操作系統第1章計算機系統概述

操作系統第一章

計算機系統概述RmendedReadingl[1]操作系統原理、設計及應用，，蒲曉蓉等，高等教育出版社,2008l[2],.《計算機操作系統》學習指導與題解[M].西安電子科技大學出版社,2008.l[3].操作系統學習指導和考試指導[M].浙江大學出版社,2004.l[4],曾平,曾慧.計算機操作系統聯考輔導教程#:#2012版[M].清華大學出版社,2011.第一講什么是操作系統計算機操作系統概論l操作系統——是裸機上的第一層軟件，它是對硬件系統功能的首次擴充，是填補人與機器之間的鴻溝。OS用戶計算機操作系統與計算機同在最終用戶程序員操作系統設計者應用程序實用程序(編譯,數據庫…)操作系統硬件操作系統的認識l

對操作系統的認識有兩個方面:1.從用戶的觀點來看操作系統?虛擬機的觀點?用戶環境的觀點2.是從系統設計者(系統分析員)的觀點來看操作系統。?資源管理的觀點?作業(任務)組織的觀點虛擬機器觀點l

該觀點認為，操作系統是建立在計算機硬件平臺上的虛擬機器，它為應用軟件提供了計算機硬件功能更強或計算機硬件所沒有的功能。l

操作系統在虛擬機中充當管理員和協調員的角色,管理計算機的軟硬件資源,并協調多任務、多進程的運行。l

擴充：功能、計算機數量用戶環境觀點l

該觀點認為，操作系統是計算機用戶使用計算機系統的接口，它為計算機用戶提供了方便的工作環境。l

計算機用戶：終端用戶、程序員和系統設計者l

操作系統提供的接口-

用戶接口（UserInterface，也稱為命令接口）-

程序接口（系統調用，也稱為應用編程接口,ApplicationProgrammingInterface，簡稱API）命令接口l

命令接口——用戶可通過該接口向作業發出命令以控制作業的運行。可分為聯機用戶接口和脫機用戶接口。(1)聯機用戶接口：這是為聯機用戶提供的，它由一組鍵盤操作命令及命令解釋程序所組成。?

字符形式：較靈活但因繁瑣而難記；(2)脫機用戶接口：用戶用JCL把需要對作業進行的控制和干預，事先寫在作業說明書上，然后將作業連同作業說明書一起提供給系統。當系統調度到該作業運行時，再調用命令解釋程序，對作業說明書上的命令，逐條地解釋執行。該接口即為批處理接口。程序接口l

該接口是為用戶程序在執行中訪問系統資源而設置的，是用戶程序取得操作系統服務的惟一途徑。l

它是由一組系統調用組成，每一個系統調用都是一個能完成特定功能的子程序，每當應用程序要求OS提供某種服務（功能）時，便調用具有相應功能的系統調用。l

不同的系統其調用形式不同。資源管理觀點l

該觀點認為，操作系統是計算機系統中各類資源的管理者，它負責分配、回收以及控制系統中的各種軟硬件資源。-

監視資源-

分配/回收資源-

保護資源l

跟蹤資源的使用狀況、滿足資源請求、提高資源利用率,以及協調各程序和用戶對資源的使用沖突。資源類型作業組織觀點l

該觀點認為，操作系統是計算機系統工作流程的組織者，它負責協調在系統中運行的各個應用軟件的運行次序。l

用于巨型機和大型服務器上，以批文件方式提交作業，請求主機逐個運行。l

主機操作系統負責組織、協調各個作業的運行，報告執行結果或錯誤信息。l

減少了人工干預，提高了系統的效率。操作系統的定義操作系統是計算機系統中的一個系統軟件，管理和控制計算機系統中的硬件和軟件資源，合理地組織計算機的工作流程，以便有效利用這些資源為用戶提供一個功能強、使用方便的工作環境，從而在計算機與用戶之間起到接口的作用。第二講操作系統的主要功能和基本特征操作系統的主要功能操作系統應具有六方面的功能：1、進程管理2、存儲器管理3、設備管理4、文件管理5、作業管理6、操作系統的安全進程管理功能●

進程管理的主要功能：按照一定的算法把處理機分配給進程（線程），并對其進行有效的管理和控制。1.進程控制進程控制的主要功能是為作業創建進程、撤消已結束2.進程同步——是為多個進程的運行進行協調。?

兩種協調方式：3.進程通信——是進程之間的信息交換。當相互合作的進程（線程）處于同一計算機系統時，通常在它們之間是采用直接通信方式，即由源進程利用發送命4.進程調度——是從進程的就緒隊列中,按照一定的算法，選出一新進程，把處理機分配給它，使進程投入執行。存儲器管理功能l

存儲器管理的主要任務：為多道程序的運行提供良好的環境，方便用戶使用存儲器，提高存儲器的利用率以及能從邏輯上擴充內存。l

存儲器管理功能有4個：1、內存分配2、內存保護3、地址映射4、擴充內存內存分配內存分配有兩種方式：①靜態分配方式，每個作業運行之前分配好內存空間，在作業的整個運行期間不再改變。②動態分配方式，每個作業在運行前或運行中，均可申請新的附加內存空間，以適應程序和數據的動態增漲。內存分配的機制中的結構和功能l內存分配的機制中的結構和功能①內存分配的數據結構，該結構用于記錄內存空間的使用情況。②內存分配功能——為用戶程序分配內存空間。③內存回收功能——當用戶不再需要的內存時，系統能回收內存的功能。內存保護l

內存保護的主要任務：是確保每道用戶程序都只在自己的內存空間內運行，彼此互不干擾。l

內存保護機制：是設置兩個界限寄存器，越界檢查都由硬件實現地址映射l

地址空間——目標程序或裝入程序限定的空間，稱為“地址空間”。單元的編號稱為邏輯地址，又稱為相對地址。l

內存空間——由內存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為“內存空間”，其中的地址稱為“物理地址”。l

地址映射——運行時，將地址空間中的邏輯地址轉換為內存空間中與之對應的物理地址，稱為地址映射內存擴充l

借助于虛擬存儲技術從邏輯上去擴充內存容量，使用戶所感覺到的內存容量比實際內存容量大得多；l

擴充內存必須具有內存擴充機制：(1)請求調入功能。在程序運行過程中，若所需的程序和數據尚未裝入內存，可由OS從磁盤中將所需部分調入內存，繼續運行。(2)置換功能。將內存中的一部分暫時不用的程序和數據調出到磁盤上，然后再將所需調入的部分裝入內存。設備管理功能設備管理的主要任務：是完成用戶進程提出的I/O請求；為用戶進程分配其所需的I／O設備；提高CPU和I／O設備的利用率；提高I／O速度；方便用戶使用I／O設備。設備管理功能設備管理具有的功能：1.設備處理程序又稱為設備驅動程序。其基本任務：用于實現CPU和設備控制器之間的通信，即由CPU向設備控制器發出I／O命令，要求它完成指定的I／O操作；反之由CPU接收從控制器發來的中斷請求，并給予迅速的響應和相應的處理。2.設備分配的基本任務，是根據用戶進程的I／O請求，按照某種設備分配策略，為之分配其所需的設備。不同的設備類型（獨占、共享）而采用不同的設備分配方式。3.緩沖管理：有效地緩和CPU和1／O設備速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率。不同的系統采用不同的緩沖技術。文件管理功能l

文件管理的主要任務：是對用戶文件和系統文件進行管理，以方便用戶使用，并保證文件的安全性。文件管理的主要功能：1．文件存儲空間的管理——是對諸多文件及文件的存儲空間，實施統一的管理。基于數據結構（MCB）對存儲空間進行分配和回收的功能。2．目錄管理——為每個文件建立目錄項，并對眾多的目錄項加以有效的組織與管理（例如，按名存取，文件共享）。3．文件的讀／寫管理和保護（1）文件的讀／寫管理：是根據用戶的請求，從外存中讀取數據或將數據寫入外存。（2）文件保護：操作系統的服務人們希望操作系統提供的服務有三種:1、操作系統能提供的服務：?

通過命令接口和程序接口來實現的。2、操作系統在提供這些服務時,需要滿足的限制條件：?

硬件資源的能力、操作系統的類型（實時系統、分時系統）3、操作系統具有適應某些變化的能力。第1類服務需求是后兩類服務需求賴以存在的基礎,稱之為操作系統的功能性需求，后兩類服務稱為操作系統的非功能性需求。操作系統的基本特征l現代OS的四個基本特征：1、并發2、共享3、虛擬4、異步l并發是最重要的特征，其它特征都以并發為前提。1.并發l并發——并行性和并發性，并發執行的

過程。-

并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發生。-

并發性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。l任務共行-

從宏觀上看，任務共行是指系統中有多個任務同時運行-

從微觀上看，任務共行是指單處理機系統中的任務并發（TaskConcurrency：即多個任務在單個處理機上交替運行）或多處理機系統中的任務并行（TaskParallelism：即多個任務在多個處理機上同時運行）。2.共享所謂共享是指系統中的資源可供內存中多個并發執行的進程共同使用。1、互斥共享方式：-

把在一段時間內只允進程訪問的資源，稱為臨界資源。-

系統中的臨界資源可以提供給多個進程使用，但一次僅允進程使用，稱為互斥共享方式。2、同時訪問方式：-

從宏觀上看，資源共享是指多個任務可以同時使用系統中的軟硬件資源-

從微觀上看，資源共享是指多個任務可以交替互斥地使用系統中的某個資源。例如磁盤。3.虛擬l

所謂虛擬是指通過某種技術把一個物理實體變為若干個邏輯上的對應物。l

虛擬處理機：分時實現l

虛擬設備：SPOOLING技術l

虛擬存儲器：虛擬存儲管理實現4.異步1、執行結果不確定。2、異步性——是指進程以異步的方式執行，進程是以人們不可預知的速度向前推進。操作系統的形成與發展l

推動操作系統發展的動力l

操作系統能夠不斷發展，其原因：1.

硬件升級和新型硬件的出現：OS都應能適應。2.

新的服務：為適應用戶的要求或系統管理員的需要，需要擴展操作系統以提供新的服務。3.

糾正錯誤：任何一個操作系統都有錯誤，在使用一段時間后發現了錯誤就需要進行糾錯。當然，糾錯本身可能會產生新的錯誤。4.

計算機體系結構的不斷發展.操作系統的進展與演變第

1

代電子管計算機世界上第1臺計算機●名稱：ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandputer)●目的：用于第二次世界大戰后期的彈道計算●誕生時間：1946年2月15日●誕生地：美國賓夕法尼亞大學ENIAC計算機電子管●使用18000只電子管●1500個繼電器●占地面積170m2●重量30噸●耗電量140千瓦l沒有操作系統計算機誕生中的三個第一l

世界上第一臺投入運行的電子計算機ENIAC,

1946.2,

美國l

世界上第一臺按存儲程序控制功能設計的計算機EDVAC，1946--1950，美國l

世界上第一臺投入運行的實現存儲程序控制的計算機EDSAC，1947--1949，英國計算機時代的開始：以1951年UNIVAC-Ⅰ投入運行為標志，第一臺批量生產的商用計算機，從此，計算機走向社會。第

2

代

晶體管計算機●

1947年，美國貝爾電話實驗室發明了晶體管，利用半導體鍺和硅制作的晶體管開始用于計算機的制造上。●晶體管體積小，反應速度快，使計算機的運算速度和處理能力得到很大提高。晶體管●程序設計方面?

研制出通用的算法和語言?

出現批處理操作系統?

主要應用于科學計算、數據處理和實時控制等方面第

3

代集成電路計算機l

1958年，美國德州儀器公司利用照像技術把多個晶體管和電路蝕刻在一塊硅片上，這種半導體集合體就是:“集成電路”——IC(IntegratedCircuit)l程序設計方面?

提出“多道程序”和“分時系統”概念?

出現了系列計算機、遠程終端聯機系統?

應用于系統模擬、系統控制、智能模擬等新的領域蘋果(Apple)計算機第

4

代大規模集成電路計算機l

大規模集成電路（LSI）、超大規模集成電路（VLSI）器件的使用是第四代計算機的主要標志。l

計算機系統引入圖形界面(GUI)以來，視窗操作系統的代表:Windows。l

應用領域：軍事預警、尖端科學、航天科學、天氣預報。超大規模集成電路第

5

代

智能計算機●廣泛使用多媒體技術，使人們能夠用語音、圖像、視頻等更為自然的方式與計算機進行信息交互。●硬件系統支持高度并行和快速推理，軟件系統能夠處理知識信息

。第

6

代生物計算機l

利用蛋白質分子制造出基因芯片,研制生物計算機是當今計算機技術的最前沿。l

阻抗低、能耗少、發熱量極小。生物芯片現代計算機的發展趨勢(1)微型化體積更小，重量更輕，價格更便宜，且功能更強。現代計算機的發展趨勢（2）巨型化目前世界上還有很多領域，如國防、百年天氣預測和地震分析等，都需要功能更為強大的計算機。為某著名企業引進了大型計算機數據處理

為國家氣象中心引進了中期氣象預報系統數據分析系統現代計算機的發展趨勢（３）網絡化將計算機連成網絡，可實現計算機的相互通信和資源共享。計算機網絡化的出現，掀起了電子計算機發展史上的第三次浪潮!在第一次浪潮中，信息處理是關鍵。第二次浪潮的情景是每上擺有一臺計算機。第三次浪潮是把所有這些計算機都連接在一起。現代計算機的發展趨勢（5）智能化（4）多媒體化使人們面對圖、文、聲并茂的計算機信息。讓計算機能夠模仿人腦的功能，即對信息具有智能處理能力。操作系統的分類無操作系統時的計算機系統1、

人工操作方式一臺計算機的所有資源由用戶獨占，降低了計算機資源利用率，人操作慢，出現了嚴重的人機矛盾。2、

脫機輸入輸出方式l在外圍計算機的控制下，實現輸入輸出。l主要解決了CPU與設備之間不匹配的矛盾單道批處理系統1、在內存中僅存一道作業運行，運行結束或出錯，才自動調另一道作業運行。2、單道批處理系統主要特征：自動性、順序性、單道性。3、單道批處理系統主要優點：減少人工操作，解決了作業的自動接續。4、單道批處理系統主要缺點：平均間長，沒有交互能力。多道批處理系統l

多道程序的概念在內存中存放多道作業運行，運行結束或出錯，自動調度內存中的另一道作業運行。l

多道程序帶來的好處：1、提高CPU的利用率。2、提高內存和I/O設備利用率。3、增加系統吞吐率。舉例:多道執行情況程序1程序2程序3用戶程序單道監督程序執行I/O操作A請求I/OA完成A程序多道執行B請求I/OB完成B程序C程序C請求I/OC完成D請求I/OD完成D程序調度l

多道批處理系統主要特征：多道性、無序性、調度性（進程調度和作業調度）。l

多道批處理的主要優點：提高了資源利用率和吞吐能力。l

多道批處理的主要缺點：平均間長，沒有交互能力。分時系統l

分時系統的產生用戶需要：人機交互、共享主機、便于用戶上機l

分時系統實現的方法簡單分時系統具有“前臺”和“后臺”的分時系統多道分時系統l

分時系統實現中的關鍵問題：及時接收：實現多個用戶的信息及時接收。及時處理：及時控制作業的運行。簡單分時系統示意圖A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

BOSOSOSOSOSOSA

BA

B

C

A

B

CC具有“前臺”和“后臺”的分時系統示例A

B

A

B

A

B

AA、B前臺作業OSOSOSOSOSA

BA

B

A

B

ADC

C

CDC

DC、D后臺作業多道分時系統示意圖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分時系統的特征多路性：多個用戶分時使用一臺計算機。獨立性：獨立運行，不混淆，不破壞。及時性：系統能在很短的時間得到回答。交互性：能實現人機對話。影響響應時間的若干因素系統開銷用戶數Ti（響應時間）=

NQ+

To.s+

Twap時間片信息交換時間改善響應時間的方法采用重入碼減少信息的對換量采用虛擬存儲技術,減少信息對換量實時系統所謂實時系統：是計算機及時響應外部

事件的請求，在規定的時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時設備和實時任務協調一致的運行。實時系統分為兩類1、實時控制系統2、實時信息處理系統實時系統的特征1.

多路性：能對多個對象進行控制。2.

獨立性：獨立運行，不混淆，不破壞。3.

交互性：僅限于訪問系統中某些特定的專用服務程序。4.

可靠性：高可靠性，應具有過載防護能力。5.

及時性：不同的系統要求不一樣，控制對象必須在截止時間內完成。第5-6講

操作系統的體系結構和主流操作系統操作系統的體系結構l

操作系統中增加了越來越多的功能，并且隨著底層硬件更高的性能，更加通用，操作系統的大小和復雜性也隨著增加。l

為了控制該軟件的復雜性，在開發OS時，先后引入了分解、模塊化、抽象和隱蔽等方法。開發方法的不斷發展，促進了OS結構的更新換代。1．模塊化OS結構l使用分塊結構的系統包含若干module（模塊）；其中，每一塊實現一組基本概念以及與其相關的基本屬性。l塊與塊之間的相互關系：所有各塊的實現均可以任意引用其它各塊所提供的概念及屬性。模塊化OS的優缺點優點：①

提高了OS設計的正確性、可理解性和可維護性。②

增強了0S的可適應性。③

加速了OS的開發過程。缺點:①

對模塊的劃分及對接口的規定要精確描述很困難。②

從功能觀點來劃分模塊時，未能將共享資源和獨占資源加以區別；2．分層式OS結構l

使用分層系統結構包含若干layer（層）；其中，每一層實現一組基本概念以及與其相關的基本屬性。l

層與層之間的相互關系：?所有各層的實現不依賴其以上各層所提供的概念及其屬性，只依賴其直接下層所提供的概念及屬性；?每一層均對其上各層隱藏其下各層的存在。3.常見OS總體結構雙模式基礎平臺子系統總體結構風格l

雙模式基礎平臺子系統其總體結構包含兩個模式模塊；它們分別在兩種不同的CPU特權模式下運行。l

程序狀態字:處理機狀態注：習慣上，人們把雙模式基礎平臺子系統的這兩個模式模塊分別稱為核外子系統和核心子系統；把核外子系統所使用的CPU的模式稱為UserMode，把核心子系統所使用的CPU特權模式稱為KernelMode雙模式運行結構圖當前主流操作系統簡介lWindowslUnixlLinuxWindows操作系統l

DOS(DiskOperatingSystem)操作系統曾經是最著名的個人計算機操作系統，以Intel80x86處理器的16位機器上，是一種以字符為基礎的、命令行式的界面平臺。l

MS-DOS和PC-DOS，前者是微軟(Microsoft)公司的產品，后者是IBM公司的產品。l

DOS操作系統家族已經完成了它們的歷史使命，進入了IT博物館。l

Microsoft于1985年推出了一種采用圖形用戶界面(Gr