第1章操作系统的基本概念

1、操作系统操作系统主讲教师：陈洪丽主讲教师：陈洪丽手机：手机箱：邮箱：办公室办公室:综合楼综合楼501答疑时间地点：每周二答疑时间地点：每周二7、8节综合楼节综合楼501第1章 操作系统的基本概念Chapter 1 Conspectus of Operating System教学要求 本章目的：本章目的： 了解计算机操作系统是什么，能有什么用途，如何区分操作系统的优劣。 教学目标教学目标： 操作系统的定义及其在计算机系统中的地位；操作系统的功能；操作系统的主要性能指标。 重点与难点重点与难点： 操作系统的定义；操作系统的功能；操作系统的性能指标。 专业术语：专业术语：

2、操作系统、可靠性、可用性、吞吐量、系统响应时间、系统资源利用率、可移植性、并发、并行。 Agenda1. 操作系统的基本概念操作系统的基本概念 1.1 定义 1.2 操作系统在计算机系统中的地位 1.3 操作系统的功能 1.4 操作系统的主要性能指标操作系统的主要性能指标 1.5 操作系统的特性 1.1 操作系统的定义 计算机操作系统计算机系统中的一个重要系统软计算机操作系统计算机系统中的一个重要系统软件。它管理和控制所有的计算机资源（软、硬件。它管理和控制所有的计算机资源（软、硬件），合理地组织计算机工作流程，以便有效地件），合理地组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能

3、强大、使用方利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便并且已于扩展的工作环境，从而在计算机与用便并且已于扩展的工作环境，从而在计算机与用户之间起到接口的作用。户之间起到接口的作用。操作系统的基本概念1.2 操作系统在计算机系统中的地位 操作系统为系统软件。但它是最基本的系统软件，操作系统为系统软件。但它是最基本的系统软件，其它系统软件需要其支持，并受其管理和控制。其它系统软件需要其支持，并受其管理和控制。 人们将处理机管理、存储管理、人们将处理机管理、存储管理、I/O（输入输出）（输入输出）设备管理、文件管理、运行程序管理等基本系统设备管理、文件管理、运行程序管理等基本系统程序集合成操作系统

4、，构成一个人与计算机系统程序集合成操作系统，构成一个人与计算机系统间的间的“接口接口”。这个。这个“接口接口”提供一系列的系统提供一系列的系统服务，如程序开发、程序运行、访问服务，如程序开发、程序运行、访问I/O设备、控设备、控制访问文件、系统访问、错误监测和相应、资源制访问文件、系统访问、错误监测和相应、资源统计等。统计等。 操作系统的基本概念1.2 操作系统在计算机系统中的地位 从用户的角度看从用户的角度看，操作系统是用户与计算机硬件，操作系统是用户与计算机硬件系统之间的接口。系统之间的接口。操作系统的基本概念1.2 操作系统在计算机系统中的地位 从操作系统对计算机系统的管理的角度看从操作

5、系统对计算机系统的管理的角度看，操作，操作系统是系统资源的管理者。它合理地组织计算机系统是系统资源的管理者。它合理地组织计算机工作流程，管理和分配系统资源，使多个用户能工作流程，管理和分配系统资源，使多个用户能高效地共享高效地共享。 从计算机发展的角度看从计算机发展的角度看，操作系统还为计算机系，操作系统还为计算机系统的扩展提供一个支撑平台统的扩展提供一个支撑平台。容易增加新的服务容易增加新的服务和功能，不影响原有的的服务和功能和功能，不影响原有的的服务和功能。操作系统的基本概念1.3 操作系统的功能 作业管理（作业管理（job management） 提供用户使用操作系统的方法。提供用户使用

6、操作系统的方法。 进程管理（进程管理（process management） 如何将处理机真正合理地分配给每个任务。如何将处理机真正合理地分配给每个任务。 存储器管理（存储器管理（memory management） 对内存进行分配、保护和扩充对内存进行分配、保护和扩充 设备管理（设备管理（devices management） 提供一个管理设备的良好界面提供一个管理设备的良好界面 操作系统的基本概念1.3 操作系统的功能 文件管理（文件管理（file management） 有效地组织文件的存储和修改、高效地提供检索服务，有效地组织文件的存储和修改、高效地提供检索服务，并对文件的安全性进行保

7、护。并对文件的安全性进行保护。 网络功能（网络功能（network） 按照各种网络环境的要求，依据不同层次的网络协议按照各种网络环境的要求，依据不同层次的网络协议来实现网络功能。来实现网络功能。 信息保护和安全功能信息保护和安全功能 访问控制。控制用户访问整个系统、某子系统和数据。访问控制。控制用户访问整个系统、某子系统和数据。控制进程访问系统中的各种资源和对象。控制进程访问系统中的各种资源和对象。 信息流控制。管理系统内部及其传送给用户的数据流信息流控制。管理系统内部及其传送给用户的数据流 认证。根据规范提供访问和流控制机制，可实现预期认证。根据规范提供访问和流控制机制，可实现预期的保护和安

8、全策略。的保护和安全策略。 操作系统的基本概念处理机管理 分配CPU给多个作业存储器管理 分配主存空间，保护主存内信息安全I/O设备管理 设备分配、优化调度提高设备使用率信息管理（文件管理） 文件中信息管理重定位多道程序存储保护存储扩充虚拟存贮器设备无关性设备分配设备传输控制处理机管理 进程控制进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等主动改变主动改变进程的状态进程的状态 进程同步进程同步：协调协调并发进程之间的并发进程之间的推进步骤推进步骤，以协调资源，以协调资源共享；交换信息能力弱共享；交换信息能力弱 进程通信进程通信：进程之间：进程之间传送数据传送数

9、据，以协调进程间的协作；，以协调进程间的协作；交换信息能力强，也可以用来协调进程之间的推进交换信息能力强，也可以用来协调进程之间的推进 进程调度进程调度：作业和进程的运行：作业和进程的运行切换切换，以充分利用处理机，以充分利用处理机资源和提高系统性能；未必是进程控制操作所引起资源和提高系统性能；未必是进程控制操作所引起（可能是时间片轮转、（可能是时间片轮转、I/O操作）操作） 同一类型内的同一类型内的公平公平性、性、高效高效率（吞吐量大）、率（吞吐量大）、作业周作业周转时间转时间等等完成处理机资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为完成处理机资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为进程或线

10、程。进程或线程。存储器管理 存储分配与回收存储分配与回收 存储保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如：存储保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如：访问合法性检查、甚至要防止从访问合法性检查、甚至要防止从垃圾垃圾中窃取其他中窃取其他进程的信息；进程的信息； 地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地址地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地址的映射；的映射； 内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存利内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存利用率、扩大进程的内存空间；用率、扩大进程的内存空间；管理目标：提高利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、管理目标：提高利用率、方便用户使用、提供足

11、够的存储空间、方便进程并发运行。方便进程并发运行。设备管理 设备操作：利用设备驱动程序（通常在内核中）完成设备操作：利用设备驱动程序（通常在内核中）完成对设备的操作。还需处理外设的对设备的操作。还需处理外设的IRQ。 设备独立性设备独立性(device independence)：提供统一的提供统一的I/O设备接口，使应用程序独立于物理设备，提高可适应设备接口，使应用程序独立于物理设备，提高可适应性；在同样的接口和操作下完成不同的内容（如性；在同样的接口和操作下完成不同的内容（如FAX Modem作为作为Windows上的打印机设备）。上的打印机设备）。 设备分配与回收：在多用户间共享设备分配

12、与回收：在多用户间共享I/O设备资源。设备资源。 虚拟设备虚拟设备(virtual device)：设备由多个进程共享，每个进程设备由多个进程共享，每个进程如同独占。如同独占。 缓冲区管理：匹配缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利和外设的速度，提高两者的利用率（单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区）用率（单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区）设备管理的目标是：方便的设备使用、提高设备管理的目标是：方便的设备使用、提高CPU与与I/O设备利用率；设备利用率；信息管理(文件管理) 文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能。间利用率和

13、读写性能。 目录管理：解决信息检索问题。文件的属性（如文目录管理：解决信息检索问题。文件的属性（如文件名）、单一副本赋予多文件名件名）、单一副本赋予多文件名 文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。系统设口令系统设口令哪个用户哪个用户、用户分类、用户分类哪个用户组哪个用户组、文件权限文件权限针对用户或用户组的读写权针对用户或用户组的读写权 软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和拆软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和拆除等除等解决软件资源的存储、共享、保密和保护。解决软件资源的存储、共享、保密和保护。1.4 操作系统的主要性能指标可靠性可

14、靠性R(Reliability)：指系统能正常工作时间的平均值，用平均无故障时间MTBF(Mean Time Before Failure)来衡量。R值越大，系统的可靠性越高。可维修性可维修性S(Serviceability)：指平均故障修复时间MTRF(Mean Time Repair a Failure)，从故障发生到故障修复所需的时间。S越小，可维修性越高。可用性可用性A(Availability)：指计算机系统的正常使用率，即系统在执行任务的任意时可能正常工作的概率。A=MTBF / (MTBF+MTRF)操作系统的特性 1.4 操作系统的主要性能指标 系统吞吐量系统吞吐量(Thrug

15、htput)：指系统在单位时间内所处理的信息量。 系统响应时间系统响应时间(Respones Time)：系统响应时间指从给定系统输入到开始输出这一段时间间隔。 系统资源利用率：指在给定时间内，系统中的某系统资源利用率：指在给定时间内，系统中的某一资源的实际使用时间所占的比例。一资源的实际使用时间所占的比例。 可维护性：可维护性：系统的可维护性有以下两方面： 系统运行过程中不断排除系统设计中遗留下来的错误。系统运行过程中不断排除系统设计中遗留下来的错误。 能对系统的功能作某些改进或扩充。能对系统的功能作某些改进或扩充。操作系统的特性 1.4 操作系统的主要性能指标可移植性：可移植性：指把一个操

16、作系统从一种硬件环境转移到另一种硬件环境所需要的工作量。 操作系统的特性 1.4 操作系统的特性 并发性：并发性： 两个容易混淆的概念：并行性和并发性。 并行性并行性是指两个或多个事件在同一时间同时发生。 并发性并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔发生，交替进行。在单处理机环境下，每一时间只能有一道程序在执行。操作系统的特性 1.4 操作系统的特性共享（共享（sharing）性：）性：资源共享是指系统中的软硬件资源不再是为某一个程资源共享是指系统中的软硬件资源不再是为某一个程序所独占，而是供多个用户共同使用。共享的方式主序所独占，而是供多个用户共同使用。共享的方式主要有如下两种：要有如下两种

17、： 互斥共享：系统中的资源虽然可以供多个用户进程共享，但在互斥共享：系统中的资源虽然可以供多个用户进程共享，但在某一时间内只允许一个进程访问该资源。当一个进程访问该资某一时间内只允许一个进程访问该资源。当一个进程访问该资源时，其它进程必须等待。直到改进程释放该资源时，才允许源时，其它进程必须等待。直到改进程释放该资源时，才允许其它进程访问该资源。其它进程访问该资源。 同时访问：系统中有另一类资源允许在一段时间内，由多个进同时访问：系统中有另一类资源允许在一段时间内，由多个进程同时使用它。如磁盘、可重用的程序等。程同时使用它。如磁盘、可重用的程序等。 操作系统的特性 1.4 操作系统的特性虚拟（虚拟（virtual）性：）性： 把物理上的实体对应为多个逻辑上的对象，多个逻辑对象通过分时使用物理实体，让每个逻辑对象感到是独立使用物理实体。虚拟可有效地提高物理设备的利用率。例如进程管理的多道程序技术把一个物理CPU虚拟为多个逻辑上的CPU。在设备管理上，利用spooling技术，把一台物理上的I/O设备虚拟