第1章操作系统绪论(201404新版)

1、操作系统操作系统 任课教师任课教师: : 计算机系计算机系 李勇李勇 ly_ly_学安排（详见教学日历）：序号序号内容内容总学时数总学时数72讲课讲课 实验实验实实践践上上机机1操作系统概论42作业管理63进程管理164文件管理105设备管理86存储管理8合计5220教 材 编著：张尧学、史美林，编著：张尧学、史美林， 计算机操作系统教程计算机操作系统教程(第第3版版) 清华大学出版社清华大学出版社参考书1范策等范策等. 操作系统操作系统核心与设计原理核心与设计原理. 清华清华大学出版社大学出版社,2006.2孟静孟静. 操作系统教程操作系统教程-原理与实例分析原理与

2、实例分析. 高高等教育出版社等教育出版社,2001.3汤子瀛等汤子瀛等. 计算机操作系统计算机操作系统 课程说明课程说明一、自从世界上第一台计算机一、自从世界上第一台计算机ENIACENIAC于于 1946 1946年问世以来，计算机科学与软件工程正在蓬勃发年问世以来，计算机科学与软件工程正在蓬勃发展，其应用已深入社会生活的各个领域。展，其应用已深入社会生活的各个领域。操作系操作系统统 ( (Operating SystemOperating System，简称，简称OS) ) 是系统软件的是系统软件的核心，无论是计算机的研制生产单位，还是用户，核心，无论是计算机的研制生产单位，还是用户，都十

3、分重视都十分重视OS的研究和开发。的研究和开发。OS是一门承上启下的核心的专业课程是一门承上启下的核心的专业课程计算机导论C和 pascal 语言微机原理宏汇编语言数据结构编译原理计算机通讯计算机网络数据库及语言软件工程(信息系统分析)人工智能OS总结：为什么学习操作系统总结：为什么学习操作系统q 加深对使用的操作系统的理解，有利于深入编程加深对使用的操作系统的理解，有利于深入编程 用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道q 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法编程时借鉴操作系统的设计思想和算法 操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用操作系统中所用的许

4、多概念和技巧可以推广应用到其他领域到其他领域q 设计操作系统或者修改现有的系统设计操作系统或者修改现有的系统 存在人们意识不到的大量存在人们意识不到的大量“操作系统操作系统” 嵌入式系统嵌入式系统(Embedded OS(Embedded OS）q 选择购买操作系统选择购买操作系统 第一章 绪论一、操作系统概述二、操作系统的发展历程三、操作系统的类型四、操作系统的特性 五、操作系统的性能1.1 操作系统概述操作系统概述1.1.1 计算机系统构成的认识计算机系统构成的认识硬件：有形的、用手能够触摸的构成计算机机系统的部件硬件：有形的、用手能够触摸的构成计算机机系统的部件软件：可在计算机系统中运行

5、的程序软件：可在计算机系统中运行的程序（通常存放在硬盘里，通过屏幕上快捷方式图标展示）（通常存放在硬盘里，通过屏幕上快捷方式图标展示）1.1.1 计算机系统构成的认识计算机系统构成的认识微型机硬件组织（总线结构）微型机硬件组织（总线结构）大中小型计算机的硬件组织大中小型计算机的硬件组织（非总线结构）（非总线结构）中央处理器中央处理器(CPU)存储器存储器输入输出设备输入输出设备(包括通道和控制器包括通道和控制器)计算机系统计算机系统硬件资源硬件资源软件资源软件资源文件（系统软件和应用文件（系统软件和应用软件均以文件方式存放）软件均以文件方式存放）1.1.1 计算机系统构成的认识计算机系统构成的

6、认识命令命令:用户在命令窗口从键盘发给操作系统的指示1.1.2 命令、任务、进程、作业命令、任务、进程、作业任务任务: :用户启动系统中用户启动系统中的应用程序做的的应用程序做的事情事情进程进程: :程序的一次执行程序的一次执行过程过程作业作业:用户提交给计算机进行加工处理的一个完整任务用户提交给计算机进行加工处理的一个完整任务1.1.2 命令、任务、进程、作业命令、任务、进程、作业操作系统（Operating System,简记为OS）: 管理系统资源并向用户提供服务接口的程序集合，是最基本的系统软件。其目标是1）方便用户、2）提高资源利用率、3）改善系统性能。各种应用程序编辑程序、编译程序

7、、等等编辑程序、编译程序、等等操作系统操作系统裸机操作系统的地位操作系统的地位另一种定义：另一种定义：计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合它们管理和控制计算机系统的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，以便有效利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，从而在计算机和其用户之间起到接口的作用。简要定义：简要定义：用于控制和管用于控制和管理系统资源，方便用户使理系统资源，方便用户使用计算机的程序的集合。用计算机的程序的集合。1.1.3 操作系统的定义和地位操作系统的定义和地位1 1 资源管理的观点资源管理的观点( (静态观点静态观点) ) 操作系统是由对系统资源

8、进行管理的四个内核模块（进程管理、存储管理、设备管理、文件管理）和向用户提供服务接口的一个外壳模块（作业管理或及命令处理）组成。 1.1.4 研究操作系统的四种观点研究操作系统的四种观点资源管理包括资源管理包括三个方面：三个方面：资源使用情况记录资源的分配策略资源的分配与回收等 2 2 用户（界面）观点用户（界面）观点 操作系统是用户和计算机之间的接口。 对用户来说，不关心操作系统的内部结构，只关心如何利用操作系统提供的功能来有效地使用计算机，因此，操作系统应提供什么样的界面成为关键问题。 1) 命令级的接口(1).联机命令接口（交互式用户接口） 联机命令接口由联机命令（终端命令）、语言终端处

9、理程序（接受字符，字符缓冲，回送显示，屏幕编辑，特殊字符处理）和命令解释程序组成。 用户键入的终端命令由命令语言解释程序解释执行，其相应的程序代码，可以包含在命令语言解释程序，也可以放在一个可执行文件。 2 2 用户（界面）观点用户（界面）观点 1) 命令级的接口。(2).脱机命令接口（批处理用户接口）、脱机命令接口由作业控制语言和作业控制程序组成。、作业控制语言(简记为JCL)包括一系列作业控制命令，以及说明语句、条件转移、循环，过程调用等控制结构。、用户用作业控制语言JCL书写作业说明书表达作业的运行过程，作业运行时，作业控制程序根据作业说明书来控制作业的运行，用户不能直接干预作业的运行。

10、操作系统的用户看到的脱机命令接口就是JCL。操作系统的设计者既需要设计良好的JCL，又需要实现作业控制程序。 2 2 用户（界面）观点用户（界面）观点 2) 程序级的接口(系统调用) 系统调用是一种特殊的广义指令，用户程序通过它来调用操作系统的功能。这种调用是由特殊的机器指令实现，这样指令的执行将引起中断，区别于硬设备的中断，称之为软中断。 通常在汇编语言级别上提供全部的系统调用，在其他语言中都以自己语言的形式（函数）全部地或部分地提供，这些语言的编译器，在编译时将它们翻译称软中断指令。 有关文件操作的系统调用请见P34(可以在Linux下运行，也可以在Windows下用Turbo C编程).

11、2.8 2.8 操作系统与用户之间的接口（用户接口）操作系统与用户之间的接口（用户接口）main() char ca50;int fd;fd=open(“a”,0);/打开“a”文件, 0代表读,返回值为打开文件号read(fd,ca,50);、read(fd,ca,50) 语句(读文件系统调用)编译为80 x86机器汇编指令：BX-“fd的值”CX-50DS:DX-“ca的首地址”AH就绪：存储管理（分配内存）v 文件管理、设备管理（将进程的程序从外存文件中读入内存）v2、就绪执行：进程管理（进程调度）v3、执行封锁：文件管理（如要求读出一个文件中的信息）v 设备管理（启动文件所在设备的读写

12、操作）v 进程管理（进程控制及进程调度）v4、 封锁就绪： 进程管理（进程控制，中断处理）v5、 执行终止： 存储管理（释放内存）、进程管理（释放CPU） 机器指令系统机器指令系统 CPU 内存、内存、I/O接口接口裸机第第1层：中断处理、时钟管理层：中断处理、时钟管理 、进程管、进程管理低级部分（进程调度、理低级部分（进程调度、PV操作等）操作等）命令命令（语言）（语言）解释（处理）程序、作业控制程序解释（处理）程序、作业控制程序终端用户1图图 分层观点（虚拟机器观点）分层观点（虚拟机器观点）用户态用户态(目态目态)操作操作系统系统内核内核第第2层：存储管理层：存储管理第第3层：进程管理高级

13、部分层：进程管理高级部分(进程创建等进程创建等)第第4层：设备管理层：设备管理第第5层：文件管理（或者称为文件系统）层：文件管理（或者称为文件系统）第第6层：系统调用处理总控层：系统调用处理总控语言编译程序、汇编程序、语言编译程序、汇编程序、 数据库系统、网络软件、系数据库系统、网络软件、系统实用程序统实用程序(例如例如Tree、ChkDsk)、用户自编可执行程序等、用户自编可执行程序等操作操作系统系统外壳外壳终端用户2终端用户 n系统态系统态(管态管态) 4 分层观点（虚拟机器观点）分层观点（虚拟机器观点） 通过一层层软件扩充，操作系统把裸机扩展为功能更强大使用更方便的虚拟机器。手工操作阶段

14、手工操作阶段用户上机完全手工操作, 用户干预整个过程批处理阶段批处理阶段实现用户之间转接自动化, 无需用户干预执行系统阶段执行系统阶段由于中断和通道的产生, 使得监督有了控制能力, 有了管理者.1.2 操作系统的发展历程操作系统的发展历程1.2.1 操作系统的形成操作系统的形成1.2.2 手工操作阶段（串行工作，手工操作阶段（串行工作，20世纪世纪40年代）年代）特点：1) 用户直接与计算机硬件打交道，靠控制台面板（包括显示灯、按钮或扳键、触发器）来控制主机和外设2) 用户独占全机资源 3) 用户即是程序员又是操作员主要缺点：1) 慢速设备的输入输出是联机的（由CPU控制），浪费CPU时间 2

15、) 作业之间的转接由手工操作，浪费时间上机操作步骤：1) 用户将程序和数据纸带或卡片装上输入机 2) 启动输入机将程序和数据纸带或卡片输入计算机 3) 通过控制台开关启动程序运行4) 转步骤1（对下一个作业重复1、2、3的步骤）1.2.3 早期批处理阶段（20世纪50年代末）作业处理步骤：1) 操作员选择若干用户提交的作业纸带或卡片(用户提前要把构成作业的程序、数据和用作业控制语言编写的作业说明书制作成纸带或卡片）合成一批，通过输入设备(纸带输入机或读卡机) 把它们存入磁带;2) 监督程序从磁带读入一个系统资源能满足其要求的作业进内存;3) 从磁带调入汇编程序或编译程序，将用户作业源程序翻译或

16、编译成目标代码;4) 连接装配程序把目标代码及所需子程序装配成一个可执行程序;5) 启动执行可执行程序;6) 执行完毕，由善后处理程序输出计算结果;7) 重复 2)6)各步处理下一个作业；8) 一批作业完成，返回到1)，选择处理下一批作业。1) 配备专门的计算机操作员，程序员不再直接操作机器，减少操作机器的错误。2) 重要措施是进行批处理，操作员把用户提交的作业分类，把一批中的作业编成一个作业执行序列。每一批作业将由专门编制的监督程序(monitor)自动依次处理。3) 一个作业的多个步骤之间的转接自动完成不需要人工干预。1.2.3 早期批处理阶段（20世纪50年代末）特点：1、联机批处理：联

17、机批处理：CPU直接控制慢速输入输出设备直接控制慢速输入输出设备2、脱机批处理：慢速输入输出设备由外围处理机脱机批处理：慢速输入输出设备由外围处理机(卫星机卫星机)控制控制慢速输慢速输入设备入设备外存外存输入井输入井主机主机脱机输入方式脱机输入方式慢速输慢速输入设备入设备外外 围围处理机处理机外存外存输入井输入井磁磁带带主机主机磁磁带带联机输入方式联机输入方式卡片输入机卡片输入机打印机打印机卫星机卫星机输入带输入带输出带输出带执行带执行带系统带系统带日志日志调入调入作业作业输出结果输出结果 脱机批处理脱机批处理主机主机结束结束输入带输入带输出带输出带卡片卡片早期批处理系统早期批处理系统IBM1

18、401IBM7094IBM1401输入磁带输入磁带磁带机磁带机卡片阅读机卡片阅读机输出磁带输出磁带打印机打印机内存中同时存放多个作业或者程序内存中同时存放多个作业或者程序图 多道批处理系统工作原理作业作业卡片机卡片机作业1作业2作业nOS磁盘磁盘（输入井）（输入井）磁盘磁盘（输出井）（输出井）内存后备后备作业作业完成完成作业作业打印机打印机处理器处理器作业作业卡片机卡片机内存作业1作业2作业nOS后备后备作业作业完成完成作业作业打印机打印机处理器处理器结束结束1.2.4 多道批处理系统多道批处理系统/多道程序系统多道程序系统多道批处理系统的特征多道批处理系统的特征: : 多道：内存中同时存放多

19、个作业或程序； 宏观上并行：内存中的多个程序都处于运行状态； 微观上串行：各道程序轮流使用CPU，交替执行；1.2.4 多道批处理系统多道批处理系统/多道程序系统多道程序系统多道程序系统必备的硬件基础是中断技术。多道程序系统必备的硬件基础是中断技术。在当前运行的作业（程序）需作在当前运行的作业（程序）需作I/OI/O处理时，处理时，CPUCPU转转而执行另一个作业（程序）而执行另一个作业（程序） 。v例题1： 设在内存中有P1、P2两道程序，并按照P1、P2的次序运行，其内部计算和I/O操作时间如下： P1：计算60ms,输入数据 80ms ,计算20ms; P2：计算120ms,输入数据40

20、ms,计算40ms。 请画出并发执行这两道程序的时序图，并计算若调度程序的执行时间不计，并发完成这两道程序比单道运行节约的时间是多少？ 设在内存中有P1、P2两道程序，并按照P1、P2的次序运行，其内部计算和输入操作时间如下： P1：计算60ms, 输入 80ms ,计算20ms； P2：计算120ms，输入40ms, 计算40ms。请画出并发执行这两道程序的时序图，并计算若调度程序的执行时间（红色短线表示）不计，并发完成这两道程序比单道运行节约的时间是多少？单道运行的时间：P1：160，P2：200，合计360ms；并发完成这两道程序比单道运行节约的时间是（100ms） v例题2：某多道程序

21、设计系统配有一台处理器和两台外设D1、D2，现有三个优先级由高到低的作业J1、J2、J3都已装入了主存，它们使用资源的先后顺序和占用时间分别是： J1 ：CPU(10ms)、D1(30ms)、CPU(10ms)、D2(10ms); J2：IO1(10ms)、CPU(10ms)、IO2 (30ms); J3：CPU(30ms)、IO1(10ms)。采用可抢占的优先级调度，请画出并发执行这三道程序的时序图（纵轴表示作业J1、J2、J3，线段标明使用的资源：CPU、D1、D2，横轴表示使用资源的时间，忽略其它辅助操作时间）。分时操作系统分时操作系统终端终端终端图图1.7 1.7 分时系统示意图分时系

22、统示意图响应时间 1 2 3 n时间片计算机硬件计算机硬件终端分时操作系统分时操作系统终端终端终端 1 2 3 n时间片终端终端终端终端终端终端终端终端终端结束结束 批处理系统的目标是提高计算机系统的工作效率，但批处理系统的下列显著缺点导致了分时系统的出现 ： 没有交互能力，用户无法干预自己作业的运行，使用起来不方便； 用户作业可能需要等待很长时间才能得到运行。1.2.5 分时操作系统分时操作系统分时操作系统终端终端终端图图1.7 1.7 分时系统示意图分时系统示意图响应时间 1 2 3 n时间片计算机硬件计算机硬件终端分时操作系统分时操作系统终端终端终端 1 2 3 n时间片终端终端终端终端

23、终端终端终端终端终端结束结束 批处理系统的目标是提高计算机系统的工作效率，但批处理系统的下列显著缺点导致了分时系统的出现 ： 没有交互能力，用户无法干预自己作业的运行，使用起来不方便； 用户作业可能需要等待很长时间才能得到运行。1.2.5 分时操作系统分时系统的分时系统的3个主要特性个主要特性 ：n 多路性多路性/同时性；同时性；宏观上同时有多个用户在运行。n 交互性；交互性；在终端上编辑、运行程序，或其它操作。 n 独占性；独占性；每个用户一个终端，独立操作，互不干扰 实时操作系统（Real-Time Operating System）能对随机发生的外部事件做出及时响应和处理。 实时操作系统

24、的引入实时操作系统的引入 随着计算机应用领域扩大，从传统科学计算扩展到商业数据处理、生产过程控制、飞机导航、情报检索等。这样就出现了实时操作系统，这种系统一般是专用系统。 实时系实时系统按其应用分为实时控制和实时信息处理两大类：统按其应用分为实时控制和实时信息处理两大类：n 实时控制；实时控制；如生产过程控制、飞机导航、导弹和卫星发射、铁路交通控制等都属于这一类。n 实时信息处理；实时信息处理；情报检索等就属于这一类。 1.2.6 实时操作系统实时操作系统对响应时间和可靠性有很高要求和严格限度的系统 通用操作系统（Multi-Purpose Operating System）是在实时系统之后，

25、为使系统应用范围更广泛，处理能力更强，有些系统兼有实时、分时和批处理的两种，或三种处理能力，从而形成通用操作系统。 当代同时具备两种以上功能的系统有很多，例如，UNIX操作系统：SUN公司的Solaris；Microsoft公司的Windows系列。Linux操作系统：Redhat，红旗Linux等。1.2.7 通用操作系统通用操作系统 网络操作系统（Network Operating System）是实现网络通信与网络资源管理的操作系统。将分布各地的计算机/终端设备通过数据通信系统联结在一起，构成一个系统，形成计算机网络。 计算机网络需要一个网络操作系统对整个网络实施管理，并为用户提供统一的

26、，方便的网络接口。网络操作系统一般建立在各主机的本地操作系统网络操作系统一般建立在各主机的本地操作系统（网络中各计算机配有独立操作系统）基础之上，（网络中各计算机配有独立操作系统）基础之上，其功能是实现网络操作、资源共享和保护、网络服其功能是实现网络操作、资源共享和保护、网络服务和网络接口等务和网络接口等。1.2.8 网络操作系统网络操作系统 分布式操作系统（Distributed Operating System）1.2.9 分布式操作系统分布式操作系统经网络连接而成的统一的计算机系统，从这一点上来说，与计算机网络是一样的，但分布式系统与计算机网络系统的主要区别是分布式系统的特征： n 透明性；透明性；系统中各子任务执行位置、资源位置等对用户是透明的。网络也具备透明性，但主要指操作实现上的。计算机网络系统不具备透明性透明性：若一个计算机上的用户希望使用另一台计算机上的资源，则必须明确指明是哪台计算机。 操作系统是由于客观的需要而产生，它伴随着计算机技术和应用