第一章 操作系统引论

教材：计算机操作系统（第四版）

汤小丹等编著课程名：操作系统原理教师：王秋芬办公地点：办公楼7307手机一章操作系统引论

1.1操作系统的目标和作用1.2操作系统的发展过程1.3操作系统的基本特性1.4操作系统的主要功能1.5操作系统的结构设计

第一章操作系统引论（OS引论）1.1操作系统的目标和作用一、操作系统在计算机系统中的地位（视频）1.核心地位2.系统软件用户应用程序系统调用命令图标、窗口操作系统计算机硬件二、OS的作用1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口2.OS作为计算机系统资源的管理者3.OS实现了对计算机资源的抽象（OS用作扩充机器）三、深入认识OS1.OS是什么？OS是铺设在计算机硬件上的多层软件的集合，它们增强了系统的功能，同时隐藏了对硬件操作的具体细节，实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象模型。2.OS能做什么？管理、控制、提供服务3.OS该怎么做？原理、方法及实现技术（如多用户多任务、并发、并行、虚拟等）思考：开发OS这样一个系统软件，目标是什么？四、OS的目标1.方便性（让用户好用）2.有效性（资源利用率高、处理任务的能力强）3.可扩充性（适应计算机技术的快速发展）4.开放性（能兼容，遵循开发系统OSI国际标准）五、推动OS发展的主要动力1.不断提高计算机资源利用率2.方便用户3.器件的不断更新换代4.计算机体系结构的不断发展5.不断提出新的应用需求1.2操作系统的发展过程1.2.1无操作系统的计算机系统1.人工操作方式从第一台计算机诞生(1945年)到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。由程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据)的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡片输入机)，再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。人工操作方式的特点特点:用户独占全机CPU等待人工操作串行性缺点:效率低计算机的有效机时严重浪费2.脱机输入/输出方式

在采用脱机输入输出方式时，程序和数据的输入输出都是在外围计算机的控制下完成的，即它们是脱离主机进行的，故称之为脱机输入输出操作。

脱机I/O方式的主要优点如下：（1）减少了CPU的空闲时间。（2)提高I/O速度。图1-2脱机I/O示意图1.2.2单道批处理系统

单道批处理系统的处理过程

批处理（对一批作业自动进行处理，在内存中仅有一道作业）图1-3单道批处理系统的处理流程

单道批处理系统（监督程序）是最早出现的一种OS，严格地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。优点：提高了资源利用率和系统吞吐量缺点：资源得不到充分利用2.单道批处理系统的特征1.2.3多道批处理系统

1.多道程序设计的基本概念

在计算机内存中同时存放若干道已开始运行尚未结束的程序，它们交替运行，共享系统中的各种硬、软件资源，从而使处理机得到充分利用。

在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。例子（比较单道和多道）一个cpu、一台输入设备、一台打印机。内存中有A、B两个就绪进程，进程A先得到cpu运行，进程B后运行。进程A：计算50ms，打印信息100ms，再计算50ms，打印信息100ms。进程B：计算50ms，输入数据80ms，再计算100ms2.多道批处理系统的优缺点

优点：(1)资源利用率高（CPU,内存和I/O设备）(2)系统吞吐量大缺点：(3)平均周转时间长(4)无交互能力。适合大型科学计算、数据处理。

3.多道批处理需要解决的问题

（1）处理机争用问题。（2）内存分配与保护问题。（3）I/O设备分配问题。（4）文件的组织与管理问题。（5）作业管理问题。（6）用户与系统的接口问题

1.2.4分时系统

1.分时系统(Time-SharingSystem)的引入分时系统是为了满足用户对人机-交互的需求所形成的一种新型OS。

用户的需求具体表现在以下几个方面：(1)人—机交互(2)共享主机主机终端2.分时系统实现中的关键问题实现分时系统的最关键的问题：如何使用户能与自己的作业进行交互即人—机交互。即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理:1）及时接收。（配置多路卡，实现分时多路复用）2）及时处理。（用户任务直接进入内存、时间片轮转方法）3.分时操作系统特征多路性独立性及时性交互性同时有多个用户使用一台计算机宏观上：是多个人同时使用一个CPU微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU用户根据系统响应结果进一步提出新请求(用户直接干预每一步)用户感觉不到计算机为其他人服务（OS提供虚机器，各个用户的虚机器互不干扰）系统对用户提出的请求及时响应1.2.5实时系统

“实时”，是表示“及时”，而实时系统(Real-TimeSystem)是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。特点：及时性要求高，系统可靠性高。

1.实时操作系统的分类工业（武器）控制系统

计算机用于对生产过程（武器）的控制，形成以计算机为中心的控制系统。如：钢铁冶炼和钢板轧制的自动控制、炼油、化工生产过程的自动控制,导弹制导系统，飞机的自动驾驶系统等。信息查询系统

计算机及时接收从远程终端发来的服务请求，根据用户提出的问题对信息进行检索和处理，并在很短时间内对用户做出正确回答。例如：银行查询系统，机票订购系统、股市行情，情报检索信息查询系统等。多媒体系统

插放将文本、图像、音频、视频等信息集成在一起的多媒体文件时，为了较好的视觉、听觉效果，要求多媒体系统必须是实时信息处理系统嵌入式系统

将芯片嵌入到各种仪器和设备中，使之具有智能。配置嵌入式OS同样需要实时控制或处理。2.实时任务的分类(P10)1）按执行时是否呈现周期性来划分（1）周期性实时任务（2）非周期性实时任务（开始截止时间、完成截止时间）2）根据对截至时间的要求来划分（1）硬实时任务（2）软实时任务（1）多路性（2）独立性（3）及时性（4）交互性（5）可靠性3.实时系统与分时系统特征的比较1.2.6微机操作系统的发展（P11）

按运行方式分为：1.单用户单任务操作系统——只允许一个用户上机且只允许用户程序作为一个任务运行CP/M（8位）,MS-DOS（16位、32位）2.单用户多任务操作系统——只允许一个用户上机，但只允许用户将程序分成若干个任务，使它们并发执行。Windows的部分系列（16位、32位、64位）3.多用户多任务操作系统——允许多个用户通过各自的终端，使用同一台机器，共享主机系统的各种资源，每个用户程序可分为几个任务使其并发执行UNIXOS(SolarisOS,LinuxOS)（大、中、小型机中配置）1.3操作系统的基本特性

并发性共享性虚拟性异步性

1.3.1并发性概念：并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序设计环境中，并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行。重要概念：进程

1.3.2共享性

共享性:并发执行的进程共享计算机系统中的资源（有时间、地点要求）资源共享方式：（1）互斥共享方式：可以供多个进程（线程）使用，但规定在一段时间内，只允许一个进程访问该资源（打印机、磁带机）（2）同时访问方式：允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问，并发和共享是用户多任务操作系统两个最基本的特征，这两者之间又是互为依存的。1.3.3虚拟性

虚拟是指把一个物理上的实体，变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的，而后者是虚的，相应地，用于实现虚拟的技术称为虚拟技术。利用两种方式实现：

1.时分复用技术:即对一个物理设备分时使用，N个虚拟设备的速度小于等于物理设备速度的1/N。CPU打印机

2.空分复用技术:将一个物理设备虚拟为N个，每个虚拟设备平均占用的空间小于等于原物理设备空间的1/N。

磁盘存储器

1.3.4异步性(Asynchronism)

在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但由于竞争资源等因素的限制，使进程的执行不是“一气呵成，而是以“走走停停”的方式运行。每个进程何时执行，多个进程间的执行顺序以及每个进程完成所需的时间都是不确定。

进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。1.4操作系统的主要功能

系统资源处理机存储器I/O设备软件资源操作系统功能模块处理机管理存储器管理设备管理文件系统

从资源管理观点看，操作系统具有五大功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户接口。

1.4.1处理机管理功能

主要任务：是对处理机的分配和运行实施有效管理。处理机的分配和运行都是以进程为基本单位的，所以对处理机的管理可归结为对进程的管理。

进程管理的主要功能

1、进程控制：当用户程序要运行时，应为之建立一个或多个进程，并为它分配除处理机以外的所有资源，将它放入进程就绪队列。当进程运行完成时，立即撤消该进程，以便及时释放其所占有的资源。进程控制的基本功能就是创建和撤消进程以及控制进程的状态转换。2、进程同步：所谓进程同步是指系统对并发执行的进程进行协调。1）进程互斥方式。2）进程同步方式。

进程管理的主要功能（续）

3、进程通信：对于相互合作的进程，在它们运行时，相互之间往往要交换一定的信息，这种进程间所进行的信息交换称为进程通信。4、进程调度：

1>作业调度指从作业后备队列中按照一定的算法选出若干个作业，并为他们分配必要的资源。

2>进程调度是指按一定算法，如最高优先算法，从进程就绪队列中选出一进程，把处理机分配给它，为该进程设置运行现场，并使之投入运行。1.4.2存储器管理功能1、内存分配：为每道进程分配内存是存储器管理的最基本功能。2、内存保护：保证各道进程都能在自己的内存空间运行而互不干扰；决不允许用户进程访问操作系统的程序和数据，也不允许转移到非共享的其他用户程序中去执行。

存储器管理的功能（续）

3、地址映射：在多道程序的系统中，编译、链接后形成的可装入程序地址是从“0”开始的，在内存中的地址不是从“0”开始的，为保证正确运行，操作系统必须提供把程序地址空间中的逻辑地址转换为内存空间对应的物理地址的功能。4、内存扩充：借助于虚拟存储技术，使系统能运行内存要求量远比物理内存大得多的进程，或让更多得进程并发执行。

1.4.3设备管理功能

1、缓冲管理：利用缓冲来缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾，和提高CPU与设备、设备与设备间操作的并行程度，以提高CPU和I/O设备的利用率。2、设备分配：系统根据用户所请求的设备类型和所采用的分配算法对设备进行分配。3、设备处理：启动指定的I/O设备，完成用户规定的I/O操作，并对由设备发来的中断请求进行及时响应，根据中断类型进行相应的处理。

4.文件管理

文件管理应具有以下功能：1.文件存储空间的管理2.目录管理3.文件读、写管理和保护4.向用户提供接口文件管理

1、文件存储空间的管理：文件系统为每个文件分配必要的外存空间，提高外存利用率和文件系统的运行速度；还应具有对外存空间进行分配和回收的功能。2、目录管理：为每个文件建立其目录项，并对所有目录项加以有效组织，实现按名存取，实现文件共享，提供快速的目录查询手段。文件管理

3、文件的读/写管理和保护：

文件的读/写管理：根据用户请求，从外存中读取数据，或将数据写入外存。文件的保护：防止系统中文件被非法窃取或破坏。1.4.5用户接口为了使用户能灵活、方便地使用计算机和系统功能，0S提供了一组友好的使用其功能的手段，称为用户接口。用户接口命令接口图形用户接口程序接口1.4.6现代操作系统的新功能1.系统安全

(1)认证技术。

(2)密码技术。

(3)访问控制技术。

(4)反病毒技术。2.网络的功能和服务

(1)网络通信。

(2)资源管理。

(3)应用互操作。1.4.6现代操作系统的新功能3.支持多媒体

(1)接纳控制功能。

(2)实时调度。

(3)多媒体文件的存储。1.5操作系统的结构设计

无结构OS:注意力放在功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾一致的设计思想模块化OS结构分层式OS结构一、传统操作系统的结构

2.模块化OS结构

模块化程序设计技术，是基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件的复杂度的。将OS按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。并规定好各模块间的接口，各模块之间能通过该接口实现交互。模块化OS结构优缺点优点：提高设计的正确性；增强可适应性；加速开发过程缺点：难保证模块完全正确；未区分独占与共享资源。3.分层式OS结构有序分层的基本概念高层只能调用低层功能，应考虑：嵌套、运行频率、公用模块、用户接口。2