操作系统(徐宗元主编)ppt第一章

1、操作系统操作系统 Operating SystemOperating System （OSOS） 徐宗元主编徐宗元主编 高等教育出版社高等教育出版社 2005第二版第二版 参考参考教材教材 1 1“WindowsWindows操作系统原理操作系统原理”，尤晋元等，机械工业出版，尤晋元等，机械工业出版 社，社，20012001。 2.“Operating Systems2.“Operating Systems：Internal and Design Internal and Design Principles”Principles”，William StallingsWilliam Stalli

2、ngs，清华大学出版社，清华大学出版社， 19981998年第年第3 3版。版。 3 3 “ “操作系统概念操作系统概念”第第6 6版版，SilberschatzSilberschatz,A,A等著，郑等著，郑 扣根译，扣根译，高等教育高等教育出版社，出版社， 2004.1 2004.1 。 4. “4. “操作系统现代观点操作系统现代观点”，实验更新版，实验更新版，Nutt,G.Nutt,G.著著, , 孟祥由等译，机械工业出版社，孟祥由等译，机械工业出版社，2004.22004.2。 5 5 “ “计算机操作系统计算机操作系统”，汤子瀛等，西安电子科技大学，汤子瀛等，西安电子科技大学 出版

3、社，出版社， 20012001年第二版。年第二版。 6. “6. “操作系统教程操作系统教程”，陈向群等，北京大学出版社，陈向群等，北京大学出版社， 20012001年第年第1 1版。版。 实验参考教材参考教材 7 7“现代操作系统现代操作系统”，AadrewAadrew S.T S.T著陈向群等著陈向群等 译，机械工业出版社，译，机械工业出版社， 19991999年第年第1 1版。版。 8. “8. “操作系统基础操作系统基础”，屠祁等，清华大学出版，屠祁等，清华大学出版 社，社，20002000年第年第3 3版。版。 9.9.“Windows“Windows内核实验内核实验教程教程”， 陈

4、向群等，机械工业陈向群等，机械工业 出版社，出版社，20022002。 10. “Linux10. “Linux操作系统内操作系统内核实习核实习”， Nutt,G.Nutt,G.著著, , 潘登潘登 等译，机械工业出版社，等译，机械工业出版社，2002.12002.1。 书内容要求 掌握理解内容：课堂讲，考试主要部分 (计算题、问答题、编程题、选择题) 一般理解内容：书上看到小标题，考试 部分选择题 自学内容：Linux、Windows内容和实验 主目录 第一章 引论 第二章进程管理 第三章存储器管理 第四章设备管理 第五章文件系统 第一章第一章引论引论 ( Introduction of O

5、peration System )( Introduction of Operation System ) 教学目的：教学目的： 操作系统（OS）是最重要的系统软件，本章 从OS的作用、发展史、类型、特征和功能等多 方面介绍OS。 引论引论目录目录 1.1 操作系统概述 1.1.1 操作系统作用 1.1.2 操作系统的历史 1.2 计算机硬件系统概述 1.2.1计算机硬件系统结构 1.2.2现代操作系统的硬件基础 1.3 操作系统类型 1.3.1 批处理系统 1.3.2 分时系统 1.3.3 实时系统 1.3.4微机操作系统 1.3.5网络操作系统 1.3.6分布式操作系统 1.3.7嵌入式操

6、作系统 引论引论目录目录1 1.4 操作系统特征和功能 1.4.1 操作系统特征 1.4.2操作系统功能 1.5用户与操作系统的接口 1.5.1 用户接口 1.5.2 Windows 2000用户接口 1.5.3 Linux/ UNIX接口 1.6实验和习题 1.6.1 实验1：Linux/UNIX环境复合命令的使用 1.6.2 例题 1.6.3 选择题 1.6.4 问答题 教学要求教学要求： 熟悉操作系统作用和定义，一般了解操作系统的历 史。 了解二类计算机硬件系统结构，熟悉现代操作系统 的硬件基础通道和中断。 熟练掌握多道程序设计技术的概念，掌握批处理系 统、分时系统及实时系统三种操作系统

7、基本类型， 了解微机操作系统、网络操作系统、分布式操作系 统和嵌入式操作系统。 掌握操作系统并发性、共享性、虚拟性和异步性等 特征，了解现代操作系统特征,熟悉操作系统功能。 1.1 操作系统概述操作系统概述 操作系统操作系统 干什么？干什么？ 1.1.1 操作系统作用操作系统作用 1。从计算机系统组成观点从计算机系统组成观点操作系统是系统软件操作系统是系统软件 计算机系统组成： 软件软件：应用软件应用软件 系统软件系统软件（操作系统、语言处理系统和常用 的例行服务程序） 硬件硬件：输入输出（输入输出（IO）设备）设备 存储器存储器(内存内存) 中央处理器中央处理器(CPU) 2 2。从资源管理

8、程序观点从资源管理程序观点操作系统是系统资源管理者操作系统是系统资源管理者 （ Operating System as a Resource ManagerOperating System as a Resource Manager） 操作系统是系统资源管理程序，它用于控制和管理 计算机系统的硬件和软件资源。 计算机系统资源： 操作系统模块： 软件： 文件系统文件系统 硬件：IO设备 设备管理设备管理 存储器 存储器管理存储器管理 处理器 处理器（进程）管理处理器（进程）管理 3。从软件分层、扩充机器的观点从软件分层、扩充机器的观点 操作系统是扩充裸机的第一层系统软件操作系统是扩充裸机的第一层

9、系统软件 软件：语言处理程序 虚拟机2 软件：操作系统 虚拟机1 硬件（裸机） 虚拟机虚拟机：二者结合变成了功能更强大使用更方 便的机器。 操作系统是扩展的机器，是虚拟机。 从软件分层、扩允机器的观点从软件分层、扩允机器的观点-1 固件固件：为了改善系统的性能，将操作系统中与硬件密切 有关的部分软件，通过微程序设计技术转化为硬件，也 就是通常所说的固化，这些具有软件功能的硬件称为固 件。例如IBM公司生产的AS400结构如下： O SO S /4 0 0 3 .1 O S /4 0 0 V 3 R 6 技 术 独 立 机 器 接 口微 码 层 特 许 内 码 （ L IC ） 系 统 特 许

10、内 码 （ S L IC ） C IS C 指 令 集R IS C 指 令 集 硬 件 C IS C A S /4 0 0R IS C A S /4 0 0 4 4。从服务用户的观点从服务用户的观点 操作系统是用户与裸机之间接口操作系统是用户与裸机之间接口 用户 操作系统 接口 裸机 系统提供的接口有二类： 一类是作业级接口作业级接口，它提供一组键盘命令，供用户组织 和控制自己的作业运行。 另一类是程序级接口程序级接口，它提供一组系统调用，即OS中某 个模块功能，供用户程序和其它程序调用。 5.5.从进程的观点从进程的观点操作系统是由若干个可以并发执行的 进程和一个对进程进行控制和协调的核心组

11、成。 6 6。操作系统定义操作系统定义 操作系统是一组操作系统是一组有效有效控制和管理计算机控制和管理计算机 系统的硬件和软件资源、系统的硬件和软件资源、合理合理地组织计地组织计 算机工作流程以及算机工作流程以及方便方便用户的程序集合。用户的程序集合。 有效（efficiency）：系统效率，资源利用率 （如：CPU利用的充足与否，内存、外部设备是 否忙碌） 合理： 公平与否，如果不公平则会产生“死锁”或 “饥饿” 方便（convenience）： 用户界面 1.1.2 操作系统的历史操作系统的历史 1。第第0 0代（代（4040年代未年代未5050年代初）无操作系统年代初）无操作系统 这时的

12、计算机操作是由程序员采用人工操作方式直接 使用计算机硬件系统。 2 2。第一代（。第一代（5050年代中年代中5050年代未）初级单道批处理系统年代未）初级单道批处理系统 它是为了减少人工操作时间和作业转换时间提高CPU 利用率而设计的。系统自动成批处理作业，这是初级单 道批处理系统。 3 3第二代（第二代（6060年代初年代初6060年代中）多道程序设计共享系年代中）多道程序设计共享系 统统 这一代操作系统包括多道批处理系统、采用交互方式 的分时系统和以提高瞬时响应时间为特征的实时系统。 操作系统的历史操作系统的历史-1 4 4第三代（第三代（6060年代中年代中7070年代中）多模式系统年

13、代中）多模式系统 这一代计算机系统是通用系统，这一代操作系统 是多模式系统，即一个系统同时支持批处理、分时 处理、实时处理和多重处理。 5。第四代（第四代（7070年代中年代中 ）网络操作系统和分布式操）网络操作系统和分布式操 作系统作系统 网络操作系统实现在计算机网络上进行信息交 换、资源共享和互操作等功能。分布式操作系统将 地域上分散的各系统互连成一个具有整体功能的系 统，并可将一个任务分布地在各系统上运行，实现 分布式处理。 操作系统的历史操作系统的历史-2 操作系统发展历史阶段: 其一是大型主机时代，操作系统作为硬件的组成部分之 一，由硬件开发商自己设计； 其二则是个人电脑或小型主机时

14、代，软件与硬件齐头并 进，其间又经历了两个阶段基于命令行的DOS操作系统； 和基于窗口图形界面的Windows操作系统。 第三个历史阶段：WEB时代。微软公司的NET技术与 SUN公司的SUN ONE平台。 “开发下一代的互联网操作系统”课题列入国家863“十 五”计划中的基础软件平台研发重点项目，以国家的实 力作为后盾支持，以企业化的运作为模式，实现了基础 研究与市场化的同步。 2003年以首席科学家陈榕为首的北京科泰世纪科技有限 公司开发“和欣”操作系统1.0的产品。 1.1.31.1.3学习操作系统目的学习操作系统目的 为专门用途人们设计、修改、扩充操作系统。 例如操作系统汉化、中文操作

15、系统环境、嵌入 式操作系统开发。 大多数计算机部门主要决策者选择操作系统及 操作系统中的选择部分。 用户为了完成自己的任务必须与操作系统交往， 用户要了解操作系统提供的人机接口和计算 环境，在编程中灵活应用进程（线程）。 操作系统中所用的许多概念和技巧一般可以应 用到其它领域。 计算机系统分层和视点计算机系统分层和视点 普通普通 用户用户 编程员编程员 操作系统操作系统 设计师设计师 计算机硬件计算机硬件 操作系统操作系统 实用程序实用程序 应用程序应用程序 Layers and Views of a Computer System End User Programmer Operating-

16、 System Designer Computer Hardware Operating-System Utilities Application Programs 计算计算20012001教程教程:ACM/IEEE-CS:ACM/IEEE-CS联合教程专题组的报告联合教程专题组的报告 这个报告包含计算学科（discipline of computing） 本科教学计划（包括了计算机科学、计算机工程、 计算机科学和工程及其它类似头衔的本科教学计划） 的教程的推荐，计算机科学知识体系包括14个主科 目领域：离散结构、程序设计基础、算法与复杂性、 计算机组织与体系结构、操作系统、网络及其计算、 程

17、序设计语言、人机交互、图形学和可视化计算、 智能系统、信息系统、社会与职业问题、软件工程、 数值计算科学。 计算1991教程只包括九个主科目领域: 算法与数据结 构、系统结构 、人工智能和机器人学、数据库和信 息检索、人-计算机通讯、数值和符合计算、操作 系统、程序设计语言、软件方法学和工程。 每个科目领域都有重要的理论基础、重要的抽象、 重要的设计和实现的成就。 操作系统科目有关课程的关系操作系统科目有关课程的关系 高级高级(分布式分布式)操作系统操作系统（linux）操作系统结构（分析）操作系统结构（分析） 操作系统原理操作系统原理 Windows 操作系统使用操作系统使用 linux 1

18、.2 计算机硬件系统概述计算机硬件系统概述 1.2.1 计算机硬件系统结构系统结构 1 1。大、中、小型计算机的硬件组织。大、中、小型计算机的硬件组织 这类计算机以存储器为中心，CPU和各种通道都与存储器相连。 终端 打 印 机 多 路 通 道 存储器 CPU 选 择 通 道 2 2。微型计算机的典型组织。微型计算机的典型组织 微型计算机是以总线为纽带来构成计算机系统，中央处理机 （CPU）、存储器、 IO设备（包括外存磁盘、磁带）都挂 接在总线。 CPUDMA 打印机 终端 存储器 磁盘控制器 打印机控制器终端控制器 磁盘驱动器 1.2.2现代操作系统的硬件基础现代操作系统的硬件基础 1.

19、1. 支持并行操作的硬件支持并行操作的硬件通道和中断通道和中断 现代计算机系统为了提高计算机资源利用率，采用 多道程序设计技术，它在主存中存放多道用户的作 业，计算机系统硬件支持作业并行操作，使多道作 业同时处于运行状态共享系统资源。在现代批处理在现代批处理 系统中支持并行操作的硬件是通道和中断系统中支持并行操作的硬件是通道和中断。 ( (练习) ) 通道通道是可以与CPU并行操作的专门用来控制输入输 出设备数据传送的处理机。当CPU需要输入数据时， 只要发命令给通道去完成，通道进行IO操作和CPU 操作可并行异步执行，在通道完成IO操作后，它 用中断方式向CPU报告其完成IO情况。 现代操作

20、系统的硬件基础现代操作系统的硬件基础 1 中断中断是指CPU对系统中发生的异步事件的响应，异步事件 是指无一定时序关系的随机发生的事件。中断的含义是 当这些异步事件发生后，打断了处理机对当前程序的执 行，而转去处理该异步事件，即执行该事件的中断处理 程序，直到处理完了之后，再转向原程序的中断点执行。 中断技术的应用范围不断扩大，它使得通道具有中断主 机工作的能力，以支持多道程序设计技术，它作为所有 要打断处理机正常工作并要求其去处理某一事件的一种 常用手段。中断的应用能充分发挥处理机的使用效率， 提高系统实时处理能力。在采用总线结构的微机系统中， 虽然在某一瞬时只有系统二个部件能使用总线，但由

21、于 引入局部总线和总线控制器及广泛使用缓冲技术，加上 中断控制器能使86 CPU最多能响应256级中断，使得 系统各部件仍能并行执行，以支持多道程序设计技术。 2 2。中断 中断是指CPU对系统中发生的异步事件的响应， 发生中断时正在执行的程序的暂停点叫做中中 断断点断断点，处理器暂停当前程序转而处理中断 的过程称为中断响应中断响应，中断处理结束之后恢 复原来程序的执行被称为中断返回中断返回。一个计 算机系统提供的中断源的有序集合一般被称 为中断字中断字，这是一个逻辑结构，在不同的处 理器有着很不相同的实现方式。 中断-1 中断一般可分为硬件中断和软件中断二大类。 硬件中断硬件中断又可分为硬件

22、故障中断、输入输出中断和 外部中断。 软件中断软件中断又可分为程序中断（例如定点操作数溢出、 地址越界、虚存管理中缺页等）和访管中断访管中断。访管 中断是用户程序在运行中请求操作系统为其提供服 务而执行一条“访管指令”所引起的中断，又称软 件中断、系统调用系统调用。在PDP-11机上访管指令是tarp 指令，在86机上访管指令是INT指令。访管中断是 进程所期待的，它是自愿性的中断，又称自愿中断， 其它几种中断不是运行进程所期望的，它属于强迫 性中断事件。 中断-2 中断依据中断事件发生和处理是否是异步的可以分 为异步中断和同步中断，在Windows 2000中，异步 中断被简称为中断，而同步

23、中断一般称为异常。 中断系统中断系统是现代计算机系统的核心机制之一，它不 是单纯的硬件或者软件，而是硬件和软件结合。中 断系统包括两大组成部分：中断系统的硬件中断装 置和软件中断处理程序。硬件中断装置硬件中断装置负责捕获中 断源发出的中断请求，并以一定的方式响应中断源， 然后将处理器的控制权移交给特定的中断处理程序。 软件中断处理程序软件中断处理程序则负责辨别中断类型并根据请求 做出相应的操作。 IBM-PC中断逻辑和中断源中断逻辑和中断源 非屏蔽中断请求(机器故障) 中断逻辑 中断指令 INT 溢出中断 INT0 除法错 中断 单步中断 T=1 中断 控制器 8259A 可屏蔽中断请求INT

24、R 3.3. Windows2000 Windows2000中断类型和优先级中断类型和优先级 Windows2000的中断调度程序将硬件中断级映 射到由操作系统识别的中断请求级(IRQL)的标 准集上(如表1-1)。 IRQL按优先级排列中断，并进行中断服务，较 高优先级的中断服务可以抢占较低优先级的中 断服务。IRQL从高往低到设备都是为硬件中断 保留的。延迟过程调度DPC/Dispatch和异步过 程调度APC级中断是内核和设备驱动器产生的 软件中断。低优先级实际上并不是真正的中断 级，在该级上执行普通的线程，并允许发生所 有的中断。 中断请求级中断请求级表表 级级用途用途来源来源 31高

25、优先级高优先级 硬件中断硬件中断 30电源故障电源故障 29处理器内部中断处理器内部中断 28时钟中断时钟中断 27配置文件配置文件 26设备设备n : : 3设备设备1 2延迟延迟过程过程调度调度DPC/DispatchDPC/Dispatch软件中断软件中断 1异步过程异步过程调度调度APCAPC 0低优先级低优先级正常线程执行正常线程执行 1.3 操作系统类型操作系统类型 1.3.01.3.0无操作系统计算机系统无操作系统计算机系统 计算机资源的利用率低 即CPU等待人工操作和高速CPU与低速IO间矛盾等问 题 纸纸 带带 机机 主主 机机 打打 印印 机机 1.3.1 批处理系统批处理

26、系统 （Batch System） 1 1。初级单道批处理系统。初级单道批处理系统 目标：目标：为了解决人工操作（无操作系统）严 重降低了计算机资源的利用率的问题，即解决 CPU等待人工操作和高速CPU与低速IO间矛盾 等问题。 脱机输入输出技术脱机输入输出技术：该技术利用一台外围机， 脱离主机先将低速输入设备（如纸带机）的数 据，输入到较高速大容量的输入设备（如磁带） 上。 返7 P6 P6 图图1-3 1-3 初级单道批处理系统初级单道批处理系统 纸带机 外围机 磁带机 磁带机 卡 片 机 主 机 打 印 机 返 初级单道批处理系统初级单道批处理系统-1 批处理技术批处理技术：它利用磁带容

27、量较大的特点，先将 一批作业按序以脱机方式输入到磁带上。主机在监 督程序控制下，根据卡片机读入控制作业操作信息， 逐个从磁带上读入作业到内存，调入汇编编释程 序将源程序翻译成目标代码，连接装配后执行，结 果输出打印。执行完毕后再调入下一个作业，系统 就这样自动地一个一个作业地进行处理，直至完成， 这是早期单道批处理系统，它解决了作业自动转换， 从而减少作业建立和人工操作时间。 磁带机磁带机 输出磁带输出磁带 卡片卡片 早期批处理系统早期批处理系统 IBM 1401 IBM 7094 IBM 1401 输入磁带输入磁带 卡片阅读机卡片阅读机 打印机打印机 Operating System 基本控

28、制卡片 是现代作业控制语言和命令解释器的先驱 2 2。现代多道批处理系统。现代多道批处理系统 目标目标：为了进一步提高资源利用率，在硬件采用通 道和中断技术支持并行操作的情况下，引入了多道 程序设计技术，由此引入多道批处理系统。 多道程序设计技术多道程序设计技术： 它是在计算机内存同时存放几道相互独立的程序， 这几道程序都处于运行过程中，它们先后开始了各 自的运行，但都未运行完毕。多道程序在宏观上并 行执行，而在微观上多道程序在某个部件上（如CPU、 IO）是串行，即多道程序轮流地使用部件，交替 执行。一个有一个CPU和二个IO设备（磁盘和磁带） 的二道批处理系统运行情况如下图所示。 P6 P

29、6 图图1-41-4：两道：两道批处理系统运行图批处理系统运行图 两道两道批处理系统运行图说明：批处理系统运行图说明： 1.在计算机内存同时存放几道程序(程序A、 B 和监督程序) 2.系统各部件（如CPU、IOA、IOB）支持并行工 作，在某个时刻各部件可运行不同的程序。 3.多道程序(程序A、 B和监督程序)在某个部件 上（如CPU、IOA、IOB）是串行工作。 4.在多道程序中，监督程序(操作系统)是控制 中心，程序要使用某个部件（CPU、IOA、 IOB），必须由监督程序调度和分配。 例例1：两道程序运行情况：两道程序运行情况-1 从图中可看出CPU与IO A（磁盘）、IO B（磁 带

30、）设备可并行工作，而对系统的某个部件如CPU， 二个程序A、 B和操作系统（监督程序）都是串行， 即交替运行。程序在CPU与IO设备间切换，CPU 运行那个程序都由监督程序控制，并根据一定的算 法调度，对IO设备调度采用非抢占方式即一旦将 该IO设备分配给某进程，那就要等该程序IO完 成后再进行分配，而CPU调度可采用二种方式，一 种是同上的非抢占方式，另一种是抢占方式。如采 用抢占方式调度CPU，当一个优先级更高的程序要 使用CPU时，就要暂仃正在CPU上运行的优先级较 低程序，让优先级高的程序运行完毕后再运行原程 序。 例例1：两道程序运行情况：两道程序运行情况-2 图中开始时程序A、 B

31、都在内存中，先运行程序A。 当程序A要请求盘输入时，转由CPU运行监督程序来 启动盘，启动成功后IO A（磁盘）进行程序A盘输 入。这时CPU空，CPU运行监督程序来调度程序 B， 接着CPU运行程序B。这时CPU在运行程序B，而IO A（磁盘）进行程序A盘输入。程序B运行一段时间后 请求带输入时，转由CPU运行监督程序来启动磁带， 启动成功后IO B（磁带）进行程序B磁带输入。这 时IO A（磁盘）进行程序A盘输入，IO B（磁带） 进行程序B磁带输入，CPU空操作。CPU空操作到I O A（磁盘）结束程序A盘输入，产生中断。转由CPU 运行监督程序的中断处理程序处理程序A中断，处理 后调度

32、程序A，接着运行程序A。在程序A运行时，I O B（磁带）结束程序B磁带输入，产生中断。CPU暂 仃正在CPU上运行的程序A转运行监督程序的中断处 理程序处理程序B中断，处理后根据一定的算法调度 程序A或B，这里调度程序B，接着运行程序B。 Allows the processor to execute another program while one program must wait for an I/O device. RunRun Wait Time Wait Run A Run A Wait Time Wait Run B Run B Multiprogramming or Mul

33、titasking Example JOB1 JOB2 JOB3 Type of job Heavy compute Heavy I/O Heavy I/O Duration 5 min. 15 min. 10 min. Memory required 50K 100 K 80 K Need disk? No No Yes Need terminal No Yes No Need printer? No No Yes Effects of Multiprogramming Uniprogramming Multiprogramming Processor use 17% 33% Memory

34、use 30% 67% Disk use 33% 67% Printer use 33% 67% Elapsed time 30 min. 15 min. Throughput rate 6 jobs/hr 12 jobs/hr Mean response time 18 min. 10 min. Scheduling Bursts of CPU usage alternate with periods of I/O wait a CPU-bound process an I/O bound (受I/O束缚)process Modeling Multiprogramming CPU utili

35、zation as a function of number of processes in memory Degree of multiprogramming SPOOLingSPOOLing系统系统/ /技术技术（假脱机（假脱机I IO O或联机或联机I IO O ）: : ( SPOOLing( SPOOLing-Simultaneous Peripheral -Simultaneous Peripheral Operation On-Line /Operation On-Line /同时的外围设备联机操作同时的外围设备联机操作) ) 在现代批处理系统中引入缓冲技术，在外存设 置输入缓冲

36、区(输入井)和输出缓冲区（输出井）。 同时又引入SPOOLing技术（又称假脱机IO或联机 IO），该技术采用通道代替外围机，它与CPU并 行操作，控制外设完成输入输出任务。 SPOOLing系统系统 SPOOLing系统系统-1 在该系统中用户提交的作业由输入设备经 Spooling系统联机输入到外存磁盘的输入井内， 并排成一个后备作业队列，然后由作业调度程序 按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入 内存，它们在内存中按一定调度规则共享CPU和 系统中各种IO资源，以达到提高资源利用率和 系统吞吐量的目的。 SPOOLing系统系统-2 SPOOLing系统实现了对I/O设备的虚拟： 只

37、要输入设备空闲，系统可预先将输入数据从 设备传输到输入井中供用户程序随时读取； 系统可将用户程序随时输出的数据先送到输出 井中，待输出设备空闲时再执行数据输出操作。 SPOOLing系统系统-3 磁盘 通道 主机通道卡片机通道 打印 机 spooling 系统系统 作业# 1.3.2 1.3.2 分时系统分时系统 （ Time Sharing SystemTime Sharing System） 1。分时系统原理分时系统原理 目标目标：分时系统的形成和发展的动力是用分时系统的形成和发展的动力是用 户的需要户的需要。用户希望自己能直接控制程序 的运行及时进行人-机交互，以便能方便 地修改程序的错

38、误。用户希望一台计算机 能为多台用户共享，解决当时（六十年代） 计算机昂贵而缺少的矛盾，方便用户上机。 分时系统实现原理实现原理 分时系统是指在一台主机上连接了多个带有 显示器和键盘的终端，它同时允许许多用户通 过终端以交互方式使用计算机共享主机中的资 源。所谓分时分时是指多个用户分时共享使用同一 台计算机，也就是说把计算机的系统资源（尤把计算机的系统资源（尤 其是其是CPUCPU时间）进行时间上分割，即将整个工作时间）进行时间上分割，即将整个工作 时间分成一个个的时间片，每个时间片分给一时间分成一个个的时间片，每个时间片分给一 个用户使用，这样将个用户使用，这样将CPUCPU工作时间分别提供

39、给多工作时间分别提供给多 个用户使用，每个用户依次地轮流使用一个时个用户使用，每个用户依次地轮流使用一个时 间片间片。 主机主机 终终 端端 2。分时系统的实现分时系统的实现 采用采用调进调出调进调出的单道分时系统的单道分时系统 在单道分时系统内存中只驻留一道程序，其余 程序都在外存上。每当内存中一个程序运行一个时 间片后，便调至外存（称为调出）。再从外存中选 一个程序装入内存（称为调进）并运行一个时间片， 依此方法使所有的作业都能在一规定的时间内轮流 运行一个时间片，这样便能使所有的用户都能与自 己的作业交互。在多个作业的轮流运行过程中，每 个作业往往可能频繁地调进调出多次，开销大，故 使系

40、统的性能较差。 基于多道程序设计的多道分时系统基于多道程序设计的多道分时系统 由于现代计算机系统采用大容量内存并采用内存与 磁盘对换技术扩充内存，现代分时系统引入多道程序设 计技术，在内存中存放多道作业排成一个队列，依次轮 流地获得一个时间片来运行。 由于切换切换作业就在内存，不要花费大量时间用于调 进调出，故多道分时系统具有较好的系统性能。作业调 度算法也不限于时间片不变，次序不变的简单轮转。象 UNIX操作系统对系统中各进程采用可抢占的动态优先级 调度算法，它也实现了各作业分时共享计算机，但时间 片大小和轮转次序都在变化。 批处理系统和分时系统都是多道程序系统，是属 于处理用户作业的系统。

41、系统本身没有要完成的作业， 它只是起着管理调度系统资源，向用户提供服务的作用， 这类系统可以说是“通用系统通用系统”。 3 3分时系统的分时系统的特征特征 多路性多路性：允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系 统按分时原则为每个用户服务。宏观上是多个用户同时 工作，共享系统资源，而微观上则是每个用户作业轮流 运行一个时间片。多路性即同时性，它提高了资源利用 率，从而促进了计算机更广泛的应用。 独立性独立性：每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不 干扰。因此用户会感觉到就象他一人独占主机。 交互性交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。 用户可以请求系统提供多方面服务，如文件编辑，数

42、据 处理和资源共享等。 及时性及时性：用户的请求能在很短时间内获得响应，此时间 间隔是以人们所能接受的等待时间来确定的，通常为1- 2秒。 4 4分时系统的重要指标分时系统的重要指标响应时间响应时间 响应时间响应时间是分时系统的重要指标，它是用户发生是分时系统的重要指标，它是用户发生 终端命令到系统开始作出响应间的时间间隔终端命令到系统开始作出响应间的时间间隔。系统 的响应时间主要是根据用户所能接受的等待时间确 定的。假设分时系统中用户数为n，每个用户的运行 时间片为q，则系统的响应时间为Tnq。每个用 户分到的时间片q由二部分组成，用于对换时间S和 用于真正处理时间T（处理）。 T n q

43、q S + T（处理） 分时系统的实现分时系统的实现-1-1 响应时间响应时间-1-1 分时系统中时间片q的选择是一个复杂和关键的任务， 如时间片选得过大，造成响应时间不变时用户数减 少，或造成响应时间过长，当时间片过小时，在一 个时间片内切换开销相对增加，一个进程相对要花 费更多的时间片才能运行结束，一个进程在系统中 的周转时间大大增长。最佳的时间片值应既能使分 时用户得到好的响应时间，同时又要使在一个时间 片内切换开销相对较小可忽略。 UNIX系统是典型的分时系统，UNIX系统是一个多用 户，多任务操作系统。 1.3.3 实时系统实时系统 （ Real-Time Systems ） 目标目

44、标：为了提高系统的响应时间，对随机发生的外 部事件作出及时响应并对其进行处理。 1 1实时系统实时系统分类分类 实时控制系统实时控制系统 此类实时控制系统主要用于生产过程的自动控制， 实验数据自动采集，武器的控制、包括火炮自动控 制、飞机自动驾驶、导弹的制导系统。 实时信息处理系统实时信息处理系统 这类系统主要用于实时信息处理，象飞机订票系 统、情报检索系统。 2。实时系统实时系统特征特征 快速的响应时间快速的响应时间 实时系统是为了提高系统响应时间而设计的操作 系统，特别是实时控制系统，对外部事件的响应要 十分及时迅速。实时系统的响应时间则是由控制对 象所能接受的时延确定的。外部事件往往以中

45、断方 式通知系统，系统有较强的中断处理能力，实时系 统的设计也以“事件驱动”方式来设计。 实时系统特征实时系统特征-1-1 有限的交互能力有限的交互能力 批处理系统和分时系统是“通用系统”，实时 系统一般是专用系统，它为专门的应用而设计， 系统本身就包含有控制某实时过程和处理实时信 息的专用应用程序。实时系统（如实时信息处息 系统）它能提供人机交互方式，但用户只能访问 系统中某些特定的专用服务程序，不能象分时系 统一般向终端用户提供多方面服务。 高可靠性高可靠性 批处理系统和分时系统虽也要求系统可靠， 相比之下，实时系统则要求系统高度可靠。因此 实时系统中往都采用双机系统，多级容错措施来 保证

46、系统和数据的安全。（练习） 1.3.4微机操作系统微机操作系统 （Desktop Systems） 配置在微机上的OS称为微机操作系统。常用的微机OS 有MS-DOS、MS Windows、OS/2、SCO UNIX、 Linux等。 1单用户单任务操作系统MS-DOS MS-DOS是Microsoft公司开发的首先在IBM-PC机上 使用的微机OS，MS-DOS操作系统现成了事实上的16位 微机单用户单任务操作系统的标准。 2多任务操作系统MS Windows Windows98/2000/XP是Microsoft公司开发的一个图形 用户界面的多任务、多线程、全32位的操作系统。 微机操作系

47、统微机操作系统-1 Windows 2000 系列 ：Windows 2000 professional、 Windows 2000 Server、Windows 2000 Advanced Server和 Windows 2000 Datacenter Server。 Windows XP三个版本：Windows XP Home Edition有 良好的数字媒体平台，适合家庭用户和游戏爱好者 Windows XP Professional 是为商业用户设计的， 有高级别的可扩展性和可靠性；Windows XP 64- BitEdition可满足最高级别的专业技术工作站用户 的需要。 Wind

48、ows Server System：是一个全面、集成而且具 有互操作能力的服务器基础结构，提供了一个公用 体系结构，Windows Server System的基础是 Windows Server 2003操作系统。 微机操作系统微机操作系统-2 3.多用户多任务操作系统SCO UNIX SCO公司将运行于大、中、小型机上UNIX操作系统移 植到微机上，UNIX是多用户多任务操作系统。 4Linux Linux操作系统是一个遵循标准操作系统界面的标准免 费操作系统，具有UNIX BSD和UNIX SYS 的扩展特性。 它的版权所有者是芬兰籍的Linus B.Toroalds先生和其 它开发人员

49、，并且遵循GPL（GNU General Pablic License）声明。Linux可以在基于Intel处理器的个人 计算机上运行，它可以将一台普通的个人电脑变成功能 强劲的UNIX工作站。 微机操作系统微机操作系统-3 Linux有一个基本内核，一些组织和厂商将内核与应 用程序、文挡包装起来，再加上安装、设置和管理工具， 就构成了直接供一般用户使用的套件。Linux版本是分 为两部分：内核版本和发行套件版本。内核版本指的是 在Linus领导下开发的系统内核的版本号，2004.10 Linux的最新稳定内核版本号为2.6.9。发行套件常见的 有Slackware、Red Hat Linux

50、、Debian 等。Red Hat Linux具有支持多种硬件平台（如Intel、Sparc和Alpha 平台），软件安装、配置、升级、维护简单，系统管理 工具方便等优点，是初学者的最佳选择。 中国政府于1999年发布的指导性文件“当前优先发展 的高技术产业化重点领域指南”确定：基于Linux的操 作系统平台及其集成应用环境软件是我国高技术发展的 重点领域之一。 1.3.5网络操作系统网络操作系统 （Network Operating System , NOSNetwork Operating System , NOS） 1. . 网络操作系统定义网络操作系统定义 计算机网络可以定义为一些互连

51、的自主计 算机系统的集合，所谓自主计算机是指计算机 具有独立处理能力，而互连则表示计算机之间 能够实现通信和相互合作。 按网络所覆盖的地理范围大小可把计算机网络 分成广域网WAN（Wide Area Network）和局域 网LAN（Lacal Area Network）两类。 网络操作系统网络操作系统-1 网络操作系统定义为：网络操作系统网络操作系统是使网络上各计算是使网络上各计算 机能方便地进行网络通信机能方便地进行网络通信、有效地共享网络资源，为网有效地共享网络资源，为网 络用户提供所需各种服务的软件和有关规程的集合。络用户提供所需各种服务的软件和有关规程的集合。 2. 2. 网络网络O

52、SOS功能功能: : l 高效、可靠的网络通信 l 对网络中共享资源（在LAN中有硬盘、打印机等）有效 的管理 l 提供电子邮件、文件传输、共享硬盘、打印机等服务 l 网络安全管理 l 提供互操作能力 3.3.网络网络OSOS的的客户服务器客户服务器C CS S（Client/ServerClient/Server）模式）模式 客户服务器的模式客户服务器的模式C/SC/S是流行的网络工作模 式，该种模式网络可分为以下二大类： l服务器:它是网络的控制中心，其任务是向客户 提供一种或多种服务，服务器可有多种类型，如 提供文件打印服务的文件服务器等。 l客户：这是用于本地处理和访问服务器的站点，

53、在客户中包含了本地处理软件和访问服务器上服 务程序的软件接口。 4.现代操作系统特点现代操作系统特点内装网络内装网络 现代操作系统已把网络功能包含到操作系统的内 核中，作为操作系统核心功能的一个组成部分。 微软公司的Windows 2000，AT & T公司的UNIX System V、Sun公司的SunOS、HP公司的HPOX、 IBM公司的AIX、Linux等都已把TCPIP网络功能 包含在内核中。 Windows 2000把网络功能作为该系统执行体的 输入输出（IO）系统的一部分。NT的IO系统 包含有五部分：输入输出（IO）管理程序、文 件系统、缓冲存储管理系统、设备驱动程序、网 络驱

54、动程序。（见图） 2000的内装网络是如何工作的呢？首先用户 态软件(例如Win 32 I/O API) 通过调用本机NT I/O 服务子程序发出I/O请求(如向对方写盘)。 I/O请求包(IRP)，并将请求传送给文件系统驱动 程序之一Window 2000重定向程序。 重定向程序将请求包(IRP)提交给传输驱动 程序，传输驱动程序处理请求包，并将其放在 网络上。请求到达Windows 2000的目的地时， 由传输驱动程序接收并复制数据到缓冲区，然 后调用文件系统驱动程序，发出I/O命令写盘。 内装网络内装网络-1 1.3.6分布式操作系统分布式操作系统 （ Distributed Opera

55、ting Systems ） 1.1.分布式分布式操作系统定义操作系统定义 分布式计算机系统是为分散处理、协同完成任务 而将多个分散的计算机经互连网络连接而成的计算 机系统，分布式操作系统是在它上配置的操作系统。 分布式操作系统分布式操作系统是能直接对系统中各类资源进行动是能直接对系统中各类资源进行动 态分配和管理，有效控制和协调诸任务的并行执行，态分配和管理，有效控制和协调诸任务的并行执行， 允许系统中的处理单元无主、次之分，并向系统提允许系统中的处理单元无主、次之分，并向系统提 供统一的、有效的接口的软件集合供统一的、有效的接口的软件集合。 它基于两种环境:多处理器(CPU)系统或多计算机

56、 系统（网络），它是网络操作系统的更高级的形式， 它保持了网络操作系统的全部功能。 2. 2. 分布式操作系统与网络操作系统的区别分布式操作系统与网络操作系统的区别 分布性分布性 处理上的分布性是分布式操作系统的最基本特征。 网络虽有分布处理的功能，但网络的控制功能，则 大多集中在某个主机或服务器上，它的控制方式集 中的，分布式系统的处理分布是资源、功能、任务 和控制都是分布的。 透明性透明性 分布操作系统负责全系统的资源分配和调度、任 务划分、信息传输协调工作，并为用户提供一个统 一的界面，标准的接口，用户通过这一界面实现所 需要的操作和使用系统资源。分布式OS通常很好地 隐藏系统内部的实现

57、细节，如对象的物理位置、并 发控制、系统故障等对用户都是透明的。 分布式操作系统与网络操作系统的区别分布式操作系统与网络操作系统的区别-1-1 统一性统一性 分布式系统要求一个统一的操作系统，实现 系统操作的统一性，而网络系统一般是在各自 操作系统基础上加上负责网络访问功能模块， 网络各系统操作不一致。 健壮性健壮性 由于分布式系统的处理和控制功能是分布的， 设备出现故障时，可通过容错技术实现系统重 构，从而仍保持系统的正常运行，因而系统具 有键壮性，即具有较好的可用性和可靠性。而 网络系统其控制功能大多集中在主机和服务器 中，使系统具有潜在的不可靠性。 1.3.7嵌入式操作系统嵌入式操作系统

58、 （ Embedded OSEmbedded OS ) 嵌入式系统是在各种设备、装置或系统中，完成特定功 能的软硬件系统。它们是一个大设备、装置或系统中的 一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机”。 通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中， 由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为 嵌入式系统。 在电器、电子和智能机械上，嵌入安装各种微处理器或 微控制芯片。嵌入式操作系统嵌入式操作系统就是运行在嵌入式智能芯 片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种 部件装置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的 系统软件。 嵌入式操作系统通常配有源码级可配置的系统模块设计、

59、丰富的同步原语、可选择的调度算法、可选择内存分配 策略、定时器与计数器、多方式中断处理支持、多种异 常处理选择、多种通信方式支持、标准C语言库、数学 运算库和开放式应用程序接口。 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 1 嵌入式操作系统具有高可靠性、实时性、占有资源少、 智能化能源管理、易于连接、低成本等优点，其系统功 能可针对需求进行裁剪、调整和生成，以便满足最终产 品的设计要求。 嵌入式系统的应用非常广泛，如手机的通信控制、工业 监控、智能化生活空间(信息家电、智能大厦等等)、通 信系统、导航系统等等。举一个简单的例子，例如汽车 上的电子控制设备实际上是一个电脑网络，一辆现代化 的轿车里面可能有数

60、十个微处理器和相应的操作平台， 它们需要通信，需要监控汽车的运行等等。这就构成一 个嵌入式系统，它包括任务处理、计算、网络互联、数 据采集、数据管理、智能控制、人机交互等诸多方面的 技术，而它需要一系列针对应用环境的操作平台来控制、 协调各种系统需求与服务，控制资源配置，这些平台共 同构成了这个嵌入式系统的操作系统。 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 1 嵌入式操作系统的代表VxWorks VxWorks支持各种工业标准，包括POSIX, ANSI C和TCP/IP网络协议；VxWorks运行系统 的核心是一高效率的微内核；微内核支持各 种实时功能，包括快速多任务处理，中断支 持，抢占式和轮转式调