软基-软件技术基础os概述

22.1操作系统概述操作系统的定义操作系统的发展操作系统的功能操作系统的特征操作系统的分类2.1

操作系统概论实体方式对象目标定义：操作系统是计算机系统中直接控制和管理各种软硬件资源，以方便用户充分而有效地利用这些资源的程序的集合。计算机系统的组成硬件CPU器输入输出设备用户程序系统应用程序操作系统操作系统在计算机系统中的地位计算机硬件操作系统系统工具应用应用用户应用开发操作系统开发（补充）计算机工作原理自动执行下一条指令CPU内存5、CPU寄存器不是内存，是CPU的一部分。AX

BX CX

……1、CPU从内存中

指令2、指令一般由指令体和操作数组成ADD

ax，1跳转指令或结束指令I/O设备3、内存按照地址大小，线性存放数据、指令4、CPU执行完一条指令后，不遇到特殊情况下，（补充）计算机工作原理CPU，内存和I/O设备都通过总线交换数据CPU器

I/O设备I/O设备总线高速低速基于总线的微机硬件体系（补充）计算机工作原理CPU不直接与设备交换数据。主存处于的中心位置——共享主存非总线型结构CPU通道通道I/O设备磁盘磁带通信设备主存可同时进行通道 通道控制（补充）中断处理机制中断处理机制的计算机系统

硬件的结合点。没有中断，计算机就只是个“计算”机，有了中断，计算机就成为“处理”机中断处理是操作系统的

和基础依靠硬件向CPU产生中断信号9如何处理中断查中断向量表CPU根据中断的信号级别（包括中断级别和中断号）检索中断“向量”表，找到处理程序的位置。中断向量表是计算机系统必备的要素10中断号中断处理程序位置1程序在内存的存放位置2……3……中断处理完毕后的恢复中断的恢复中断时，首先保存被中断进程的CPU现场关键是程序指令计数器当前的位置中断结束后，立即恢复被中断进程的CPU现场当程序指令计数器重新被设置为中断前记录下来的值后，系统又回到被中断的程序位置处继续执行如果，恢复CPU现场时，恢复的是另外的进程的现场，则实现了进程的调度（切换）11引入操作系统的目标有效性（系统管理的观点）：管理和分配硬件、资源，合理地组织计算机的工作流程，提高效率。方便性（用户的观点）：提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别。可扩充性（开发的观点）：适应不同硬件的类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间的资源共享和互操作等。操作系统的作用提供用户与计算机之间的接口有效的控制和管理计算机的软、硬件资源合理的调度计算机的工作流程，提高系统效率操作系统的发展手工操作阶段批量处理阶段管理程序阶段多道系统阶段独占全部资源，人工操作，处理机等待作业自动装载，慢速IO设备与快速主机通道与中断技术引入，使用管理程序协调多道程序并发执行，效率提高，现代操作系统操作系统的发展操作系统的发展历史经历三个变化从人工操作

到

机器自动处理人工操作缓慢机器按照事先编辑好的过程完成任务的转换从联机I/O

到

脱机I/OCPU速度迅速提高而I/O设备依然缓慢，CPU化大量时间等待设备输入输出在

机控制下进行从单道程序处理

到

多道程序同时处理从联机I/O到脱机I/O机输入井低速高速从单道程序处理到多道程序同时处理用户程序监督程序I/O操作I/O中断请求I/O完成多道程序系统程序A程序BOS调度I/O

AI/O

Bt1t1t2t2单道程序系统程序A和B都得到了推进,并发并行操作系统的功能操作系统的功能（两个角度看）协调、管理计算机的软硬件资源，提高利用率对用户提供使用环境和服务（提供接口）用户资源管理具体而言，分为四大管理功能与用户接口功能，或五大管理功能处理机管理器管理操作系统的功能系统硬件资源设备管理文件管理

系统作业管理（用户接口）资源（一）处理机管理按照一定的调度策略，对处理机进行任务分配和资源回收。进程控制——创建、撤销、挂起进程，控制进不同状态之间转换进程同步——协调并发的进程，使其互斥共享资源或合作完成同一作业进程通信——在合作完成同一作业的进程间交换信息进程调度——控制协调各进程对CPU的占用，按调度策略分配CPU（二）

器管理主要是内存管理，为多道程序分配运行空间，提高器利用率，并为用户提供尽可能大的空间。为多道程序分配空间，是

管内存分配回收—理最基本的功能。可分为动态和静态两种分配方式保护——地址

——内存扩充——保护各程序运行的完整性——互不干扰实现程序中的逻辑地址到内存中的物理地址的为用户提供比实际内存大得多的空间（三）设备管理为用户提供的与设备无关的接口，方便的设备使用、提高CPU与I/O设备利用率。设备操作——利用设备驱动程序完成对设备的操作，处理外设的IRQ提供

的I/O设备接口，使应用设备独立性——

程序独立于物理设备，提高适应性设备分配与回收—在多用户间共享I/O设备资源缓冲区管理——匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率（四）文件管理解决资源的

、共享、和保护。文件

空间管理——实现文件在外存（磁盘）空间的分配、组织和回收，提高利用率文件的读写管理实现对文件读、写、删除、建立和存取控制——

操作，解决问题文件的组织与管理——器的，实现文件名到解决信息检索问题（五）作业管理按系统条件和用户要求对作业进行调度和控制。1.向用户提供作业控制语言或交互式命令语言，对批量作业或终端型作业采用脱机或联机控制。对用户控制作业

令进行解释执行。2.两种用户接口系统命令根据不同的系统要求制定相应的调度策略，实现作业调度。联机——命令行或GUI接口脱机——命令

等系统调用：在程序中调用操作系统功能操作系统的特征特征并发性（Concurency）共享性（Sharing）虚拟性（Virtual）不确定性（Nondeterministic）（一）并发性并发指多个事件在同一时间段内发生。操作系统是管理并发系统的程序集合，包括各进程间的并发，系统与应用间的并发等。在多道程序处理时，宏观上同时运行，微观上交替执行（在单处理器情况下）。MP

3OICQ交替的同时的（二）共享性共享指多道程序或多个用户共同使用有限的资源。操作系统要对共享资源进行合理分配和使用。互斥共享：资源分配后到进程所用。（如音频设备、前，不能被其他）并发：又称同时

，一段时间内允许多个进程同时使用某种资源。（如磁盘文件）！一个时刻上仍然只有一个进程占用资源（三）虚拟性虚拟指把一个物理实体为若干个对应的逻辑实体，是操作系统管理系统资源的重要，可提高资源利用率。CPU——每个用户（进程）的"虚处理机"器——每个进程都占有自己地址空间显示设备——多窗口或虚拟终端(virtual

terminal)……（四）不确定性（异步性）不确定性指在操作系统中，各程序（进程）的执行顺序与执行时间都是不确定的。进程的运行速度不可预知，多个进程并发执行，"时走时停"，不可预知每个进程的运行推进快慢进程无论执行先后与快慢如何，结果应该相同——通过进程互斥和同步

来保证难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误）操作系统的分类批处理操作系统分时操作系统实时操作系统网络操作系统分布式操作系统（一）批处理操作系统用户只需将作业输入给系统，然后一系列的作业的装入、调度、分配、执行、得到处理结果均由操作系统来完成，最后由操作系统控制输出。特点：多道——内存中同时存放几个作业；成批——系统自动实现装入、调度与执行作业，作业运行过程中不允许用户干预。优点：作业流程自动化，效率高、吞吐量大缺点：无交互

，调试程序单道批处理系统作业成批进入系统后备队列按照一定的策略调度一个作业在系统中运行背景：系统资源十分昂贵、I/O与CPU的速度不匹配联机单道批处理没有解决I/O与CPU速度不匹配问题脱机单道批处理可以使CPU与I/O并行工作，提高效率作业完成顺序与其进入内存的顺序直接相关多道批处理系统按照一定的策略调度多个作业在系统中运行进一步提高系统吞吐量和利用率作业进入内存的顺序与作业完成的顺序不直接相关其它作业成批进入输出井单道批处理系统（脱机）输入井高速其它作业成批进入输出井多道批处理系统多道并发执行输入井（二）分时操作系统多个用户“同时”使用同一台计算机(即：多用户)；或多个程序分时共享硬件和

资源(即：多任务)。特点：多路性——支持多个用户同时使用，共享资源交互性——每个用户都可以通过终端与计算机进行交互式，系统

对用户的操作进行响应独立性——对每个用户而言，他都认为自己是单独使用该计算机–分时系统的提出：解决人机交互，进行及时响应，共享主机分时系统实现：按时间片轮转时间片：作业使用CPU的时间时间片中断处理t作业123123用户数量、时间片大小及响应速度是相互关联的（三）实时操作系统系统响应随机发生的外部事件，并在严格时间范围内完成该请求的处理；主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域。特点：及时相应——信息的接收和处理必须在严格的时间限制内完成简单交互功能——比分时系统提供的交互能力弱高可靠性——有容错能力（如故障自动复位）和冗余备份实时系统的提出：分时系统的响应往往要等待一个循环周期。实时系统必须在规定的时间内对用户请求或外部事件及时响应实时系统通常由优先级控制响应顺序实时 现场数据，完成自动化控制例： 导航特点：响应速度足够快可靠性高实时控制特点：例： 订票系统强大的文件系统或数据库

操作简便、安全、查询快速实时信息查询根据用户要求进行信息检索和处理（四）网络操作系统网络操作系统是在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的网络资源共享，提供网络用户所需各种服务的软件和相关规程的集合。网络操作系统分类：地域范围局域网OS城域网OS控制方式客户机/服务器（C/S）对等模式（P2P）（五）分布式操作系统分布式系统是以计算机网络为基础的，它的基本特征是处理上的分布，即功能和任务的分布。分布式操作系统的所有系统任务可在系统中任何处理机上运行，自动实现全系统范围内的任务分配并自动调度各处理机的工作负载。特点：透明性——资源共享、分布，对用户来讲是透明的自治性——处于分布式系统的多个主机地位并行性——分布式OS可以将一个进程分散在各机上并行执行MTBF：平均故障时间

MTRF：平均故障修复时间系统的RASR（可靠性）：用MTBF度量（平均故障时间）MTBFA（可用性）：

MTBF+MTRFS（可维修性）：

用MTRF度量操作系统的评价指标系统吞吐量单位时间内处理的信息量（作业量）系统响应时间从指定的系统输入到开始输出的时间间隔系统的资源利用率系统中某个资源在给定时间内被使用的比例可

性在系统运行过程中不断排除隐患对系统功能做某些修改或补充可移植性把一个操作系统移植到另一种机器所花费时间常用的操作系统介绍MS

DOSMS

Windows

3.x,

Windows

95,

Windows

NT,Windows

2000,

Windows

XPUNIX

/

LinuxEmbedded

OSMS

DOS的历史(单用户单任务，简单分层结构，16位OS)DOS用过的名字包括QDOS、86-DOS、MS-DOS和PC-DOS；1981年8月：PC-DOS1.0：第一个DOS版本；1982年6月：PC-DOS

1.1：IBM

PC，支持软盘的个人操作系统；1983年3月：DOS2.0：PC

XT，支持硬盘和 的层次结构；1984年8月：DOS3.0：PC

AT

(In 80286

CPU)，把286作为一个快速的8086；1987年4月：DOS3.3：提供对IBM

PS/2的支持（如3.5"软驱）；1988年8月：DOS4.0：支持大于32M的硬盘；1991年6月：DOS5.0：改进对扩展内存的支持；1993年3月：MS-DOS6.0：支持磁盘压缩；1994年5月：MS-DOS6.22：提供新的磁盘压缩方法；1995年8月：MS-DOS7.0：作为Windows95的一部分；MSDOS的结构DOS

BIOS(Basic

Input/Output

System)：由一组与硬件相关的设备驱动程序组成，实现基本的输入/输出功能；DOS

——提供一套独立于硬件的系统功能：内存管理、文件管理、字符设备和输入/输出、实时时钟等；命令处理程序：对用户命令进行分析和执行；BIOS(基本输入/输出系统)命令处理程序BIOS(基本输入/输出系统)DOS命令处理程序MS

DOS的特点字符用户界面。作业管理：命令行，批处理程序（BAT文件），菜单式。编程时通过软中断调用(int

21h)来使用系统功能。"准多任务"：通过内存驻留程序TSR(TerminatedandStayResident)来实现，通过时钟中断或键盘中断"热键hotkey"来激活其他任务。不支持虚拟

，没有 保护。采用段式分配(内存块)，可直接

的最大地址空间为1MB。其余的内存只能通过作为扩展内存(XMS)或扩充内存(EMS)来使用。XMS是段式分配，通过内存数据搬移来使用XMS区域EMS是页式分配，通过页面的 来使用EMS区域或者用支持保护方式的编程工具文件系统为FAT(FileAllocation

Table)格式（磁盘卷，多级，文件名

8+3

个字符）；有文件属性，没有区分用户

权限。设备驱动程序在系统起动时加载。分为字符设备和块设备。MS

Windows

3.x,

95,

98,

NT,

2000,XP1983年11月：Windows第一个版本；1985年11月：Windows1.0；1990年5月：Windows

3.0（成功版本）16位OS，借鉴AppleMacintosh给出友好的用户界面；1992年10月：Windows

For

WorkGroups

3.1；1995年8月：Windows

95：内置浏览器；1998年7月：Windows

98；2000年9月：Windows

ME；1993年：WindowsNT3.1,32位OS，支持DOS和Windows应用程序；1994年4月：Windows

NT

3.51；1996年8月：Windows

NT

4.0；1999年12月：Windows

2000(Professional,

Server,AdvancedServer)，32位OS；2001年10月：Windows

XP2007年01月：Vista安全子系统登录进程Win32客户OS/2客户POSIX客户OS/2子系统Win32子系统POSIX子系统硬件抽象层系统服务用户态态内核NT执行体对象管理器安全

监视器虚拟内存管理器进程和线程管理器本地过程调用功能高速缓存管理器文件系统驱动程序硬件设备驱动程序I/O管理器网络重定向Windows

NT体系结构简化的Windows2000体系结构UNIX：UI

(UNIX

International)使BSD和SystemV在用户界面上UNIX

system

V

Res4.0；；1991年芬兰大学生Linus

Benedict

Torralds开发了Linux。1994年：Linux

1.0，内核版本还在不断更新（多用户多任务，16/32/64位)BSD,SVR4（模块式结构）,OSF/1（微内核结构）1965年：MIT的Multics，由于规模和进展而没有达到目标；1969年：AT&T，PDP-11上的16位操作系统；1974年：UNIX系统正式

(第五版)，在大学得到使用和好评；1980年：University

of

California

at

Berkeley为VAX11BSD4.0；以后，UNIX就以AT&T和Berkeley为主分别开发，有多种变种；Bell早期UNIX加州大学伯克利分校BSD4At&T的系统VHP-UXAIXSolarisSCO

UNIXLinux硬件硬件层硬件控制字符设备设备驱动程序块设备缓冲区管理文件子系统系统调用接口函数库内核层用户程序进程通信进程调度管理进程控制子系统传统的UNIX结构a.ouf公共例程可执行格式开关表NFSFFSs5fsRFSvnode/vfs接口分时进程实时进程系统进程调度框架流磁盘驱动程序磁带驱动程序块设备开关表文件设备虚存框架终端驱动程