1第一章 计算机操作系统引论

1、2021-6-141计算机操作系统授课教师：胡文学2021-6-142教材及参考书教材及参考书教材：教材：计算机操作系统计算机操作系统 汤子瀛等汤子瀛等 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社参考书：参考书：计算机操作系统学习指导与题解计算机操作系统学习指导与题解 汤子瀛主审汤子瀛主审 梁红兵等编著梁红兵等编著 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社操作系统原理操作系统原理DOSDOS篇篇 张昆苍张昆苍 清华大学出版社清华大学出版社Operating Systems William StallingsOperating Systems William StallingsModern

2、 Operating SystemModern Operating System Andrew S.TanenbaumAndrew S.TanenbaumOperating System Concept Operating System Concept Abrahan Silberschatz,etcAbrahan Silberschatz,etc2021-6-143操作系统课程的特点：操作系统课程的特点：实践性强实践性强（从实践总结出原理）（从实践总结出原理）涉及面广涉及面广（并行程序，性能问题，结（并行程序，性能问题，结构问题，程序构问题，程序 方法论，软件工程，等等方法论，软件工程，等等

3、）错综复杂错综复杂：纵横交叉：纵横交叉2021-6-144注意学习方式的变化注意学习方式的变化 教师只指出要点教师只指出要点 要课前预习、课后复习，通过自学、研要课前预习、课后复习，通过自学、研读参考书及习题掌握内容读参考书及习题掌握内容 记笔记相当重要记笔记相当重要 不能只通过不能只通过Powerpoint来学习课程来学习课程 善于发现问题、提出问题善于发现问题、提出问题 要努力寻求问题的答案要努力寻求问题的答案2021-6-145课程总目标课程总目标：掌握OS的原理学习核心技术并能在其他地方应用之2021-6-146基本目的基本目的1介绍操作系统的基本概念、基本结构及运行介绍操作系统的基本

4、概念、基本结构及运行 环境环境2介绍操作系统原理、设计方法和实现技术介绍操作系统原理、设计方法和实现技术3介绍操作系统的演化过程、发展研究动向、介绍操作系统的演化过程、发展研究动向、 新技术以及新思想新技术以及新思想4介绍各种有代表性的、典型的操作系统实例介绍各种有代表性的、典型的操作系统实例5培养学生分析问题、解决问题的基本能力，培养学生分析问题、解决问题的基本能力， 培养创造型人才培养创造型人才2021-6-147学习收获学习收获1使学生对操作系统的基本概念、基本结构及运行使学生对操作系统的基本概念、基本结构及运行环境有深入的认识，对操作系统这一课程有比较全环境有深入的认识，对操作系统这一

5、课程有比较全面的把握面的把握2使学生深入到操作系统内部，理解并掌握操作系使学生深入到操作系统内部，理解并掌握操作系统的基本原理、设计方法和实现技术统的基本原理、设计方法和实现技术3使学生了解操作系统的演化过程、发展研究动向使学生了解操作系统的演化过程、发展研究动向、新技术以及新思想，使学生具有透过变化看趋势、新技术以及新思想，使学生具有透过变化看趋势、透过技术抓原理、把握学科发展脉搏的基本素质、透过技术抓原理、把握学科发展脉搏的基本素质，为其今后在相关领域开展工作打下坚实的基础，为其今后在相关领域开展工作打下坚实的基础2021-6-148第一章第一章 操作系统引论操作系统引论 1.1 计算机系

6、统结构计算机系统结构2021-6-1491.1 计算机系统结构计算机系统结构 一、计算机系统组成一、计算机系统组成 中央处理机（CPU） 内存 I/O设备（键盘、显示器、打字机、鼠标） 外部设备 存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带） 其它设备（MODEM、通信口） 系统软件（操作系统、语言编译器、数据库管理系统） 应用软件 （CAD、MIS、用户自己开发的系统等） 工具软件（软、硬件检测诊断程序）硬件软件2021-6-14101.1 计算机系统结构计算机系统结构 二、软件与硬件的关系二、软件与硬件的关系end1/2 070305end1/2 070305硬件是计算机系统的基础.软件是提高计算机系

7、统效率和方便用户使用计算机的程序. 除了操作系统以外，其它所有的软件如汇编程序、编译程序、数据库管理系统等系统软件以及大量的应用软件，都将依赖于操作系统的支持，取得它的服务。 OSOS是配置在计算机硬件系统上的第一层软件，是对硬件系统是配置在计算机硬件系统上的第一层软件，是对硬件系统的第一次扩充。的第一次扩充。 软件与硬件相互依赖、相互促进 、 共同发展。 可以说，没有操作系统，其它软件便成了无源之水、无本之木，计算机也就成了废铁一堆。2021-6-14111.1 计算机系统结构计算机系统结构三、操作系统的目标三、操作系统的目标 目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常

8、在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点：1. 1. 方便性方便性 方便用户执行用户程序并使用户问题更易解决； 有效性有效性 提高计算机系统资源的利用率及系统的吞吐量； 可扩充性可扩充性 OS应采用模块化结构，以便于增加新的功能模块和修改老的功能模块；2.2. 开放性开放性 以便使得出自不同厂家的计算机及其设备能有效的协同工作，实现应用程序的可移植性和互操作性。2021-6-14121.1 计算机系统结构计算机系统结构四、操作系统的作用四、操作系统的作用 从一般用户的观点从一般用户的观点，OS是用户和计算机硬件系统之间的接口是用户和计算机硬件系统之间的接口；用 户应用程序系统调用 命令 图标

9、、窗口操作系统计算机硬件2021-6-14131.1 计算机系统结构计算机系统结构四、操作系统的作用四、操作系统的作用 从资源管理的观点从资源管理的观点，OS是计算机系统资源的管理者。是计算机系统资源的管理者。 OS的主要功能是针对以下四类资源进行有效的管理，的主要功能是针对以下四类资源进行有效的管理，即即 处理机管理：处理机管理：用于分配和控制处理机。用于分配和控制处理机。 存储器管理：存储器管理：主要负责内存的分配与回收。主要负责内存的分配与回收。 I/O设备管理：设备管理：负责负责I/O设备的分配与操纵。设备的分配与操纵。 文件管理：文件管理：负责文件的组织、存取、共享与保护。负责文件的

10、组织、存取、共享与保护。 OS用作扩充机器用作扩充机器 在计算机系统上覆盖上一层软件后，系统在计算机系统上覆盖上一层软件后，系统功能便增强一级。功能便增强一级。在裸机上覆盖了软件的机器称为扩充机器或在裸机上覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。虚拟机。2021-6-14141.1 计算机系统结构计算机系统结构五、操作系统的层次模型五、操作系统的层次模型 用户接口用户接口 （命令接口、程序接口、图形用户接口）（命令接口、程序接口、图形用户接口） 对对象进行操纵和管理的软件集合对对象进行操纵和管理的软件集合（处理机管理软件、存储器管理软件、设备管理软件、（处理机管理软件、存储器管理软件、设备管理软

11、件、文件管理软件）文件管理软件） 操作系统对象操作系统对象（处理机、存储器、设备、文件和作业）（处理机、存储器、设备、文件和作业）2021-6-14151.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展操作系统发展的主要动力操作系统发展的主要动力end2/2 0703051、不断提高计算机资源利用率的需要2、方便用户3、器件的不断更新换代 微机从8位 16位 32位 促使os从8位 16位 32位4、计算机体系结构的不断发展 单处理机 多处理机 网络2021-6-14161.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展 ENIACENIAC计算机计算机运算速度：运算速度：10001000次次/

12、/每秒每秒, , 数万个真空管数万个真空管, , 占地占地100100平平方米方米1.1.没有程序设计语言（甚至没有汇编），没有程序设计语言（甚至没有汇编）， 更谈不上操作系统更谈不上操作系统. .2.2.程序员提前预约一段时间，然后到机程序员提前预约一段时间，然后到机 房将他的插件板插到计算机里房将他的插件板插到计算机里. .3.3.期盼着在接下来的时间中几万个真空管期盼着在接下来的时间中几万个真空管 不会烧断，从而可以计算自己的题目不会烧断，从而可以计算自己的题目. .2021-6-14171.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展1、人工操作方式、人工操作方式 用户在计算机上算题的

13、所有工作都要用户人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等。这种操作方式有以下两个缺点： a.用户独占全机。一台计算机的全部资源只能有一个用户 独占； b.CPU等待人工操作。当用户进行装带(卡)、卸带(卡)等人 工操作时，CPU是空闲的。 随着计算机速度的加快，人机矛盾、CPU与I/O速度不匹配的矛盾越来越大，直至无法容忍。必须寻求新的办法直至无法容忍。必须寻求新的办法。 2021-6-14181.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展2、脱机输入输出方式、脱机输入输出方式输入设备外围机输出设备外围机主机磁盘该技术是指事先将装有用户程序和数据的纸带(或卡片)装入纸带(或卡片)输入机，在

14、一台外围机的控制下把纸带(卡片)上的数据(程序)输入输入到磁带上。 当CPU需要这些程序和数据时再从磁带上高速地调入内存调入内存。 类似的，当CPU需要输出时可由CPU直接高速地把数据从内存送到磁带上。 然后再在另一台外围机地控制下，将磁带上的结果通过相应的输出设备输出输出。 为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，50年代末出现了脱机输入输出技术。2021-6-14191.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展2、脱机输入输出方式、脱机输入输出方式 由于程序和数据的输入输出都是在外围机的作用下完成的，即是在脱离主机的情况下完成的。故称脱机输入输出方式脱机输入输出方式。

15、这种方式的主要优点如下：a.a.减少了减少了CPUCPU的空闲时间。的空闲时间。缓和了人机矛盾。b.b.提高提高I/OI/O速度。速度。大大缓和了CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾 2021-6-14201.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展3、批处理阶段、批处理阶段批处理批处理是指把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上，并在系统中配上监控程序监控程序，它负责完成这批作业的调入、启动运行、输出运行结果等工作。（1） 单道批处理系统：单道批处理系统：是指系统对作业的处理都是成批进行的、且在内存中始终只保持一道作业。它是最早出现的一种它是最早出现的一种OS。但这种单道批处理系统仍然不能

16、很好地利用系统资源，故现在已很少使用。其特征为：其特征为：自动性、顺序性、单道性。自动性、顺序性、单道性。（2） 多道批处理系统：多道批处理系统：它与分时操作系统和实时操作它与分时操作系统和实时操作系统是操作系统的三种基本类型。系统是操作系统的三种基本类型。2021-6-14211.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展4、多道程序设计技术和多道批处理系统、多道程序设计技术和多道批处理系统end1/2070308(二二)一、多道程序设计技术一、多道程序设计技术v定义：定义： 多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。v特征特征: :

17、多道性 无序性 调度性（作业调度及进程调度） 宏观上并行 微观上串行2021-6-14221.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展4 、多道程序设计技术和多道批处理系统、多道程序设计技术和多道批处理系统二、多道批处理系统二、多道批处理系统 在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了多道批处理操作系统。 该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作业调度程序自动地选择作业运行。业调度程序自动地选择作业运行。三、多道批处理系统的优缺点三、多道批处理系统的优缺点v优点优点：缩短作业之间的交接时间，减少处理机的空闲等待时间，提高资源

18、的利用率及系统的吞吐量（指系统在单位时间内所完（指系统在单位时间内所完成的总工作量）。成的总工作量）。v缺点缺点：平均周转时间长、用户响应时间较长。无交互能力（用户既不能了解自己程序的运行情况，也不能控制计算机。）。2021-6-14231.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展4 、多道程序设计技术和多道批处理系统、多道程序设计技术和多道批处理系统四、多道批处理系统需解决的问题 1、处理机管理问题 2、内存管理问题 3、I/O设备管理问题 4、文件管理问题 5、作业管理问题因此，需增加一组软件来处理以上问题，这组软件就构成了操作系统。定义：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、

19、合操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理的对各类作业进行调度，以及方便用户的程序的集合。理的对各类作业进行调度，以及方便用户的程序的集合。2021-6-14241.2 1.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展 5. 分时操作系统分时操作系统(Time Sharing OS)一、分时计算机系统 由于中断技术的使用，使得一台计算机能连接多个用户终端，用户可通过各自的终端使用和控制计算机，我们把一台计算机连接多个终端的计算机系统称为分时计算机系统，或称分时系统。分时技术分时技术：把处理机的响应时间分成若干个大小相等（或不相等）的时间单位，称为时间片（如100毫秒），每个终端用户获

20、得CPU，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运行，当时间片到（用完），用户程序暂停运行，等待下一次运行。例如：我们上课。2021-6-14251.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展 5. 分时分时 操作系统操作系统(Time Sharing OS)2021-6-14261.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展 5. 分时分时 操作系统操作系统(Time Sharing OS)二、分时操作系统 分时操作系统利用分时技术实现多道程序设计的一种操作系统，它一般采用时间片轮转的办法，使一台计算机同时为多个终端用户服务，对每个用户都能保证足够快的响应时间，并提供交互会话功能。分时操作

21、系统的特点：1. 多路性：多路性：即众多联机用户可以同时使用同一台计算机；2. 独占性：独占性：各终端用户感觉到自己独占了计算机；3. 交互性：交互性：用户与计算机之间可进行“会话”。4.及时性：及时性：用户的请求能在很短时间内获得响应。2021-6-14271.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展6. 6. 实时操作系统实时操作系统(real-time OS)(real-time OS)一、实时系统的引入1、实时控制的需要 实时采集数据及处理，如生产过程的控制、火炮的自动控制系统、飞机的自动驾驶系统、导弹的制导系统。2、实时信息处理 飞机订票系统、情报检索系统在实时处理中的一个核心的

22、问题就是响应时间问题定义：定义：实时系统实时系统是指系统能及时（或即时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理并控制所有实时任务协调一致的运行。2021-6-14281.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展6. 实时操作系统实时操作系统(real-time OS)二、响应时间：指用户发出命令，到系统完成用户命令所需的时间。批处理操作系统 没有分时操作系统 秒级(一般情况）实时操作系统 微秒级 甚至更小（经典说法） 2021-6-14291.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展6. 实时操作系统实时操作系统(real-time OS)三、实时操作系统 实时操作系统是

23、又一种类型的操作系统，对外部的请求，实时操作系统能够在规定的时间内处理完毕。实时：指计算机对于用户请求能足够快地进行处理，并做出反映。要求毫秒、微秒级。实时操作系统的应用：实时控制： 工业过程控制、防空系统等工业过程控制、防空系统等实时信息处理：情报检索和查询、飞机订票系统、情报检索和查询、飞机订票系统、 银行信用卡系统。银行信用卡系统。2021-6-14301.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展6. 实时操作系统实时操作系统(real-time OS)四、实时操作系统特点：1、系统对外部的信号必须能及时响应(在规定的时间内（在规定的时间内（deadline）)；2、要求高可靠性和安

24、全性，效率则放在第二位；3、交互性，但不要求很强的“会话”能力，仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。2021-6-14311.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展7.网络操作系统网络操作系统2021-6-14321.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展7.网络操作系统网络操作系统(NOS)end2/2070308(二二)一、 计算机网络概念a. 计算机网络的概念 计算机网络计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物,是互连起来的计算机的集合.b. 网络操作系统（Network Operating System）提供文件共享提供通信机制运行独立于网络上的其他计算机2021-

25、6-14331.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展7.网络操作系统（网络操作系统（NOS）二、网络操作系统的概念 网络操作系统网络操作系统是在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的网络资源共享，提供网络用户所需各种服务的软件和相关规程的集合。 如UNIX、LINUX, WINDOWS NT都是网络操作系统。 现在上网使用的IE4、Netscape、Mail Server等属于网络应用程序，不属网络操作系统的范畴。三、网络操作系统的模式 1、客户/服务器C/S(Client/Server)模式 服务器是网络控制的中心，向客

26、户提供一系列服务。 客户机用于本地处理机访问服务器。 2、对等（Peer-to-Peer)模式2021-6-14341.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展7.网络操作系统网络操作系统(NOS) 四、网络操作系统的功能 1) 通常操作系统的功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等； 2) 网络通信功能：通过网络协议进行高效、可靠的数据传输； 3) 资源管理：协调各用户使用； 4) 网络服务：文件、打印和设备共享，电子邮件服务、信息发布； 5) 网络管理：安全管理、故障管理、性能管理等； 6) 互操作：直接控制对方比交换数据更为困难；2021-6-14351.2 操作系统的形成

27、和发展操作系统的形成和发展8.分布式分布式OS(Distributed OS）一、分布式（处理）系统1、集中式处理系统 处理和控制功能高度集中在一台主机上，所有的任务都由主机处理。2、分布式系统 指由多个分散的处理单元，经互连网络的连接而形成的系统。每个处理单元及具有高度的自治性，又相互协作，能在系统范围内实现资源管理、动态的分配任务，并能并行的运行分布式程序。 如处理单元都是计算机时可称为分布式计算机系统。它的基本特征是它的基本特征是处理上的分布，即功能和任务的分布。二、分布式操作系统（Distributed Operating System) 在分布式系统上配置的操作系统，或在各处理机之间

28、采用无主从关系来设计的操作系统。2021-6-14361.2 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展8.8.分布式系统分布式系统(Distributed System(Distributed System）end1/2070312(end1/2070312(三三) )分布式OS网络OS分布性OS 均匀分布在各节点，OS的处理、控制功能分布在各节点有分布处理功能，控制集中在某（个）些主机或服务器并行性任务分派到各处理单元并行执行网络上节点计算机只处理自己的任务透明性物理位置、并发控制、系统故障对用户透明操作实现上对用户透明共享性各站点的软硬件资源对系统中所有用户共享共享资源大多是主机或服务器的

29、资源健壮性通过容错技术实现系统重构，可用性和可靠性高有潜在的不可靠性，重构功能弱分布式OS与网络OS比较2021-6-14371.3 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务1.操作系统的特征操作系统的特征 并发、共享、虚拟、异步性构成了操作系统的特征。一、并发（Concurrence)并行性并行性：指两个或多个事件在同一时刻发生。并发性并发性：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。进程进程：指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是一个活动实体。而通常所说的程序是静态实体，是不能并发执行的。二、共享（Sharing) 指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。资源的共享方式

30、：互斥共享方式和同时访问方式。临界资源：指在一段时间内只允许一个进程访问的资源。并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。他们又是互为存在条件的。2021-6-14381.3 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务1.操作系统的特征操作系统的特征三、虚拟（Virtual) “虚拟”指通过某种技术把一个物理设备变成若干个逻辑上的对应物。其实现通过分时使用的方法。四、异步性（Asyschronism) 进程的运行是“走走停停”，以不可预知的速度向前推进。2021-6-14391.3 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务2.操作系统提供的服务操作系统提供的服务一、公共服务类型1、程序执行 2、I

31、/O操作3、文件系统操纵 文件的创建、修改、删除等4、通信 提供实现进程间通信的服务。5、差错检测 硬件故障及软件异常2021-6-14401.3 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务2.操作系统提供的服务操作系统提供的服务二、系统调用类型1、进程控制类系统调用 creat process,terminate process,get process attributes,set process attributes.2、文件操纵系统调用 creat file,delete file,read,write,set file attributes,get file attributes.3、设

32、备管理系统调用 request device,release device,read,write4、通信用系统调用 open connection,accept connection,read message,write message,close connection5、信息维护 用户程序和OS之间传递信息。如OS版本号，空闲内存和磁盘空间等。2021-6-14411.4 操作系统的功能操作系统的功能1.存储器管理的功能存储器管理的功能一、内存分配 1、静态分配方式 2、动态分配方式二、内存保护 确保每道用户程序都在自己的内存空间运行，互不干扰。实现方法：设置两个界限寄存器。三、地址映射 将

33、地址空间中的逻辑地址转换为内存空间的物理地址。四、内存扩充 采用虚拟技术，从逻辑上扩充内存容量。实现方法：请求调入功能、置换功能。2021-6-14421.4 操作系统的功能操作系统的功能2.处理机的管理功能处理机的管理功能对处理机的分配和运行都是以进程为基本单位的。一、进程控制 为作业创建进程，撤销已结束的进程及控制进程运行中的状态转换。实现方法：进程控制原语或系统调用。二、进程同步 对诸进程的运行进行协调。方式：进程互斥方式，进程同步方式。三、进程通信 直接通信和间接通信（邮箱）四、调度 作业调度，进程调度。调度算法：先来先服务（FCFS),优先权高者优先。2021-6-14431.4 操

34、作系统的功能操作系统的功能3.设备管理的功能设备管理的功能任务：为用户的I/O请求分配I/O设备； 提高CPU和I/O设备的利用率； 提高I/O速度； 方便用户使用I/O设备。为此，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理，及虚拟设备等功能。2021-6-14441.4 操作系统的功能操作系统的功能4.文件管理的功能文件管理的功能一、文件存储空间的管理任务：为文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，提高文件系统的工作速度。二、目录管理任务：建立文件的目录项；实现文件共享；提供快速的目录查询手段。三、文件的读、写管理和存储控制2021-6-14451.4 操作系统的功能操作系统的功能5.用户

35、接口的功能用户接口的功能目的：方便用户使用操作系统。一、命令接口 用命令的方式请求操作系统服务二、程序接口 为用户程序访问系统资源而设，是用户程序获得操作系统服务的唯一途径。三、图形接口 为用户提供友好的操作界面。如：windows98 ,OS/2 2.1 Macintosh OS2021-6-14461.5 操作系统实例操作系统实例1.微机操作系统微机操作系统一、单用户单任务OS1、CP/M 1975年Digital Research公司推出的8位微机操作系统2、MS-DOS Microsoft公司开发，16位微机操作系统。二、单用户多任务OS1、OS/2 19877年IBM的PS/2上安装。 OS/2 1.X是16位微机操作系统， OS/2 2.X是32位微机操作系统.2、MS WINDOWS Microsoft公司开发，Windows 3.x windows NT windows9x windows2k三、多用户多任务OS 1、小型机及大型