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1、第一章 操作系统引论,本章主要内容： 操作系统的目标、作用(单处理机、多任务） 操作系统的发展 操作系统的服务 操作系统的功能,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统的目标和作用 1.1.1 OS的目标开发OS的目标 方便性 有效性 可扩充性 开放性,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统的目标和作用 1.1. 2 操作系统的作用 OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口， 最终用户与硬件的接口：命令、图形界面。 程序员与硬件的接口：系统调用 OS作为计算机系统资源的管理者。 OS用作扩充机器：提供给用户一台覆盖了软件的，使用方便的虚拟机。,1.1 操作系统的目标和作用 1.1.3 操作系统的层

2、次模型 OS分为三个层次： 用户接口 对对象操纵和管理的软件集合 操作系统对象,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统的目标和作用 1.1.3 操作系统的层次模型 一、OS对象 OS对象就是OS操纵和管理的对象，包括：处理器、存储器系统、各类I/O设备、文件、作业。 二、对对象操纵和管理的软件集合 对对象操纵和管理的软件集合是OS的核心部分，包括：处理机管理、存储系统管理、文件管理和设备管理。,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统的目标和作用 1.1.3 操作系统的层次模型 三、用户接口 为方便用户使用OS，利用OS所提供的各种功能和服务，OS通常向用户提供一下三种类型的接口： 1、命令接口

3、：是OS与用户的接口 2、程序接口：是应用程序与OS的接口 3、图形用户接口,第一章 操作系统引论,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.1 OS的发展 第一代计算机（19451955）：真空管与插件板 第二代计算机（1955-1965）：晶体管和批处理系统 第三代计算机（1965-1980）：集成电路芯片和多道程序系统 第四代计算机（19801990）：个人计算机 实时系统的出现,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.2各种OS的特点 一、单道批处理系统（Simple Batch system） 单道批处理系统内存中只有一道作业，可以成批处理作业。 特点：自动

4、性、顺序性、单道性 优点：减少等待人工操作的时间。 缺点：作业独占CPU，CPU等待I/O使得CPU利用率低。,开始,还有下一个作业吗？,是,把下一个作业的源程序转换为目标程序,源程序有错吗？,否,停止,否,装配目标程序,运行目标程序,是,单道批处理系统的处理流程,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.2各种OS的特点 二、多道批处理系统 在多道批处理系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，该队列被称为“后备队列”，然后由作业调度程序按一定策略从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源，以达到提高资源利用率和系统吞吐量的目的。与单道批

5、处理系统相比：1、多道程序驻留内存；2、CPU不再空闲等待I/O。,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.2各种OS的特点 二、多道批处理系统 1、多道批处理系统的引入 提高CPU的利用率 提高内存和I/O设备利用率 增加系统吞吐量,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.2各种OS的特点 二、多道批处理系统 2、特点： 多道性 无序性 调度性 复杂性,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.2各种OS的特点 二、多道批处理系统 3、优点： 提高CPU利用率； 提高内存和I/O设备的利用率； 增加系统的吞吐量（系统在单位时间内所完成的总工作量 ）。,

6、第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.2各种OS的特点 二、多道批处理系统 4、 缺点： 平均周转时间长。 缺乏交互能力 5、多道批处理系统需要解决的问题： 处理机管理、内存管理、I/O设备管理、文件管理、作业管理。,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.2各种OS的特点 三、分时系统 1、分时系统的产生 人机交互 共享主机 便于用户上机,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.2各种OS的特点 三、分时系统 2、分时系统实现中的关键问题 及时接收：及时接收用户的命令或数据 及时处理：及时处理用户命令。应该使所有的用户作业都直接进入内存；在很短的时

7、间内使每个作业都运行一次。,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.2各种OS的特点 三、分时系统 3、分时系统的实现方法 单道分时系统 具有“前台”和“后台”的分时系统 多道分时系统,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.2各种OS的特点 三、分时系统 4、分时系统的特点： 多路性：允许在一台主机上同时联结多台连机终端； 独立性：各终端彼此独立操作，互不干扰； 及时性：用户请求能在很短的时间内获得响应； 交互性：用户可以通过终端与系统进行广泛的人机对 话。,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.2各种OS的特点 四、实时系统 有较强的实时处理能力

8、，可以“抢占”CPU使用权。 1、实时系统的引入 实时控制 实时信息处理,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.2各种OS的特点 四、实时系统 2、实时任务的类型 周期性实时任务 非周期性实时任务 硬实时任务 软实时任务,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 1.2.2各种OS的特点 四、实时系统 3、实时系统与分时系统的比较 多路性 独立性 及时性* 交互性 可靠性*,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的发展 小结： 一个实际的OS可以同时具有批处理、分时和实时的特点，如Windows NT,无OS 单道批处理 多道批处理 分时系统 实时系统,技术的发展与应用的要

9、求推动了OS的发展,WINDOWS NT,第一章 操作系统引论,1.3 操作系统的特征和服务 1.3.1OS的特征（指支持多任务的OS） 并发:两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 共享:系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用 虚拟:通过某种技术把一个物理实体变成若干逻辑上的对应物 异步性:程序的执行不连续，呈现间断性。,第一章 操作系统引论,1.3操作系统的特征和服务 1.3.2操作系统的服务 一、 公共服务类型 程序的执行。 I/O操作。 文件系统操纵。 进程通信 差错检测,公共服务,系统调用,第一章 操作系统引论,1.3 操作系统的特征和服务 1.3.2操作系统的服务 二、 系

10、统调用 1、 什么是系统调用？ 系统调用是一群预先定义好的模块,它们提供一条管道让应用程序或一般用户能由此得到核心程序的服务。系统调用是核心程序与用户程序之间的接口，在类UNIX系统中，系统调用多使用C语言所提供的函数库来提供。如：在程序中，使用C的函数fseek( ),而fseek( )的代码调用了lseek系统调用。,第一章 操作系统引论,1.3操作系统的特征和服务 1.3.2操作系统的服务 二 、系统调用 2、 用户态执行与核心态执行 （1）用户态执行：用户空间是指用户所启动的进程在存储器中执行的位置，一个用户进程不能访问其他进程的用户空间，只有核心程序所启动的进程才能存取其他用户空间，

11、当一个进程在用户空间执行时，称该进程在用户态执行。 （2）系统态执行：系统核心空间是指含有一切系统核心代码的存储器空间，当进程处于具有执行系统核心代码的权力之状态时，称为进程处于系统态执行。,第一章 操作系统引论,1.3操作系统的特征和服务 1.3.2操作系统的服务 二 、系统调用 3、系统调用与一般函数调用的区别 （1）系统调用运行在系统态（核心态）而一般函数运行在用户态。 （2）当系统调用执行时，当前进程被trap指令中断，由系统找相应的系统调用子程序，并在核心态下执行，执行结果返回进程。 （3）系统调用要进行“中断处理”比一般函数调用多了一些系统开销。,系统调用C调用命令如open( )

12、,fork( ) 系统调用展开，发int 0 x80中断命令 （syscall N( ) ）(include/asm.i386/unistd.h) 调int ox80中断服务程序systemcall (arch/i386/kernd/entry.s) 从systemcall中转入特定系统调用的服务程序如：系统调用号 执行的模块 5 sysopen( ) 6 sysclose( ) 2 sysfork( ),系统调用实例,第一章 操作系统引论,1.3操作系统的特征和服务 1.3.2操作系统的服务 二 、系统调用 5、系统调用的类型 进程控制类系统调用:创建、撤消进程；获得、改变进程属性； 文件操

13、纵系统调用：创建、删除、打开、关闭、读、写文件； 设备管理系统调用：请求、释放设备； 通信用系统调用：打开、关闭连接、交换信息； 信息维护：返回系统当前日期、时间、版本号、用户数、空 闲内存、磁盘空间大小。,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的功能 本节简单介绍操作系统的五个主要功能 存储器管理功能 处理机管理功能 设备管理功能 文件管理功能 用户接口,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的功能 1.4.1 存储器管理的功能 存储器管理的主要任务是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，以及能从逻辑上来扩充内存，为此，存储器管理应具有以下功能： 内存分配;

14、 内存保护; 地址映射; 内存扩充。,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的功能 1.4.1 存储器管理的功能 一、内存分配 1、内存分配的任务 内存分配的主要任务是为每道程序分配内存空间，使它们“各得其所”，提高存储器的利用率，以减少不可用的内存空间，允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的功能 1.4.1 存储器管理的功能 一、内存分配 2 、0S实现内存分配的两种方式： 静态分配方式 动态分配方式,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的功能 1.4.1 存储器管理的功能 一、内存分配 3、内存分配功能的实现 为了

15、实现内存分配，需要以下的数据结构和功能。 内存分配数据结构 内存分配功能 内存回收功能,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的功能 1.4.1 存储器管理的功能 二 、内存保护 1、 内存保护的任务： 是确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互不干扰。 2、 内存保护的实现 设置两个界限寄存器，分别存放正在执行程序的上界和下界，以便对程序进行越界检查。,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的功能 1.4.1 存储器管理的功能 三、地址映射 1、相对地址与物理地址 一个应用程序经编译后，通常会形成若干个目标程序，这些目标程序再经过链接而形成可装入程序。这些程序的地址都是从“0”开始的，程

16、序中的其它地址都是相对于起始地址计算的；由这些地址所形成的地址范围称为“地址空间”，其中的地址称为“逻辑地址”或“相对地址”。此外，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”。,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的功能 1.4.1 存储器管理的功能 三、地址映射 2、地址映射 在多道程序环境下，地址空间中的逻辑地址和内存中的物理地址是不可能一致的。因此，存储器管理必须提供地址映射功能，以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。地址映射应在硬件的支持下完成。,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的功能 1.4.1 存储器管理的功能 四

17、、内存扩充 1、内存扩充：内存扩充的任务是借助于虚拟存储技术， 从逻辑上扩充内存容量，使系统能够提供比物理内存大的容量。 2、为了能从逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充 机 制，以实现下述功能： 请求调入功能 置换功能,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的功能 1.4.2进程管理的功能 进程控制：创建进程、撤消进程、状态的转换 进程同步 进程通信 调度（包括作业调度和进程调度）,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的功能 1.4.3设备管理功能 设备管理主要完成用户的I/O请求，为用户分配I/O设备。为了完成这些任务，设备管理应该具有以下功能： 一、缓冲管理：管理各种缓冲区； 二、设备

18、分配：分配用户I/O 所需要的设备； 三、设备处理：由设备驱动程序来实现CPU与设备 控制器之间的通信； 四、设备独立性和虚拟设备,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的功能 1.4.4文件管理功能 一、文件存储空间的管理 二、目录管理 为每个文件建立目录项（包括文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置等信息）,并对众多目录项进行有效组织。 三、文件的读、写管理和存取控制,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的功能 1.4.5用户接口 一、命令接口 1、 联机用户接口 2、 脱机用户接口 二、程序接口：由一组系统调用组成。 三、图形接口:采用图形化的操作界面。,第一章 操作系统引论,1.5

19、 操作系统的进一步发展 1.5.1 微机操作系统 1、单用户单任务OS 2、单用户多任务OS 3、多用户多任务OS,1.5 操作系统的进一步发展 1.5.2 多处理机操作系统 一、多处理机系统的引入 引入多处理机系统的原因可归结为： 1、增加系统的吞吐量； 2、节省投资 3、提高系统的可靠性,第一章 操作系统引论,第一章 操作系统引论,1.5 操作系统的进一步发展 1.5.2 多处理机操作系统 二、多处理机系统的类型 1、紧密耦合：紧密耦合的多处理机系统是通过高速总线和高速交叉开关来实现多个处理机之间的互连：它们共享主存储器和I/O设备，并要求将主存储器划分为若干个能独立访问的存储器模块，以便

20、多个处理机能同时对主存进行访问。系统中所有的资源和进程都有操作系统实施统一的控制和管理。 2、松散耦合：在松散耦合的多处理机系统中通常是通过通道和通信线路来实现多台计算机之间的互连。每台计算机都有自己的存储器、I/O设备，并配置了OS来管理本地资源和在本地运行的进程。因此，每一台计算机都能独立工作，必要时可通过通信线路与其它计算机交换信息，以及协调它们之间的工作。,第一章 操作系统引论,1.5 操作系统的进一步发展 1.5.2 多处理机操作系统 三、多处理机系统的类型 1、非对称多处理模式：（又称主从模式）主处理器OS负责为其它处理器分配任务。 2、对称多处理模式：UNIX,第一章 操作系统引论,1.5 操作系统的进一步发展 1.5.3 网络操作系统 一