操作系统原理第一章绪论

第一章绪论

一、操作系统OS的定义（OpertatingSystem）OS是一个大型的系统软件，它负责计算机的全部软件和硬件资源的管理，并为用户提供良好的应用界面，使整个计算机系统实现高效率和高度自动化。二、操作系统的形成

手工操作阶段批处理系统（BatchProcessingSystem）分时技术与分时操作系统

2、批处理系统（BatchProcessingSystem）

一系列作业的序列，称之为批（Batch）作业（job）是将命令、程序和数据按预先确定的次序结合在一起，并可以提交给系统的一个组织单位。例：批处理文件

1）单道批处理系统

一批作业以脱机方式输入到存储介质上（磁带、磁盘），系统能对这批作业一个接一个连续自动处理，因在内存上只保持一道作业，故称单道批处理系统。例：某系统有一台输入设备，一台输出设备JobA:计算50ms，输入100ms，计算50ms，输出100ms；JobB:计算100ms，输出50ms，计算50ms，输出100ms。（假设jobA先执行）单道批处理的过程如下：CPUAABBB输入设备AA输出设备AABBB时间050100150200250300350400450500550600JobB的响应时间=等待时间+执行时间=300+300=600ms。其中50～150ms，200～300ms等处CPU处于空闲状态。2）多道批处理系统

在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序控制下，相互交替执行。当某道作业因某种原因不需要CPU时，管理程序将另一道作业投入运行，这样使CPU和各种设备处于忙绿状态，从而大大提高了计算机的使用效率。例：某系统有一台输入设备，一台输出设备JobA:计算50ms，输入100ms，计算50ms，输出100ms；JobB:计算100ms，输出50ms，计算50ms，输出100ms。（假设jobA先执行）多道批处理的过程如下：CPUABBAB

输入设备AA输出设备BAABB

时间050100150200250300350400450500550600JobB的响应时间=等待时间+执行时间=50+350=400ms特点：①多道②宏观上并行③微观上串行（单处理机的情况）优点：①资源利用率高②系统的吞吐量大缺点：①有时用户的响应时间较长②交互性不好JobB等待输出3.分时技术与分时操作系统

把CPU时间划分成很短的时间片（如几百毫秒），轮流分配给各个联机作业使用，如果某个作业在分配的时间片用完之前计算还未完成，该作业就暂时中止，等待下一轮继续计算，此时CPU让给另一个作业使用，这样，每个用户由虚拟机公平地提供处理机的运行时间和内存资源。特点：①用户有较快的响应时间②交互性好三、操作系统的基本类型

批处理操作系统分时操作系统实时操作系统（real_timeoperatingsystem）

基于多道程序设计技术形成了批处理操作系统和分时操作系统，但它们存在一些不同点：

（1）追求的目标不同批处理系统：提高系统资源利用率和作业的吞吐能力为目标分时系统：强调公平性，对于联机用户的立即型命令要快速响应（如3s）。（2）适应作业不同批处理系统：已调试好的大型作业分时系统：正在调试的小型作业

基于多道程序设计技术形成了批处理操作系统和分时操作系统，但它们存在一些不同点：

（3）资源利用率不同批处理系统可以合理安排不同负载的作业，使资源利用率达到最佳。作业可分为：以计算为主；以I/O为主；计算与I/O均衡。（4）作业控制方式不同批处理：用户通过JCB书写作业控制流，预先提交，脱机工作。分时：作业由用户从键盘输入控制命令，一交互方式联机工作。

3.实时操作系统（real_timeoperatingsystem）

对外部输入的信息，能够在规定的时间内（deadline）处理完毕并作出反应。1）按使用方式可以分为：实时控制：如工业控制自动化、制导系统实时信息处理：如订票系统2）基本特征：及时性和高可靠性

四、操作系统的功能

处理机管理：为了提高处理机的效率，OS对处理机的管理采用多级调度。

分别是：作业调度（第6章）进程调度（第4章，第6章）线程调度（第6章）

四、操作系统的功能

2.存储器管理：

提出了四种存储管理方式：

分区存储管理、

页式存储管理、

段式存储管理、

段页式存储管理，

涉及内存的分配与回收，虚实地址的映射，存储保护，存储器“扩充”（第7章）

四、操作系统的功能

3.设备管理：1）设备无关性：程序中只使用设备的逻辑名，屏蔽设备的物理特性，方便用户使用。2）设备的分配：独占型设备、共享型设备、虚拟设备、静态分配、动态分配等3）设备传输的控制方式：程序查询方式、中断方式、DMA方式、通道方式等4）其它：如缓冲技术、SPOOL技术等（第8章）

四、操作系统的功能

4.文件管理：（第9章）1）文件的逻辑结构和物理结构2）磁盘空间的管理3）目录管理4）文件操作5）文件的安全与保护

四、操作系统的功能

5.用户接口：（第3章）1）命令接口：①命令行界面②图形用户界面2）程序接口：如Linux或UNIX提供的系统调用、Windows提供的WinAPI函数（约2000多个）6.网络与通信管理（计算机网络课程）

五、操作系统的特征

1.并发性：指多个事件在同一时间间隔内发生，如：I/O操作与CPU处理重叠2.共享性：资源共享的两种方式空分复用（spare_multiplexedsharing）:如内存中的多道程序、磁盘上的多个文件等时分复用（time_multiplexedsharing）：如分时系统中的CPU

并发和共享是操作系统的两个最为基本的特征，它们互为存在条件：一方面，若系统不允许并发执行，自然不存在资源共享的问题；另一方面，若不能对资源共享实施有效的管理，也将影响到并发执行。3.不确定性（异步性）只要运行环境相同，作业经多次运行，都将获得相同的结果。4.虚拟性如虚拟机、虚拟内存、虚拟设备六、流行操作系统简介

UNIX系统Windows系统Linux系统1.UNIX系统简介

1965年，贝尔实验室（BellLabs）加入一项由通用电气（GeneralElectric）和麻省理工学院（MIT）合作的计划；该计划要建立一套多使用者、多任务、多层次（multi－user、multi－processor、multi－level）的MULTICS（MultiplexedInformationandComputingService）操作系统。直到1969年，因MULTICS计划的工作进度太慢，该计划被停了下来（软件危机）。1.UNIX系统简介

在1970年时，KenThompson和DernisRitchie申请到了一台PDP-11/24的机器。于是Unix第一版出来了。在一台PDP-11/24的机器上完成。这台电脑只有24KB的物理内存和500KB磁盘空间。Unix占用了12KB的内存，剩下的一半内存可以支持两用户进行SpaceTravel的游戏。（开发的最初动机是方便玩游戏）1.UNIX系统简介

到了1973年的时候，KenThompson与DennisRitchie感到用汇编语言做移植太过于头痛，KenThompson与DennisRitchie成功地开发出C语言，并用C语言重写了Unix的第三版内核。至此，Unix这个操作系统修改、移植相当便利，为Unix日后的普及打下了坚实的基础。而Unix和C完美地结合成为一个统一体，C与Unix很快成为世界的主导。1.UNIX系统简介

1974年7月，KenThompson和DennisRitchie在ACM发表了Unix的第一篇文章“TheUNIXTimeSharingSystem”。这是UNIX与外界的首次接触。结果引起了学术界的广泛兴趣并对其源码索取，所以，Unix第五版提供给各大学作为教学之用，成为当时操作系统课程中的范例教材。各大学公司开始通过Unix源码对Unix进行了各种各样的改进和扩展。于是，Unix开始广泛流行。1.UNIX系统简介

AT&T公司开始注意到Unix所带来的商业价值。公司的律师开始寻找一些手段来保护Unix，并让其成为一种商业机密。从1979年Unix的版本V7开始，Unix的许可证开始禁止大学使用Unix的源码，包括在授课中学习。UNIX操作系统是商业版

，需要收费，价格比MicrosoftWindows正版要贵一些。

UNIX特性

UNIX系统是一个多用户，多任务的分时操作系统。UNIX的系统结构可分为三部分：操作系统内核（是UNIX系统核心管理和控制中心，在系统启动或常驻内存），系统调用（供程序开发者开发应用程序时调用系统组件，包括进程管理，文件管理，设备状态等），应用程序（包括各种开发工具，编译器，网络通讯处理程序等，所有应用程序都在Shell的管理和控制下为用户服务）。UNIX系统大部分是由C语言编写的，这使得系统易读，易修改，易移植。UNIX提供了丰富的，精心挑选的系统调用，整个系统的实现十分紧凑，简洁。UNIX提供了功能强大的可编程的Shell语言（外壳语言）作为用户界面具有简洁，高效的特点。UNIX系统采用树状目录结构，具有良好的安全性，保密性和可维护性。UNIX系统采用进程对换（Swapping）的内存管理机制和请求调页的存储方式，实现了虚拟内存管理，大大提高了内存的使用效率。UNIX系统提供多种通信机制，如：管道通信，软中断通信，消息通信，共享存储器通信，信号灯通信。2.Linux系统简介

1991年初，LinusTorvalds开始在一台386sx兼容微机上学习minix操作系统。1991年4月，林纳斯·托瓦兹开始酝酿并着手编制自己的操作系统。1991年的10月5日，林纳斯·托瓦兹在comp.os.minix新闻组上发布消息，正式向外宣布Linux内核的诞生。2.Linux系统简介

Linux是一款类UNIX的免费的操作系统，用户可以通过网络或其他途径免费获得，并可以任意修改其源代码。这是其他的操作系统所做不到的。正是由于这一点，来自全世界的无数程序员参与了Linux的修改、编写工作，程序员可以根据自己的兴趣和灵感对其进行改变，这让Linux吸收了无数程序员的精华，不断壮大。2.Linux系统简介

主要产品有：RedHat（小红帽）UbuntuUbuntuKylin（中文又被称为优麒麟）是基于Ubuntu的一款官方衍生版。它是一款专门为中国市场打造的免费操作系统。（太湖之光超级计算机采用）红旗linux3.Windows系统简介

Microsoft的早期操作系统是1979年由为IBM个人电脑开发的MS-DOS,它是一个单用户单任务的操作系统。Windows采用了图形化模式GUI，比起从前的MS-DOS需要键入指令使用的方式更为人性化。随着电脑硬件和软件的不断升级，微软的Windows也在不断升级，从架构的16位、32位再到64位，系统版本从最初的1985年最初的Windows1.0

到大家熟知的Windows95、Windows98、WindowsME、Windows2000、Windows2003、WindowsXP、WindowsVista、Windows7、Windows8、Windows8.1、Windows10和

WindowsServer服务器企业级操作系统，不断持续更新，微软一直在致力于Windows操作系统的开发和完善。慢慢的成为家家户户人们最喜爱的操作系统。billgates曾经在中国发表过一个著名论断，就是“现在让你们盗，总有一天你们是要付钱的，重要的是要盗我们的软件”。安装虚拟机和linux系统

在单CPU和两台I/O设备I1，I2的多道程序设计环境下，同时投入三个作业job1,job2,job3运行。这三个作业对CPU和I/O设备的使用顺序和时间如下：Job1:I2(30ms);CPU(10ms);I1(30ms);CPU(10ms);I2(20ms);Job2:I1(20ms);CPU(20ms);I2(40m