务的中央处理器。也就是说，使用多通道编程技术，一个物理CPU被虚拟化成多个逻辑CPU，也称为虚

14、拟处理器，我们称之为用户感知的CPU虚拟处理器。虚拟内存技术，将机器的物理内存变为虚拟内存，以便在逻辑上扩展内存容量。此时，尽管物理存储器的容量可能不大(例如，32MB)，但它可以运行大得多的用户程序(例如，128MB)。这让用户觉得内存容量比实际内存容量大得多，认为这台机器的内存至少有128兆字节。当然，用户此时感知的存储容量是虚拟的。我们称用户感知的记忆为虚拟记忆。虚拟设备技术将物理输入/输出设备虚拟化为多个逻辑输入/输出设备，并允许每个用户占用一个逻辑输入/输出设备，使得最初只允许一个用户在一段时间内访问的设备(即关键资源)可以改变为允许多个用户在一段时间内同时访问的共享设备。在操作系统

15、中，虚拟化的实现主要是通过分时的方法。显然，如果n是对应于物理设备的虚拟逻辑设备的数量，则虚拟设备的平均速度必须是物理设备速度的1/n。1.3.4异步，在多通道程序环境中，允许多个进程并发执行，但只有这些进程在获得所需资源后才能执行。在单处理器环境中，因为系统中只有一个处理器，所以一次只允许执行一个进程，其他进程只能等待。当正在执行的进程提出一些资源要求(如打印请求)时，当打印机正在为某个其他进程进行打印时，正在执行的进程必须等待并放弃处理器，直到打印机空闲并且处理器再次被分配给该进程。可以看出，由于资源和其他因素的限制，流程的执行通常不是一次性完成的，而是以“走走停停”的方式运行。内存中的每

16、个进程何时能够让处理器运行，何时由于某种资源请求而被挂起，进程前进的速度有多快，每个程序完成需要多长时间，等等，都是不可预测的。例如，由于每个用户程序的性能不同，有些侧重于计算，需要较少的输入/输出；但是，有些程序计算量少，输入输出多，所以很可能先进入内存再完成；然后首先完成进入存储器的操作。换句话说，过程正在以不可预测的速度前进，即过程的异步性。即便如此，只要运行环境相同，多次运行后作业将获得完全相同的结果。因此，允许异步操作，这是操作系统的一个重要特性。操作系统的主要功能1.4.1操作系统的功能从资源管理的角度来看，操作系统的主要任务是有效地管理系统中的硬件和软件，以提高系统资源的利用率。

17、计算机硬件资源主要指处理器、主存储器和外部设备，而软件资源主要指信息(文件系统)。因此，操作系统的主要功能是处理器管理、存储管理、设备管理和信息管理。从用户的角度来看，操作系统为用户提供了一个用户界面。处理器管理和过程管理包括以下几个方面：过程控制。进程同步。过程沟通。过程调度。2.存储管理存储管理的主要任务是为多通道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用内存，提高内存的利用率。存储管理包括以下几个方面：内存分配。记忆保护。地址映射。内存扩展。3.设备管理主要包括缓冲管理。设备分配。设备搬运。虚拟设备。4.文件管理、处理器管理、存储管理和设备管理都属于硬件资源管理。软件资源的管理称为信息管理，即文件管理。文件管理包括以下内容：文件存储空间管理。目录管理。文件读写管理。文件访问控制。用户界面，操作系统为用户提供以下界面：(1)在线用户界面。这是为在线用户准备的，由一组键盘操作命令和命令解释器组成。当用户在终端或控制台上键入命令时，系统立即转向命令解释器来解释和执行该命令。完成指定的功能后，控件返回到终端或控制台，等待用户键入下一个命令。这样，用户可以通过一个接一个地键入不同的命令来控制作业，直到作业完成。(2)离线用户界面该界面是为批处理