计算机软件及应用05-操作系统概述简课件

1江苏大学多媒体教学课件

计算机软件技术基础

江苏大学电气信息工程学院电子信息工程系2004年07月第五章：计算机操作系统DOSWindows9XWindowsNTLinuxUNIXWindowsCE1江苏大学多媒体教学课件

计算机软件技术基础江苏大学电气2硬件部分软件部分

用户软件系统软件(如操作系统OS)

对于一个完整的计算机系统而言，无论大型机、小型机、甚至微型机都是由两大部分组成的。第一节操作系统导论2硬件部分对于一个完整的计算机系统而言，无论大型机、3

中央处理器（CPU）存储器输入、输出设备计算机硬件系统的基本组成冯.诺依曼原理3中央处理器（CPU）计算机硬件系统的基本组成冯.诺依曼4微型计算机的典型组织CPU存储器I/O设备I/O设备以总线为核心4微型计算机的典型组织CPU存储器I/O设备I/O设备以总线5应用程序调试程序装入程序编辑程序编译程序汇编程序装配程序裸机操作系统计算机系统的层次观点5应用程序调试程序装入程序编辑程序编译程序汇编程序装配程序裸6虚拟机

裸机的功能即使很强，但它往往不方便用户的使用或者不能直接使用，功能上相对也有局限性，而软件是在硬件的基础上对硬件的效能加以扩充和完善。可以认为，一个裸机在每加一层软件后，就变成了一个功能更强大的机器，通常我们把这“覆盖了软件的机器”称为“虚拟机”。6虚拟机裸机的功能即使很强，但它往往不方便用户的7操作系统

操作系统就是能有效地管理计算机系统中的各种软、硬件资源，合理地组织计算机的工作流程，为用户创造良好工作环境的系统软件。操作系统是与裸机最接近的软件层。7操作系统8操作系统的主要工作（1）负责启动、执行和结束用户程序；（2）负责完成硬件相关和应用无关的工作；（3）提供现成的实用程序和相应的管理；（4）改善效率和安全问题。8操作系统的主要工作9

操作系统的基本目的：一是有效地管理计算机的所有软、硬件资源，使计算机能够高效率地工作；二是方便用户使用。多道程序系统和分时系统早期单道批处理系统手工操作操作系统的发展一、操作系统的发展9操作系统的基本目的：一是有效地管理计算机的所有软、101、手工操作方式主要缺点：

1）计算机的全部资源（CPU、内存、外部设备等）由一个用户独占；

2）人工操作、CPU和输入输出设备的工作串行进行。整个操作过程非常繁琐，计算机工作效率很低。101、手工操作方式112.单道批处理方式

1）减少人工干预，使计算机自动进行输入、编译和运行程序。特点：用户可一次提交多个作业，并在系统中配置监督程序，系统一次只处理一个作业，处理完一个作业，再调入下一个作业，系统自动完成调度、切换。

2）脱机技术实质：外围机(又称卫星机)与主机并行工作，使主机摆脱了慢速的输入、输出操作，即用快速的输入、输出设备（磁带）代替低速设备，减少了输入、输出操作对系统的影响，缓解了外设与主机运行速度不匹配的矛盾。112.单道批处理方式12

3）中断和通道技术

中断和通道技术，使CPU与外设并行工作成为可能。通道：是一种用来控制外部设备与主存储器之间进行信息交换的部件。是一个专门用于完成输入输出任务的中央处理器。中断：中断是外界（如输入、输出设备，通道等）向主机报告信息的一种通信方式，是CPU对系统中随机事件的响应.隐含有某种约定信号。当用户程序要求输入输出时，CPU就把I/O任务交给相应的通道，由它去独立组织和控制输入输出设备，完成此项I/O任务。这样，CPU就可摆脱原属于自己管理范围的工作纠缠，分身去处理其他的处理。当通道完成I/O任务后，就以中断方式向CPU发出信号，通道I/O完成。123）中断和通道技术133、多道批处理系统和分时系统

多道批处理：把内存分成若干部分，把属于同一批的若干个作业调入内存，存放在内存的不同部分。当一个作业由于等待输入输出操作而使处理机出现空闲时，系统自动进行切换，处理下一个作业。如果内存空间允许，可大大提高CPU的利用率。分时系统：指多个用户共享同一计算机，它将CPU在时间上分成很小的时间段，每个时间段称为一个时间片，系统将CPU的时间片轮流分配给多个用户，每个用户通过终端使用同一台计算机，并通过终端直接控制程序运行，进行人机之间的交互。133、多道批处理系统和分时系统14二、操作系统的分类与功能通常，操作系统被分为：

1、批处理操作系统(BatchProcessing)2、分时系统(TimeSharing)3、实时系统(RealTime)4、网络操作系统

5、分布式操作系统

6、嵌入式操作系统

7、自由软件和LINUX操作系统14二、操作系统的分类与功能通常，操作系统被分为：15批处理操作系统

用户脱机工作、成批处理作业、多道程序运行、作业周转时间长； 优点：作业之间自动调度执行，用户不需干预作业，大大提高资源的利用率； 缺点：无交互性。15批处理操作系统16分时操作系统

为多个用户共同使用一台计算机系统提供了可能。多个用户通过终端与主机交互。 主要特征： （1）同时性。各终端用户同时工作； （2）交互性。各终端均可与主机交互； （3）独立性。各用户工作独立； （4）及时性。用户请求能及时得到响应。

16分时操作系统17实时操作系统

分类过程控制系统、信息查询系统、事务处理系统

处理数据采集、加工处理、操作控制、反馈处理17实时操作系统分类18网络操作系统

网络操作系统是通过通信设施将地理上分散并具有自治功能的多个计算机系统互连起来，可交互操作协作处理的系统。它包括计算机、通信子网和通信协议三个组成部分。网络操作系统具有以下功能：网络通信、资源管理、网络管理、网络服务18网络操作系统网络操作系统是通过通信设施将地理19分布式操作系统

分布式计算机系统满足以下条件：系统中任意两台计算机可以通过系统的全通信机制来交换信息系统中的计算机没有主次之分系统中的资源为所有用户共享系统中的若干台机器可以互相协作来完成同一个任务系统中的一个结点出错不影响其它结点运行分布式操作系统应该具备四项基本功能:进程通信、资源共享、并行运算、网络管理19分布式操作系统分布式计算机系统满足以下条件：20分布式操作系统与网络操作系统的比较

分布性：分布式系统的控制功能分布在系统的各个站点上；网络系统中控制功能集中在网络服务器上。

并行性：分布式系统的任务分配程序可将多个任务分配到系统的多个处理单元上并行执行；网络系统中每个用户的任务通常在自己的计算机上处理。

透明性：分布式系统能很好隐藏系统内部的实现细节，对象的物理位置、并发控制及系统故障等对用户是透明的；网络系统中主要是操作实现上的透明。

共享性：分布式系统各站点上的资源可供所有用户共享；网络系统中共享的资源主要设置在服务器上。

健壮性：分布式系统中当站点故障时可以通过容错来重构系统以保证系统正常运行；网络系统中控制功能集中在服务器上，使系统具有潜在的不可靠性。20分布式操作系统与网络操作系统的比较分布性：分布式系统21操作系统的功能：

1、处理机管理

2、存储管理

3、设备管理

4、文件管理操作系统的主要设计目标

方便用户使用扩大机器功能提高系统效率构筑开放环境21操作系统的功能：操作系统的主要设计目标22三、操作系统的特征1、并发性:在一段时间内，多个进程同时运行；2、共享性：指资源（CPU、主存、外存、信息、外设等）的共享；

1）互斥共享：如打印机，一个使用，其他等待；

2）同时访问：磁盘、处理机，一段时间内同时访问。3、虚拟性：把一个物理实体，通过适当的方法，变成若干个逻辑上的设备；如处理机、输入输出设备。使用户在使用时感觉好像有多个设备在为其服务。22三、操作系统的特征1、并发性:在一段时间内，多个进程同23系统的可靠性系统发现、诊断和恢复硬软件故障的能力。系统吞吐率系统在单位时间内所处理的信息量系统响应时间从系统接收数据到输出结果的时间间隔系统资源利用率系统中各部件、各种设备的使用程度可移植性操作系统从一个硬件环境转移到另一个硬件环境仍能正常工作的能力四、操作系统的性能指标23系统的可靠性四、操作系统的性能指标24DOSWindows3.x,Windows95,Windows98,Windows2000,WindowsxpUNIX:IBM----AIX、SUN---SunOP、HP-----HP-UX、

COMPAQ---digetalunix、

SCO----UNIXWARE\OpenServerLINUX：免费的类UNIX的操作系统，公开源代码，内核小，硬件要求低，稳定可靠。五、典型操作系统24DOS五、典型操作系统25

UNIX系统是一个交互式的分时操作系统

1974年《ACM通信》上发表了K.Thompson和

D.Ritchie的论文“TheUNIXTime-SharingSystem”，UNIX系统公布于世。

作者：美国BELL实验室

KenThompson(K.汤普逊）

DennisRitchie(D.里奇）（C语言的创始人）1.UNIX操作系统251.UNIX操作系统26

由于UNIX系统生逢其时，品质优秀很快风靡全球，成为当令各种计算机系统的主流操作系统。

目前，国内流行的UNIX操作系统：

SCOUNIXAT&TUNIXSVR4X

惠普计算机上的HP-UX

IBM小型机上的AIX

苹果Mac上的AUX

免费的UNIX版本，如Linux、Minix和FreeBSD26由于UNIX系统生逢其时，品质优秀很快风靡全27

Linux的起源和发展确实令人惊奇。它是一个芬兰人LinusTorvalds（二十三岁计算机系学生）的业余发明。但如今已经成长为一个羽翼丰满的32位计算机的操作系统，其性能可与商业的x86UNIX操作系统相媲美。

Linux是自由软件，并且在专用的网站上公布了该系统的源代码。因此，引起了全世界操作系统爱好者的兴趣，不断地对linux进行修改和补充，不断地增加功能，用户可以不断地下载更新的版本，并在各种系统配合下进行测试，这使得linux日趋完善和成熟。2.Linux系统简介27Linux的起源和发展确实令人惊奇。2.Linux系28第二节存储管理一、存储管理概述

当前存储器一般被分成三级：高速缓存（缓存）:

CACHE

主存储器（内存RAM）：处理机能直接访问的存储器。用来存放系统和用户的程序和数据，其特点是存取速度快，存储方式是以新换旧，断电信息丢失。外部存储器（外存）：处理机不能直接访问的存储器。用来存放用户的各种信息，存取速度相对内存而言要慢得多，但它可用来长期保存用户信息。在文件系统中介绍。

28第二节存储管理一、存储管理概述29物理地址：把内存分成若干个大小相等的存储单元，每个单元给一个编号，这个编号称为内存地址（物理地址、绝对地址、实地址），存储单元占8位，称作字节（byte）。物理地址空间：物理地址的集合称为物理地址空间（主存地址空间）1、内存的物理组织29物理地址：把内存分成若干个大小相等的存储单元，每个单元给30

程序地址：用户编程序时所用的地址（或称逻辑地址、虚地址），基本单位可与内存的基本单位相同，也可以不相同。

程序地址空间（逻辑地址空间、虚地址空间）:用户的程序地址的集合称为逻辑地址空间，它的编址总是从0开始的。2、程序的逻辑结构30程序地址：用户编程序时所用的地址（或称逻辑地址31存储分配：按照一定的算法把某一空闲的主存储空间分配给作业或进程。地址映射：将程序地址空间中使用的逻辑地址变换成主存中的地址的过程。（转换/定位）存储保护：保证用户程序(或进程映象)在各自的存储区域内操作，互不干扰。存储扩充：为大作业的运行提供空间。覆盖、交换、虚拟存储。(虚拟存储：使用户程序的大小和结构不受主存容量和结构的限制，即使在用户程序比实际主存容量还要大的情况下，程序也能正确运行。)二、存储管理的主要功能31存储分配：按照一定的算法把某一空闲的主存储空间分配给作业321何为地址映射？将程序地址空间中使用的逻辑地址变换成主存中的地址的过程称为地址映射。有时也称为地址转换或重定位。三、地址映射321何为地址映射？三、地址映射33四、存储保护

在多道程序设计的环境下，系统中有系统程序和多个用户程序同时存在，如何保证用户程序不破坏系统程序，用户程序之间不相互干扰？这就是存储保护所要解决的问题。常用的存储保护有两种：

上、下界保护；基址、限长寄存器保护。33四、存储保护在多道程序设计的环境下，系统中有系统34下界寄存器：存放程序装入内存后的开始地址；上界寄存器：存放程序装入内存后的末地址。判别式：下界寄存器≤物理地址＜上界寄存器1.上、下界保护34下界寄存器：存放程序装入内存后的开始地址；1.上、下界35

每个进程都有自己独立的进程空间，如果哪个进程在运行时所产生的地址在其地址空间之外，则发生地址越界。即当程序要访问某个内存单元时，由硬件检查是否允许，如果允许则执行，否则产生地址越界中断，由操作系统进行相应处理。保护过程----防止地址越界一般由硬件提供一对寄存器：

基址寄存器：存放起始地址；

限长寄存器：存放长度；2.基址、限长寄存器保护35每个进程都有自己独立的进程空间，如果哪个进程在运36

不同的操作系统的存储管理方法也不同，一般情况下，存储管理可分为两大类：实存储管理虚拟存储管理五、存储管理36不同的操作系统的存储管理方法也不同，一般情况下，37六、实存储管理

实存储管理的特点是当用户作业要求调入内存时，存储管理要提供一个不小于作业地址空间的连续存储空间，当存储空间不够时，一般采用覆盖或交换技术作为内存扩充的手段。37六、实存储管理实存储管理的特点是当用户作业要求调381、动态分区存储管理技术

系统生成后，操作系统占用内存的一部分，一般在物理内存的开始处。如：操作系统占20KB，装入系统后占用0～20KB的内存空间，剩下的部分作为一个空闲区，当一个用户程序（作业、进程）调入内存时，把这个空闲区的低地址部分的区域分配给它，如图所示。381、动态分区存储管理技术系统生成后，操作系统占用39

当有作业完成后释放所占用的存储区。在系统运行的过程中，系统中形成多个空闲的不连续的存储区，称主空闲。39当有作业完成后释放所占用的存储区。在系统运行的过40虚拟存储管理

与“实存”对应的另一类存储管理技术为“虚拟存储”管理技术，简称“虚存”，用软件方法来扩充存储器。在虚拟管理中，把程序访问的逻辑地址称“虚拟地址”，把处理器可直接访问的主存地址称“实在地址”；虚拟地址的集合为“虚拟地址空间”常用的虚存技术有：

分页存储管理、分段存储管理、段页式存储管理40虚拟存储管理与“实存”对应的另一类存储管理技术为411、分页式存储管理分区存储管理的主要问题是碎片问题。在采用分区存储管理的系统中，会形成一些非常小的分区，最终这些非常小的分区不能被系统中的任何用户（程序）利用而浪费。造成这样问题的主要原因是用户程序装入内存时是整体装入的，为解决这个问题，提出了分页存储管理技术。411、分页式存储管理分区存储管理的主要问题是碎片问题。421）分页的概念程序地址空间分成大小相等的页面，同时把内存也分成与页面大小相等的块，当一个用户程序装入内存时，以页面为单位进行分配。页面的大小是为2n。通常为1KB，2KB，nKB等。421）分页的概念432、段式系统

一个用户程序往往由几个程序段（主程序、子程序和函数）所组成，当一个程序装入内存时，按段进行分配，每个段的大小是不相等的。程序地址的组成：S：W

例:S1：XXXXS2：XXXXS3：XXXX432、段式系统一个用户程序往往由几个程序段（主程序444445段页式系统

在段式系统中，若段内分页，称为段页式系统。目前流行的UNIX系统采用这种存储管理的方式，一个进程的图象分为U区、共享正文区、用户栈区和数据区，各进程的各个区的大小是不相等的，只有U区的大小是相等的。这里的区类似于段。每个段又分成大小相等的页，内存的分配是以页为单位的。在UNIX系统中存储管理（上下文，context）机构包括区表和页表。45段页式系统 在段式系统中，若段内分页，称为段页式系统。目46第三节处理器管理

处理器管理就是要解决用户提交的作业何时调入内存，在调入内存的各个作业程序间如何分配处理器，以达到各到程序能协调一致地运行，而系统资源又能得到最大程度的利用。46第三节处理器管理处理器管理就是要解决用户提交的471、进程概念的引入多道程序系统中程序并发性执行，为了竞争有限的资源，相互间存在依赖与制约的关系，因此他们在系统中的状态是不断变化的，即时而运行，时而停顿。程序执行时所产生的问题使得传统的程序概念已经不足以对其进行描述，为之引入进程（Process)的概念。一、基本概念和术语471、进程概念的引入一、基本概念和术语482、进程的定义进程是一种活动，它由一个动作系列组成，每个动作是在某个数据集上执行一段程序，整个活动的结果是提供一种系统或用户功能。一旦操作系统接受了某用户的作业，并把他调入内存执行，系统就为此作业创建一个或多个进程。因此进程可看作是程序的一次执行，即在指定内存区域中的一组指令序列的执行过程。多个进程可并发运行，并可能由各种原因随时中断。482、进程的定义493、进程与程序的区别

1)进程是动态概念，程序是静止概念；

2)进程的存在是暂时的（诞生（创建）、死亡（撤消）），程序的存在是永久的（一组指令的集合）；

3)一个程序对应多个进程，而一个进程仅对应一个程序；

4)进程在结构上是由程序、数据集、进程控制块（PCB）三部分组成的。493、进程与程序的区别504、进程的特征

1）动态性：执行初期被创建，执行结束被撤消；

2）并发性：并发执行提高了计算机的系统资源的利用率；

3）独立性：进程是一个能够独立运行的基本单位；

4）异步性：进程相互制约，其执行具有间断性。504、进程的特征51就绪阻塞运行等待事件事件发生时间片完进程调度状态转换图1、进程的状态及其变化

就绪：这类进程已经具备各种必须的资源，只等待获得CPU；

运行：系统根据某种调度算法，将CPU分配给某一个就绪进程使之运行，该进程就处于运行态；

阻塞：进程在运行中由要等待I/O设备或发生其他错误时，就转入阻塞状态，当阻塞原因消除后，重新回到就绪态。二、进程状态及进程控制块51就绪阻塞运行等待事件事件发生时间片完进程调度状态转换图1521、同步与互斥的概念同步:

一组合作进程在运行中，由于是异步的，进程之间要协调其推进的速度，以正确完成作业运行。

互斥：对于某一临界资源，一组进程不能同时进入临界区去使用它。一个进入，其他必须等待。

临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源。如打印机、读卡机、缓冲区、变量等。

临界区：进程中使用临界资源的那段程序。各进程之间存在着相互制约、相互依赖的关系。四、进程的同步与互斥521、同步与互斥的概念四、进程的同步与互斥53１、死锁：每个进程所要求的资源都已被另一个进程占用，出现没有一个进程能继续运行，这种情况称“死锁”。2、死锁产生的原因

A）资源不能共享（资源独占性）；

B）资源的不可剥夺性；

C）资源采用动态分配原则：允许一个进程不释放已占有的资源，就又去申请别的资源；

D）允许进程间非法交叉推进顺序的存在：导致循环等待资源，无法前进。五、死锁53１、死锁：五、死锁54打印机进程A进程B读卡机进程A申请到打印机进程A需要读卡机进程B申请到读卡机进程B需要打印机例如：进程A和B以下面的推进速度前进，导致死锁。

1.A：申请打印机2.B：申请读卡机

3.A：申请读卡机4.B：申请打印机54打印机进程A进程B读卡机进程A申请到打印机进程A需要读卡55A）死锁的预防：破坏产生死锁的4个必要条件中的任何一个；关于资源独占性：采用假脱机技术可以使非共享设备变为共享设备；破坏“资源的不可剥夺性”（申请不到资源时，释放原先已占有的，进入等待，以后再一起申请）；破坏对资源采用动态的部分分配原则（每个进程必须提出它所需要的全部资源，只有完全满足时，才能启动）；破坏循环等待。４、解决死锁的办法55A）死锁的预防：破坏产生死锁的4个必要条件中的任何一个；56B）死锁的避免：躲避死锁的发生。常用的算法是“银行家算法”（1968年提出）。银行家算法的思想:(假定在同类资源的分配上实行这一算法）。系统接到一个进程的资源请求后，就先假定承认这一申请，把资源分配给它。然后系统用剩余的资源和每一个进程还需要的资源数相比，看能否找到这样的进程:系统把资源分配给它后，就能满足它对资源的最大需求，从而保证其运行完毕。如果能就分配给它，系统在其运行完后回收其占用的全部资源，就会有更多的剩余资源数。再重复这一过程，直到找不出这样的进程为止。56B）死锁的避免：躲避死锁的发生。57六、线程与多线程

在单用户多任务的计算机中，如同在WindowsNT中那样，除进程外，引入了一个新概念–––

线程(thread)。对象、线程和进程三者构成WindowsNT操作系统基本元成分。

线程概念在微型机多任务系统中十分重要。57六、线程与多线程在单用户多任务的计算机中，如同在58(1)

进程是拥有自己资源的单元体。(2)

进程是被调度分派在处理器上运行的单元体。传统的进程概念有两个严重的局限性。首先许多应用想并发执行彼此间独立的任务，但又必须要共享一个公共的地址空间和其他资源。但传统的进程概念对它们以上的要求难以支持，往往把这些应用中的独立的任务串行化，效率很低。其次传统的进程不能很好地利用多处理器系统。因为一个进程在某个时刻只能使用一个处理器。一个应用固然可以创建多个进程，并把它们分到多个处理器上执行，但如何做到使用相同的地址空间和资源？这些促使人们引起线程机制。1、进程的缺陷与线程的提出58(1)进程是拥有自己资源的单元体。(2)进程是被调度592、线程的概念线程是进程内一个相对独立的、可调度的执行单元。根据线程定义可知线程有以下性质：线程是进程内的一个相对独立的可执行单元；线程是操作系统中的基本调度单元，因此线程中应包含有调度所需的必要信息。592、线程的概念线程是进程内一个相对独立的、可调度的执行单60(3)由于线程是被调度的基本单元，而进程不是调度的单元。所以每个进程在创建时，至少需要同时为该进程创建一个线程。也就是说进程中至少要有一个或一个以上线程，否则该进程无法被调度执行；(4)需要时，线程可以创建其他线程；(5)进程是被分给并拥有资源的基本单元，同一进程内的多个线程共享该进程的资源。但线程并不拥有资源，只是使用它们。60(3)由于线程是被调度的基本单元，而进程不是调度的单元61(6)由于共享资源(包括数据和文件)，所以线程间需要通信和同步机制。(7)线程有生命期，有诞生和死亡。在生命期中有状态的变化。61(6)由于共享资源(包括数据和文件)，所以线程间需要通62单进程和单线程系统在这种操作系统中只有一个进程，而且每个进程中只有一个线程，如图所示。这种系统的代表是MS-DOS。也可把单纯基于进程的操作系统看成是单线程分支，只不过每个进程中只有一个线程(进程也就是线程了)。3、基于线程观点的OS分类……(a)(b)(c)(d)62单进程和单线程系统3、基于线程观点的OS分类……(a)(63(2)多进程和单线程系统

在这种操作系统中有多个进程操作系统。但每个进程中只有一个线程。图(b)中表示了这种系统。该系统的代表是传统意义上的UNIX操作系统。以上两类是传统的操作系统，实际并没有线程概念。(3)单进程和多线程系统在这种操作系统中只有一个进程。但每个进程有多个线程，图(c)中表示了这种系统。JaveRun-timeSystem可以认为是这种系统。(4)多进程和多线程系统

在这种操作系统中有多个进程。但每个进程有多个线程，图(d)中表示了这种系统,是当前最为广泛的多线程操作系统。现代操作系统如WindowsNT等几乎都是属于这种类型的。63(2)多进程和单线程系统64江苏大学多媒体教学课件

计算机软件技术基础

江苏大学电气信息工程学院电子信息工程系2004年07月第五章：计算机操作系统DOSWindows9XWindowsNTLinuxUNIXWindowsCE1江苏大学多媒体教学课件

计算机软件技术基础江苏大学电气65硬件部分软件部分

用户软件系统软件(如操作系统OS)

对于一个完整的计算机系统而言，无论大型机、小型机、甚至微型机都是由两大部分组成的。第一节操作系统导论2硬件部分对于一个完整的计算机系统而言，无论大型机、66

中央处理器（CPU）存储器输入、输出设备计算机硬件系统的基本组成冯.诺依曼原理3中央处理器（CPU）计算机硬件系统的基本组成冯.诺依曼67微型计算机的典型组织CPU存储器I/O设备I/O设备以总线为核心4微型计算机的典型组织CPU存储器I/O设备I/O设备以总线68应用程序调试程序装入程序编辑程序编译程序汇编程序装配程序裸机操作系统计算机系统的层次观点5应用程序调试程序装入程序编辑程序编译程序汇编程序装配程序裸69虚拟机

裸机的功能即使很强，但它往往不方便用户的使用或者不能直接使用，功能上相对也有局限性，而软件是在硬件的基础上对硬件的效能加以扩充和完善。可以认为，一个裸机在每加一层软件后，就变成了一个功能更强大的机器，通常我们把这“覆盖了软件的机器”称为“虚拟机”。6虚拟机裸机的功能即使很强，但它往往不方便用户的70操作系统

操作系统就是能有效地管理计算机系统中的各种软、硬件资源，合理地组织计算机的工作流程，为用户创造良好工作环境的系统软件。操作系统是与裸机最接近的软件层。7操作系统71操作系统的主要工作（1）负责启动、执行和结束用户程序；（2）负责完成硬件相关和应用无关的工作；（3）提供现成的实用程序和相应的管理；（4）改善效率和安全问题。8操作系统的主要工作72

操作系统的基本目的：一是有效地管理计算机的所有软、硬件资源，使计算机能够高效率地工作；二是方便用户使用。多道程序系统和分时系统早期单道批处理系统手工操作操作系统的发展一、操作系统的发展9操作系统的基本目的：一是有效地管理计算机的所有软、731、手工操作方式主要缺点：

1）计算机的全部资源（CPU、内存、外部设备等）由一个用户独占；

2）人工操作、CPU和输入输出设备的工作串行进行。整个操作过程非常繁琐，计算机工作效率很低。101、手工操作方式742.单道批处理方式

1）减少人工干预，使计算机自动进行输入、编译和运行程序。特点：用户可一次提交多个作业，并在系统中配置监督程序，系统一次只处理一个作业，处理完一个作业，再调入下一个作业，系统自动完成调度、切换。

2）脱机技术实质：外围机(又称卫星机)与主机并行工作，使主机摆脱了慢速的输入、输出操作，即用快速的输入、输出设备（磁带）代替低速设备，减少了输入、输出操作对系统的影响，缓解了外设与主机运行速度不匹配的矛盾。112.单道批处理方式75

3）中断和通道技术

中断和通道技术，使CPU与外设并行工作成为可能。通道：是一种用来控制外部设备与主存储器之间进行信息交换的部件。是一个专门用于完成输入输出任务的中央处理器。中断：中断是外界（如输入、输出设备，通道等）向主机报告信息的一种通信方式，是CPU对系统中随机事件的响应.隐含有某种约定信号。当用户程序要求输入输出时，CPU就把I/O任务交给相应的通道，由它去独立组织和控制输入输出设备，完成此项I/O任务。这样，CPU就可摆脱原属于自己管理范围的工作纠缠，分身去处理其他的处理。当通道完成I/O任务后，就以中断方式向CPU发出信号，通道I/O完成。123）中断和通道技术763、多道批处理系统和分时系统

多道批处理：把内存分成若干部分，把属于同一批的若干个作业调入内存，存放在内存的不同部分。当一个作业由于等待输入输出操作而使处理机出现空闲时，系统自动进行切换，处理下一个作业。如果内存空间允许，可大大提高CPU的利用率。分时系统：指多个用户共享同一计算机，它将CPU在时间上分成很小的时间段，每个时间段称为一个时间片，系统将CPU的时间片轮流分配给多个用户，每个用户通过终端使用同一台计算机，并通过终端直接控制程序运行，进行人机之间的交互。133、多道批处理系统和分时系统77二、操作系统的分类与功能通常，操作系统被分为：

1、批处理操作系统(BatchProcessing)2、分时系统(TimeSharing)3、实时系统(RealTime)4、网络操作系统

5、分布式操作系统

6、嵌入式操作系统

7、自由软件和LINUX操作系统14二、操作系统的分类与功能通常，操作系统被分为：78批处理操作系统

用户脱机工作、成批处理作业、多道程序运行、作业周转时间长； 优点：作业之间自动调度执行，用户不需干预作业，大大提高资源的利用率； 缺点：无交互性。15批处理操作系统79分时操作系统

为多个用户共同使用一台计算机系统提供了可能。多个用户通过终端与主机交互。 主要特征： （1）同时性。各终端用户同时工作； （2）交互性。各终端均可与主机交互； （3）独立性。各用户工作独立； （4）及时性。用户请求能及时得到响应。

16分时操作系统80实时操作系统

分类过程控制系统、信息查询系统、事务处理系统

处理数据采集、加工处理、操作控制、反馈处理17实时操作系统分类81网络操作系统

网络操作系统是通过通信设施将地理上分散并具有自治功能的多个计算机系统互连起来，可交互操作协作处理的系统。它包括计算机、通信子网和通信协议三个组成部分。网络操作系统具有以下功能：网络通信、资源管理、网络管理、网络服务18网络操作系统网络操作系统是通过通信设施将地理82分布式操作系统

分布式计算机系统满足以下条件：系统中任意两台计算机可以通过系统的全通信机制来交换信息系统中的计算机没有主次之分系统中的资源为所有用户共享系统中的若干台机器可以互相协作来完成同一个任务系统中的一个结点出错不影响其它结点运行分布式操作系统应该具备四项基本功能:进程通信、资源共享、并行运算、网络管理19分布式操作系统分布式计算机系统满足以下条件：83分布式操作系统与网络操作系统的比较

分布性：分布式系统的控制功能分布在系统的各个站点上；网络系统中控制功能集中在网络服务器上。

并行性：分布式系统的任务分配程序可将多个任务分配到系统的多个处理单元上并行执行；网络系统中每个用户的任务通常在自己的计算机上处理。

透明性：分布式系统能很好隐藏系统内部的实现细节，对象的物理位置、并发控制及系统故障等对用户是透明的；网络系统中主要是操作实现上的透明。

共享性：分布式系统各站点上的资源可供所有用户共享；网络系统中共享的资源主要设置在服务器上。

健壮性：分布式系统中当站点故障时可以通过容错来重构系统以保证系统正常运行；网络系统中控制功能集中在服务器上，使系统具有潜在的不可靠性。20分布式操作系统与网络操作系统的比较分布性：分布式系统84操作系统的功能：

1、处理机管理

2、存储管理

3、设备管理

4、文件管理操作系统的主要设计目标

方便用户使用扩大机器功能提高系统效率构筑开放环境21操作系统的功能：操作系统的主要设计目标85三、操作系统的特征1、并发性:在一段时间内，多个进程同时运行；2、共享性：指资源（CPU、主存、外存、信息、外设等）的共享；

1）互斥共享：如打印机，一个使用，其他等待；

2）同时访问：磁盘、处理机，一段时间内同时访问。3、虚拟性：把一个物理实体，通过适当的方法，变成若干个逻辑上的设备；如处理机、输入输出设备。使用户在使用时感觉好像有多个设备在为其服务。22三、操作系统的特征1、并发性:在一段时间内，多个进程同86系统的可靠性系统发现、诊断和恢复硬软件故障的能力。系统吞吐率系统在单位时间内所处理的信息量系统响应时间从系统接收数据到输出结果的时间间隔系统资源利用率系统中各部件、各种设备的使用程度可移植性操作系统从一个硬件环境转移到另一个硬件环境仍能正常工作的能力四、操作系统的性能指标23系统的可靠性四、操作系统的性能指标87DOSWindows3.x,Windows95,Windows98,Windows2000,WindowsxpUNIX:IBM----AIX、SUN---SunOP、HP-----HP-UX、

COMPAQ---digetalunix、

SCO----UNIXWARE\OpenServerLINUX：免费的类UNIX的操作系统，公开源代码，内核小，硬件要求低，稳定可靠。五、典型操作系统24DOS五、典型操作系统88

UNIX系统是一个交互式的分时操作系统

1974年《ACM通信》上发表了K.Thompson和

D.Ritchie的论文“TheUNIXTime-SharingSystem”，UNIX系统公布于世。

作者：美国BELL实验室

KenThompson(K.汤普逊）

DennisRitchie(D.里奇）（C语言的创始人）1.UNIX操作系统251.UNIX操作系统89

由于UNIX系统生逢其时，品质优秀很快风靡全球，成为当令各种计算机系统的主流操作系统。

目前，国内流行的UNIX操作系统：

SCOUNIXAT&TUNIXSVR4X

惠普计算机上的HP-UX

IBM小型机上的AIX

苹果Mac上的AUX

免费的UNIX版本，如Linux、Minix和FreeBSD26由于UNIX系统生逢其时，品质优秀很快风靡全90

Linux的起源和发展确实令人惊奇。它是一个芬兰人LinusTorvalds（二十三岁计算机系学生）的业余发明。但如今已经成长为一个羽翼丰满的32位计算机的操作系统，其性能可与商业的x86UNIX操作系统相媲美。

Linux是自由软件，并且在专用的网站上公布了该系统的源代码。因此，引起了全世界操作系统爱好者的兴趣，不断地对linux进行修改和补充，不断地增加功能，用户可以不断地下载更新的版本，并在各种系统配合下进行测试，这使得linux日趋完善和成熟。2.Linux系统简介27Linux的起源和发展确实令人惊奇。2.Linux系91第二节存储管理一、存储管理概述

当前存储器一般被分成三级：高速缓存（缓存）:

CACHE

主存储器（内存RAM）：处理机能直接访问的存储器。用来存放系统和用户的程序和数据，其特点是存取速度快，存储方式是以新换旧，断电信息丢失。外部存储器（外存）：处理机不能直接访问的存储器。用来存放用户的各种信息，存取速度相对内存而言要慢得多，但它可用来长期保存用户信息。在文件系统中介绍。

28第二节存储管理一、存储管理概述92物理地址：把内存分成若干个大小相等的存储单元，每个单元给一个编号，这个编号称为内存地址（物理地址、绝对地址、实地址），存储单元占8位，称作字节（byte）。物理地址空间：物理地址的集合称为物理地址空间（主存地址空间）1、内存的物理组织29物理地址：把内存分成若干个大小相等的存储单元，每个单元给93

程序地址：用户编程序时所用的地址（或称逻辑地址、虚地址），基本单位可与内存的基本单位相同，也可以不相同。

程序地址空间（逻辑地址空间、虚地址空间）:用户的程序地址的集合称为逻辑地址空间，它的编址总是从0开始的。2、程序的逻辑结构30程序地址：用户编程序时所用的地址（或称逻辑地址94存储分配：按照一定的算法把某一空闲的主存储空间分配给作业或进程。地址映射：将程序地址空间中使用的逻辑地址变换成主存中的地址的过程。（转换/定位）存储保护：保证用户程序(或进程映象)在各自的存储区域内操作，互不干扰。存储扩充：为大作业的运行提供空间。覆盖、交换、虚拟存储。(虚拟存储：使用户程序的大小和结构不受主存容量和结构的限制，即使在用户程序比实际主存容量还要大的情况下，程序也能正确运行。)二、存储管理的主要功能31存储分配：按照一定的算法把某一空闲的主存储空间分配给作业951何为地址映射？将程序地址空间中使用的逻辑地址变换成主存中的地址的过程称为地址映射。有时也称为地址转换或重定位。三、地址映射321何为地址映射？三、地址映射96四、存储保护

在多道程序设计的环境下，系统中有系统程序和多个用户程序同时存在，如何保证用户程序不破坏系统程序，用户程序之间不相互干扰？这就是存储保护所要解决的问题。常用的存储保护有两种：

上、下界保护；基址、限长寄存器保护。33四、存储保护在多道程序设计的环境下，系统中有系统97下界寄存器：存放程序装入内存后的开始地址；上界寄存器：存放程序装入内存后的末地址。判别式：下界寄存器≤物理地址＜上界寄存器1.上、下界保护34下界寄存器：存放程序装入内存后的开始地址；1.上、下界98

每个进程都有自己独立的进程空间，如果哪个进程在运行时所产生的地址在其地址空间之外，则发生地址越界。即当程序要访问某个内存单元时，由硬件检查是否允许，如果允许则执行，否则产生地址越界中断，由操作系统进行相应处理。保护过程----防止地址越界一般由硬件提供一对寄存器：

基址寄存器：存放起始地址；

限长寄存器：存放长度；2.基址、限长寄存器保护35每个进程都有自己独立的进程空间，如果哪个进程在运99

不同的操作系统的存储管理方法也不同，一般情况下，存储管理可分为两大类：实存储管理虚拟存储管理五、存储管理36不同的操作系统的存储管理方法也不同，一般情况下，100六、实存储管理

实存储管理的特点是当用户作业要求调入内存时，存储管理要提供一个不小于作业地址空间的连续存储空间，当存储空间不够时，一般采用覆盖或交换技术作为内存扩充的手段。37六、实存储管理实存储管理的特点是当用户作业要求调1011、动态分区存储管理技术

系统生成后，操作系统占用内存的一部分，一般在物理内存的开始处。如：操作系统占20KB，装入系统后占用0～20KB的内存空间，剩下的部分作为一个空闲区，当一个用户程序（作业、进程）调入内存时，把这个空闲区的低地址部分的区域分配给它，如图所示。381、动态分区存储管理技术系统生成后，操作系统占用102

当有作业完成后释放所占用的存储区。在系统运行的过程中，系统中形成多个空闲的不连续的存储区，称主空闲。39当有作业完成后释放所占用的存储区。在系统运行的过103虚拟存储管理

与“实存”对应的另一类存储管理技术为“虚拟存储”管理技术，简称“虚存”，用软件方法来扩充存储器。在虚拟管理中，把程序访问的逻辑地址称“虚拟地址”，把处理器可直接访问的主存地址称“实在地址”；虚拟地址的集合为“虚拟地址空间”常用的虚存技术有：

分页存储管理、分段存储管理、段页式存储管理40虚拟存储管理与“实存”对应的另一类存储管理技术为1041、分页式存储管理分区存储管理的主要问题是碎片问题。在采用分区存储管理的系统中，会形成一些非常小的分区，最终这些非常小的分区不能被系统中的任何用户（程序）利用而浪费。造成这样问题的主要原因是用户程序装入内存时是整体装入的，为解决这个问题，提出了分页存储管理技术。411、分页式存储管理分区存储管理的主要问题是碎片问题。1051）分页的概念程序地址空间分成大小相等的页面，同时把内存也分成与页面大小相等的块，当一个用户程序装入内存时，以页面为单位进行分配。页面的大小是为2n。通常为1KB，2KB，nKB等。421）分页的概念1062、段式系统

一个用户程序往往由几个程序段（主程序、子程序和函数）所组成，当一个程序装入内存时，按段进行分配，每个段的大小是不相等的。程序地址的组成：S：W

例:S1：XXXXS2：XXXXS3：XXXX432、段式系统一个用户程序往往由几个程序段（主程序10744108段页式系统

在段式系统中，若段内分页，称为段页式系统。目前流行的UNIX系统采用这种存储管理的方式，一个进程的图象分为U区、共享正文区、用户栈区和数据区，各进程的各个区的大小是不相等的，只有U区的大小是相等的。这里的区类似于段。每个段又分成大小相等的页，内存的分配是以页为单位的。在UNIX系统中存储管理（上下文，context）机构包括区表和页表。45段页式系统 在段式系统中，若段内分页，称为段页式系统。目109第三节处理器管理

处理器管理就是要解决用户提交的作业何时调入内存，在调入内存的各个作业程序间如何分配处理器，以达到各到程序能协调一致地运行，而系统资源又能得到最大程度的利用。46第三节处理器管理处理器管理就是要解决用户提交的1101、进程概念的引入多道程序系统中程序并发性执行，为了竞争有限的资源，相互间存在依赖与制约的关系，因此他们在系统中的状态是不断变化的，即时而运行，时而停顿。程序执行时所产生的问题使得传统的程序概念已经不足以对其进行描述，为之引入进程（Process)的概念。一、基本概念和术语471、进程概念的引入一、基本概念和术语1112、进程的定义进程是一种活动，它由一个动作系列组成，每个动作是在某个数据集上执行一段程序，整个活动的结果是提供一种系统或用户功能。一旦操作系统接受了某用户的作业，并把他调入内存执行，系统就为此作业创建一个或多个进程。因此进程可看作是程序的一次执行，即在指定内存区域中的一组指令序列的执行过程。多个进程可并发运行，并可能由各种原因随时中断。482、进程的定义1123、进程与程序的区别

1)进程是动态概念，程序是静止概念；

2)进程的存在是暂时的（诞生（创建）、死亡（撤消）），程序的存在是永久的（一组指令的集合）；

3)一个程序对应多个进程，而一个进程仅对应一个程序；

4)进程在结构上是由程序、数据集、进程控制块（PCB）三部分组成的。493、进程与程序的区别1134、进程的特征

1）动态性：执行初期被创建，执行结束被撤消；

2）并发性：并发执行提高了计算机的系统资源的利用率；

3）独立性：进程是一个能够独立运行的基本单位；

4）异步性：进程相互制约，其执行具有间断性。504、进程的特征114就绪阻塞运行等待事件事件发生时间片完进程调度状态转换图1、进程的状态及其变化

就绪：这类进程已经具备各种必须的资源，只等待获得CPU；

运行：系统根据某种调度算法，将CPU分配给某一个就绪进程使之运行，该进程就处于运行态；

阻塞：进程在运行中由要等待I/O设备或发生其他错误时，就转入阻塞状态，当阻塞原因消除后，重新回到就绪态。二、进程状态及进程控制块51就绪阻塞运行等待事件事件发生时间片完进程调度状态转换图11151、同步与互斥的概念同步:

一组合作进程在运行中，由于是异步的，进程之间要协调其推进的速度，以正确完成作业运行。

互斥：对于某一临界资源，一组进程不能同时进入临界区去使用它。一个进入，其他必须等待。

临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源。如打印机、读卡机、缓冲区、变量等。

临界区：进程中使用临界资源的那段程序。各进程之间存在着相互制约、相互依赖的关系。四、进程的同步与互斥521、同步与互斥的概念四、进程的同步与互斥116１、死锁：每个进程所要求的资源都已被另一个进程占用，出现没有一个进程能继续运行，这种情况称“死锁”。2、死锁产生的原因