操作系统第一章

1、操作系统操作系统主讲主讲 陈晓明陈晓明2014年9月Email: minny- Tel:3600543(H) 2021-11-21第一章 操作系统引论2教材：教材：汤小丹汤小丹. .计算机操作系统（第四版）计算机操作系统（第四版）. .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：n邹恒明.计算机的心智计算机的心智-操作系统之哲学原理操作系统之哲学原理. 机械工业出版社nAndrew S.Tanenbaum.现代操作系统现代操作系统.机械工业出版社 nWilliam Stallings. 操作系统操作系统内核与设计原理内核与设计原理. 电子工 业出版社

2、n张献忠. 操作系统学习辅导操作系统学习辅导. 清华大学出版社2021-11-21第一章 操作系统引论3参考网站参考网站n中大操作系统中大操作系统CAI:CAI:http:/i- /n南开操作系统南开操作系统CAICAI：2/OSTEACH/frame_4.asp2/OSTEACH/frame_4.aspn贵大操作系统贵大操作系统 CAI:CAI:3636n贵大开放实验系统贵大开放实验系统: : 37http:/210.40.7

3、.2372021-11-21第一章 操作系统引论4本课程地位本课程地位n专业核心课程n考研核心课程n技术开发的理论基础2021-11-21第一章 操作系统引论5操作系统与其它专业课程的关系操作系统与其它专业课程的关系前趋基础课程前趋基础课程计算机组成原理（组织与结构）计算机组成原理（组织与结构）程序设计基础程序设计基础数据结构数据结构后继发展课程后继发展课程软件工程软件工程数据库基础数据库基础计算机网络计算机网络高级程序设计高级程序设计2021-11-21第一章 操作系统引论6成绩考核方法成绩考核方法n作业、出勤率：20n考试成绩：80注意：作业、报告上交时间2021-11-21第一章 操作系

4、统引论7本课程内容本课程内容n第一章第一章 操作系统引论操作系统引论n第二章第二章 进程的描述与控制进程的描述与控制n第三章第三章 处理机调度与死锁处理机调度与死锁n第四章第四章 存储器管理存储器管理n第五章第五章 虚拟存储器虚拟存储器n第六章第六章 输入输出系统输入输出系统n第七章第七章 文件管理文件管理n第八章第八章 磁盘存储器的管理磁盘存储器的管理n第九章第九章 操作系统接口操作系统接口2021-11-21第一章 操作系统引论8第一章第一章 操作系统引论操作系统引论n操作系统是什么？操作系统是什么？n在计算机运行过程中扮演什么角色？在计算机运行过程中扮演什么角色？n它的来历是什么？它的来

5、历是什么？n它有一些什么基本概念？它有一些什么基本概念？n我们应如何看待操作系统？我们应如何看待操作系统？n它是如何参与到程序的执行过程中的？它是如何参与到程序的执行过程中的？2021-11-21第一章 操作系统引论9第一章第一章 操作系统引论操作系统引论n1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用n1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程n1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性n1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能n1.5 操作系统的硬件环境操作系统的硬件环境n1.6 OS结构设计结构设计2021-11-21第一章 操作系统引论10n魔术师魔术师 将丑陋变得美好，将没

6、有变为有，将丑陋变得美好，将没有变为有，将少变为多；将少变为多；n管理者管理者 对所有计算机资源进行管理以达对所有计算机资源进行管理以达到公平和效率的到公平和效率的“双料双料”境界境界操作系统所扮演的角色2021-11-21第一章 操作系统引论11程序是如何运行的？程序是如何运行的？程序设计语言程序设计语言高级语言程序高级语言程序编译器和汇编器编译器和汇编器机器语言程序机器语言程序操作系统（加载器、文件、内存）操作系统（加载器、文件、内存）进进 程程操作系统（操作系统（CPUCPU调度，进程管理）调度，进程管理）CPUCPU上执行上执行操作系统（文件、输入输出）操作系统（文件、输入输出）结结

7、果果人工编写人工编写程序语言执程序语言执行环境行环境指令集结构指令集结构2021-11-21第一章 操作系统引论12操作系统是什么操作系统是什么? ?n操作系统为你完成所有 “硬件相关、应用无关”的工作，以给你 方便、效率、安全2021-11-21第一章 操作系统引论13n计算机系统： 计算机软件n计算机硬件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备操作系统是什么操作系统是什么? ?计算机硬件2021-11-21第一章 操作系统引论14 编译程序编译程序 操作系统操作系统 解释程序解释程序 系统软件系统软件 语言处理系统语言处理系统 汇编程序汇编程序 常用的例行程序常用的例行程序 库连接程序

8、等库连接程序等计算机软件计算机软件 连接编译程序连接编译程序 诊断排错程序诊断排错程序 应用软件应用软件 ：火车售票系统、超市管理系统火车售票系统、超市管理系统2021-11-21第一章 操作系统引论15操作系统的定义操作系统的定义 操作系统（操作系统（operating system，简称简称OS）是计算机系统中的一个系统软件，它是这样一是计算机系统中的一个系统软件，它是这样一些程序模块的集合些程序模块的集合它们管理和控制计算机它们管理和控制计算机系统中的软件和硬件资源，合理地组织计算机系统中的软件和硬件资源，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工作流程，以便有效地利用这

9、些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作用。用。 2021-11-21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n操作系统的目标操作系统的目标n方便性方便性（配置OS后计算机系统更容易使用）n有效性有效性（改善资源利用率，提高系统的吞吐量）n可扩充性可扩充性（为适应计算机硬件、体系结构以及计算机应用发展的要求。与OS的结构联系紧密，推动了OS结构不断发展）n开放性开放性（OS应遵循世界标准规范。是90年代后计算机技术的核心问

10、题，是衡量新出系统或软件能否被广泛应用的至关重要的因素）2021-11-21第一章 操作系统引论17操作系统的作用操作系统的作用计算机硬件设备计算机硬件设备如何使用？如何使用？底层硬件控制底层硬件控制用户输入用户输入处理结果处理结果课程导论课程导论2021-11-21第一章 操作系统引论18操作系统的作用操作系统的作用nOSOS作为用户与计算机硬件系统之间的作为用户与计算机硬件系统之间的接口接口n命令方式命令方式n系统调用方式系统调用方式n图形、窗口方式图形、窗口方式2021-11-21第一章 操作系统引论19nOSOS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n处理器处理器n存储器

11、存储器nI/OI/O设备设备n文件（数据和程序）文件（数据和程序）操作系统的作用操作系统的作用2021-11-21第一章 操作系统引论20操作系统的作用操作系统的作用nOSOS实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资源的抽象n裸机：裸机：没有配置任何软件的计算机没有配置任何软件的计算机n软件软件是在硬件基础之上对硬件的性能加以是在硬件基础之上对硬件的性能加以扩充扩充和完善和完善n把覆盖了软件的机器称为把覆盖了软件的机器称为扩充机器扩充机器或或虚机器虚机器nOSOS包含了若干个层次，因此在裸机上覆盖包含了若干个层次，因此在裸机上覆盖OSOS后，后，便可获得一台功能显著增强，使用极为方便的便可获得

12、一台功能显著增强，使用极为方便的多层扩充机器多层扩充机器或或多层虚机器多层虚机器。2021-11-21第一章 操作系统引论21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n不断提高计算机资源的利用率（多道批处理系统、SPOOLing系统、虚拟存储器技术、网络环境下的网络文件系统和数据库系统）n方便用户（分时系统、图形用户界面）n器件的不断更新换代（随微机芯片的发展，微机OS也不断发展；OS支持的外设越来越多）n计算机体系结构的不断发展（OS由单机系统发展为多机系统；计算机网络OS)n不断提出新的应用需求(实时OS，嵌入式OS)2021-11-21第一章 操作系统引论221.2 操作系统

13、的发展过程操作系统的发展过程 操作系统因由客观的需要而产生，它操作系统因由客观的需要而产生，它伴随着计算机技术及其应用的发展而逐渐伴随着计算机技术及其应用的发展而逐渐发展和不断完善，它与运行其上的计算机发展和不断完善，它与运行其上的计算机组成与体系结构休戚与共，它的功能由弱组成与体系结构休戚与共，它的功能由弱到强，在计算机系统中的地位不断提高，到强，在计算机系统中的地位不断提高，至今，它已成为计算机系统的核心。至今，它已成为计算机系统的核心。2021-11-21第一章 操作系统引论231.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 n操作系统的产生操作系统的产生 n1.2.1 人工操作阶

14、段（20世纪40年代） n1.2.2 单道批处理阶段（ 20世纪50年代） n1.2.3 执行系统阶段（20世纪60年代初）n操作系统的形成操作系统的形成 n1.2.4 多道批处理（ 20世纪60年代中） n1.2.5 分时系统（ 20世纪60年代后）n1.2.6 实时操作系统（ 20世纪60年代后）2021-11-21第一章 操作系统引论24n操作系统的发展（操作系统的发展（8080年代开始）年代开始）n1.2.7 微机操作系统n1.2.8 多处理机操作系统n1.2.9 网络操作系统n1.2.10 分布式操作系统n1.2.11 嵌入式操作系统2021-11-21第一章 操作系统引论251.2

15、.1 人工操作阶段2021-11-21第一章 操作系统引论26手工交互方式的特点手工交互方式的特点(1) 程序设计直接编制二进制程序设计直接编制二进制目标程序目标程序 (2) 输入输出设备主要是输入输出设备主要是纸带和卡片纸带和卡片 (3) 程序员上机必须程序员上机必须预约机时预约机时(4) 程序员程序员自己自己上机操作上机操作 (5) 程序的启动与结束处理都以程序的启动与结束处理都以手工方式手工方式进行进行(6) 程序员的操作以程序员的操作以交互方式交互方式进行进行(控制台控制台) (7) 单用户方式单用户方式(8) 程序执行过程得不到任何帮助程序执行过程得不到任何帮助2021-11-21第

16、一章 操作系统引论27手工交互方式的缺点手工交互方式的缺点n用户独占计算机用户独占计算机n手工装卸、人工判断、手工修改与调试内存指手工装卸、人工判断、手工修改与调试内存指令等造成令等造成CPU空闲；空闲；n提前完成造成剩余预约时间内的提前完成造成剩余预约时间内的CPU完全空闲；完全空闲；nI/O设备的慢速与设备的慢速与CPU的速度不匹配造成的的速度不匹配造成的CPU空闲等待时间。空闲等待时间。2021-11-21第一章 操作系统引论281.2.2 单道批处理系统 晶体管计算机，操作系统的雏形，称为监监督程序督程序。 为缩短手工操作的时间，使作业与作业之间的过渡摆脱人为干预，实现自动化，便出现了

17、批处理（把若干个作业合成一批，调入计算机执行，完成后再调入下一批作业） 单道批处理： 联机批处理 脱机批处理 2021-11-21第一章 操作系统引论29 用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入到辅存（如磁带）上，形成一个作业队列。当需要调入作业时，监督程序从这一批中选一道作业调入内存运行。当这一作业完成时，监督程序调入另一道程序，直到这一批作业全部完成。 单道批处理系统的工作过程单道批处理系统的工作过程2021-11-21第一章 操作系统引论30联机批处理：由CPU直接控制作业输入输出脱机批处理：由外围机控制作业输入输出2021-11-21第一章 操作系统引论31联机批处理和脱机批处理20

18、21-11-21第一章 操作系统引论32卡片卡片IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带输入磁带磁带机磁带机卡片阅读卡片阅读机机输出磁带输出磁带打印机打印机脱机批处理2021-11-21第一章 操作系统引论33n作业（步）间不需要人的干预n监控程序监控程序常驻内存，开机后第一个进入内存，直到关机一直驻留在内存中n专职操作员，程序员不在现场n单道n监控程序只为一个计算机系统设计n开发过程可以使用FORTRAN等高级语言，程序的最后一条指令需是返回控制到监控程序单道批处理阶段的特征单道批处理阶段的特征2021-11-21第一章 操作系统引论34n作业转换时间大大减小，系统运行效果提高（自

19、动性、顺序性）n存在I/O慢造成的CPU空闲等待时间（单道）n程序员（和非编程用户）无法同计算机交互n一个操作系统被设计成只能在一种机器上运行对单道批处理系统的评价对单道批处理系统的评价2021-11-21第一章 操作系统引论35批处理操作系统n重要实例重要实例nIBM开发的开发的FORTRAN监视系统监视系统FMS，用于，用于IBM709；nIBM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，用于用于IBM7090和和7094；n密歇根大学开发的密歇根大学开发的UMES(密歇根大学执行密歇根大学执行体系统），用于体系统），用于IBM7094。2021-11-21第一章

20、操作系统引论361.2.3 执行系统阶段n批处理仍有缺点：如需要额外的卫星机、磁带机的装卸需要手动操作等n20世纪60年代初期，硬件在两个方面取得了重要的进展：通道的引入和中断技术的出现。这是操作系统发展史上的重要事件，推进操作系统进入执行系统阶段。n执行系统阶段是操作系统的初级阶段，它为操作系统的最终形成奠定了基础。2021-11-21第一章 操作系统引论3.4 4 多道批处理系统多道批处理系统操作系统发展史上革命性变革。操作系统发展史上革命性变革。多道程序设计技术多道程序设计技术：在内存中存放多道程序,使它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。2021-11-21第一章 操作

21、系统引论38单道和多道程序工作过程比较2021-11-21第一章 操作系统引论39多道程序运行的特点多道程序运行的特点n多道。n宏观上并行：同时有多道程序在内存运行，某一时间段上，各道程序不同程度地向前推进。n微观上串行：任一时刻最多只有一道作业占用CPU，多道程序交替使用CPU 。2021-11-21第一章 操作系统引论40多道批处理系统的工作过程多道批处理系统的工作过程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系统多道批处理系统。 用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入到辅存（如磁盘）上，形成一个作业队列。当需要调入作业时，管理程序从这一批中选几道作业调入内存，让它们进入内存

22、运行。当一些作业完成时，管理程序调入另一些程序，直到这一批作业全部完成。 2021-11-21第一章 操作系统引论41多道批处理系统的优点多道批处理系统的优点n资源利用率高。资源指CPU及设备。n系统吞吐量大。系统吞吐量系统吞吐量指系统在单位时间完成的总工作量。2021-11-21第一章 操作系统引论42多道批处理系统的缺点多道批处理系统的缺点n平均周转时间长。作业的周转时间作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。n无交互能力。2021-11-21第一章 操作系统引论43多道批处理系统n典型的多道批处理系统是典型的多道批处理系统是IBM的的OS/360，它运

23、行在，它运行在IBM的第三代计算的第三代计算机机System/360，System/370，System/4300等上。等上。2021-11-21第一章 操作系统引论4.5 5 分时系统分时系统n推动多道批处理系统形成和发展的动力是提高资源提高资源利用率利用率和系统吞吐量系统吞吐量。n推动分时系统形成和发展的主要动力是用户的需要：交互、共享主机、方便上机交互、共享主机、方便上机。n分时系统分时系统是指在一台主机上连接多个带有显示器和是指在一台主机上连接多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的键盘，键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的键盘，以交互的方式使用计算机，

24、共享主机中的资源。以交互的方式使用计算机，共享主机中的资源。2021-11-21第一章 操作系统引论45图示主机主机终终端端2021-11-21第一章 操作系统引论46分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题 实现人机交互是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收并处理。n及时接收作业直接进入内存、不允许一个作业长期占用处理机2021-11-21第一章 操作系统引论47分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题n及时处理（划分时间片） 多个用户分时使用主机，每一用户分得一个时间片，用完这个时间片后操作系统将处理机分给另一用户，如此循环，每一用户可以周期性

25、地获得CPU使用权，这样每一用户都有一种独占CPU的感觉。2021-11-21第一章 操作系统引论48分时系统的特征分时系统的特征n多路性：允许同一主机联接多台终端。n独立性：每一用户独占一个终端。n及时性：用户请求能及时响应。n交互性：可进行广泛的人机对话。2021-11-21第一章 操作系统引论49分时操作系统n分时操作系统里最有名的应该是分时操作系统里最有名的应该是MULTICS和和UNIX。n分时操作系统通常运行在第三代机分时操作系统通常运行在第三代机PDP，VAX和和CRAY上，其中上，其中PDP，VAX是是DEC公司生产的，公司生产的，CRAY是是CRAY公司生公司生产的。产的。2

26、021-11-21第一章 操作系统引论50.6 6 实时操作系统实时操作系统n实时系统（RealTime System）是指系统能及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地运行。n实时控制：如工业控制、武器的控制等。 n实时信息处理：如联网订票系统。2021-11-21第一章 操作系统引论511.2.5 1.2.5 实时操作系统实时操作系统实时系统的特征：n多路性n独立性n及时性n交互性n可靠性2021-11-21第一章 操作系统引论52实时操作系统n商业实时操作系统的代表有商业实时操作系统的代表有VxWorks和和EMC的的DART系

27、统。系统。2021-11-21第一章 操作系统引论531.2.7 微机操作系统微机操作系统 单用户单任务OS：只允许一个用户上机、且只允许用户程序作为一个任务运行。最具代表性的是CP/M和MS-DOS。 单用户多任务OS：只允许一个用户上机、但允许将一个用户程序分为若干个任务，使它们并发执行。最具代表性的是OS/2和MS-WINDOWS。 多用户多任务OS：允许多个用户通过各自的终端使用同一台主机，共享主机的各类资源，同时用户程序又可进一步分成几个任务，使它们并发执行。最具代表性的是UNIX OS。2021-11-21第一章 操作系统引论54CP/M CP/M 操作系统操作系统n随着大规模集成

28、电路发展，个人计算机时代到来了随着大规模集成电路发展，个人计算机时代到来了, ,各种类各种类型的个人计算机和软件层出不穷型的个人计算机和软件层出不穷n19731973年年Gary Gary KildallKildall看到对个人计算机操作系统的需求看到对个人计算机操作系统的需求, ,设设计了计了CP/MCP/M操作系统操作系统( (Control Program/Microprocessor or Microcomputer)Control Program/Microprocessor or Microcomputer)nCP/MCP/M操作系统有较好的层次结构。它的操作系统有较好的层次结构。

29、它的BIOSBIOS把操作系统的其把操作系统的其他模块与硬件配置分隔开，所以它的可移植性好他模块与硬件配置分隔开，所以它的可移植性好, , 具有较好具有较好的可适应性和易学易用性的可适应性和易学易用性n到了到了19811981年，年，CP/MCP/M操作系统成为世界上流行最广的操作系统成为世界上流行最广的8 8位操作位操作系统之一系统之一2021-11-21第一章 操作系统引论55微软微软MS DOSn个人计算机的成功，逼得个人计算机的成功，逼得IBMIBM采取紧急战略行动采取紧急战略行动, ,决定要在决定要在19801980年尽快生产出微型计算机，以应付挑战年尽快生产出微型计算机，以应付挑战

30、n但没有操作系统不行。要想快就是找现成系统配套，但没有操作系统不行。要想快就是找现成系统配套，IBMIBM公公司洽谈司洽谈 CP/MCP/M操作系统不顺利，机遇落到了微软公司操作系统不顺利，机遇落到了微软公司n在关键时刻，开发新操作系统时间和人手上已经不可能，在关键时刻，开发新操作系统时间和人手上已经不可能，微软找到西雅图计算机产品公司，达成由微软经销西雅图微软找到西雅图计算机产品公司，达成由微软经销西雅图计算机产品公司的计算机产品公司的QDOSQDOS操作系统的协议操作系统的协议n当时西雅图公司并不知道当时西雅图公司并不知道QDOSQDOS将被转卖给将被转卖给IBMIBM，否则历史将否则历史

31、将会怎样演变，谁也无法知晓会怎样演变，谁也无法知晓2021-11-21第一章 操作系统引论56nIBMIBM在在19811981年推出个人计算机，宣布了年推出个人计算机，宣布了DOSDOS操作系统操作系统n随着随着IBM PCIBM PC和和MS DOSMS DOS普及，普及，CP/MCP/M逐渐走向下坡路逐渐走向下坡路nMS DOSMS DOS有优良的文件系统有优良的文件系统 但受到但受到Intel x86Intel x86体系结构的限制，缺乏以硬件为基础的存体系结构的限制，缺乏以硬件为基础的存储保护机制储保护机制 随着随着IBM PCIBM PC机及其兼容机的畅销，机及其兼容机的畅销，MS

32、 DOSMS DOS成为成为1616位微机单用位微机单用户单任务操作系统标准户单任务操作系统标准 从从19811981的的 1.0 1.0版到版到19981998年在年在Windows 95/98Windows 95/98之下的之下的7.07.0版，版，MS MS DOSDOS历经了历经了1616个年头个年头n迄今仍有迄今仍有MS DOSMS DOS爱好者继续开发各种爱好者继续开发各种DOSDOS软件产品软件产品微软微软MS DOS2021-11-21第一章 操作系统引论57IBM OS/2 19871987年年4 4月，月，IBMIBM公司在宣布下一代个人系统公司在宣布下一代个人系统PS/2

33、PS/2的同时，发的同时，发表了表了OS/2OS/2。 它是一种在它是一种在8028680286保护方式下工作的单用户多任务操作系统保护方式下工作的单用户多任务操作系统 该系统的硬件必须以该系统的硬件必须以8028680286或或8038680386为芯片，存储容量在为芯片，存储容量在1 1MBMB以上并带有硬盘。以上并带有硬盘。 OS/2OS/2能够实现真正的多任务处理，它允许能够实现真正的多任务处理，它允许1616个任务并发执行个任务并发执行，能在最大，能在最大1616MBMB实存及实存及1 1GBGB虚存之间进行地址映射，并具有可虚存之间进行地址映射，并具有可运行原运行原MS DOSMS

34、 DOS软件的机制软件的机制2021-11-21第一章 操作系统引论58微软微软Windows 操作系统操作系统n19831983年年1010月，月，PCPC机竞争厂家的图形界面相关产机竞争厂家的图形界面相关产品上市品上市n面对市场压力，比尔面对市场压力，比尔. .盖茨在盖茨在19831983年年1111月月1010日宣日宣布推出布推出WindowsWindows操作系统操作系统n然而宣布容易，交货就不简单了，然而宣布容易，交货就不简单了，WindowsWindows交货交货期的灾难，成了当年计算机界的笑柄期的灾难，成了当年计算机界的笑柄n直到直到19851985年年1111月月2020日，日

35、，Windows 1.0Windows 1.0才正式上市才正式上市2021-11-21第一章 操作系统引论59Windows 的历史记录的历史记录n WindowsWindows在当时微软历史上创了几个记录：延迟交货次数最多，投入开发在当时微软历史上创了几个记录：延迟交货次数最多，投入开发人员最多，开发时间最长，更换主管人员最多人员最多，开发时间最长，更换主管人员最多 1990 1990年微软公司推出的年微软公司推出的Windows 3.0Windows 3.0以其易学易用、友好的图形用户界面、以其易学易用、友好的图形用户界面、支持多任务的优点，很快占领了市场。支持多任务的优点，很快占领了市场

36、。 1992 1992年推出的年推出的Windows 3.1Windows 3.1版，提供了版，提供了386386增强模式，提高了运行速度，功增强模式，提高了运行速度，功能也更强大。能也更强大。 1993 1993年推出了年推出了Windows NTWindows NT是一个全新的是一个全新的3232位多任务操作系统，成为位多任务操作系统，成为WindowsWindows家族中功能最强并支持网络功能的操作系统。家族中功能最强并支持网络功能的操作系统。 1995 1995年推出了年推出了Windows 95,Windows 95,之后在此基础上又推出了之后在此基础上又推出了Windows 97W

37、indows 97、98 98 ，提供了提供了InternetInternet浏缆器和网络功能，使它们成了当今个人计算机上最广泛浏缆器和网络功能，使它们成了当今个人计算机上最广泛使用的操作系统。使用的操作系统。n 个人计算机采用个人计算机采用WindowsWindows占占9090以上，微软公司成了垄断以上，微软公司成了垄断PCPC行业的同义词行业的同义词2021-11-21第一章 操作系统引论60Windows系列系列2021-11-21第一章 操作系统引论61n多处理机系统（70年代）的类型：n紧密耦合MPS：多处理机通过高速线路互连，它们共享主存和外设。n松散耦合MPS：通过通道或通信线

38、路实现多台计算机互连，每台计算机可独立工作，必要时通过通信线路与其它计算机交互。 2.8 多处理机操作系统多处理机操作系统2021-11-21第一章 操作系统引论62n多处理机操作系统的类型：n非对称多处理模式：主从模式，主处理机只有一个，配置操作系统。从处理机可有多个。n对称多处理模式：所有处理机都相同。操作系统可根据需要运行于其中的任一处理机上。2021-11-21第一章 操作系统引论63 计算机网络计算机网络：通过通讯设施将物理上分散的具有自治功能：通过通讯设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互连起来的，实现信息交换、资源共享、可的多个计算机系统互连起来的，实现信

39、息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。互操作和协作处理的系统。 网络操作系统的特征网络操作系统的特征：（1 1）计算机网络是一个互连的计算机系统的群体。）计算机网络是一个互连的计算机系统的群体。（2 2）这些计算机是自治的，每台计算机有自己的操作系统，各）这些计算机是自治的，每台计算机有自己的操作系统，各自独立工作，它们在网络协议控制下协同工作。自独立工作，它们在网络协议控制下协同工作。（3 3）系统互连要通过通信设施（软、硬件）来实现。）系统互连要通过通信设施（软、硬件）来实现。（4 4）系统通过通信设施执行信息交换、资源共享、互操作和协）系统通过通信设施执行信息交换、资源共享、互操作

40、和协作处理，实现多种应用要求。作处理，实现多种应用要求。1.2.9 1.2.9 网络操作系统网络操作系统2021-11-21第一章 操作系统引论641.2.10 分布式操作系统分布式操作系统 在以往的系统中，其处理和控制功能都高度集中在一台主机上，所有的任务都由主机处理，这样的系统称为集中式处理系统。所谓分布式系统分布式系统，是指由多个分散的处理单元经网络的连接而形成的系统。在分布式处理系统中，系统的处理和控制功能都分散在系统的各个处理单元上。系统中的所有任务可以动态地分配到各个处理单元中去。 2021-11-21第一章 操作系统引论65分布式操作系统分布式操作系统 与网络操作系统的比较与网络

41、操作系统的比较n分布性分布性：在分布式系统中只有一个分布式操作系统，而在网络系统中各个结点可以有不同的网络操作系统。n并行性并行性：分布式系统中可以将一个或多个任务动态分配到不同的单元上，在网络系统中每个用户的一个或多个任务通常都在本地处理。n透明性透明性：分布式系统具有透明性，如用户要访问某文件，他只需要知道文件名，无需知道文件在哪个站点。对网络系统来说，用户要访问一个文件时要知道文件名及位置。2021-11-21第一章 操作系统引论66 n共享性共享性：在分布式系统中，各站点的所有资源都可供全系统共享，在网络系统中一般仅有服务器上的部分资源可供全网共享。n健壮性健壮性：分布式系统有健壮性，

42、当某站点出现故障时，正在该站点处理的任务能被自动迁移到好的站点。在网络系统中若服务器故障往往导致全网瘫痪。分布式操作系统分布式操作系统 与网络操作系统的比较与网络操作系统的比较2021-11-21第一章 操作系统引论67 .11 嵌入式操作系统嵌入式操作系统n在机器人、PDA、车载系统、家用电器、手机等设备上，都需要一个支持多道程序设计的环境，提供这种环境的操作系统称为嵌入式操作系统（Embedded Operating System)。嵌入式操作系统大多用于控制，因而具有实时特性。n代表性的嵌入式操作系统有WinCE(微软公司的Vinus计划)、PalmOS、VxWorks

43、、国内的Hopen(女娲计划)等2021-11-21第一章 操作系统引论681）可裁减性：嵌入式操作系统的硬件配置和应用需求差别很大，要求嵌入式操作系统必须具备较好的适应性，即可裁减。2）可移植性：在嵌入式开发中存在多种多样的CPU和底层硬件环境，仅流行的CPU就会达到十几款，在设计时必须充分考虑，通过一种可移植方案来实现不同硬件平台上的移植。3）可扩展性：指可以很容易地在嵌入式操作系统上扩展新的功能。这要求在进行系统设计时，充分考虑功能之间的独立性，并为将来的扩展预留接口。嵌入式操作系统与一般操作系统的差别嵌入式操作系统与一般操作系统的差别2021-11-21第一章 操作系统引论69嵌入式操

44、作系统的应用智能卡智能卡移动通信移动通信计算机外设计算机外设机顶盒机顶盒零售设备零售设备印刷机印刷机复印机复印机互联网服务器互联网服务器电话交换设备电话交换设备2021-11-21第一章 操作系统引论701.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 n1.3.1 并发（Concurrence）n1.3.2 共享（Sharing）n1.3.3 虚拟（Virtual）n1.3.4 异步性（Asynchronism）2021-11-21第一章 操作系统引论711.3.1 并发 所谓并发是指在内存中放多道作业， 在一个时间段上来看，每一道作业都能不同程度地向前推进。但在任何一个时间点上只能有一道占用C

45、PU。与并发相关的两个概念：与并发相关的两个概念：n 串行：在内存中每次只能放一道作业，只有它完全执行完后别的作业才能进入内存执行。n并行： 存在于有多个多个CPU的环境中， 在内存中放多道作业，在任一时间点上都可能有多道作业在不同的CPU上同时执行。 2021-11-21第一章 操作系统引论72引入进程：引入进程：程序是静态实体，在多道程序系统中，不能并发执行，操作系统引入进程的目的就是为了使多个程序能并发执行。引入线程：引入线程：进程是操作系统中可以拥有资源并作为独立运行的基本单位。当一个进程因故不能继续运行时，操作系统便调度另一进程运行。由于进程拥有自己的资源，故使调度付出的开销较大，为

46、此20世纪80年代中期，人们引入了比进程更小的单位线程，以便进一步提高系统的并发性。2021-11-21第一章 操作系统引论731.3.2 共享共享：系统中的资源可供多个并发的进程共同使用。两种资源共享方式：n 互斥共享方式（临界/独占资源）n 同时访问方式并发与共享互为条件！并发与共享互为条件！2021-11-21第一章 操作系统引论741.3.3 虚拟n通过某种技术将一个物理实体映射为若干个逻辑上对应物。n虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。n操作系统中利用了两种方式实现虚拟技术：时分复用技术和空分复用技术2021-11-21第一章 操作系统引论75时分复用技术时分复用

47、技术即分时使用方式，在计算机领域中，广泛利用该技术来实现虚拟处理机、虚拟设备等，以提高资源的利用率。 虚拟处理机技术：利用多道程序设计技术，为每道程序建立一个进程，让多道程序并发地执行，以此来分时使用一台处理机。即利用多道程序设计技术，把一台物理上的处理机虚拟为多台逻辑上的处理机，在每台逻辑处理机上运行一道程序。 虚拟设备技术：可以通过虚拟设备技术，将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备，这样便可使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备（即临界资源），变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。2021-11-21第一章 操作系统引论

48、76空分复用技术空分复用技术由频分复用技术发展而来。在计算机中使用空分复用技术来提高存储空间的利用率。 虚拟磁盘技术：通过虚拟磁盘技术将一台硬盘虚拟为多台虚拟磁盘，即将硬盘划分为若干个卷，再通过安装程序将它们分别安装在C、D、E等等逻辑驱动器上，这样机器上便有了若干虚拟磁盘，使用起来即方便又安全。 虚拟存储器技术：空分复用是利用存储器的空闲空间来存放其它程序，以提高内存的利用率。但单纯的空分复用存储器不能实现逻辑上扩大存储器容量的功能，必须引入虚拟存储技术才能达到此目的。而虚拟存储技术在本质上就是使内存分时复用，它可以使一道程序通过时分复用方式，在远小于它的内存空间运行。2021-11-21第

49、一章 操作系统引论77应着重指出应着重指出：如果虚拟的实现是通过时分复用的方法来实现的，即对某一物理设备进行分时使用，设N是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则每台虚拟设备的平均速度必然等于或低于物理设备速度的1/N。类似地，如果是利用空分复用方法来实现虚拟，此时一台虚拟设备平均占用的空间必然也等于或低于物理设备所拥有空间的1/N。2021-11-21第一章 操作系统引论781.3.4 异步性 多道程序环境下，多个进程并发执行，但只有进程在获得所需资源后方能执行。n在单处理机环境下，每次只允许一个进程执行，其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源要求时，如打印请求，此时打印机正在为另一

50、进程打印，因此正在执行的进程必须等待，且放弃处理机，直到打印机空闲，并再次把处理机分配给该进程时，该进程方能继续执行。即进程的执行通常是以“走走停停”的方式运行。n内存中的每个进程在何时获得处理机运行，何时又因提出某种资源请求而暂停，进程以怎样的速度向前推进，每道程序需多少时间才能完成，等等，都是不可预知的，此即进程的异步性。2021-11-21第一章 操作系统引论791.1.4 4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 n1.4.1 处理机管理 n1.4.2 存储管理 n1.4.3 设备管理 n1.4.4 文件管理n1.4.5 用户接口2021-11-21第一章 操作系统引论801.1.4.

51、1 4.1 处理机管理处理机管理 处理机是最重要的资源，现代操作系统允许多个程序共享处理机，按照某种算法（分时、优先级）交替地使用处理机。处理机管理包括以下几方面：进程控制进程控制、进程同步进程同步、进程通信进程通信、调度调度2021-11-21第一章 操作系统引论8 4.2 存储管理存储管理 第二重要资源。存储器管理要具备下列功能：n内存分配 n地址映射：把程序中的逻辑地址映射为物理地址 n存储保护：使多道程序间互不干扰n存储扩充：用辅存扩充主存，实现“虚拟存储器” 2021-11-21第一章 操作系统引论8 4.3 设备管理设备管理最庞大、琐碎的部分，因为：

52、 n物理设备品种繁多、用法各异 n各种外设能和主机并行工作n主机与各类外设速度极不匹配，级差很大2021-11-21第一章 操作系统引论83主要任务主要任务: : 完成用户进程提出的I/O请求 为用户进程分配其所需的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2021-11-21第一章 操作系统引论84设备管理的功能设备管理的功能n缓冲管理：为设备提供缓冲区以缓和CPU与设备的I/O速度不匹配的矛盾。 n设备分配 n设备处理（设备驱动程序）：实现CPU和设备控制器之间的通信。2021-11-21第一章 操作系统引论8 4.4 文件系统管理文

53、件系统管理文件系统管理的功能： n文件存储空间管理。n目录管理：为了用户方便找到他所需的文件。 n文件的读写管理和保护：文件保护就是防止文件被非法使用。2021-11-21第一章 操作系统引论8 4.5 操作系统与用户之间的接口操作系统与用户之间的接口n用户接口：为了便于用户直接或间接地控制自己的作业。 （联机用户接口、脱机用户接口和图形用户接口）n程序接口：为用户程序在执行中访问系统资源而设置的。由一组系统调用组成。2021-11-21第一章 操作系统引论871.5 操作系统的硬件环境n1.5.1 1.5.1 定时装置定时装置：为实现系统的管理和维护，硬件必须提供定时装置，即

54、实时时钟。硬件时钟通常有两种，即绝对时钟和间隔时钟 1.绝对时钟绝对时钟：类似电子表，其值保存在硬件寄存器中，开机时由电源供电计时，关机时由机内电池供电计时，程序一般可通过特权指令设定、修改和读取其值。 操作系统根据绝对时钟的值记录作业进入系统和处理的时间、文件修改和存取的时间、资源占用时间、日志记录时间等 2021-11-21第一章 操作系统引论882.间隔时钟间隔时钟：也称闹钟，它每隔固定的时间，如10ms，发生一次时钟中断。时钟中断发生后，操作系统获得系统的控制权，以便运行系统管理和实现程序开发。只有通过中断才能实现多道程序设计，尽管还有其他可能引起中断的事件，但时钟中断是最“可靠”的，

55、因此间隔时钟是现代操作系统的基础2021-11-21第一章 操作系统引论89n1.5.2 1.5.2 系统栈系统栈：这是内存中操作系统空间的一个固定区域，它主要有两个用途：中断响应时保存中断现场，对于嵌套中断，被中断程序的现场信息依次压入系统栈，中断返回时逆序弹出；保存操作系统子程序间相互调用的参数、返回值、返回点以及子程序的局部变量。 每个运行程序有一个对应的系统栈，进程切换时同时伴随系统栈的切换，但硬件只有一个系统栈指针。2021-11-21第一章 操作系统引论90n1.5.3 1.5.3 特权指令和非特权指令：特权指令和非特权指令：现代计算机的指令系统由特权指令集和非特权指令集两部分组成

56、，它们的使用与系统状态有关。 1.特权指令特权指令：只能在管态下才能执行的指令，如开关中断、修改地址映射寄存器、置程序状态字、停机等。这些指令一般只有操作系统才能执行。 2.非特权指令非特权指令：在管态和目态下均可执行的指令,它的执行只与运行程序本身有关，如数据传送指令、算术运算指令等。2021-11-21第一章 操作系统引论91n1.5.4 1.5.4 处理机状态及状态转换处理机状态及状态转换 1.1.处理机状态处理机状态：为构造一个可靠的系统，硬件至少要区分两：为构造一个可靠的系统，硬件至少要区分两种状态种状态: :管态和目态，它由一位触发器标识，通常属于程序状管态和目态，它由一位触发器标

57、识，通常属于程序状态字态字(PSW)(PSW)的一部分。的一部分。 （1 1）管态：也称为系统态、核心态，是操作系统运行时所处）管态：也称为系统态、核心态，是操作系统运行时所处的状态。计算机处于管态时可运行硬件所提供的所有指令。利的状态。计算机处于管态时可运行硬件所提供的所有指令。利用特权指令可以修改程序状态字，即在管态下可以改变机器状用特权指令可以修改程序状态字，即在管态下可以改变机器状态，由管态转换为目态态，由管态转换为目态 （2 2）目态：也称为用户态，是一般用户程序运行时所处的状）目态：也称为用户态，是一般用户程序运行时所处的状态。处理器在处于目态时只能执行非特权指令。一旦用户程序态。

58、处理器在处于目态时只能执行非特权指令。一旦用户程序在目态下执行特权指令，硬件将产生中断，进入操作系统，特在目态下执行特权指令，硬件将产生中断，进入操作系统，特权指令的执行将被制止。目态程序不能将其运行的状态转换为权指令的执行将被制止。目态程序不能将其运行的状态转换为管态，这样就可以防止用户侵入系统，从而起到保护系统的作管态，这样就可以防止用户侵入系统，从而起到保护系统的作用。用。2021-11-21第一章 操作系统引论922.状态转换状态转换：在系统运行的过程中，处理器的状态处于动态变化中，但变化是有规律的。 （1）目态到管态的转换：目态程序无法直接控制处理器的状态转换，唯一的途径是中断。中断

59、发生时，中断向量中的处理器状态字应标识处于管态，这个标识一般是由操作系统初始化程序来设置的。 （2）管态到目态的转换：可通过修改程序状态字来实现。由于操作系统运行于管态，用户程序运行于目态，因此这种状态转换伴随着由操作系统到用户程序的转换。2021-11-21第一章 操作系统引论93n1.5.5 1.5.5 地址映射机构地址映射机构:在多道程序系统中，内存中同时存在多个程序，一个程序在内存中的存放位置是随机确定的，而且通常可以改变，因此程序不能采用物理地址，而只能采用逻辑地址。为使每个程序的基本单位都能从0开始编址，硬件需要提供地址映射机构，负责将运行程序所产生的逻辑地址转换为内存的物理地址。

60、地址映射机构在不同的硬件环境中不尽相同，它在很大程度上确定了存储管理方式。2021-11-21第一章 操作系统引论94n1.5.6 1.5.6 存储保护设施存储保护设施：在多道程序系统中，一个程序有意或无意产生的错误地址可能会侵犯其他程序空间甚至操作系统空间，一个程序对公共存储区域试图执行非法操作，这些都有可能影响其他程序甚至整个系统。为防止这些情况的发生，硬件必须提供存储保护措施，当发生存储越界错误或非法存取错误时，硬件的存储保护设施能够立即发现，并触发中断进入管态加以制止。2021-11-21第一章 操作系统引论95n1.5.7 1.5.7 中断装置中断装置：发现并响应中断的硬件机构，具有以下两个