计算机操作系统第1章

1、1计算机操作系统计算机操作系统第第1章章 操作系统概述操作系统概述2目目 录录l1.1 什么是操作系统l1.2 操作系统发展历史l1.3 操作系统主要功能l1.4 操作系统结构l1.5 操作系统的特征l1.6 两大操作系统介绍31.1 什么是操作系统 l操作系统操作系统，是计算机系统中最基本、最重要的系统软件，是其它软件的支撑。控制和管理计算机系统的硬件和软件资源，合理的组织计算机工作流程，并为用户使用计算机提供公共和基本的服务。 l两个主要目标： l1.高效性 操作系统允许以更加高效的方式使用计算机系统资源l2.方便性 操作系统使得用户使用计算机更加方便 41.1.1 计算机系统组成 l目前

2、，计算机采用的都是冯诺依曼体系结构，一台计算机由运算器运算器、控制器控制器、存储器存储器、输入输入和输出输出五大部件组成。l运算器（ALU，Arithmetic Logic Unit）：进行算术、逻辑运算，并能暂存运算结果的部件。l控制器（CU，Control Unit）：控制、指挥程序和数据的输入、运行及处理运算结果的部件。l存储器（Memory）：用于存放数据和程序。l输入/输出设备（I/O）：用于实现将人们熟悉的信息形式与机器能识别的信息形式之间的相互转换。系统总线（System Bus）：连接计算机各模块并为其通信提供服务。51.1.1 计算机系统组成 61.1.1 计算机系统组成 l

3、运算器和控制器被合在一起统称为中央处理单元（CPU，Central Process Unit）。 l存储器则由一系列存储单元组成，这些单元由顺序编号的地址定义。 lCPU执行的程序是由一组保存在存储器中的指令组成。l指令的处理步骤：取指令取指令和执行指令执行指令。 71.1.2 操作系统与计算机系统 l早期的计算机上配置的操作系统是单用户操作系统，这样的操作系统只允许一个用户使用计操作系统只允许一个用户使用计算机，用户独占计算机系统的各种资源算机，用户独占计算机系统的各种资源，整个系统为用户的程序运行提供服务。 l为了解决这一问题，提高系统资源利用率，人们研究并实现了一系列新的软件技术，如多道

4、程序设计技术、分时技术、多任务控制和协调、资源分配策略和处理机调度策略等。 81.1.2 操作系统与计算机系统 l由于计算机系统的计算模型仍然是顺序计算模型，其特点是集中顺序过程控制，而操作系统的并行计算模型需要支持多用户、多任务同时执行，这就产生了一对矛盾，即硬件结构的顺序计算模型和操作系统的并行计算模型之间的矛盾。 l为了解决这一矛盾，人们开始研究与并行计算模型相一致的计算机系统结构，出现了多处理机系统、消息传递型多计算机、计算机网络等具有并行能力的计算机系统结构，其中最为常见的是多处理机系统中的多多核计算模型核计算模型。 91.1.2 操作系统与计算机系统 l多核（multicore）是

5、指将两个或多个处理器组装在同一块芯片上，故又名单芯片多处理器（chip multiprocessor）。 l一个典型的多核系统的例子是Intel的酷睿i7处理器。l四个x86处理器l每个处理器都有其专用的L2高速缓存l所有处理器共享一个L3高速缓存 101.1.2 操作系统与计算机系统 111.2 操作系统发展历史 l操作系统是由客观的需要而产生的，随着计算机技术的发展、计算机体系结构的变化和计算机应用的日益广泛而不断的发展和完善。了解这些年来操作系统的发展历史，有助于理解操作系统的关键性设计需求，也有助于理解现代操作系统的基本特征。 121.2.1 无操作系统 l早期的计算机，20世纪40年

6、代后期到50年代中期，处于电子管时代，没有配备任何操作系统，程序员是直接与计算机硬件打交道。 l程序员将事先已穿孔的纸带（卡片）装入纸带输入机（卡片输入机），再启动输入机将程序和数据输入计算机，然后启动计算机进行运算。 l容易出现CPU、内存等资源等待人工操作的现象，造成资源的浪费，严重降低了计算机资源的利用率，这就是所谓的“人机矛盾”。 l为了缓和这些矛盾，提高系统资源的利用率，20世纪50年代末期出现了脱机输入/输出（Off-Line I/O）技术。 131.2.1 无操作系统 图 1.3 具有脱机I/O技术的计算机系统框图141.2.2 单道批处理系统 l20世纪50年代中期，人们开始用

7、晶体管代替真空管来制造计算机。这使得计算机的体积大大减小，功耗显著降低，同时可靠性和运算速度也得到了提升，但造价仍十分昂贵。l为了能够充分发挥计算机的性能，通常是把一批作业以脱机的方式输入到磁盘（磁带）上，并为其配上监控程序（监控程序（Monitor），在它的控），在它的控制下使得这批作业能够一个接一个的连续处理制下使得这批作业能够一个接一个的连续处理。 151.2.2 单道批处理系统 l第一个批处理操作系统，同时也是第一个操作系统，是由GM（General Motors，通用）为IBM 701开发的。l用户不再直接和机器硬件打交道，而是把作业提交给计算机操作员，由操作员按顺序把作业组织成一批

8、，并将整批作业放在输入设备上，供监控程序使用。 l单道批处理系统具有自动性自动性、顺序性顺序性和单道性单道性的特点，对磁盘（磁带）上的作业能自动地逐个地依次执行，提高系统资源的利用率和系统吞吐量 。161.2.2 单道批处理系统 图 1.4 单道批处理系统处理流程171.2.3 多道批处理系统 图 1.5 单道程序工作示意图181.2.3 多道批处理系统 l多道程序设计技术(IBM, Frances Allen) 主要思想在内存中同时存放若干道用户作业，并允许它们交替执行，共享系统中的各种软、硬件资源，当一道程序因I/O请求而暂停执行时，CPU便转而执行另外一道程序，由此形成了多道批处理系统(

9、Multiprogrammed Batch Processing System)。191.2.3 多道批处理系统 假设有A，B两个程序图 1.6 多道程序工作示意图201.2.3 多道批处理系统 l多道批处理系统的特点如下：l多道性：计算机的主存中同时存放有多道相互独立的程序。l宏观上的并行性：在同一时间段内，同时进入系统的多道程序都处于运行状态。 一个时间段内的并行一个时间段内的并行l微观上的串行性：在某一时刻，CPU上只有一道程序在执行，多道程序轮流或分时占有CPU。211.2.3 多道批处理系统 l多道批处理系统需解决的问题：l处理机的管理和分配问题l内存的分配和保护问题lI/O设备的管

10、理和分配问题l文件的组织和管理问题221.2.4 分时系统 l多个用户分享了CPU的时间，因而称为分时系统（Time Sharing System）l在分时系统中，多个用户可以通过终端同时访问系统，由操作系统控制每个用户程序以很短的时间（称之为“时间片”）为单位交替运行。 l最早的分时操作系统是由麻省理工学院（MIT）在1961年为IBM 709开发的兼容分时系统（Compatible Time-Sharing System， CTSS），后被移植到IBM 7094中。 231.2.4 分时系统 l分时系统与多道批处理系统相比，具有明显不同的特点：l交互性：用户可以通过终端与系统直接进行对话。

11、l及时性：用户的请求能在人们所能接受的等待时间内得到响应。l独立性：每个用户独占一个终端，彼此独立，互不干扰，因此用户感觉像是他一个人独占主机。l多路性：允许在一台主机上同时联接多台终端。宏观上，多宏观上，多个用户同时工作，共享系统资源；微观上，每个用户程序轮个用户同时工作，共享系统资源；微观上，每个用户程序轮流运行一个时间片。流运行一个时间片。l批处理操作系统、分时操作系统的出现标志着操作系统的形成。 241.2.5 实时系统 l所谓实时，是指“立刻”、“马上” 。l实时系统(real time system)则要求系统对特定输入做出反应的速度足以控制发出实时信号的对象，或者说系统能及时响应

12、外部事件的请求及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完在规定的时间内完成对该事件的处理成对该事件的处理，并控制所有实时任务和设备协调一致的工作。l按照实时系统应用领域的不同，可以将其分为两大类： l实时控制系统 ：实时采集现场数据并据其进行控制、计算；l实时信息处理系统 ：实时信息查询、实时事务处理 251.2.5 实时系统 l实时系统具有以下特点：l及时性l交互性l独立性l多路性l高可靠性261.2.6 操作系统的进一步发展 l 20世纪80年代以来，操作系统也得到了进一步的发展，出现了具有图形用户界面、功能强大的个人计算机操作个人计算机操作系统系统；具有网络资源共享、远程通讯能力的网络操作

13、系网络操作系统统；能使用多台计算机来共同完成某一工作的多处理机多处理机操作系统操作系统；具有单一系统镜像、分布处理能力的分布式分布式操作系统操作系统以及分布式实时操作系统分布式实时操作系统等。 l随着计算机虚拟化技术的迅速发展和大数据时代的到来，出现了一种构架于服务器、存储、网络等基础硬件资源和单机操作系统、中间件、数据库等基础软件之上，用以管理海量的基础硬件、软件资源的云平台综合管理系统，称之为云操作系统云操作系统。 271.3 操作系统主要功能 l 操作系统的主要任务是为多道程序提供良好的运行环境，并能最大程度的提高系统中各种资源的利用率和方便用户使用。为实现上述任务，操作系统应具备：l处

14、理器管理l存储管理l设备管理l文件管理l用户接口 281.3.1 处理机管理 l进程控制l基本功能是创建和撤销进程创建和撤销进程、控制进程状态之间的转换控制进程状态之间的转换l进程同步l进程同步是指系统对并发执行的进程进行协调并发执行的进程进行协调，使它们能有条不紊的运行l进程通信l进程通信是指相关进程之间的信息交换信息交换l进程调度l指按照一定的调度算法在等待执行的进程中选出其中一个，选出其中一个，并为其分配并为其分配CPU、设置运行环境，使其投入运行、设置运行环境，使其投入运行291.3.2 存储管理 l内存分配l为每道程序分配必要的内存空间为每道程序分配必要的内存空间，提高存储器的利用率

15、，减少空间浪费，在实现内存分配时，可采取静态和动态两种方式l内存保护l内存保护的主要任务是确保每道程序都只在自己的内存空间里运确保每道程序都只在自己的内存空间里运行，防止因一道程序的错误而干扰其它程序行，防止因一道程序的错误而干扰其它程序，也绝不允许用户程序随意访问操作系统的程序和数据l地址映射l把目标程序中的逻辑地址转换成为内存空间中的物理地址逻辑地址转换成为内存空间中的物理地址l内存扩充l内存扩充是借助虚拟存储技术虚拟存储技术，在不增加物理内存空间的前提下，在不增加物理内存空间的前提下，从逻辑上对内存进行扩充从逻辑上对内存进行扩充，使系统能够运行内存需求量比实际内存更大的作业，或是让更多的

16、作业能够并发执行301.3.3 设备管理 l缓冲管理l缓冲是指在内存中划出来用作暂时存放信息的一部分区域。在在CPU和和I/O设备之间设置缓冲区，则可以有效缓解速度不匹配的矛设备之间设置缓冲区，则可以有效缓解速度不匹配的矛盾盾，提高CPU的利用率，从而提高系统吞吐量。l设备分配l根据用户所请求根据用户所请求的设备类型、数量，按照一定分配算法对设备进对设备进行分配行分配l设备处理l设备处理程序又称为设备驱动程序，其基本任务是由由CPU向设备向设备控制器发出控制器发出I/O命令，启动指定的命令，启动指定的I/O设备、完成用户规定的设备、完成用户规定的I/O操操作作，并对设备发来的中断请求进行及时响

17、应和处理。l虚拟设备管理l虚拟设备也称逻辑设备，是指操作系统通过设备虚拟技术，把每把每次仅供一个进程使用的独享设备改造成能被多个用户使用的设备次仅供一个进程使用的独享设备改造成能被多个用户使用的设备311.3.4 文件管理 l文件存储空间管理l一些当前需要使用的系统文件和用户文件，都必须放在可随机存取的磁盘上。为此，必须由操作系统统一对文件的存储空间进行管理，提高存储空操作系统统一对文件的存储空间进行管理，提高存储空间的利用率，同时也提高文件系统的存取速度间的利用率，同时也提高文件系统的存取速度。l目录管理l目录又称文件目录，是用来描述系统中所有文件基本情况的一个表。为了使用户能够方便的在外存

18、上找到自己所需的文件，系统会为每个文件建立系统会为每个文件建立一个目录项一个目录项。在不同的系统中，目录有着不同的组织方式l文件读写管理l对文件进行读写操作，是文件管理必须具备的最基本的操作文件进行读写操作，是文件管理必须具备的最基本的操作。该功能可以根据用户的请求，从外存指定区域把指定数量的信息读入到内存指定的用户区或系统区，或将指定数量的信息从内存写入外存指定区域。l文件保护l为了防止系统中的文件被非法窃取和破坏，必须提供有效的存取控制机制存取控制机制l文件系统的安全性l是指文件系统避免因软件或硬件故障而造成信息破坏避免因软件或硬件故障而造成信息破坏的能力321.3.5 用户接口 l命令接

19、口l为了便于用户直接或间接控制自己的作业，操作系统向用户提供了命令接口。用户可以通过该接口向作业发出命令用户可以通过该接口向作业发出命令，以控制作业的运行。 l程序接口l该接口是为用户程序在执行过程中访问系统资源而设定的，是用用户程序取得操作系统服务的唯一途径户程序取得操作系统服务的唯一途径。程序接口是由一组系统调程序接口是由一组系统调用组成，每当应用程序要求操作系统提供某种类型的服务时，便用组成，每当应用程序要求操作系统提供某种类型的服务时，便调用具有相应功能的系统调用调用具有相应功能的系统调用。 l图形接口l采用图形化的操作界面，用非常容易识别的图标将系统的各种命图标将系统的各种命令直观、

20、逼真的表示出来，用户通过简单的点击鼠标，借助菜单、令直观、逼真的表示出来，用户通过简单的点击鼠标，借助菜单、对话框，就可以完成对应用程序和文件的操作对话框，就可以完成对应用程序和文件的操作，极大的方便了用户的使用。331.4 操作系统结构 l在操作系统的设计中，有4种设计方法：l单体结构l模块化结构l可扩展内核结构l层次结构341.4.1 单体结构l在单体结构中，操作系统是一组过程的集合过程的集合，每一过程都有一个定义好的接口，包括入口参数和返回值。过程间可以相互调用而不受约束。l它的特点是操作系统运行效率操作系统运行效率高高，但这种结构难以理解、难以维护，验证其正确性也十分困难。l早期的操作

21、系统，如AT&T System V和BSD UNIX内核就是采用一体化结构的最具代表性的例子。 351.4.2 模块化结构l采用模块化结构的系统，其功功能是通过逻辑独立的模块来划能是通过逻辑独立的模块来划分分的，相关模块间具有定义良好的接口，通过接口来实现模块间的调用。l模块具有良好的封装性模块具有良好的封装性，数据抽象允许模块隐藏数据结构的实现细节。l采用模块化结构来实现操作系统的好处是系统能作为抽象数系统能作为抽象数据类型或对象方法来实现据类型或对象方法来实现，这样有利于操作系统的理解和维护，缺点是存在潜在的性能退化。 361.4.3 可扩展内核结构l可扩展内核结构将操作系统内核分

22、为基础核心基础核心和其它核其它核心功能心功能两部分l基础核心包括公共必须的基基础核心包括公共必须的基本功能集合本功能集合。这种结构方法也可为特定操作系统定义策略独立模块和特定策略模块两类模块。 l微内核结构微内核结构基于客户/服务器模型，有微内核和核外的服务器进程组成。 371.4.4 层次结构l在层次结构当中，操作系统由操作系统由若干层组成若干层组成，最内层是裸机，即机器的硬件功能部分，其它各层可以看成是一系列的虚拟机，每一层提供一组完整的功每一层提供一组完整的功能能，并且该组功能仅仅依赖于该层以内的各层。l对于现代操作系统而言，分层结构的限制过于严格，所以很少采用这种方法来构造操作系统。

23、381.4.4 层次结构391.5 操作系统的特征l基本特征l并发性l共享性l虚拟性l异步性l新特征l微内核体系结构 l多线程 l对称多处理 l分布式操作系统l面向对象设计 401.5.1 操作系统的基本特征l基本特征：并发性l并发是操作系统的第一个重要特征第一个重要特征l所谓并发是指在一段时间内有多道程序同时在计一段时间内有多道程序同时在计算机内运行算机内运行，这样的系统称之为并发系统（concurrent system）l操作系统是并发系统的管理机构，其本身也是并本身也是并发执行的发执行的，是与用户程序以及其它用户态程序一与用户程序以及其它用户态程序一起并发执行起并发执行的。程序的并发执行

24、带来了许多程序串行执行时所没有的新问题，如中断、死锁等，这便导致了操作系统的复杂化 411.5.1 操作系统的基本特征l基本特征：共享性 l操作系统作为多道程序系统规定管理机构，同时也是系统资源的管理者，同样具有共享性共享性。 l 计算机系统中的资源共享有两种类型：l互斥共享，互斥共享，是指该类资源的分配必须以作业（或进程）为单位，在一个作业（或进程）没有运行完之前，另一个作业（或进程）不得使用该类资源l“同时同时”共享，共享，是指多个作业（或进程）可“同时”使用该类资源，这里的“同时”和并发性中的“同时”有着相同的含义421.5.1 操作系统的基本特征l基本特征：虚拟性 l操作系统的虚拟性是

25、指操作系统使用某种技术，将物理上的一个资源或设备变成逻辑上的多个资物理上的一个资源或设备变成逻辑上的多个资源或设备源或设备l虚拟出来的东西不过是用户的“错觉”，并不是客观存在的东西431.5.1 操作系统的基本特征l基本特征：异步性 l操作系统的异步性又称之为不确定性，不是说操作系统本身的功能不确定，也不是说在操作系统控制下运行的用户程序的结果是不确定的l异步性指在操作系统控制下的多个作业的执行顺多个作业的执行顺序序和每个作业的执行时间每个作业的执行时间是不确定的，即进程是以人们不可预知的速度向前推进441.5.2 操作系统的新特征l新特征：微内核体系结构 l现代操作系统的一个趋势是尽可能将代

26、码移到更高层次，而仅保留一个最小的内核，即微内核体系结构（microkernel architecture）l只给内核分配一些最基本的功能，包括地址空间、进程间通信和最基本的调度，而其它操作系统的功能都由运行在用户态下且与其它应用程序类似的进程提供l该方法的最大优点就是可以使系统结构的设计更加简单、灵活，由于微内核可以以相同的方式与本地和远程的服务进程交互，也使得分布式系统的构造更为方便451.5.2 操作系统的新特征l新特征：多线程 l多线程（multithreading）技术是指把执行一个应用程序的进程划分成可以同时运行的多个线程 l在同一个进程中运行多个线程，在线程间来回切换所花费的系统

27、开销要比在不同进程间进行切换的开销少l操作系统的多线程是指操作系统具有在一个进程中执行多个线程的能力461.5.2 操作系统的新特征l新特征：对称多处理 （Symmetric Multi Processing，SMP）l要求操作系统可以调度进程或线程到所有的处理器上运行，这使得它比单处理器结构具有更多的潜在优势l对称多处理还经常和多线程放在一起讨论，但它们是两个独立的概念l对称多处理技术一个很有吸引力的特征是：多处理器的存在对用户是透明的471.5.2 操作系统的新特征l新特征：分布式操作系统 l分布式操作系统（distributed operating system）是支持分布式处理的软件系

28、统，是在由通信网络互联的多处理机体系结构上执行任务的系统l用户可以透明的访问系统中共享的资源l分布式操作系统要依赖一个通信体系结构来实现基本的通信功能481.5.2 操作系统的新特征l新特征：面向对象设计 l操作系统设计中的一个变革是使用面向对象技术l面向对象设计（object-oriented design）的原理用于给小内核增加模块化的扩展上，简化了进程间资源和数据的共享，便于保护资源免受未经授便于保护资源免受未经授权的访问权的访问l在操作系统一级，基于对象的结构是程序员可以定制操作系统，而不会破坏系统的完整性491.6 两大操作系统介绍l最为流行的两大桌面操作系统是Windows和Lin

29、uxlWindows操作系统是微软公司制作和研发的一套桌面操作系统，它问世于1985年，起初仅仅是MS-DOS模拟环境，后续的系统版本由于微软不断的更新升级，不但易用，也慢慢的成为家家户户人们最喜爱的操作系统。lLinux操作系统诞生于1991 年的10月5日（第一次正式向外公布的时间），该操作系统是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。501.6.1 Windows操作系统l历史 lMicrosoft公司从1983年开始研制Windows系统，最初的研制目标是在MS-DOS的基础上提供一个多任务的图形用户界

30、面 lWindows 1.0于1985年问世，它是一个具有图形用户界面的系统软l1990年推出Windows 3.0，这是一个重要的里程碑,它以压倒性的商业成功确定Windows系统在PC操作系统领域的垄断地位l1995年，微软开始发售32位版本的操作系统Windows 95，它是一个基于DOS的混合16位/32位Windows系统。l2001年，NT的一个新桌面版本发布，即著名的Windows XP lWindows Azure是微软正在开发的一个面向云计算的NT版本，包含了大量针对公有云和私有云需求的特性511.6.1 Windows操作系统l体系结构 521.6.2 Linux操作系统系统lLinux操作系统开始于IBM PC（Intel 80386）结构的一个UNIX变体，最初版本是由芬兰的一名计算机科学专业的学生林纳斯托瓦兹（Linus Torvalds）编写的。 lLinux以成为具有全面功能的UNIX系统，可以在所有这些平台甚至更多的平台上运行，包括Intel Pentium、Itanium、Moto