操作系统2002--概述

1、操操 作作 系系 统统 概概 述述一、什么是操作系统一、什么是操作系统三、操作系统的主要分类三、操作系统的主要分类二、操作系统的发展过程二、操作系统的发展过程四、现代操作系统的特征和服务四、现代操作系统的特征和服务五、操作系统的环境五、操作系统的环境六、操作系统的管理功能六、操作系统的管理功能七、操作系统与用户的接口七、操作系统与用户的接口一、什么是操作系统一、什么是操作系统 操作系统是系统软件的基本部分（用户和计算机硬件之间的接口模块，是计算机的核心控制软件），它负责组织和管理整个计算机系统的软硬件资源（资源分配合理、安全有效）；协调系统各部分之间（组织多道程序运行）、系统与使用者之间（良好

2、的工作环境、使用方便）以及使用者和使用者之间的关系，使整个系统能高效地运转并为系统的使用者提供一个研制和运行程序的良好、方便的环境。1 1、科普的观点、科普的观点 操作系统是计算机系统的管理和控制中心，它依照设计者制定的各种调度策略组织和管理计算机系统资源，使之能高效地运行。2 2、功能的观点、功能的观点 操作系统是一个计算机资源管理系统，它负责计算机系统的全部资源的分配、控制、调度和回收。3 3、用户的观点、用户的观点 操作系统是计算机与用户之间的接口，用户通过这种接口使用计算机。4 4、软件的观点、软件的观点 操作系统是程序和数据结构的集合。5 5、管理的观点、管理的观点 操作系统是计算机

3、硬件和软件资源的合理而协调的管理者。6 6、 操作系统操作系统 是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动，实现信息的存取和保护。它提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。操作系统使整个计算机系统实现了高效率和高度自动化。目前流行的操作系统：DOSUNIX LINUX MINIXWINDOWS NT WINDOWS 95/98/2000并行UNIX、Mach/OS、OFS/1 操作系统在计算机系统中的地位操作系统在计算机系统中的地位用户n用户2用户1编译程序 编译程序 数据库系统. 操作系统硬件 计算机系统是按用户的要求接收和存储信息、自动进行数据

4、处理并输出结果信息的系统。计算机系统由硬件（子）系统和软件（子）系统组成 操作系统是计算机系统的一种系统软件，由它统一管理计算机系统的资源和控制程序的执行。资 源计算机系统在使用各种资源时会遇到那些问题： 任何一个程序的执行都必须要首先获得资源 在资源有限的情况下，对资源的请求和使用就会产生冲突。 因此，需要一个管理者或者仲裁者对这种 情况加以管理和控制中央处理机（CPU）内存 I/O设备（键盘、显示器、打字机、鼠标）外部设备 存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带） 其它设备（MODEM、通信口）系统软件（操作系统、语言编译器、数据库管理系统）应用软件 （CAD、MIS、用户自己开发的系统等）工具

5、软件（软、硬件检测疹断程序）第一个目的： 机器扩充，成为一台功能更强的虚拟机（没有操作系统，则所有资源的使用均由用户来控制，结果不可预测！）。第二个目的： 提高计算机系统的工作效率（资源管理的角度） 监视各种资源并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； 分配资源供需求者使用，回收资源，以便再分配。二、操作系统的发展过程二、操作系统的发展过程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的需要 方便用户的需要 器件的不断更新换代 计算机体系结构的不断发展1、人工操作阶段 操作过程：程序员将其编好的程序从纸带或卡片机上装入内存；然后，通过按适当的键或开关去加

6、载开始地址并启动程序运行；在程序运行过程中，程序员通过控制台上的各种显示灯来监测程序的执行情况，如发现错误，就停止程序的运行，查看存储单元和寄存器里的内容，对它进行排错；最后结果打印输出或凿孔输出。使用计算机早期系统的一般操作步骤是：启动读卡机执行汇编语言解释程序启动读卡机或磁带机把目标程序装入计算机；运行目标程序 特点：采用预约方式分配机时（计划时间和实际使用时间不一致）；手工操作方式启动设备和主机运行；用机器语言编制程序；程序员（兼操作员，因此，对其要求很高）独占计算机和所有附属设备。问题：（1）用户独占全机。一台计算机的全部资源只能由一个用户独占。（2）CPU等待人工操作。当用户进行装带

7、（卡）、卸带（卡）等人工操作时。CPU是空闲的。 用户在计算机上算题的所有工作都要用户人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等。 随着计算机速度的加快，人机矛盾越来越大，例如：上机操作要1 分钟 ，运行时间20分钟（10万次/sec） 上机操作要 1分钟 ，运行时间0.2分钟（1000万次/sec）解决办法：雇佣专业的操作人员。操作系统发展过程要解决的主要矛盾： 人的操作速度与计算机计算速度之间的矛盾； CPU速度的迅速提高和I/O设备的速度提高缓慢之间 的矛盾。2、简单的监控（监督）程序（早期的批处理） CPU速度提高，I/O所占时间比例越来越大，效率越来越低（机器的成本是按照生命期的长短

8、摊到 CPU上的，因此机时非常宝贵）。 为了解决CPU和IO设备之间速度不匹配的矛盾，50年代末出现了脱机输入/输出技术。在一台外围机的控制下，事先把纸带（或卡片）机上的数据（或程序）输入到磁带（或磁盘）上，当CPU需要时，再从磁带（或磁盘）上高速的调入内存。当CPU输出时，也采用类似的技术。磁盘打印机主机输入设备外围机外围机磁盘特点：使用专业操作员（排错工作仍由程序员完成），提高装卸作业的效率；把作业按组或批来组织（同类型如FORTRAN放在一起）， 减少系统软件的装载次数。 仍然存在的问题：由人判断作业的正常还是异常终止，完成信息转储，控制作业切换，在人做这些工作的时候，CPU空闲。 这时

9、出现初级的操作系统常驻监控程序（常驻内存），完成自动作业定序。此时，对计算机的控制权在常驻监控程序与用户程序之间切换。这就是早期的批处理阶段。由于是串行执行作业，因此称为单道批处理。 为常驻监控程序提供对作业进行控制的信息的方式：控制卡片。因此，常驻监控程序的内容主要有：控制卡片解释程序、系统程序和应用程序的加载程序以及设备驱动程序。 早期批处理又分为联机批处理和脱机批处理（使用卫星计算机）两种。 CPU可以与外部设备并行工作SPOOLing （Simultaneous Peripheral Operation on Line）技术 磁盘CPU打印机输入机3、多道批处理系统阶段 计算机的发展提

10、供了大容量硬盘和通道（专门用来控制输入输出设备的处理机）。原来以CPU 为 中心的结构改变为以主存为中心的结构，使得I/O和CPU并行起来操作成为可能，这样，CPU的大部分时间就可全部作数据处理用。为改善和提供效率，几道（不同性质的）程序交替运行是一个可行的方法。这就是“多道程序设计”。60年代计算机硬件获得两个重大的进展n通道技术n中断技术通道通道: : 是一种专用部件，负责外部设备与内存之间信息的传输。中断：指主机接到外界的信号（来自CPU外部或内部）时，立即 中止原来的工作，转去处理这一外来事件，处理完后， 主机又回到原来工作点继续工作。多道系统的特征： 计算机内同时存在几道程序 多道性

11、 这些程序均处于运行过程中 - 无序性 程序是交替串行运行 - 调度性多道系统必须解决的问题： 处理机管理问题 内存管理问题 IO设备管理问题 作业管理问题 文件管理问题三、操作系统的主要分类三、操作系统的主要分类1、批处理操作系统批处理操作系统单道批处理操作系统多道批处理操作系统单道批处理系统磁盘打印机输入机CPU磁盘作业内存后备作业输出信息单道批处理系统的特征 （1）自动性。在顺利的情况下，在磁带上的一批作业能自动地逐个作业依次运行，而无须人工干预。 （2）顺序性。磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业完成的顺序与它们进入内存的顺序之间，在正常情况下应当完全相同，亦即先调入内存的作业先

12、完成。 （3）单道性。在内存中仅有一道程序并使之运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，仅当该程序完成或发生异常情况时，才调入其它程序进入内存运行。多道批处理系统磁盘打印机输入机CPU磁盘作业 1作业 2作业 3内存后备作业输出信息在OS中引人多道程序设计可带来以下好处：1、提高CPU的利用率。2、提高内存和I/O设备利用率。3、增加系统吞吐量。多道批处理系统的特征多道性多道性：在内存中可同时驻留多道程序，并允 许它们并发执行，从而有效地提高了资源利用率和系统吞吐量 v 无序性无序性：多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间，并无严格的对应关系，即先进入内存的作业可能较后

13、甚至最后完成，而后进入内存的作业又可能先完成。 v 调度性调度性：作业从提交给系统开始直至完成，需要经过以下两次调度： 作业调度 进程调度多道批处理系统的主要优点v 资源利用率高：由于在内存中装入了多道程序， 使它们共享资源，保持资源处于忙碌状态，从而 使各种资源得以充分利用。 v 系统吞吐大：系统吞吐量是指系统在单位时间内 所完成的总工作量。能提高系统吞吐量的原因可 归结为：第一，CPU和其它资源保持“忙碌”状态； 第二，仅当作业完成时或运行不下去时才进行切 换，系统开销小，CPU和其它资源保持“忙碌”状 态；仅当作业完成时或运行下去时才进行切换， 系统开销小。缺点：v 平均周转时间长 在批

14、处理系统中，由于作业要排队， 依次进行处理，因而作业的周转时间较长； v 无交互能力 用户一但将作业提交给系统后直至作业 完成，用户都不能与自己的作业进行交互，这对修改 和调试程序都是极不方便的。 用户响应时间较长。用户既不能了解自己程序的运行情况，也不能控制计算机。2、分时系统 是以联机操作为标志的操作系统，特别适合于程序的动态调试和修改。计算机硬件分时操作系统CPUn分时计算机系统分时计算机系统：由于中断技术的使用，使得一台计算机能连接多个用户终端，用户可通过各自的终端使用和控制计算机，我们把一台计算机连接多个终端的计算机系统称为分时计算机系统，或称分时系统。n分时技术：把处理机的响应时间

15、分成若于个大小相等（或不相等）的时间单位，称为时间片（如100毫秒），每个终端用户获得CPU，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运行，当时间片到（用完），用户程序暂停运行，等待下一次运行。关键问题：q 及时接收用户的指令q 及时处理，满足用户的要求指导思想：q 使所有的用户作业都直接进入内存；q 在不长的时间内，能使每个作业都运行一次 （较短的时间）用户需求：q 人-机交互q 共享主机q 便于用户上机分类：q 单道分时系统q 具有“前台”和“后台”的分时系统q 多道分时系统分时系统的特征：v 多路性多路性 允许在一台主机上同时联接多台联机 终端，系统按分时原则为每个用户服务；v 独占性独占性

16、 每个用户各占一个终端，彼此独立操 作，互不干扰；v 及时性及时性 用户的请求能在很短时间内获得响应。v 交互性交互性 用户可通过终端与系统进行广泛的人 机对话 能使计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且在严格的规定时间内处理结束，再给出反馈信号的操作系统称为“实时操作系统”。3、实时系统n早期计算机系统是用于科学与工程的数值计算，如第一台计算机（1944年）产生的原因就是解决大口径火炮设计中的计算问题：弹道轨迹、弹着点和材料的各种应力分布的计算。还有原子弹设计和实验中大量的计算问题，用当时的计算工具已经解决不了。n到了60年代初，计算机开始应用到生产过程控制、工业控制、防空系统、信息处

17、理等，在这些应用中不但要解决计算间题，还要求在规定的时间内完成计算，即实时处理。在实时处理中的一个核心的问题就是响应时间问题。分类： 实时控制 实时信息处理特点： 及时响应，快速处理 高的可靠性和安全性响应时间：指用户发出命令，到系统完成用户命令所需的时间。批处理操作系统 没有分时操作系统 秒级(一般情况）实时操作系统 微秒级 甚至更小 系统满足用户时限（deadline)的 要求实时任务的类型 接任务执行时是否呈现周期性来划分 周期性实时任务。要求按指定的周期循环执行，以便周期性地控制某个外部事件。 非周期性实时任务。任务的执行无明显的周期性，但都必须联系着一个截止时间（deadline）。

18、它又可分为：开始截止时间：任务在某时间以前，必须开始执行；完成截止时间：任务在某时间以前必须完成。根据对截止时间的要求来划分 硬实时任务（hard real-time task）。系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。 软实时任务（soft real-time task）。它也联系着一个截止时间，但并不严格，若过了任务的截止时间，对系统产生的影响不会大大。实时操作系统特点：1、系统对外部的信号必须能及时响应，(在规定的时间内（deadline）)；2、要求高可靠性和安全性，效率则放在第二位；3、系统整体性强；4、不要求很强的“会话”能力。分时与实时系统的比较v 多路性

19、都具有多路性v 独立性 都具有独立性v 及时性 实时系统对及时性具有比分时系统 更高的要求v 交互性 分时系统具有比实时系统更广泛的 交互性要求v 可靠性 实时系统对可靠性具有比分时系统 更高的要求4、网络操作系统 为计算机网络配置的操作系统称为“网络操作系统”。网络操作系统可被视为多处理机操作系统的一种（这里未提到紧耦合多处理机操作系统）。 网络操作系统分为两大类：一类是专用的网络操作系统，如Netware、LAN manager、VINES等，另一类是从单机操作系统演化而来、单机和网络通用的操作系统，如：UNIX、Windows NT、OS/2等，网络操作系统的主要功能是：管理网络中的各种

20、资源、协调各主机的运行、实现数据通讯和资源共享。网络协议： 网络协议是网络中各主机（HOST）之间传递信息的规则的集合。如国际标准化组织ISO/OSI七层网络结构协议、TCP/IP协议等。网络操作系统: 在通常的操作系统中增加了实现网络低层协议（一般到传送层）功能和网络设备管理功能的操作系统。如UNIX、LINUX, WINDOWS NT都是网络操作系统。 现在上网使用的IE4、Netscape、Mail Server等属于网络应用程序，不属网络操作系统的范畴。星型网络星型网络 每一个远地结点通过一条单独的传输线路，与中新结点连接，即采用点 - 点连接方式，使网络呈现星形。树型网络树型网络 将

21、一个多级星型网络按层次排列，便形成树型网络。树的根即网络的最高层是中央处理机，树的叶即网络的最低层，为终端式个人计算机。总线型网络总线型网络 将若干个结点通过一条高速总线互连起来所形成的网络，采用广播方式，即由一个结点所发出的信息，可被总线上的所有结点接收。环型网络环型网络 采用高速点 - 点信道，将各结点连接成环形，网络中的信息流是定向的，由一个源结点发出的信息，将绕环传输一周后返回源结点。网状型网络网状型网络 各个结点间通过点 - 点连接，形成不规则的形状，结点之间通常都有多余通路。按网络地理范围分类广域网广域网WAN（Wide Area Network）这种计算机网络所跨越的距离，通常为

22、数百公里到数千公里，甚至是上万公里；网络所覆盖的范围可以为一个地区或一个国家、乃至几大洲；其传输速率为几kb/S到几Mb/s；网络中的通信设施为国家所有。局域网局域网LAN（Local Area Network） 这种计算机网络所跨越的距离，通常为几十米至数公里；网络所覆盖的范围为一栋楼或一个单位；其传输速率 较高，通常为几百kb/S到100Mb/s；网络设施属单位所有。 6、分布式操作系统 为分布式计算机系统配置的操作系统称为“分布式操作系统”。是网络操作系统的更高级形式。 进一步说明： 系统是由多个处理器或计算机系统组成，采用统一的操作系统，所有主机的NOS统一，界面相同； 计算资源可以是

23、物理上相邻的，通过共享主存进行通讯，也可以是地理上分布的，使用计算机网络，通过报文进行通讯； 计算资源组成一个整体，对用户是透明的； 计算可以分布； 各计算机地位平等，一台计算机的失效不影响其它计算机工作。 分布式操作系统技术目前还不成熟。分布式OS与网络OS的比较v 分布性 前者比后者具有更强的分布性v 并行性 前者可以将计算任务分配到多个处 理单元上，而后者无任务分配功能v 透明性 前者可以使资源和服务透明地分布 在系统的各个站点上，而后者的透明性主 要是操作实现上的透明性v 共享性 前者的处理和控制功能是分布的， 可以为系统中所有用户共享，而后者的资 源通常是集中在服务器上v 健壮性 前

24、者比后者具有更强的健壮性四、现代操作系统的特征和服务四、现代操作系统的特征和服务特特 征征v 并发 并发与并行二者是有区别的v 共享 指系统中的资源可供多个并发执行的进 程共享使用 互斥共享方式 / 同时访问方式v 虚拟 所谓虚拟，是指通过某种技术把一个物 理实体变成若干个逻辑上的对应物v 异步性 进程是以走走停停的方式执行，具体的 执行过程无法预知(不确定性)必须解决的问题由并发引起的问题： 并发是指能处理多个同时性活动的能力。如CPU与I/O设备同时工作、显示器与打印机同时工作、鼠标与扬声器同时工作。由并发引起的问题是如何从一个活动切换到另一个活动，怎样保护一个活动，如何实现相互依赖的活动

25、之间的同步。由共享引起的问题：共享指多个计算任务（或多道程序）对系统资源的共同使用。问题：资源的分配、对数据同时存取的保护。由异步性引起的问题：异步性导致不确定性。从用户运行程序的要求的角度看，操作系统必须是确定的，即用户给定一个程序和相应的初始数据，无论在什么时候，在什么计算机系统上运行，产生的结果都应是相同的。从另一个角度看操作系统又存在不确定性：这是由共享和并发引起的。在操作系统中可运行多道用户程序，而每个用户程序的运行时间、要使用哪些系统资源、使用多长时间、使用的资源是共享还是独占的，操作系统在程序运行前是不知道的。这就要求操作系统的设计要很好地解决并发和共享的问题，否则，将会产生不可

26、重现的错误，这种不可重现的错误称为不确定性。例如两个用户共享一台打印机。服服 务务1、操作系统的公共服务v 程序执行v I/O操作v 文件系统操纵v 通信v 差错检测2、系统调用五、操作系统的环境五、操作系统的环境计算机系统的层次结构：四层硬件、操作系统、其它软件（系统软件和应用软件）、用户。用户n用户2用户1编译程序 编译程序 数据库系统. 操作系统硬件1、操作系统与硬件的关系 中断系统是操作系统与硬件密切配合来实现的。操作系统的有些工作（如交换程序状态字）由硬件完成。 经常使用又十分成熟的软件功能由硬件实现（软件硬化）。 由于操作系统“开销”的存在，使得操作系统的功能需与硬件基础匹配，追求

27、高功能，开销过大，则得不偿失。2、操作系统与其它系统软件的关系 操作系统是整个软件系统的核心，所有其它软件（如编译程序、编辑程序、运行程序、连接装配程序及各种软件开发工具）都是在它的支持下工作（隔离软、硬件，资源的分配和使用，程序运行的协调等）。3、操作系统与用户的关系 操作系统与程序设计者之间的界面就是操作系统向程序设计者提供的功能。 要求：使用系统合理和方便。 操作系统与最终用户的界面。六、操作系统的管理功能六、操作系统的管理功能1、处理器管理2、存储器管理3、文件管理4、设备管理5、作业管理处理器管理处理器管理 处理机管理的主要任务，是对处理机进行分配，并对其运行进行有效地控制和管理。在

28、多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。它包括以下几个方面： 进程控制 进程同步 进程通信 调度存储器管理存储器管理 存储器管理的主要任务，是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充内存。 内存分配 内存保护 地址映射 内存扩充 文件管理文件管理 1、文件空间的管理2、目录管理3、文件的读、写管理和存取控制防止未经核准的用户存取文件；防止冒名顶替存取文件；防止以不正确的方式使用文件 设备管理设备管理 设备管理的主要任务，是完成用户提出的IO请求，为用户分配I0设备；提高CPU和IO设备的

29、利用率；提高IO速度；以及方便用户使用IO设备。为实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理，以及虚拟设备等功能。 1 缓冲管理2 设备分配3 设备处理4 设备独立性和虚拟设备作业管理作业管理 作业管理实现作业的调度和控制作业的执行。作业调度是从等待处理的作业中选择可以装入主存储器的作业，对已经装入主存储器的作业按用户的意图控制其执行。 作业管理的组成部分： 作业建立 作业调度 作业完成七、操作系统与用户的接口七、操作系统与用户的接口计算机用户是如何使用计算机的呢？以程序设计为例：把编好源程序后上机调试的工作分成四个步骤，称为四个作业步：n 编辑n 编译n 连接n 运行 操作系统

30、中负责管理操作系统与用户的通信的部分称为用户接口 命令接口 联机用户接口 脱机用户接口 程序接口操作系统提供两个用户接口：程序级：系统调用操作命令级： 作业控制语言（ 早期批处理操作系统） 键盘命令（交互式操作系统，分时操 作系统为代表） 图形用户接口（UNIX、WINDOWS）作业控制语言 在批处理操作系统时代，用户使用计算机是采用脱机方式，即用户将自己的程序、数据和用作业控制语言编写的上机操作的步骤的程序一起提交给计算中心（或机房），隔一段时间去机房取结果。 作业控制语言是一种语言，用来写程序操作步骤的程序 。 键盘命令 分时操作系统诞生后，用户可以通过用户终端直接使用计算机，并且可与计算

31、机“对话”，这就是所谓的交互式计算机。用户可通过键盘直接向计算机发布各种命令，计算机可接受、执行用户命令。 有时将键盘命令按命令的功能分类，如UNIX系统中把键盘命令分成：基本命令、高级命令。命令接口的基本任务： 解释操作系统命令语言，传送指令给操作系 统的其余部分以执行这些命令； 从操作系统接收信息，并提呈给用户。命令语言的种类： 系统访问命令 文件管理命令 编辑、编译和执行命令 询问命令 操作员专用命令DOS系统把键盘命令分为：文件管理（COPY、COMP、TYPE、DEL、REN）磁盘管理（FORMAT、CHKDSK、DISKCOPY、 DISKCOMP）目录管理（DIR、CD、MD、RD、TREE）设备工作模式（CLS、MODE）日期、时间、系统设置（DATE、TIME、VER、 VOL）运行用户程序(MASM、LINK、DEBUG)命令的执行过程： 命令的处理由命令解释程序完成。操作员打入