操作系统概述

1、第第1 1章章 操作系统概述操作系统概述 操作系统是计算机系统的基本组成部分，是操作系统是计算机系统的基本组成部分，是整个系统的基础和核心。操作系统的性能直接影整个系统的基础和核心。操作系统的性能直接影响各行各业的应用。响各行各业的应用。 在当今网络时代，它关乎信息安全、产业发在当今网络时代，它关乎信息安全、产业发展乃至国家安全。展乃至国家安全。操作系统的定义操作系统的定义-操作系统是什么？操作系统是什么？操作系统的形成操作系统的形成-为什么要操作系统？为什么要操作系统？操作系统的功能操作系统的功能-操作系统能干什么？操作系统能干什么？操作系统的分类操作系统的分类-操作系统有哪些？操作系统有哪

2、些？硬件支撑环境硬件支撑环境-操作系统与硬件的关系？操作系统与硬件的关系？本章要点本章要点1.1 操作系统概念操作系统概念 计算机系统计算机系统是由是由硬件硬件和和软件软件组成的。组成的。 硬件硬件是指计算机物理装置本身。是指计算机物理装置本身。是软件建是软件建立与活动的基础。立与活动的基础。 简言之简言之，软件软件是计算机执行的程序。是计算机执行的程序。是对是对硬件进行管理和功能扩充。硬件进行管理和功能扩充。 1.1.1 1.1.1 计算机硬件结构计算机硬件结构指令是控制计算机执行某种操作（如加、减、传指令是控制计算机执行某种操作（如加、减、传送、转移等）的命令。送、转移等）的命令。 特权指

3、令特权指令是一类具有特殊权限的指令，只用于操作是一类具有特殊权限的指令，只用于操作系统或其他系统软件，普通用户不能直接使用。系统或其他系统软件，普通用户不能直接使用。非特权指令非特权指令也称为用户指令或普通指令，是普通用也称为用户指令或普通指令，是普通用户能够直接使用的指令。这是指令集中除特权指令户能够直接使用的指令。这是指令集中除特权指令外的所有指令。外的所有指令。CPU的两种运行模式：内核态（又称核心态、系统的两种运行模式：内核态（又称核心态、系统态、管态）和用户态（又称目态）。态、管态）和用户态（又称目态）。 1.1.2 1.1.2 系统初启一般过程系统初启一般过程 硬件检测硬件检测 加

4、载引导程序加载引导程序 初始化内核初始化内核 用户登录用户登录 1.1.2 1.1.2 系统初启一般过程系统初启一般过程 硬件检测硬件检测 CPUCPU进入实模式，进入实模式，BIOSBIOS执行加电自检程序；执行加电自检程序； 对配置的硬件进行诊断检测，确定存在及状态；对配置的硬件进行诊断检测，确定存在及状态； 按按CMOSCMOS设置的启动顺序，读入系统引导程序；设置的启动顺序，读入系统引导程序； 将控制权交给引导装入程序。将控制权交给引导装入程序。1.1.2 1.1.2 系统初启一般过程系统初启一般过程 加载引导程序加载引导程序 从硬盘的第一个扇区（主引导块）找到引导程序；从硬盘的第一个

5、扇区（主引导块）找到引导程序； 将引导程序读入内存，运行系统引导程序；将引导程序读入内存，运行系统引导程序； 引导程序从硬盘中读入相关程序；引导程序从硬盘中读入相关程序； 由这些相关程序加载操作系统内核。由这些相关程序加载操作系统内核。1.1.2 1.1.2 系统初启一般过程系统初启一般过程 初始化内核初始化内核 CPUCPU初始化：建立系统第一个进程、初始化内核全局变量和初始化：建立系统第一个进程、初始化内核全局变量和静态变量、设置中断向量表的初始状态等；静态变量、设置中断向量表的初始状态等； 系统基础设施初始化：内存边界、设置各种处理程序入口地系统基础设施初始化：内存边界、设置各种处理程序

6、入口地址、定义系统中最大进程数目、创建内核线程等；址、定义系统中最大进程数目、创建内核线程等； 对上层初始化：外设、加载驱动程序、创建核心线程、初始对上层初始化：外设、加载驱动程序、创建核心线程、初始化文件系统并加载等。化文件系统并加载等。1.1.2 1.1.2 系统初启一般过程系统初启一般过程 实现用户登录实现用户登录 用户初始化阶段：用户初始化阶段：initinit程序在每个程序在每个ttytty端口上创建端口上创建一个一个loginlogin进程，用来支持用户登录；进程，用来支持用户登录； loginlogin进程接收用户输入的账号和密码，并验证；进程接收用户输入的账号和密码，并验证；

7、使用使用shellshell交互地执行用户命令、或在桌面环境上交互地执行用户命令、或在桌面环境上操作。操作。1.1.3 1.1.3 什么是操作系统什么是操作系统 操作系统作为扩展机器操作系统作为扩展机器抽象抽象是管理复杂事物的一个关键。是管理复杂事物的一个关键。通常把裸机之上覆盖各种软件，从而形成功能更强的机通常把裸机之上覆盖各种软件，从而形成功能更强的机器称为器称为扩展机器扩展机器或或虚拟机虚拟机。 操作系统作为资源管理器操作系统作为资源管理器 监视各种资源，随时记录它们的状态；监视各种资源，随时记录它们的状态； 实施某种策略以决定谁获得资源，何时获得，获得多少；实施某种策略以决定谁获得资源

8、，何时获得，获得多少； 分配资源供需求者使用；分配资源供需求者使用； 回收资源，以便再分配。回收资源，以便再分配。操作系统的用户观点和系统观点操作系统的用户观点和系统观点操作系统定义及其理解操作系统定义及其理解 操作系统操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件（或件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件（或程序集合），是用户与计算机之间的接口。程序集合），是用户与计算机之间的接口。 操作系统是软件，而且是系统软件。操作系统是软件，而且是系统软件。 它的基本职能是控制和管理系统内各种资源，有效它的基本职能是控制和管理

9、系统内各种资源，有效地组织多道程序的运行。地组织多道程序的运行。 它提供众多服务，方便用户使用，扩充硬件功能。它提供众多服务，方便用户使用，扩充硬件功能。 1.1.4 1.1.4 操作系统的目标和地位操作系统的目标和地位操作系统的目标操作系统的目标 （1）高效性）高效性 （2）方便性）方便性 （3）安全性）安全性 （4）鲁棒性（）鲁棒性（robust）：系统的健壮性。）：系统的健壮性。 （5）移植性）移植性 操作系统的地位操作系统的地位 计算机系统的层次关系计算机系统的层次关系 硬件是软件建立与活动的基础，而软件是对硬件硬件是软件建立与活动的基础，而软件是对硬件进行管理和功能扩充进行管理和功能

10、扩充。 软件通常可分为三大类软件通常可分为三大类 系统软件系统软件对计算机系统的资源进行控制、管理，并对计算机系统的资源进行控制、管理，并为用户的使用和其他程序的运行提供服务。为用户的使用和其他程序的运行提供服务。 应用软件应用软件是为解决某一类应用需要或某个特定问题是为解决某一类应用需要或某个特定问题而设计的程序。而设计的程序。 支撑软件支撑软件是辅助软件技术人员从事软件开发工作的是辅助软件技术人员从事软件开发工作的软件。软件。 1.1.5 1.1.5 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务操作系统的特征操作系统的特征 世间世间一切一切事物都有个性，事物都有个性，一类一类事物又有共性。事物

11、又有共性。 每个具体操作系统都有其个性，但操作系统作每个具体操作系统都有其个性，但操作系统作为一类系统软件也有其基本特征（共性）。为一类系统软件也有其基本特征（共性）。 并发并发 共享共享 异步性异步性 抽象性抽象性1.1.5 1.1.5 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务操作系统的特征操作系统的特征 并发：并发：两个或多个活动在同一给定的两个或多个活动在同一给定的时间间隔时间间隔中中进行。进行。 内存中有多道程序；内存中有多道程序； 单单CPU环境下，宏观上都向前推进了；环境下，宏观上都向前推进了； 1.1.5 1.1.5 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务操作系统的特征操作系统

12、的特征 共享：共享：计算机系统中的资源被多个进程所共用。计算机系统中的资源被多个进程所共用。 内存中有多道程序，共享内存；内存中有多道程序，共享内存； 对磁盘、设备的共享；对磁盘、设备的共享； 被共享的程序必须是纯代码（可重入代码）；被共享的程序必须是纯代码（可重入代码）； 系统软件的设计中普遍采用纯代码。系统软件的设计中普遍采用纯代码。1.1.5 1.1.5 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务操作系统的特征操作系统的特征 异步性：异步性：系统中各种事件发生顺序的不可预测性。系统中各种事件发生顺序的不可预测性。另外，同一程序在相同的初始数据下，无论何时运另外，同一程序在相同的初始数据下，

13、无论何时运行都应获得同样的结果。行都应获得同样的结果。 在多道程序环境下，程序在多道程序环境下，程序“走走停停走走停停”； 共享资源；共享资源； 程序推进的速度是不可预知的；程序推进的速度是不可预知的； 结果应该一致。结果应该一致。1.1.5 1.1.5 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务操作系统的特征操作系统的特征 抽象性：抽象性：抽象是把复杂事情简单化的有效方式。好的抽象抽象是把复杂事情简单化的有效方式。好的抽象可以把一个难以管理的繁杂任务划分为两个可管理的部分：可以把一个难以管理的繁杂任务划分为两个可管理的部分：抽象的定义和实现；抽象的定义和实现；利用这些抽象解决问题。利用这些抽象

14、解决问题。 CPU到进程的抽象；到进程的抽象； 物理内存到地址空间（虚拟内存）的抽象；物理内存到地址空间（虚拟内存）的抽象； 磁盘到文件的抽象；磁盘到文件的抽象； 程序员利用系统调用进行操作。程序员利用系统调用进行操作。 操作系统提供的服务和方式操作系统提供的服务和方式 服务项目服务项目 程序执行：装入内存，正常或异常结束；程序执行：装入内存，正常或异常结束； I/OI/O操作操作 文件系统管理：按名存取；文件系统管理：按名存取； 出错检测：保证计算的一致性；出错检测：保证计算的一致性； 通信：进程间交换信息；通信：进程间交换信息； 资源分配：分配和回收；资源分配：分配和回收； 统计：资源使用

15、情况，优化系统性能；统计：资源使用情况，优化系统性能； 保护：进程间互不干扰。保护：进程间互不干扰。 操作系统提供的服务和方式操作系统提供的服务和方式 服务方式服务方式 两种基本的服务方式：系统调用、系统程序。两种基本的服务方式：系统调用、系统程序。系统调用系统调用 系统调用是操作系统提供的与用户程序之间的接口，系统调用是操作系统提供的与用户程序之间的接口，也就是操作系统提供给程序员的接口。它一般位于操也就是操作系统提供给程序员的接口。它一般位于操作系统核心的作系统核心的最高层最高层。 从感觉上系统调用从感觉上系统调用类似于类似于过程调用，都由程序代码构过程调用，都由程序代码构成，使用方式相同

16、成，使用方式相同调用时传送参数。调用时传送参数。两者有两者有实质差别实质差别：过程调用只能在用户态下运行，不：过程调用只能在用户态下运行，不能进入核心态；而系统调用可以实现从用户态到核心能进入核心态；而系统调用可以实现从用户态到核心态的转变。态的转变。 系统调用可分为系统调用可分为5 5个类别：进程控制、文件管理、设备个类别：进程控制、文件管理、设备管理、信息维护和通信。管理、信息维护和通信。 系统程序系统程序 它们解决带共性的问题，并为程序的开发和执它们解决带共性的问题，并为程序的开发和执行提供更方便的环境。行提供更方便的环境。系统程序系统程序不是不是操作系统的组成部分。操作系统的组成部分。

17、最重要的系统程序就是最重要的系统程序就是命令解释程序。命令解释程序。 1.2 操作系统的主要功能操作系统的主要功能创创 意意存储管理存储管理制作图片制作图片处理机管理处理机管理制作动画制作动画设备管理设备管理制作声音制作声音信息管理信息管理编制程序编制程序用户接口用户接口方便用户使用内存方便用户使用内存从逻辑上扩充内存从逻辑上扩充内存存储管理存储管理进程管理进程管理文件管理文件管理设备管理设备管理操作系统用户接口操作系统用户接口也称系统调用系统调用用户接口用户接口程序接口程序接口#include #include #include fd=open(file.c,2);命令行接口命令行接口 $

18、date图形用户接口（图形用户接口（GUIGUI） 用户接口用户接口1.3 1.3 操作系统的形成和基本类型操作系统的形成和基本类型 1.3.1 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展 1 1手工操作阶段手工操作阶段 2 2早期批处理阶段早期批处理阶段 早期联机批处理：早期联机批处理：单道批处理单道批处理 早期脱机批处理：早期脱机批处理：“脱机脱机”批处理批处理 3 3多道批处理系统多道批处理系统 多道程序设计的基本思想多道程序设计的基本思想 单道单道和和多道多道程序运行情况程序运行情况 多道程序设计多道程序设计：在内存中同时存放多道程序，在内存中同时存放多道程序，在管理程序的控制下交替地执

19、行。这些作业共在管理程序的控制下交替地执行。这些作业共享享CPU和系统中的其他资源。和系统中的其他资源。 并发并发：多道程序在多道程序在CPU上交替运行。上交替运行。 系统吞吐量系统吞吐量：在一段给定的时间内，计算机所在一段给定的时间内，计算机所能完成的总工作量。能完成的总工作量。 由一道程序执行到两道程序执行产生了由一道程序执行到两道程序执行产生了“质质”的飞跃，而由两道到更多道程序的执行仅仅是的飞跃，而由两道到更多道程序的执行仅仅是“量量”的变化。的变化。 4操作系统的发展操作系统的发展（1）无操作系统）无操作系统（2）单道批处理）单道批处理（3）多道批处理）多道批处理（4）分时）分时（5

20、）实时）实时（6）其它）其它成熟的成熟的发展中的发展中的批处理系统批处理系统分时系统分时系统实时系统实时系统微机操作系统微机操作系统多处理机操作系统多处理机操作系统网络操作系统网络操作系统分布式操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统操作系统的基本分类操作系统的基本分类 DevelopedDevelopeding 1.3.2 操作系统的基本类型操作系统的基本类型 批处理系统批处理系统 作业作业是用户定义的、由计算机完成的工作单位。是用户定义的、由计算机完成的工作单位。通常包括一组计算机程序、文件和对操作系统的控通常包括一组计算机程序、文件和对操作系统的控制语句。制语句。作业控制语言（

21、作业控制语言（JCLJCL） 作业步作业步是是由作业控制语句明确标识的计算机程序由作业控制语句明确标识的计算机程序的执行过程。的执行过程。多道批处理系统中的作业流程多道批处理系统中的作业流程 特点特点 多道多道：系统在内存中存放多个作业，并且在外存上还保：系统在内存中存放多个作业，并且在外存上还保存大量的后备作业。存大量的后备作业。 成批：成批：系统按批次调度作业，而在系统运行过程中不允系统按批次调度作业，而在系统运行过程中不允许用户和机器之间发生交互作用。许用户和机器之间发生交互作用。2. 分时系统分时系统分时分时：广义上，是指对时间的共享。广义上，是指对时间的共享。 在分时系统中，在分时系

22、统中，分时分时主要是指若干并发程序对主要是指若干并发程序对CPU时间的共享。时间的共享。 并行并行：是指在同一时刻有两个或两个以上的活动是指在同一时刻有两个或两个以上的活动发生。发生。 时间片时间片分时系统 2. 分时系统分时系统基本特征基本特征 同时性：若干用户同时；同时性：若干用户同时； 交互性：人交互性：人- -机交互；机交互； 独立性：各用户互不干扰；独立性：各用户互不干扰； 及时性：用户满意。及时性：用户满意。主要主要优点优点 人机交互友好人机交互友好 应用方便：可带多终端应用方便：可带多终端 资源共享资源共享3.实时系统实时系统实时系统的引入实时系统的引入 实时系统实时系统具有实时

23、特性，能够支持实时具有实时特性，能够支持实时控制系统工作的操作系统。控制系统工作的操作系统。 重要特征：重要特征：对时间有严格限制和要求。对时间有严格限制和要求。 三种典型应用形式三种典型应用形式 过程控制系统过程控制系统 信息查询系统信息查询系统 事务处理系统事务处理系统实时系统与分时系统的差别实时系统与分时系统的差别 交互性交互性 实时性实时性 可靠性可靠性 分时系统分时系统- -通用通用计算机系统计算机系统 实时系统实时系统- -专用专用计算机系统计算机系统1.4 1.4 操作系统的主要结构操作系统的主要结构 操作系统的内部构造操作系统的内部构造 操作系统是一个大型程序，由众多模块组成，

24、操作系统是一个大型程序，由众多模块组成，主要组织方式有四种。主要组织方式有四种。 单体结构单体结构 层次结构层次结构 虚拟机结构虚拟机结构 客户客户-服务器结构服务器结构1.4 1.4 操作系统的主要结构操作系统的主要结构单体系统单体系统 模块模块就是完成一定功能的就是完成一定功能的 子程序，它是构成软件子程序，它是构成软件 的基本单位。的基本单位。 优点：优点：任意调用，任意调用， 耦合紧密，实现的效率高耦合紧密，实现的效率高 缺点：缺点：结构关系不清晰，结构关系不清晰， 难于进行修改，难于进行修改， 系统的可靠性降低。系统的可靠性降低。模块调用示意图模块调用示意图层次式系统层次式系统THETHE操作系统的层次结构操作系统的层次结构具有单体系统的长处；具有单体系统的长处；新优点新优点结构关系清晰，提高系统的可靠结构关系清晰，提高系统的可靠性、可移植性和可维护性性、可移植性和可维护性。 虚拟机结构虚拟机结构带CMS的VM/370结构这些虚拟机仅仅是裸机硬件的复制品！这些虚拟机仅仅是裸机硬件的复制品！ 虚拟机结构虚拟机结构通过共享物理机