第1章操作系统引论

1、第一章 操作系统引论 1计算机操作系统计算机操作系统0808网络网络1 1、2 22010.9-2011.12010.9-2011.1第一章 操作系统引论 2操作系统操作系统课程简介课程简介 一一.操作系统操作系统是重要的专业基础课和主干是重要的专业基础课和主干课课 二二. .先修课：计算机组成原理、数据结构与算先修课：计算机组成原理、数据结构与算法基础、法基础、C/C+ C/C+ 程序设计语言程序设计语言第一章 操作系统引论 3参考资料推荐参考资料推荐 1.1.操作系统习题与解析操作系统习题与解析第第3 3版版 曾平曾平 曾林等著曾林等著 清华大学出版社清华大学出版社第一章 操作系统引论 4

2、课程安排课程安排教学安排教学安排: :讲解教材第讲解教材第1章章-第第8章章,自学第自学第9章章-第第13章章课时安排：课时安排：1-16周周 平均每周平均每周3节上课，节上课，1节上机，学分：节上机，学分：4分分考核方式：考核方式：考试考试 最终成绩：期末成绩最终成绩：期末成绩+期中成绩期中成绩+考勤考勤+实验成绩实验成绩+作业作业第一章 操作系统引论 5课程引子课程引子买回一台新的计算机之后，毫无例外地，你要买回一台新的计算机之后，毫无例外地，你要做的第一件事是什么？做的第一件事是什么？第一章 操作系统引论 6课程引子课程引子 1.1.你使用过或听说过哪些操作系统？如果要建你使用过或听说过

3、哪些操作系统？如果要建立一个企业网站，让立一个企业网站，让InternetInternet上的用户都能够上的用户都能够访问它，那么该访问它，那么该WebWeb服务器是否一定要装操作系服务器是否一定要装操作系统？装什么样的操作系统？统？装什么样的操作系统？ 2.2.你认为操作系统有什么用？你认为操作系统有什么用？ 3.3.为什么要学习操作系统这门课？为什么要学习操作系统这门课？第一章 操作系统引论 7几个硬件概念（一）几个硬件概念（一）l 计算机的计算机的5 5大部件大部件：控制器、运算器、存储器、输入设控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。备和输出设备。l 组成计算机的部件（另一种提法）

4、：组成计算机的部件（另一种提法）： 中央处理器中央处理器CPUCPU（运算器、控制器）（运算器、控制器） 存储器存储器 输入输出设备。输入输出设备。这些部件之间通过这些部件之间通过总线总线相连相连, ,它们通过总线来传送它们通过总线来传送数据信息、数据信息、地址信息和控制信息地址信息和控制信息。第一章 操作系统引论 8几个硬件概念（二）几个硬件概念（二）l 控制器控制器主要用来实现计算机本身运行过程的自主要用来实现计算机本身运行过程的自动化，即实现程序的自动执行。动化，即实现程序的自动执行。l 在在控制器控制器的控制下，从的控制下，从输入设备输入设备输入程序和数输入程序和数据，并自动存放在据，

5、并自动存放在存储器存储器中，然后由控制器指中，然后由控制器指挥挥各部件（运算器、存储器各部件（运算器、存储器)协同工作以协同工作以执行程序，最后将结果打印输出。执行程序，最后将结果打印输出。第一章 操作系统引论 9几个硬件概念（三）几个硬件概念（三）l 计算机中的计算机中的存储器存储器分为主存储器和和辅助存储器分为主存储器和和辅助存储器两大类。两大类。l 主存储器主存储器用来存放正在使用或需要立即使用的程用来存放正在使用或需要立即使用的程序和数据，要求存取速度快，通常由半导体存储序和数据，要求存取速度快，通常由半导体存储器构成器构成为易失性存储器。为易失性存储器。l 辅助存储器辅助存储器用于存

6、放当前不需要立即使用的信息，用于存放当前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主存成批地交换数据。辅存作为一旦需要，再和主存成批地交换数据。辅存作为主存的后备和补充，是主机的外部设备，因此又主存的后备和补充，是主机的外部设备，因此又称为外存储器称为外存储器为非易失存储器。为非易失存储器。第一章 操作系统引论 10或者从另一个角度分类存储器：或者从另一个角度分类存储器：l 主存储器（主存、内存）：主存储器（主存、内存）： 中央处理机能直接访问的存储器称为主存储器，中央处理机能直接访问的存储器称为主存储器，用来存放正在或将要执行的系统及用户的程序和用来存放正在或将要执行的系统及用户的程序和数据（还包

7、括程序执行时要求的临时存储空间）。数据（还包括程序执行时要求的临时存储空间）。l 辅存储器（辅存、外存）：辅存储器（辅存、外存）： 中央处理机不能直接访问的存储器，如磁盘、磁中央处理机不能直接访问的存储器，如磁盘、磁带、光盘等，用来存放大量的数据信息。带、光盘等，用来存放大量的数据信息。第一章 操作系统引论 11几个硬件概念（四）几个硬件概念（四）l 输入设备输入设备主要完成输入程序、数据和操作命令的主要完成输入程序、数据和操作命令的功能，也是进行人机对话的主要部件。功能，也是进行人机对话的主要部件。 键盘键盘是目前使用最普遍的一种输入设备，与显示器一起组是目前使用最普遍的一种输入设备，与显示

8、器一起组成终端设备。成终端设备。 鼠标鼠标以其快捷、准确、直观的屏幕定位和选择能力备受欢以其快捷、准确、直观的屏幕定位和选择能力备受欢迎，已成为微机必备的输入设备。迎，已成为微机必备的输入设备。 扫描仪、操纵杆、触摸屏、照相机、语音输入设备扫描仪、操纵杆、触摸屏、照相机、语音输入设备等也属等也属于输入设备。于输入设备。第一章 操作系统引论 12l输出设备输出设备 显示器、打印机显示器、打印机等都是典型的等都是典型的输出设备输出设备。第一章 操作系统引论 13几个硬件概念（五）几个硬件概念（五） 主机与外设：主机与外设：在计算机的几大部件中，有时把在计算机的几大部件中，有时把CPUCPU和存储器

9、和存储器( (即内存）即内存）合起来称为合起来称为“主机主机”，把余下的其它部分称为外部把余下的其它部分称为外部设备，即设备，即“外设外设”。第一章 操作系统引论 14第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 1.1 操作系统的目标和任务操作系统的目标和任务1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程1.3 1.3 操作系统的基本特征操作系统的基本特征1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能1.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计第一章 操作系统引论 151.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用系统软件和应用软件的概念：系统软件和应用软件的概

10、念： 一个计算机系统由两部分构成：即软件系统和硬件系统一个计算机系统由两部分构成：即软件系统和硬件系统 硬件系统是计算机系统中那些硬件系统是计算机系统中那些“硬的硬的” ” 物理设施，是物物理设施，是物质基础质基础 软件系统是计算机系统必须配置的程序和数据集合，常可软件系统是计算机系统必须配置的程序和数据集合，常可分为两大类：分为两大类：系统软件和应用软件系统软件和应用软件第一章 操作系统引论 161.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用系统软件系统软件l 用于计算机的管理、维护，支持应用程序的开发以及控制用于计算机的管理、维护，支持应用程序的开发以及控制和运行程序。和运行程序

11、。l 如操作系统、多种语言处理程序（汇编和编译程序等）、如操作系统、多种语言处理程序（汇编和编译程序等）、多种工具软件、数据库管理系统等都是系统软件。多种工具软件、数据库管理系统等都是系统软件。l 其中其中操作系统操作系统是最复杂、最典型的是最复杂、最典型的系统软件。系统软件。第一章 操作系统引论 171.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用 应用软件应用软件l 是为完成某一具体的应用而开发的软件是为完成某一具体的应用而开发的软件l 如我们一直在用的学生选课系统、成绩查询系统、火车售如我们一直在用的学生选课系统、成绩查询系统、火车售票系统等等，都是典型的应用软件。票系统等等，都

12、是典型的应用软件。第一章 操作系统引论 181.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用1.1.1 1.1.1 操作系统的目标操作系统的目标 目前存在着多种类型的目前存在着多种类型的OSOS（Opreating SystemOpreating System），），不同类型的不同类型的OSOS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的件上配置的OSOS，其目标有以下几点：，其目标有以下几点： 1. 1. 方便性方便性 2. 2. 有效性有效性 3. 3. 可扩充性可扩充性 4. 4. 开放性开放性 第一章 操作系统引论 191.1 1.1 操作系统

13、的目标和作用操作系统的目标和作用 1.1.2 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用 操作系统是为改善计算机系统的性能、提操作系统是为改善计算机系统的性能、提高计算机的利用率、方便用户使用计算机而配高计算机的利用率、方便用户使用计算机而配备的一种最基本的底层系统软件，是计算机系备的一种最基本的底层系统软件，是计算机系统的核心。其作用可以概括如下：统的核心。其作用可以概括如下： 第一章 操作系统引论 201.1.2 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用 1.OS 1.OS作为用户与计算机硬件之间的接口作为用户与计算机硬件之间的接口 OSOS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：作为用户

14、与计算机硬件系统之间接口的含义是：OSOS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OSOS来使用来使用计算机系统。计算机系统。或者说，用户在或者说，用户在OSOS帮助下，帮助下，能够方便、快捷、安全、可能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。应注意，应注意，OSOS是是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。一个系统软件，因而这种接口是软件接口。 第一章 操作系统引论 21 1.1.2 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用操作系统提供给用户的接口有两大类：操作系统提供给用户的接口有两大类：脱机用户脱机

15、用户接口接口和和联机用户接口联机用户接口l 脱机用户接口脱机用户接口主要是为批处理系统中的脱机用主要是为批处理系统中的脱机用户准备的。用户在提交作业时，不仅要提交源户准备的。用户在提交作业时，不仅要提交源程序和初始数据，还要将反映控制意图的说明程序和初始数据，还要将反映控制意图的说明书书“作业控制说明书作业控制说明书”一并交给计算机系统。一并交给计算机系统。 这时操作系统提供给用户的接口称为这时操作系统提供给用户的接口称为“作业控作业控制语言（制语言（JCLJCL）”， “ “作业控制说明书作业控制说明书”就是就是用这种语言写成的。用这种语言写成的。第一章 操作系统引论 22 l 联机用户接口

16、：联机用户接口：又可分为命令接口、程序接口（又叫又可分为命令接口、程序接口（又叫系统调用）和图形用户接口。系统调用）和图形用户接口。l 俗称命令口、程序口和图形口。俗称命令口、程序口和图形口。 1.1.2 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用第一章 操作系统引论 23 1.OS1.OS作为用户与计算机硬件之间的接口（续）作为用户与计算机硬件之间的接口（续） (1) (1) 命令接口。命令接口。这是指由这是指由OSOS提供了一组联机命令提供了一组联机命令( (语言语言) )， 用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。统。 (2) (2)

17、 程序接口。程序接口。又称又称“系统调用系统调用”或应用程序编程接口或应用程序编程接口（APIAPI）。）。OSOS提供了一组系统调用，用户可以在自己的提供了一组系统调用，用户可以在自己的程序中程序中通过使用系统调用，来获得操作系统的底层服通过使用系统调用，来获得操作系统的底层服务，访问系统的各种软硬件资源。务，访问系统的各种软硬件资源。 (3) (3) 图形接口。图形接口。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。算机系统和运行自己的程序。 第一章 操作系统引论 24图图 1-1 OS1-1 OS作为接口的示意图作为接口的示意图 用 户应用

18、程序系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算机硬件第一章 操作系统引论 25 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用 2. OS 2. OS作为计算机系统资源的管理者作为计算机系统资源的管理者l 在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和软件资源。软件资源。l 归纳起来可将计算机资源分为归纳起来可将计算机资源分为四类：四类： 处理器、处理器、 存储器、存储器、 I/OI/O设备设备 信息信息( (数据和程序数据和程序) )。第一章 操作系统引论 26l 相应地，相应地，OSOS的主要功能也正是针对这四类资源进的主要功能也正是针对这四类资源进行有

19、效的管理，即：行有效的管理，即： （1 1）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； （2 2）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； （3 3）I/OI/O设备管理：设备管理：负责负责I/OI/O设备的分配与操纵；设备的分配与操纵； （4 4）文件管理：）文件管理：负责文件的存取、共享和保护。负责文件的存取、共享和保护。第一章 操作系统引论 27 可见，可见，OSOS确是计算机系统资源的管理者。事确是计算机系统资源的管理者。事实上，当今世界上广为流行的一个关于实上，当今世界上广为流行的一个关于OSOS作用的作用的观点，正

20、是把观点，正是把OSOS作为计算机系统的资源管理者。作为计算机系统的资源管理者。 第一章 操作系统引论 28 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用 3. OS3. OS用作扩充机器用作扩充机器 对于一台完全无软件的计算机系统对于一台完全无软件的计算机系统( (即裸机即裸机) )，即使其即使其功能再强，也必定是难于使用的。功能再强，也必定是难于使用的。 如果我们在裸机上覆盖上一层如果我们在裸机上覆盖上一层I/OI/O设备管理软件设备管理软件，用户，用户便可利用它所提供的便可利用它所提供的I/OI/O命令，来进行数据输入和打印输命令，来进行数据输入和打印输出。此时用户所看到的机器，出。此时用户

21、所看到的机器， 将是一台比裸机功能更强、将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。使用更方便的机器。第一章 操作系统引论 29 通常把覆盖了软件的机器称为通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚扩充机器或虚机器机器。 如果我们又在第一层软件上再覆盖上一层如果我们又在第一层软件上再覆盖上一层文文件管理软件，件管理软件，则用户可利用该软件提供的文件则用户可利用该软件提供的文件存取命令，来进行文件的存取。存取命令，来进行文件的存取。第一章 操作系统引论 30 此时，用户所看到的是台功能更强的虚机器。此时，用户所看到的是台功能更强的虚机器。如果我们又在文件管理软件上再覆盖一如果我们又在文件管理软件上再覆

22、盖一层面向用层面向用户的窗口软件，户的窗口软件，则用户便可在窗口环境下方便地则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能更强的虚机器。使用计算机，形成一台功能更强的虚机器。 第一章 操作系统引论 311.1.3 1.1.3 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力 不断提高计算机资源利用率不断提高计算机资源利用率 2. 2. 方便用户方便用户 3. 3. 器件的不断更新换代器件的不断更新换代 4. 4. 计算机体系结构的不断发计算机体系结构的不断发展展 第一章 操作系统引论 321.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 1.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机

23、系统无操作系统的计算机系统 1. 1. 人工操作方式人工操作方式 从第一台计算机诞生从第一台计算机诞生(1945(1945年年) )到到5050年代中期的年代中期的计算机，计算机，属于第一代，这时还未出现属于第一代，这时还未出现OSOS。 第一章 操作系统引论 33 这时的计算机操作是由用户这时的计算机操作是由用户(即程序员即程序员)采用人工操作采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，方式直接使用计算机硬件系统， 即由程序员将事先已穿孔即由程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据对应于程序和数据)的纸带的纸带(或卡片或卡片)装入纸带输入机装入纸带输入机(或卡片输入机或卡片输入机)，再启动它们将，再

24、启动它们将程序和数据输入计算机，程序和数据输入计算机， 然后启动计算机运行。然后启动计算机运行。第一章 操作系统引论 34 当程序运行完毕并取走计算结果后，当程序运行完毕并取走计算结果后， 才让下一才让下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：的缺点： (1) (1) 用户独占全机。用户独占全机。 (2) CPU(2) CPU等待人工操作。等待人工操作。.浪费资源太大浪费资源太大 第一章 操作系统引论 35 1.2.1 无操作系统的计算机无操作系统的计算机 2. 2. 脱机输入脱机输入/ /输出输出(Off-Line I/O)(Off-Line

25、 I/O)方方式式 为了解决人机矛盾及为了解决人机矛盾及CPUCPU和和I/OI/O设备之间速度不匹配的矛盾，设备之间速度不匹配的矛盾，2020世纪世纪5050年代末出现了脱机输入输出技术。年代末出现了脱机输入输出技术。 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输入机，纸带输入机， 在一台在一台外围设备外围设备的控制下，把纸带（卡片）上的数据输入的控制下，把纸带（卡片）上的数据输入到高速设备到高速设备磁带磁带上，当上，当CPUCPU需要这些程序和数据时，再从需要这些程序和数据时，再从磁带上高速地调入内存。磁带上高速地调入内存。第一

26、章 操作系统引论 36 类似地，当类似地，当CPUCPU需要输出时，可由需要输出时，可由CPUCPU直接高速地把数据从直接高速地把数据从内存送到磁带上，内存送到磁带上， 然后再在另一个外围设备的控制下，将磁带上的结果通过然后再在另一个外围设备的控制下，将磁带上的结果通过相应的输出设备输出。相应的输出设备输出。第一章 操作系统引论 371.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统 由于程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下而不是由于程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下而不是在主机的控制下完成的，所以叫在主机的控制下完成的，所以叫“脱机输入输出脱机输入输出”。 若输出

27、输出操作是在主机的控制下进行的，就叫若输出输出操作是在主机的控制下进行的，就叫“联机输联机输入输出入输出”。第一章 操作系统引论 38这种脱机这种脱机I/OI/O方式的主要优点如下：方式的主要优点如下：减少了减少了CPUCPU的空闲时间。的空闲时间。 提高提高I/OI/O速度。速度。第一章 操作系统引论 391.2.2 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统l 是计算机是计算机对对一批一批作业进行自动处理的技术作业进行自动处理的技术l 早期的计算机资源非常昂贵，为了充分利用早期的计算机资源非常昂贵，为了充分利用资源，应尽量让系统连续执行。资源，应尽量让系统连续执行。l 为此为此 ，把把一批一

28、批作业以脱机的方式输入到磁作业以脱机的方式输入到磁带上带上，并在系统中配置，并在系统中配置监督程序监督程序。第一章 操作系统引论 401.2.2 1.2.2 单道批处理系统（续）单道批处理系统（续）l 在在监督程序监督程序的控制下，先把磁带上的第一个作业的控制下，先把磁带上的第一个作业装入内存，装入内存，并把运行控制权交给该并把运行控制权交给该作业作业，当该作，当该作业处理完后，业处理完后，又把控制权交还给又把控制权交还给监督程序监督程序，由监由监督程序再把第二个作业装入内存，直至一批作业督程序再把第二个作业装入内存，直至一批作业处理完。处理完。l 磁带上的作业就这样一个接一个地被处理，便形磁

29、带上的作业就这样一个接一个地被处理，便形成了成了早期的批处理系统早期的批处理系统第一章 操作系统引论 41IBMIBM的的14011401和和70947094，就是这样的实例，就是这样的实例：（1 1）用户将自己的程序编在卡片或纸带上，交给计）用户将自己的程序编在卡片或纸带上，交给计算机管理员；算机管理员；（2 2）管理员收到一定数量的用户程序后，将卡片上）管理员收到一定数量的用户程序后，将卡片上的数据通过的数据通过IBM1401IBM1401机器读入，并写到磁带上，这机器读入，并写到磁带上，这样每盘磁带通常会含有多个用户程序；样每盘磁带通常会含有多个用户程序；（3 3）操作员将这盘磁带加载到

30、）操作员将这盘磁带加载到IBM7094IBM7094上，一个一上，一个一个地运行用户程序，运行结果写在另一个磁带上。个地运行用户程序，运行结果写在另一个磁带上。（4 4）程序都结束后，将结果磁带取下，连接到）程序都结束后，将结果磁带取下，连接到IBM1041IBM1041机器上打印结果，然后就可以交给各个用机器上打印结果，然后就可以交给各个用户了。户了。第一章 操作系统引论 42 注意，这时候注意，这时候文件文件的概念已经出现。的概念已经出现。 因为到了批处理时代，磁带上的多个用户程序必因为到了批处理时代，磁带上的多个用户程序必须以某种方式进行隔离，用户的程序可以以文件须以某种方式进行隔离，用

31、户的程序可以以文件的形式实现隔离。的形式实现隔离。 此时的操作系统还能够管理此时的操作系统还能够管理读卡机、磁带、打印读卡机、磁带、打印机机等。等。 此时操作系统的任务就是加载一个程序，运行，此时操作系统的任务就是加载一个程序，运行，打印结果，然后执行下一个程序。打印结果，然后执行下一个程序。第一章 操作系统引论 43当时单道批处理系统的重要实例有：当时单道批处理系统的重要实例有：l IBM开发的开发的FORTRAN监视系统监视系统FMS，用在，用在IBM709上；上；l IBM开发的基于磁带的工作监控系统开发的基于磁带的工作监控系统IBSYS，用在用在IBM7090和和IBM7094上；上；

32、l 密西根大学开发的密西根大学开发的UMES，被用在，被用在IBM7094上。上。第一章 操作系统引论 44 单道批处理系统的特征：单道批处理系统的特征： 单道批处理系统是最早出现的一种单道批处理系统是最早出现的一种OSOS，严格地说，严格地说，它它只能算作是只能算作是OSOS的前身而并非是现在人们所理解的的前身而并非是现在人们所理解的OSOS。尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已有很大进尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。步。 该系统的主要特征如下：该系统的主要特征如下： (1) (1) 自动性。自动性。 (2) (2) 顺序性。顺序性。 (3) (3) 单道性。单道性。

33、 第一章 操作系统引论 451.2.3 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统（进入操作系统时代）（进入操作系统时代） 1. 1. 多道程序设计的基本概念多道程序设计的基本概念 在单道批处理系统中，在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业内存中仅有一道作业，它无法，它无法充分利用系统中的所有资源，致使系统性能较差。充分利用系统中的所有资源，致使系统性能较差。 为了进一步为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量提高资源的利用率和系统吞吐量，在，在6060年代年代中期又引入了中期又引入了多道程序设计技术，多道程序设计技术，由此而形成了由此而形成了多道批处多道批处理系统理系统(Multiprogram

34、med Batch Processing System)(Multiprogrammed Batch Processing System)。第一章 操作系统引论 46在在OSOS中引入多道程序设计技术可带来以下好处：中引入多道程序设计技术可带来以下好处：（1）提高）提高CPU的利用率。的利用率。 当内存中仅有一道程序时，当内存中仅有一道程序时，CPUCPU和和I/OI/O操作是串行的。操作是串行的。每逢该程序在运行中每逢该程序在运行中发出发出I/OI/O请求后，请求后，CPUCPU空闲，空闲，必须必须在其在其I/OI/O完成后才继续运行；尤其因完成后才继续运行；尤其因I/OI/O设备的低速性，

35、设备的低速性，更使更使CPUCPU的利用率显著降低。的利用率显著降低。第一章 操作系统引论 47 而在引入多道程序设计技术后，而在引入多道程序设计技术后， 由于由于同时在内存中同时在内存中装有若干道程序装有若干道程序，并使它们交替地运行。，并使它们交替地运行。 这样，当正在运行的程序因这样，当正在运行的程序因I/O而暂停执行时，系而暂停执行时，系统可调度另一道程序运行，从而保持了统可调度另一道程序运行，从而保持了CPU处于忙碌处于忙碌状态。状态。第一章 操作系统引论 48(2) (2) 可提高内存和可提高内存和I/OI/O设备的利用率。设备的利用率。 为了能运行较大的作业，通常内存都具有较大容

36、量，为了能运行较大的作业，通常内存都具有较大容量，但由于但由于80%80%以上的作业都属于中小型以上的作业都属于中小型，因此在单道程序环因此在单道程序环境下，也必定境下，也必定造成内存的浪费造成内存的浪费。 类似地，对于系统中所配置的类似地，对于系统中所配置的多种类型的多种类型的I/OI/O设备设备， 在单道程序环境下也不能充分利用。如果允许在内存中装在单道程序环境下也不能充分利用。如果允许在内存中装入多道程序，入多道程序， 并允许它们并发执行，则无疑会大大并允许它们并发执行，则无疑会大大提高提高内存和内存和I/OI/O设备的利用率设备的利用率。第一章 操作系统引论 49 (3) (3) 增加

37、系统吞吐量。增加系统吞吐量。 在保持在保持CPUCPU、I/OI/O设备不断忙碌的同时，也必然会大设备不断忙碌的同时，也必然会大幅度地提高系统的吞吐量，从而降低作业加工所需的幅度地提高系统的吞吐量，从而降低作业加工所需的费用。费用。 第一章 操作系统引论 502. 2. 多道批处理系统的特征多道批处理系统的特征 多道性。多道性。 (2)(2)无序性。无序性。 (3)(3)调度性。调度性。 第一章 操作系统引论 513. 3. 多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点 资源利用率高。资源利用率高。 (2) (2) 系统吞吐量大。系统吞吐量大。 (3) (3) 平均周转时间长。平均周转时间长。

38、 (4) (4) 无交互能力。无交互能力。 第一章 操作系统引论 524. 多道批处理操作系统需要解决的问题多道批处理操作系统需要解决的问题就多了许多：就多了许多：（1）对处理机进行管理。）对处理机进行管理。 （2） 对内存进行管理。对内存进行管理。 （3）对）对I/O设备进行管理。设备进行管理。 （4）对文件进行管理。）对文件进行管理。 （5）对作业进行管理。）对作业进行管理。第一章 操作系统引论 53典型的多道批处理操作系统是典型的多道批处理操作系统是IBM的的OS/360 ：l IBM的的OS/360，它运行在，它运行在IBM的第三代计算机的第三代计算机System/360、System

39、/370、System/4300上；上；l OS/360在技术和理念上都有划时代的意义，但在在技术和理念上都有划时代的意义，但在商业上没有使用，因为它有很多在所难免的错误。商业上没有使用，因为它有很多在所难免的错误。l IBM随后对随后对OS/360进行了完善，逐渐演变成一个进行了完善，逐渐演变成一个功能强大、性能可靠的操作系统。功能强大、性能可靠的操作系统。第一章 操作系统引论 54 1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统 1. 1. 分时系统分时系统(Time-Sharing System)(Time-Sharing System)的产生的产生 如果说，如果说， 推动多道批处理系统形成和

40、发展的主要动力，推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，是是提高资源利用率和系统吞吐量提高资源利用率和系统吞吐量，那么，推动分时系统形成，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力，则是和发展的主要动力，则是用户的需求。用户的需求。 或者说，或者说， 分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型型OSOS。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。第一章 操作系统引论 55 1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统 用户的需求具体表现在以下几个方面：用户的需求具体表现在以下几个方面： (1) (1) 人人机

41、交互。机交互。 (2) (2) 多个用户共享主机。多个用户共享主机。 (3) (3) 便于用户上机。便于用户上机。增加一个概念：计算机终端增加一个概念：计算机终端 第一章 操作系统引论 56 历史上最有名的分时操作系统是历史上最有名的分时操作系统是MULTICS和和UNIX。 推动它们出现还有个小故事：推动它们出现还有个小故事：IBM将其当时最先进的机子将其当时最先进的机子IBM 7094赠予密歇根大赠予密歇根大学（学（UM）和麻省里工学院（）和麻省里工学院（MIT） 一遇帆船比赛必须停下一切工作为一遇帆船比赛必须停下一切工作为IBM服务服务 从而有了程序的保存、多个用户使用机器的需求从而有了

42、程序的保存、多个用户使用机器的需求出现出现第一章 操作系统引论 572. 2. 分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题l为实现分时系统，最关键的问题是为实现分时系统，最关键的问题是如何使用户如何使用户能与自己的作业进行交互，能与自己的作业进行交互，l即当用户在自己的终端上键入命令时，即当用户在自己的终端上键入命令时， 系统应系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。用户。第一章 操作系统引论 58l此后，此后， 用户可继续键入下一条命令，此即人用户可继续键入下一条命令，此即人机交互。应强调指出，机交互。应强调指出，即使有多个用户同

43、时通过即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理即做到收并处理即做到（1）及时接收。）及时接收。 （2）及时处理。）及时处理。第一章 操作系统引论 59l 其次还有一个重要问题要解决：如何将资源公平分配其次还有一个重要问题要解决：如何将资源公平分配l 这在分时系统中尤其重要这在分时系统中尤其重要l 在分时操作系统中，常采用时间片轮转的方法解决在分时操作系统中，常采用时间片轮转的方法解决（当然还可能还要考虑优先级）（当然还可能还要考虑优先级）l 此系统在这个时候已经变得相当复杂起来此系统在这个时候已经变得相当复杂起来第一章

44、操作系统引论 60 目前分时操作系统最典型的例子就是目前分时操作系统最典型的例子就是Unix和和Linux的操作系统。的操作系统。 其可以同时连接多个终端并且每隔一秒重新扫其可以同时连接多个终端并且每隔一秒重新扫描进程，重新分配进程的优先级，动态分配系描进程，重新分配进程的优先级，动态分配系统资源。统资源。 第一章 操作系统引论 613. 3. 分时系统的特征分时系统的特征. . 多路性。多路性。(2) (2) 独立性。独立性。 (3) (3) 及时性。及时性。 (4) (4) 交互性。交互性。第一章 操作系统引论 62 1.2.5 1.2.5 实时系统实时系统l 所谓所谓“实时实时”，是表示

45、，是表示“及时及时”；l 而实时系统而实时系统(Real-Time System)(Real-Time System)是指系统能及是指系统能及时时( (或即时或即时) )响应外部事件的请求，在规定的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，并控制所有实时任间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。务协调一致地运行。 l 应用需求：应用需求：实时控制、实时信息处理实时控制、实时信息处理l 根据对截止时间的要求分为：根据对截止时间的要求分为：硬实时任务和软硬实时任务和软实时任务实时任务第一章 操作系统引论 63l 对于实时操作系统，它除了要满足应用的功对于实时操作系统

46、，它除了要满足应用的功能需求以外，更重要的是还要满足应用提出能需求以外，更重要的是还要满足应用提出的实时性要求的实时性要求l 而组成一个应用的众多实时任务对于实时性而组成一个应用的众多实时任务对于实时性的要求是各不相同的，此外实时任务之间可的要求是各不相同的，此外实时任务之间可能还会有一些复杂的关联和同步关系，如执能还会有一些复杂的关联和同步关系，如执行顺序限制、共享资源的互斥访问要求等，行顺序限制、共享资源的互斥访问要求等，这就为系统实时性的保证带来了很大的困难。这就为系统实时性的保证带来了很大的困难。第一章 操作系统引论 64l 因此，实时操作系统所遵循的最重要的设计原因此，实时操作系统所

47、遵循的最重要的设计原则是：采用各种算法和策略，始终保证系统行则是：采用各种算法和策略，始终保证系统行为的可预测性为的可预测性(predictability)(predictability)。l 可预测性是指在系统运行的任何时刻，在任何可预测性是指在系统运行的任何时刻，在任何情况下，实时操作系统的资源调配策略都能够情况下，实时操作系统的资源调配策略都能够为争夺资源为争夺资源( (包括包括CPUCPU、内存、网络带宽等、内存、网络带宽等) )的的多个实时任务合理地分配资源，使每个实时任多个实时任务合理地分配资源，使每个实时任务的实时性要求都能得到满足务的实时性要求都能得到满足 第一章 操作系统引论

48、 65l 实时操作系统注重的不是系统的平均表现，而实时操作系统注重的不是系统的平均表现，而是要求每个实时任务在最坏情况下都要满足其是要求每个实时任务在最坏情况下都要满足其实时性要求，也就是说，实时操作系统注重的实时性要求，也就是说，实时操作系统注重的是个体表现，更准确地讲是个体最坏情况表现。是个体表现，更准确地讲是个体最坏情况表现。l 举例来说，如果实时操作系统采用标准的举例来说，如果实时操作系统采用标准的虚存虚存技术，则一个实时任务执行的最坏情况是每次技术，则一个实时任务执行的最坏情况是每次访存都需要调页，如此累计起来的该任务在最访存都需要调页，如此累计起来的该任务在最坏情况下的运行时间是不

49、可预测的，因此该任坏情况下的运行时间是不可预测的，因此该任务的实时性无法得到保证。务的实时性无法得到保证。l 从而可以看出在通用操作系统中广泛采用的虚从而可以看出在通用操作系统中广泛采用的虚存技术在实时操作系统中不宜直接采用。存技术在实时操作系统中不宜直接采用。 第一章 操作系统引论 663. 3. 实时系统与分时系统特征的比较实时系统与分时系统特征的比较(1)(1)多路性。多路性。 (2) (2) 独立性。独立性。 (3) (3) 及时性。及时性。 (4) (4) 交互性。交互性。 (5) (5) 可靠性。可靠性。第一章 操作系统引论 67通用操作系统通用操作系统l 把具有多种类型操作特征的

50、操作系统称作通把具有多种类型操作特征的操作系统称作通用操作系统。用操作系统。l 一个通用操作系统可同时兼有多道批处理、一个通用操作系统可同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或只具有其中两种分时、实时处理的功能，或只具有其中两种的功能。的功能。 第一章 操作系统引论 68l 例如：实时处理例如：实时处理+ +批处理批处理= =实时批处理系统。实时批处理系统。 首先保证优先处理实时任务，插空进行批处理首先保证优先处理实时任务，插空进行批处理作业。常把实时任务称为前台作业，批作业称作业。常把实时任务称为前台作业，批作业称为后台作业。为后台作业。 l 再如：批处理再如：批处理+ +分时处理分时处

51、理= =分时批处理系统。分时批处理系统。 即：时间要求不强的作业放入即：时间要求不强的作业放入“后台后台”（批处（批处理）处理，需频繁交互的作业在理）处理，需频繁交互的作业在“前台前台”（分（分时）处理，处理机会优先运行时）处理，处理机会优先运行“前台前台”作业。作业。 第一章 操作系统引论 691.2.6 现代操作系统（现代操作系统（1980年之后）年之后）l 各种新计算机、新操作系统不断出现各种新计算机、新操作系统不断出现l 尤其是随着微处理器的出现，微型计算机诞生尤其是随着微处理器的出现，微型计算机诞生l 计算机开始走向普通家庭计算机开始走向普通家庭l 涌现出许多熟知的操作系统，如有涌现

52、出许多熟知的操作系统，如有DOSDOS、MAC OSMAC OS、WindowsWindows系列、系列、UnixUnix、LinuxLinux等等。等等。l 随着网络的出现和普及，现在又出现了网络操作系统随着网络的出现和普及，现在又出现了网络操作系统和分布式操作系统。和分布式操作系统。l 到现在为止，操作系统发展的脚步一刻也没有停到现在为止，操作系统发展的脚步一刻也没有停止。止。第一章 操作系统引论 70目前人们习惯上把操作系统分为以下几种不同的目前人们习惯上把操作系统分为以下几种不同的类型：类型：l 单用户单任务操作系统（如单用户单任务操作系统（如DOS）l 单用户多任务操作系统（如单用户

53、多任务操作系统（如Windows XP）l 多用户多任务操作系统（多用户多任务操作系统（Unix、Linux）第一章 操作系统引论 711.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 多道批处理系统、分时系统、实时系统是三多道批处理系统、分时系统、实时系统是三种种基本的操作系统基本的操作系统 虽然三种操作系统都有各自的特征虽然三种操作系统都有各自的特征 批处理具有成批处理的特征、批处理具有成批处理的特征、 分时系统具有交互特征、分时系统具有交互特征、 实时系统具有实时特征，实时系统具有实时特征， 但它们都具有但它们都具有并发、共享、虚拟和异步并发、共享、虚拟和异步四种四种基本特征。基本特征。第一

54、章 操作系统引论 72 曾以填空、简答、判断的形式出过题：曾以填空、简答、判断的形式出过题：如操作系统有哪几种基本特征？简述它们的含如操作系统有哪几种基本特征？简述它们的含义。义。第一章 操作系统引论 731.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 1.3.1 1.3.1 并发并发(Concurrence)(Concurrence) 并行性和并发性并行性和并发性是既相似又有区别的两是既相似又有区别的两个概念，个概念，并行性并行性是指两个或多个事件在是指两个或多个事件在同一同一时刻时刻发生；而发生；而并发性并发性是指两个或多个事件在是指两个或多个事件在同一时间间隔内同一时间间隔内发生。

55、发生。第一章 操作系统引论 74 在多道程序环境下，在多道程序环境下，并发性并发性是指在是指在一段时间内一段时间内，宏观上宏观上有多个程序在有多个程序在同时运行同时运行，但在单处理机，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观微观上上这些程序只能是这些程序只能是分时地交替执行分时地交替执行。第一章 操作系统引论 751.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 倘若在计算机系统中有倘若在计算机系统中有多个处理机多个处理机，则这些可以，则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并

56、并行执行行执行，即利用每个处理机来处理一个可并发执行的，即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序，这样，多个程序便可同时执行程序，这样，多个程序便可同时执行。 第一章 操作系统引论 76 曾有考题曰：曾有考题曰：要想实现真正的并行处理，系统中至少要配置要想实现真正的并行处理，系统中至少要配置几个处理机？几个处理机？系统中只有一个处理机，能实现真正的并发吗？系统中只有一个处理机，能实现真正的并发吗？并行呢？并行呢？第一章 操作系统引论 771.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 1.3.2 1.3.2 共享共享(Sharing)(Sharing) 在操作系统环境下，所谓在操作系统

57、环境下，所谓共享共享是指系统中是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程线程)共同使用。共同使用。 由于资源属性的不同，进程对资源共享的方由于资源属性的不同，进程对资源共享的方式也不同，目前主要有以下两种资源共享方式：式也不同，目前主要有以下两种资源共享方式：互斥共享互斥共享方式和方式和同时访问同时访问方式方式第一章 操作系统引论 781.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 1. 1. 互斥共享方式互斥共享方式 系统中的某些资源，如打印机、磁带机，系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程虽然它们可以提供给多个进程(

58、(线程线程) )使用，但使用，但为使所打印或记录的结果不致造成混淆，为使所打印或记录的结果不致造成混淆，应应规规定在一段时间内只允许一个进程定在一段时间内只允许一个进程( (线程线程) )访问该访问该资源。资源。第一章 操作系统引论 79 为此，当一个进程为此，当一个进程A A要访问某资源时，要访问某资源时，必须先提出请求，必须先提出请求， 如果此时该资源空闲，如果此时该资源空闲，系统便可将之分配给请求进程系统便可将之分配给请求进程A A使用，使用， 此此后若再有其它进程也要访问该资源时后若再有其它进程也要访问该资源时( (只只要要A A未用完未用完) )则必须等待。则必须等待。第一章 操作系

59、统引论 80 1.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 仅当仅当A A进程访问完并释放该资源后，进程访问完并释放该资源后， 才允许才允许另一进程对该资源进行访问。我们把这种资另一进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为源共享方式称为互斥式共享，互斥式共享，而把在一段时而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为间内只允许一个进程访问的资源称为临界资临界资源或独占资源。源或独占资源。第一章 操作系统引论 81 计算机系统中的大多数物理设备，以及某计算机系统中的大多数物理设备，以及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们要求被互斥

60、地共享。临界资源，它们要求被互斥地共享。 第一章 操作系统引论 82 2. 2. 同时访问方式同时访问方式 系统中还有另一类资源，允许在一段时间系统中还有另一类资源，允许在一段时间内内由多个进程由多个进程“同时同时”对它们进行访问。对它们进行访问。 这里所谓的这里所谓的“同时同时”往往是宏观上的，而往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。行访问。 第一章 操作系统引论 83 典型的可供多个进程典型的可供多个进程“同时同时”访问的资源是访问的资源是磁盘设备磁盘设备，一些用，一些用重入码重入码编写的文件，也可编写的文件，也可以被以被