第一章 操作系统引论

1、教材：计算机操作系统（第四版）教材：计算机操作系统（第四版）汤小丹等编著汤小丹等编著课课 程程 名：操作系统原理名：操作系统原理教教 师：王秋芬师：王秋芬办公地点：办公楼办公地点：办公楼73077307手手 机：机：1583848230215838482302第一章 操作系统引论1.1 操作系统的目标和作用1.2 操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特性 1.4 操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计 第一章 操作系统引论（OS引论）1.1 操作系统的目标和作用一、操作系统在计算机系统中的地位（视频）1. 核心地位2 .系统软件用 户应用程序系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算

2、机硬件二、OS的作用1 . OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口接口2 . OS作为计算机系统资源的管理者管理者3 3 . OS实现了对计算机资源的抽象抽象（OS用作扩充机器）物理接口硬件用户用户I/O软件物理接口硬件机器指令虚机器I/O操作命令(Read，Write)三、深入认识OS1 . OS是什么？OS是铺设在计算机硬件上的多层软件的集合多层软件的集合，它们增强了系统的功能，同时隐藏了对硬件操作的具体细节，实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象模型。2 . OS能做什么？管理、控制、提供服务3 . OS该怎么做？原理、方法及实现技术（如多用户多任务、并发、并行、虚拟等）思考：思考：开发

3、OS这样一个系统软件，目标是什么？四、OS的目标1 .方便性（让用户好用）2.有效性（资源利用率高、处理任务的能力强）3 .可扩充性（适应计算机技术的快速发展）4 .开放性（能兼容，遵循开发系统OSI国际标准）五、推动OS发展的主要动力1. 不断提高计算机资源利用率 2. 方便用户 3. 器件的不断更新换代 4. 计算机体系结构的不断发展5. 不断提出新的应用需求 1.2 操作系统的发展过程1.2.1 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年代中期的计算机，属于

4、第一代，这时年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现还未出现OSOS。 由程序员将事先已穿孔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) )装入纸带输装入纸带输入机入机( (或卡片输入机或卡片输入机) )，再启动它们将程序和数据输入计算机，再启动它们将程序和数据输入计算机， 然后启动计然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后， 才让下一个用户上机。才让下一个用户上机。人工操作方式的特点特点:用户独占全机CPU等待人工操作串行性缺点:效率低计算机的有效机时严重浪费2. 脱机输入/输出方式 在

5、采用脱机输入输出方式时，程序和数据的输入输出在采用脱机输入输出方式时，程序和数据的输入输出都是在外围计算机的控制下完成的，即它们是脱离主机进都是在外围计算机的控制下完成的，即它们是脱离主机进行的，故称之为脱机输入输出操作。行的，故称之为脱机输入输出操作。 脱机脱机I/OI/O方式的主要优点如下方式的主要优点如下： （1 1）减少了）减少了CPUCPU的空闲时间。的空闲时间。 （2) 2) 提高提高I/OI/O速度。速度。图图 1-2 1-2 脱机脱机I/OI/O示意图示意图1.2.2 单道批处理系统 单道批处理系统的处理过程单道批处理系统的处理过程 批处理（对一批作业自动进行处理，在内批处理（

6、对一批作业自动进行处理，在内存中仅有一道作业）存中仅有一道作业）图图 1-3 1-3 单道批处理系统的处理流程单道批处理系统的处理流程 把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？否装 配目标程序还有下一个作业？是否停止运 行目标程序是开始 单道批处理系统（监督程序）是最早出现的单道批处理系统（监督程序）是最早出现的一种一种OSOS，严格地说，它只能算作是，严格地说，它只能算作是OSOS的前身而的前身而并非是现在人们所理解的并非是现在人们所理解的OSOS。 优点：优点：提高了资源利用率和系统吞吐量提高了资源利用率和系统吞吐量 缺点：缺点：资源得不到充分利用资源得不到充分利用2.2.单道批处

7、理系统的特征单道批处理系统的特征1.2.3 多道批处理系统 1. 1. 多道程序设计的基本概念多道程序设计的基本概念 在计算机内存中同时存放在计算机内存中同时存放若干道若干道已开始运行尚未结已开始运行尚未结束的程序，它们交替运行，共享系统中的各种硬、软件资束的程序，它们交替运行，共享系统中的各种硬、软件资源，从而使处理机得到充分利用。源，从而使处理机得到充分利用。 在该系统中，在该系统中， 用户所提交的作业都先存放在用户所提交的作业都先存放在外存外存上并上并排成一个队列，称为排成一个队列，称为“后备队列后备队列”；然后，由；然后，由作业调度作业调度程程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调

8、入序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存内存，使它们共享使它们共享CPUCPU和系统中的各种资源。和系统中的各种资源。 例子（例子（比较单道和多道比较单道和多道） 一个一个cpu、一台输入设备、一台打印机。内存中有、一台输入设备、一台打印机。内存中有A、B两个两个就绪进程，进程就绪进程，进程A先得到先得到cpu运行，进程运行，进程B后运行。后运行。进程进程A ：计算：计算50ms，打印信息，打印信息100ms，再计算，再计算50ms，打印信息，打印信息100ms。进程进程B ：计算：计算50ms，输入数据，输入数据80ms，再计算，再计算100ms 2.多道批处理系统的优缺点 优点：

9、优点： (1) (1)资源利用率高（资源利用率高（CPU,CPU,内存和内存和I/OI/O设备）设备） (2) (2)系统吞吐量大系统吞吐量大 缺点：缺点： (3) (3)平均周转时间长平均周转时间长 (4) (4)无交互能力。无交互能力。适合大型科学计算、数据处理。适合大型科学计算、数据处理。 3.多道批处理需要解决的问题 （1 1）处理机争用问题。）处理机争用问题。 （2 2）内存分配与保护问题。）内存分配与保护问题。 （3 3）I/OI/O设备分配问题。设备分配问题。 （4 4）文件的组织与管理问题。）文件的组织与管理问题。 （5 5）作业管理问题。）作业管理问题。（6 6）用户与系统的

10、接口问题）用户与系统的接口问题 1.2.4 分时系统 1. 1. 分时系统分时系统(Time-Sharing System)(Time-Sharing System)的引入的引入 分时系统是分时系统是为了满足用户对人机为了满足用户对人机- -交互的需求交互的需求所所形成的一种新型形成的一种新型OSOS。 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) 人人机交互机交互 (2) (2) 共享主机共享主机主机主机终终端端2. 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 实现分时系统的最关键的问题：如何使用户能与实现分时系统的最关键的问题：如何使用户能

11、与自己的作业进行交互即自己的作业进行交互即人人机交互机交互。即使有多个用户。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时接收并处理: :1 1）及时接收。（配置多路卡，实现分时多路复用）及时接收。（配置多路卡，实现分时多路复用） 2 2）及时处理。（用户任务直接进入内存、时间片轮转）及时处理。（用户任务直接进入内存、时间片轮转方法）方法）3.分时操作系统特征多路性多路性独立性独立性及时性及时性交互性交互性同时有多个用户使用一台计算机同时有多个用户使用一台计算机宏观上：是多个人同时使用一个宏观上：是多个人同时使用一个CP

12、UCPU微观上：多个人在不同时刻轮流使用微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPUCPU用户根据系统响应结果进一步用户根据系统响应结果进一步提出新请求提出新请求( (用户直接干预每一步用户直接干预每一步) )用户感觉不到计算机为其他人服务用户感觉不到计算机为其他人服务（OSOS提供虚机器，各个用户的虚提供虚机器，各个用户的虚机器互不干扰）机器互不干扰）系统对用户提出的请求及时响应系统对用户提出的请求及时响应1.2.5 实时系统 “ “实时实时”，是表示，是表示“及时及时”，而，而实时系统实时系统(Real-Time System)(Real-Time System)是指系统能及时响应外是指系统能及

13、时响应外部事件的请求，在部事件的请求，在规定的时间内规定的时间内完成对该事完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。运行。 特点：及时性要求高，系统可靠性高。特点：及时性要求高，系统可靠性高。 1.实时操作系统的分类工业（武器）工业（武器）控制系统控制系统 计算机计算机用于对用于对生产过程生产过程（武器）的（武器）的控制，控制，形成以计算形成以计算机为中心的控制系统。如：钢铁冶炼和钢板轧制的自动机为中心的控制系统。如：钢铁冶炼和钢板轧制的自动控制、炼油、化工生产过程的自动控制控制、炼油、化工生产过程的自动控制, ,导弹制导系统，导弹制导系统，飞

14、机的自动驾驶系统飞机的自动驾驶系统等。等。信息信息查询查询系统系统 计算机及时接收从远程终端发来的服务请求，根据用计算机及时接收从远程终端发来的服务请求，根据用户提出的问题对信息进行检索和处理，并在很短时间内户提出的问题对信息进行检索和处理，并在很短时间内对用户做出正确回答。对用户做出正确回答。例如：例如：银行查询系统，银行查询系统，机票订购机票订购系统、系统、股市行情，情报检索股市行情，情报检索信息信息查询查询系统系统等等。多媒体系统多媒体系统 插放将文本、图像、音频、视频等信息集成在一起的插放将文本、图像、音频、视频等信息集成在一起的多媒体文件多媒体文件时，为了较好的视觉、听觉效果，要求多

15、媒时，为了较好的视觉、听觉效果，要求多媒体系统必须是实时信息处理系统体系统必须是实时信息处理系统嵌入式系统嵌入式系统 将芯片嵌入到各种仪器和设备中，使之具有智能。配将芯片嵌入到各种仪器和设备中，使之具有智能。配置嵌入式置嵌入式OSOS同样需要实时控制或处理。同样需要实时控制或处理。2.实时任务的分类实时任务的分类 (P10)1 1）按执行时是否呈现周期性来划分）按执行时是否呈现周期性来划分 （1 1）周期性实时任务）周期性实时任务 （2 2）非周期性实时任务（开始截止时间、完成截止）非周期性实时任务（开始截止时间、完成截止时间）时间）2 2）根据对截至时间的要求来划分）根据对截至时间的要求来划

16、分 （1 1）硬实时任务）硬实时任务 （2 2）软实时任务）软实时任务（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 3.实时系统与分时系统特征的比较1.2.6 微机操作系统的发展微机操作系统的发展（P11） 按运行方式分为：按运行方式分为：1.1.单用户单任务操作系统单用户单任务操作系统只允许一个用户上机且只允许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用户程序作为一个任务运行 CP/M CP/M（8 8位）位）,MS-DOS,MS-DOS（1616位、位、3232位）位）2.2.单用户多任务操作系统单

17、用户多任务操作系统只允许一个用户上机，但只允只允许一个用户上机，但只允许用户将程序分成若干个任务，使它们并发执行。许用户将程序分成若干个任务，使它们并发执行。 Windows Windows的部分系列（的部分系列（1616位、位、3232位、位、6464位）位）3.3.多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统允许多个用户通过各自的终端，允许多个用户通过各自的终端，使用同一台机器，共享主机系统的各种资源，每个用户程使用同一台机器，共享主机系统的各种资源，每个用户程序可分为几个任务使其并发执行序可分为几个任务使其并发执行 UNIX OS(Solaris OS,Linux OS) UNIX OS(S

18、olaris OS,Linux OS)（大、中、小型机中配（大、中、小型机中配置）置）1.3 操作系统的基本特性 并发性 共享性 虚拟性 异步性1.3.1 并发性概念：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时刻同一时刻发生。发生。 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。发生。 在多道程序设计环境中，在多道程序设计环境中，并发性并发性是指在一段时间是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理系统中，内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行。每一时刻却仅能有一道程序执行。重要概念

19、：进程重要概念：进程 1.3.2 共享性共享性共享性: :并发执行的进程共享计算机系统中的资源（有时间、并发执行的进程共享计算机系统中的资源（有时间、地点要求）地点要求）资源共享方式：资源共享方式： （1 1）互斥共享方式：可以供多个进程（线程）使用，但）互斥共享方式：可以供多个进程（线程）使用，但规定在规定在一段时间内一段时间内，只允许一个只允许一个进程访问该资源（打印机、进程访问该资源（打印机、磁带机）磁带机） （2 2）同时访问方式：）同时访问方式：允许在一段时间内由多个进程允许在一段时间内由多个进程“同时同时”对它们进行访问，对它们进行访问， 并发和共享是用户多任务操作系统两个最基本的

20、特征，并发和共享是用户多任务操作系统两个最基本的特征，这两者之间又是互为依存的。这两者之间又是互为依存的。1.3.3 虚拟性 虚拟虚拟是指把一个物理上的实体，变为若干个逻辑上的对应物。是指把一个物理上的实体，变为若干个逻辑上的对应物。物理实体物理实体( (前者前者) )是实的，是实的， 而后者是虚的，相应地，用于实现虚拟而后者是虚的，相应地，用于实现虚拟的技术称为的技术称为虚拟技术虚拟技术。利用两种方式实现：利用两种方式实现： 1.1.时分复用技术时分复用技术: :即对一个物理设备分时使用，即对一个物理设备分时使用，N N个虚拟设备的速个虚拟设备的速度小于等于物理设备速度的度小于等于物理设备速

21、度的1/N1/N。 CPU CPU 打印机打印机 2.2.空分复用技术空分复用技术: :将一个物理设备虚拟为将一个物理设备虚拟为N N个，每个虚拟设备平均个，每个虚拟设备平均占用的空间小于等于原物理设备空间的占用的空间小于等于原物理设备空间的1/N1/N。 磁盘磁盘 存储器存储器1.3.4 1.3.4 异步性异步性(Asynchronism) (Asynchronism) 在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但由于竞争资源等因素的限制，使进程的执行不是由于竞争资源等因素的限制，使进程的执行不是“一一气呵成，而是以气呵成，而是以“走走停停走走停停”的

22、方式运行。的方式运行。 每个进程何时执行，多个进程间的执行顺序以每个进程何时执行，多个进程间的执行顺序以及每个进程完成所需的时间都是不确定。及每个进程完成所需的时间都是不确定。 进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。进程的异步性。1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 系系 统统资资 源源处理机存储器 I/O设备软件资源操作系统操作系统功能模块功能模块处理机管 理存储器管 理设 备管 理文 件系 统 从资源管理观点看，操作系统具有五大功能：处理机管理、从资源管理观点看，操作系统具有五大功能：处理机管理、存储器管理、设备管理存储器管理

23、、设备管理、文件管理、用户接口。文件管理、用户接口。1.4.1 处理机管理功能 主要任务主要任务：是对处理机的分配：是对处理机的分配和运行实施有效管理。处理机的分和运行实施有效管理。处理机的分配和运行都是以进程为基本单位的，配和运行都是以进程为基本单位的，所以所以对处理机的管理可归结为对进对处理机的管理可归结为对进程的管理程的管理。进程管理的主要功能1 1、进程控制、进程控制：当用户：当用户程序程序要运行时，应为之建立一个或多个进程，要运行时，应为之建立一个或多个进程，并为它分配除处理机以外的所有资源，将它放入进程就绪队列。当并为它分配除处理机以外的所有资源，将它放入进程就绪队列。当进程运行完

24、成时，立即撤消该进程，以便及时释放其所占有的资源。进程运行完成时，立即撤消该进程，以便及时释放其所占有的资源。进程控制的基本功能就是创建和撤消进程以及控制进程的状态转换。进程控制的基本功能就是创建和撤消进程以及控制进程的状态转换。2 2、进程同步、进程同步：所谓进程同步是指系统对并发执行的进程进行协调。：所谓进程同步是指系统对并发执行的进程进行协调。 1 1）进程互斥方式。）进程互斥方式。 2 2）进程同步方式。）进程同步方式。进程管理的主要功能（续）3 3、进程通信、进程通信：对于相互合作的进程，在它们运行时，相：对于相互合作的进程，在它们运行时，相互之间往往要交换一定的信息，这种进程间所进

25、行的信息互之间往往要交换一定的信息，这种进程间所进行的信息交换称为进程通信。交换称为进程通信。 4 4、进程调度、进程调度： 11作业调度作业调度指从作业后备队列中按照一定的算法选指从作业后备队列中按照一定的算法选出若干个作业，并为他们分配必要的资源。出若干个作业，并为他们分配必要的资源。 22进程调度进程调度是指按一定算法，如最高优先算法，从是指按一定算法，如最高优先算法，从进程就绪队列中选出一进程，把处理机分配给它，为该进进程就绪队列中选出一进程，把处理机分配给它，为该进程设置运行现场，并使之投入运行。程设置运行现场，并使之投入运行。1.4.2 存储器管理功能1 1、内存分配：、内存分配：

26、为每道为每道进程进程分配内存是存储器管理的最基分配内存是存储器管理的最基本功能。本功能。2 2、内存保护：、内存保护：保证各道进程都能在自己的内存空间运行保证各道进程都能在自己的内存空间运行而互不干扰；决不允许用户进程访问操作系统的程序和数而互不干扰；决不允许用户进程访问操作系统的程序和数据，也不允许转移到非共享的其他用户程序中去执行。据，也不允许转移到非共享的其他用户程序中去执行。存储器管理的功能（续）3 3、地址映射：、地址映射：在多道程序的系统中，编译、链接后形成在多道程序的系统中，编译、链接后形成的可装入程序地址是从的可装入程序地址是从“0 0”开始的，在内存中的地址不是开始的，在内存

27、中的地址不是从从“0 0”开始的，为保证正确运行，操作系统必须提供把程开始的，为保证正确运行，操作系统必须提供把程序地址空间中的逻辑地址转换为内存空间对应的物理地序地址空间中的逻辑地址转换为内存空间对应的物理地址的功能。址的功能。4 4、内存扩充：、内存扩充：借助于虚拟存储技术，使系统能运行内存借助于虚拟存储技术，使系统能运行内存要求量远比物理内存大得多的进程，或让更多得进程并要求量远比物理内存大得多的进程，或让更多得进程并发执行。发执行。 1.4.3 设备管理功能1 1、缓冲管理：利用缓冲来缓和、缓冲管理：利用缓冲来缓和CPUCPU和和I/OI/O设备间速度不设备间速度不匹配的矛盾，和提高匹

28、配的矛盾，和提高CPUCPU与设备、设备与设备间操作的与设备、设备与设备间操作的并行程度，以提高并行程度，以提高CPUCPU和和I/OI/O设备的利用率。设备的利用率。2 2、设备分配：系统根据用户所请求的设备类型和所采、设备分配：系统根据用户所请求的设备类型和所采用的分配算法对设备进行分配。用的分配算法对设备进行分配。3 3、设备处理：启动指定的、设备处理：启动指定的I/OI/O设备，完成用户规定的设备，完成用户规定的I/OI/O操作，并对由设备发来的中断请求进行及时响应，操作，并对由设备发来的中断请求进行及时响应，根据中断类型进行相应的处理。根据中断类型进行相应的处理。 4.文件管理文件管

29、理应具有以下功能：文件管理应具有以下功能：1.1.文件存储空间的管理文件存储空间的管理2.2.目录管理目录管理3.3.文件读、写管理和保护文件读、写管理和保护4.4.向用户提供接口向用户提供接口文件管理1 1、文件存储空间的管理：、文件存储空间的管理：文件系统为每个文件分文件系统为每个文件分配必要的外存空间，提高外存利用率和文件系统配必要的外存空间，提高外存利用率和文件系统的运行速度；还应具有对外存空间进行分配和回的运行速度；还应具有对外存空间进行分配和回收的功能。收的功能。2 2、目录管理：、目录管理：为每个文件建立其目录项，并对所为每个文件建立其目录项，并对所有目录项加以有效组织，实现按名

30、存取，实现文有目录项加以有效组织，实现按名存取，实现文件共享，提供快速的目录查询手段。件共享，提供快速的目录查询手段。文件管理3 3、文件的读、文件的读/ /写管理和保护：写管理和保护： 文件的读文件的读/ /写管理写管理：根据用户请求，从外存：根据用户请求，从外存中读取数据，或将数据写入外存。中读取数据，或将数据写入外存。 文件的保护文件的保护：防止系统中文件被非法窃取或：防止系统中文件被非法窃取或破坏。破坏。1.4.5 用户接口用户接口为了使用户能灵活、方便地使用计算机为了使用户能灵活、方便地使用计算机和系统功能，和系统功能，0S提供了一组友好的使用其提供了一组友好的使用其功能的手段，称为

31、功能的手段，称为用户接口用户接口。用户接口用户接口命令接口命令接口图形用户接口图形用户接口程序接口程序接口1.4.6现代操作系统的新功能1. 1. 系统安全系统安全(1) (1) 认证技术。认证技术。(2) (2) 密码技术。密码技术。(3) (3) 访问控制技术。访问控制技术。(4) (4) 反病毒技术。反病毒技术。2. 2. 网络的功能和服务网络的功能和服务(1) (1) 网络通信。网络通信。(2) (2) 资源管理。资源管理。(3) (3) 应用互操作。应用互操作。1.4.6现代操作系统的新功能3. 3. 支持多媒体支持多媒体(1) (1) 接纳控制功能。接纳控制功能。(2) (2) 实

32、时调度。实时调度。(3) (3) 多媒体文件的存储。多媒体文件的存储。1.5 操作系统的结构设计 无结构无结构OS:OS:注意力放在功能的实注意力放在功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾一致现和获得高的效率上，缺乏首尾一致的设计思想的设计思想 模块化模块化OSOS结构结构 分层式分层式OSOS结构结构一、传统操作系统的结构 2. 模块化OS结构 模块化程序设计技术，是基于模块化程序设计技术，是基于“分解分解”和和“模模块化块化”原则来控制大型软件的复杂度的。将原则来控制大型软件的复杂度的。将OSOS按按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。并规定好各模块间的接口，块。并规定好各模块间的接口， 各模块之间能各模块之间能通过该接口实现交互。通过该接口实现交互。模块化OS结构优缺点优点：优点：提高设计的正确性；提高设计的正确性；增强可适应性；增强可适应性；加速开发过程加速开发过程缺点：缺点：难保证模块完全正确；难保证