OS_Chapter-01

1、1操作系统引论操作系统引论第一章第一章1.1 什么是操作系统1.2 操作系统的发展历史1.3 操作系统的特征1.4 操作系统的主要功能1.5 操作系统的结构2什么是操作系统（什么是操作系统（1） 有哪些操作系统？有哪些操作系统？ CP/M 最早的微机操作系统 DOS 远古霸主 Windows 现代微机操作系统的垄断者 Linux 开源代码，最具活力的操作系统 UNIX 高端的服务器操作系统 Mac OS 运行于苹果Macintosh的操作系统3什么是操作系统（什么是操作系统（2） 还有哪些设备有操作系统？还有哪些设备有操作系统？ 智能手机的操作系统智能手机的操作系统 Symbian Windo

2、wsMobile ios Android 4什么是操作系统（什么是操作系统（3） 计算机系统的组成计算机系统的组成 硬件 系统程序 应用程序5什么是操作系统（什么是操作系统（4） 是扩展机器是扩展机器 隐藏了必须执行的复杂细节 给用户提供了虚拟机器, 易于使用 是资源管理者是资源管理者 每个程序可以获得资源的部分使用时间 每个程序可以获得资源的部分使用空间6什么是操作系统（什么是操作系统（5） 是人机交互的桥梁（接口、界面）是人机交互的桥梁（接口、界面） 直接操作机器 编制程序7什么是操作系统（什么是操作系统（6） 操作系统是计算机系统中的一个系统软操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些

3、程序模块的集合件，是一些程序模块的集合 它们能以尽量它们能以尽量有效、合理有效、合理的方式管理和的方式管理和分配计算机的软硬件资源，合理的组织分配计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使得用户能向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、够灵活、方便方便、有效的使用计算机，使、有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行。整个计算机系统能高效地运行。8操作系统的历史操作系统的历史 (1) 编程语言：机器语言；编程语言：机器语言； 输入输出：纸带或卡片；输入输出：纸带或卡片； 用户在控制台前调试程序，独占全机。用

4、户既用户在控制台前调试程序，独占全机。用户既是程序员，又是操作员，手工操作；是程序员，又是操作员，手工操作； 一次完成一个功能（计算，一次完成一个功能（计算，I/O，用户思考，用户思考/反反应），之间没有重叠。应），之间没有重叠。 问题：手工操作的低效率造成问题：手工操作的低效率造成CPU资源的浪费。资源的浪费。Phase 1：194650年代年代硬件非常昂贵，没有操作系统硬件非常昂贵，没有操作系统9操作系统的历史操作系统的历史 (2) 程序员把作业（卡片或磁带）提交给负责调度程序员把作业（卡片或磁带）提交给负责调度的操作员（系统管理员）；的操作员（系统管理员）； 操作员把作业操作员把作业“成

5、批成批”地输入到计算机；地输入到计算机； 批处理管理程序自动地识别、装入一个作业，批处理管理程序自动地识别、装入一个作业，并运行之，然后再取下一个作业。并运行之，然后再取下一个作业。 问题：手工操作的低效率造成问题：手工操作的低效率造成CPU资源的浪费。资源的浪费。硬件昂贵，人力便宜硬件昂贵，人力便宜Phase 250年代末年代末60年代中：年代中：批处理管理程序批处理管理程序为了提高计算机的使用效率，减少手工操作！为了提高计算机的使用效率，减少手工操作！10操作系统的历史操作系统的历史 (3)早期的批处理系统（单道批处理系统）早期的批处理系统（单道批处理系统） 把卡片拿到 IBM 1401

6、读卡片内容到磁带 磁带装到 IBM 7094 ，计算 磁带装到 IBM 1401 , 打印输出11操作系统的历史操作系统的历史 (4) 早期批处理系统的脱机早期批处理系统的脱机I/O12操作系统的历史操作系统的历史 (5) 典型的典型的 FMS作业结构作业结构 2nd 代代13操作系统的历史操作系统的历史 (6) FMS的处理流程的处理流程14操作系统的历史操作系统的历史 (7) 通道：用于控制通道：用于控制I/O设备与内存间的数据设备与内存间的数据传输，有专用的传输，有专用的I/O处理器，启动后可独处理器，启动后可独立于立于CPU运行，实现运行，实现CPU与与I/O的并行工的并行工作。作。

7、中断是指中断是指CPU在收到外部中断信号后，在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，停止原来工作，转去处理该中断事件，在完成后回到原来断点继续工作。在完成后回到原来断点继续工作。60年代初：年代初：通道和中断技术通道和中断技术15操作系统的历史操作系统的历史 (8) 多道：内存中同时存放多个作业，由多道：内存中同时存放多个作业，由CPU以切换方式为之服务。在当前运行以切换方式为之服务。在当前运行的作业需作的作业需作I/O处理时，处理时，CPU转而执行另转而执行另一个作业；一个作业； 宏观上并行运行：都处于运行状态，但宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；都未运行完； 微

8、观上串行运行：各作业交替使用微观上串行运行：各作业交替使用CPU和和I/O设备设备60年代中年代中70年代中：年代中：多道批处理系统多道批处理系统现代意义上的操作系统出现现代意义上的操作系统出现16操作系统的历史操作系统的历史 (9) 多道批处理系统多道批处理系统 3个作业同时在内存中 17操作系统的历史操作系统的历史 (10)运行15msI/O 20ms运行10msI/O 10msBABAI/OI/O10ms60mstBA 多道程序方式运行多道程序方式运行 ，A和和B的的I/O使用不同的设使用不同的设备且均已结束。假设先调度备且均已结束。假设先调度B运行。画出运行。画出60ms内运行轨迹并求

9、出内运行轨迹并求出CPU的利用率。的利用率。一个例子一个例子18操作系统的历史操作系统的历史 (11)BAI/OI/O1060t20304050253545%3 .83%1006050%10060)3545(60CPUP19操作系统的历史操作系统的历史 (12) R Turner 提出的例子：某提出的例子：某计算机系统，有计算机系统，有256KB的的主存主存(不包含操作系统不包含操作系统)，一个磁盘，一个终端和一一个磁盘，一个终端和一台打印机。同时提交的三台打印机。同时提交的三个作业分别命名为个作业分别命名为JOB1、JOB2、JOB3。各作业运。各作业运行时间分别为行时间分别为5min、15

10、min和和10min。它们对资。它们对资源的使用情况如下表所示：源的使用情况如下表所示：作业JOB1JOB2JOB3作业类型CPUI/OI/O主存5010080磁盘终端打印机运行时间51510又一个例子又一个例子20操作系统的历史操作系统的历史 (13)CPU利用率主存利用率磁盘利用率打印机利用率全部作业完成时间/min吞吐量/(作业 h1)单单 道道17%=5/(5+15+10)30%=(50+100+80)/256/333%=10/3033%=10/3030=5+15+106=3/(30/60)多道多道 (三道作业三道作业)平均周转时间/min18=(5+20+30)/333%=(5/15

11、)90%=(50+100+80)/25667%=10/1567%=10/151512=3/(15/60)10=(5+15+10)/321操作系统的历史操作系统的历史 (14) 系统非常复杂；系统非常复杂； 完全用汇编语言编写；完全用汇编语言编写； IBM的的OS/360，第一个为一系列计算机设计的，第一个为一系列计算机设计的操作系统，从最小的机器到最大的机器。操作系统，从最小的机器到最大的机器。1963年提出，年提出，1968年开始工作。发布时，带着已知年开始工作。发布时，带着已知的的 1000 个个bugs； 引发了研究兴趣，引发了研究兴趣，OS最终成为一门重要的学最终成为一门重要的学科科缺

12、点：只是解决了缺点：只是解决了CPU与与I/O设备之间的并行运设备之间的并行运行行问题，没有解决用户的响应时间要求。问题，没有解决用户的响应时间要求。22操作系统的历史操作系统的历史 (15) 交互式分时：交互式分时： 计算机比较贵，只有一台； 终端比较便宜，人手一台； 所有用户可与系统立即交互，调试比较方便；硬件较以前便宜，人力昂硬件较以前便宜，人力昂贵贵Phase 370年代中至今：年代中至今：分时系分时系统统多个用户分享地使用同一台计算多个用户分享地使用同一台计算机机23操作系统的历史操作系统的历史 (16) CTSS： MIT,1962，第一个真正的分时系统 MULTICS： 1963

13、年，由MIT、贝尔实验室和GE联合开发；研制难度超出了所有人预料，1969投入使用； 引入了许多现代操作系统领域概念雏形，对随后操作系统的发展有着巨大的影响。分时系统的代表分时系统的代表24操作系统的历史操作系统的历史 (17) UNIX： 1969年，贝尔实验室的Ken Thompson在一台PDP-7计算机上，开发出了一个精简版的的MULTICS。 后来， Dennis Ritchie加入进来，他们陆续开发了浮点运算软件包、显示驱动软件，并设计了文件系统、实用程序、shell和汇编程序； 到1970年，在一切完成后，他们给新系统起了一个名字UNIX； 最初是用汇编语言编写，后来Ritchi

14、e发明了C语言，因此两人把整个系统用C语言重写了。分时系统的代表分时系统的代表25操作系统的历史操作系统的历史 (18) 实时操作系统是指使计算机能及时响应外部事实时操作系统是指使计算机能及时响应外部事件的请求，在规定的严格时间内完成对该事件件的请求，在规定的严格时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统。一致地工作的操作系统。 分两类：分两类：实时过程控制实时过程控制，用于工业控制、军事，用于工业控制、军事控制；控制；实时信息处理实时信息处理，用于电信、银行、飞机，用于电信、银行、飞机定票等领域。定票等领域。 主要特

15、征：主要特征： 实时性：对外部请求在严格时间范围内作出反应; 可靠性：要求高度可靠。实时系统实时系统26操作系统的历史操作系统的历史 (19) 计算机非常便宜，可以人手一台，计算机非常便宜，可以人手一台，Apple II、IBM PC等；等； 1974年，年，Intel 推出推出8080芯片，请芯片，请Gary Kildall设计了设计了CP/M操作系统操作系统第一个个人计算机第一个个人计算机操作系统；操作系统； 1980年，年，IBM需要为他们的需要为他们的PC机安装操作系机安装操作系统，但统，但Gary居然未予重视，机遇落在了微软身居然未予重视，机遇落在了微软身上，微软收购了西雅图计算机产

16、品公司上，微软收购了西雅图计算机产品公司 DOS操作系统，创建了操作系统，创建了MS-DOS；MS时代来临。时代来临。硬件很便宜，人力依然昂硬件很便宜，人力依然昂贵贵Phase 427操作系统的大家族操作系统的大家族 大型机操作系统大型机操作系统 服务器操作系统服务器操作系统 多处理机操作系统多处理机操作系统 个人计算机操作系统个人计算机操作系统 智能终端操作系统智能终端操作系统 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 智能卡操作系统智能卡操作系统28大型机操作系统大型机操作系统 主要用于面向多个作业的同时处理，需主要用于面向多个作业的同时处理，需要巨大的要巨大的I/O能力。如银行支票处理或者能力。如银

17、行支票处理或者航班预定。每个业务量很小，但是系统航班预定。每个业务量很小，但是系统需要每秒处理成百上千个业务。需要每秒处理成百上千个业务。 OS/390是一个典型的例子是一个典型的例子 正在被正在被UNIX和它的变体取代和它的变体取代29服务器操作系统服务器操作系统 即网络操作系统即网络操作系统 通过网络同时为若干个用户服务，允许通过网络同时为若干个用户服务，允许用户共享硬件和软件资源用户共享硬件和软件资源 提供打印服务、文件服务、提供打印服务、文件服务、web服务等服务等 Solaris、FreeBSD、Linux、Windows的的服务器版本服务器版本30多处理机操作系统多处理机操作系统

18、依据连接和共享方式不同，多处理机分依据连接和共享方式不同，多处理机分为多计算机和多处理器为多计算机和多处理器 采用的操作系统是配有通信、连接和一采用的操作系统是配有通信、连接和一致性等专门功能的服务器操作系统的变致性等专门功能的服务器操作系统的变体体 PC中现在已经出现了多核芯片中现在已经出现了多核芯片 主流的主流的Windows和和Linux都可以运行在多都可以运行在多核处理器上核处理器上31个人计算机系统个人计算机系统 都支持多道程序处理都支持多道程序处理 广泛用于字处理、电子表格、游戏和广泛用于字处理、电子表格、游戏和internet应用应用 Linux、FreeBSD、Windows、

19、Mac OS32智能终端操作系统智能终端操作系统 手机与手机与PDA在融合在融合 掌上设备变得日益复杂，可以处理移动掌上设备变得日益复杂，可以处理移动电话、照相、音频视频，可以运行第三电话、照相、音频视频，可以运行第三方软件方软件 Symbian、Android、Windows Mobile33嵌入式操作系统嵌入式操作系统 在用来控制设备的计算机中运行在用来控制设备的计算机中运行 所有软件在所有软件在ROM中，不允许用户下载安中，不允许用户下载安装新软件装新软件 用在微波炉、电视机、汽车、用在微波炉、电视机、汽车、DVD、移、移动电话、动电话、MP3/4/5播放器播放器 QNX、VxWorks

20、34智能卡操作系统智能卡操作系统 驻留驻留SIM卡内的操作系统卡内的操作系统 主要用于用于接受和处理外界主要用于用于接受和处理外界(如手机或者读如手机或者读卡器卡器)发给发给SIM卡的各种信息，执行外界发送的卡的各种信息，执行外界发送的各种指令各种指令(如鉴权运算如鉴权运算)，管理卡内的存储器空，管理卡内的存储器空间，向外界回送应答信息等间，向外界回送应答信息等 Java Card已成为事实上的行业标准，以已成为事实上的行业标准，以Java虚拟机虚拟机(JVM)为基础，支持多应用动态下载。为基础，支持多应用动态下载。 35操作系统的特征操作系统的特征 (1) 并发并发(Concurrence)

21、：并行性是指两个或：并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。生。 共享共享(Sharing)：指系统中的资源可供内：指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程存中多个并发执行的进程(线程线程)共同使用。共同使用。36操作系统的特征操作系统的特征 (2) 虚拟虚拟(Virtual)：是指通过某种技术把一：是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。 异步性异步性(Asynchronism)：进程以不可预：进程以不可预知的速度向前推进。

22、知的速度向前推进。37操作系统的主要功能操作系统的主要功能 (1) 处理机管理功能处理机管理功能 存储器管理功能存储器管理功能 设备管理功能设备管理功能 文件管理功能文件管理功能 用户接口用户接口 38操作系统的主要功能操作系统的主要功能 (2) 进程控制进程控制 创建 撤销 状态转化处理机管理功能处理机管理功能39操作系统的主要功能操作系统的主要功能 (2) 进程同步进程同步 互斥 同步处理机管理功能处理机管理功能40操作系统的主要功能操作系统的主要功能 (3) 进程通信进程通信 管道通信 信箱 消息缓冲处理机管理功能处理机管理功能41操作系统的主要功能操作系统的主要功能 (4) 调度调度

23、作业调度 从外存到内存，程序变成进程 进程调度 内存中的进程获得CPU，运行 调度算法 调度中使用的规则处理机管理功能处理机管理功能42操作系统的主要功能操作系统的主要功能 (5) 内存分配内存分配 连续分配 分区 离散分配 分页、分段存储器管理功能存储器管理功能43操作系统的主要功能操作系统的主要功能 (6) 内存保护内存保护 确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰 主要解决“越界”问题存储器管理功能存储器管理功能44操作系统的主要功能操作系统的主要功能 (7) 地址映射地址映射 程序编译后的地址和装入内存的地址不是一致的。存储器管理必须提供地址映射功能，以将地址空间中的逻

24、辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。存储器管理功能存储器管理功能45操作系统的主要功能操作系统的主要功能 (8) 内存扩充内存扩充 局部性原理 请求调入功能 置换功能存储器管理功能存储器管理功能46操作系统的主要功能操作系统的主要功能 (9) 缓冲管理缓冲管理 缓和高速CPU和I/O设备间速度不匹配 设备分配设备分配 根据用户进程的I/O请求、现有资源情况以及设备分配策略，为之分配其所需的设备 设备处理设备处理 设备驱动程序，CPU到控制器的接口设备管理功能设备管理功能47操作系统的主要功能操作系统的主要功能 (10) 文件的结构文件的结构 逻辑结构和物理结构，不同的文件系统有不同的结构

25、FAT32，EXT2 目录管理目录管理 通过目录管理文件，检索、存取、共享 存储空间管理存储空间管理 外存空间管理文件管理功能文件管理功能48操作系统的主要功能操作系统的主要功能 (11) 命令接口命令接口 由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成 程序接口程序接口 用户程序取得操作系统服务的惟一途径。它是由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序。 图形接口图形接口 命令接口的图形化，鼠标、菜单、图标用户接口用户接口49操作系统的结构操作系统的结构 (1) 整体式结构整体式结构 分层式结构分层式结构 虚拟机结构虚拟机结构 微内核结构微内核结构50操作系统的结构操作系统的结

26、构 (2) 整体式结构整体式结构 将总体功能划分为若干子功能，子功能再往下细分，直至最基本的功能为止。实现每个子功能的程序称为模块。整个系统就是由接口将所有模块连接起来的一个整体，所以被称为整体式结构。 早期的UNIX系统和现在的Linux系统51操作系统的结构操作系统的结构 (3)整体式结构整体式结构52操作系统的结构操作系统的结构 (4) 分层式结构分层式结构 为了使系统的结构更加清晰，引入了层次式结构设计方法，即在硬件裸机的基础上一层一层向外扩充软件，其中低层软件为高层软件提供服务，高层软件通过调用底层软件实现其功能。 THE系统 、MULTICS 53操作系统的结构操作系统的结构 (5)THE系统的分层结构系统的分层结构54操作系统的结构操作系统的结构 (6) 虚拟机结构虚拟机结构 这个系统的核心被称为虚拟机监控器(virtual machine monitor)。它在