第1章 操作系统概述

计算机操作系统计算机专业课程课程安排：第一章操作系统引论

第二章进程管理第三章处理机调度与死锁第四章存储管理第五章设备管理第六章文件管理第七章操作系统接口

操作系统的主要类型

操作系统的主要工作A．执行程序启动和结束B．为用户提供良好的界面普通用户和系统用户C．管理整个系统中的各种资源

硬件资源和软件资源D．计算机系统的效率与安全问题

协调各个部件和进程运行，保证互不干扰

OS在计算机中的位置1、OS与各层的关系与硬件的关系：控制CPU的工作访问存储器设备驱动、中断处理与用户及应用程序的关系：提供方便的用户界面提供高效的系统管理能力2、各层对操作系统的制约下层硬件环境提供OS运行基础;

限制了OS的功能实现（如：一个CPU如何同时处理多个任务）上层软件对OS提出要求(如：计算中心每天处理1000个任务，要求吞吐量高)

良好的用户界面OS与硬件相关，与应用无关

现代操作系统的主要特点

多任务的例子：

(1)听音乐、上网看小说

CPU、接口、显卡、显示寄存器，声卡

(2)计算x=(a＋b)＊(c＋d)/(e

＋

f)

子任务P1、P3、P5可并行执行；P1P2P3P4P5多用户多任务多任务同时（并发）执行系统资源的调度与分配（3）巡航导弹轰炸目标首先由侦察机侦察，沿线摄像；然后由巡航导弹进行轰炸。巡航导弹（有计算机、摄像设备）从出发地点向目标地点飞行的同时进行摄像，并和原图像（侦察机的摄像）比较匹配，需并行处理（将图像分割为多个部分并行计算），以达到实时性，并行处理的图像有交点，因此应控制访问共享变量的方式。

现代操作系统的主要特点

学习过程中应时刻注意：操作系统是如何实现多任务的OS采用了一系列软件技术：多道程序设计技术、分时技术、资源分配与调度等。计算机体系结构/硬件软件设计程序设计语言数据结构算法网络

操作系统涉及的学科领域

地位：

专业核心课程

考研核心课程

技术开发的理论基础特点：

理论性强

涉及面广

错综复杂

操作系统课程地位及特点第一章操作系统引论操作系统的目标和作用操作系统的发展过程操作系统的基本特性

操作系统的主要功能41231.1操作系统的目标和作用一、操作系统的目标

目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点：有效性方便性可扩充性开放性二、操作系统的作用

OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

OS作为计算机系统资源的管理者

OS用作扩充机器窗口软件虚拟机文件管理软件I/O管理软件裸机

物理实体裸机

数据输入和打印输出I/O管理软件

实现对文件操作的细节文件管理软件

方便操作计算机窗口软件

操作系统的定义操作系统：OperatingSystem，有时简记为OS，是一组控制和管理计算机硬件与软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。主要功能：实现处理机管理、内存管理、I/O设备管理、文件管理，用户接口。1.2操作系统的发展过程一、无操作系统的计算机系统人工操作方式特点：无任何软件、没有“源程序”的概念用物理地址编程、绝对装入缺点：用户独占全机

CPU等待人工操作严重浪费系统资源人机矛盾指在慢速的手工操作和高速的计算机运算之间形成的一种矛盾。CPU-I/O设备速度不匹配的矛盾脱机输入/输出(Off-LineI/O)方式

在外围计算机的控制下，实现程序和数据的自动输入输出；这里的脱机是指脱离主机进行的，故称为脱机输入／输出。图1-2脱机I/O示意图CPU磁盘磁盘磁盘联机I/O：在主机的直接控制下进行的输入/输出。

优点：减少了主机CPU的空闲时间提高I/O速度

缺点：浪费一台外围机磁盘上的程序不能被连续地处理批处理技术指在管理程序的控制下，对一批作业自动进行处理而不需要人工干预的一种技术。该技术旨在提高系统的吞吐量和资源利用率。单道批处理系统(OS的雏形)在系统中的监督程序的控制下，将一批以脱机方式输入到磁盘上的作业进行处理。有监督程序；成批处理；作业自动过渡；内存中始终保持一道作业。特征：自动性顺序性单道性缺点：内存仅有一道作业，系统资源不能被好地利用。多道批处理系统采用多道程序设计技术的批处理系统称为是多道批处理系统。

多道程序设计技术：在内存中同时存放若干个作业，使它们共享系统资源并同时运行的技术，单机环境下，作业仅在宏观上同时运行，微观上交替执行。

引入多道程序设计技术可带来以下好处：（1）提高CPU的利用率。（2）可提高内存和I/O设备利用率。（3）增加系统吞吐量。

图多道批处理系统处理批作业过程示意图图1-4(a)单道程序运行情况

CPU监督程序I/O设备问题1：每道程序是否可以一直做到完成？问题2：CPU有无等待？问题3：控制转换的原因是什么？控制转换如何完成？特征：多道性无序性调度性优缺点：优点：资源利用率高、系统吞吐量大缺点：平均周转时间长、无交互能力系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。周转时间指作业从进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。分时系统图分时系统示意图主机分时系统实现中的关键问题及时接收（多路卡、缓冲区）及时处理（直接进入内存、分配时间片）主机……缓冲区1缓冲区2缓冲区n……终端1终端2终端n多路卡图多路卡配置示意图特点：多路性交互性独占性及时性系统对用户提出的请求及时响应用户感觉不到计算机为其他人服务（OS作为虚机器使各个用户的工作互不干扰）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)同时有多个用户使用一台计算机宏观上：多人同时使用一个CPU微观上：多个人在交替使用CPU实时系统实时系统(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。实时操作系统的分类实时控制系统实时信息处理系统通常是指以计算机为中心的生产过程控制系统，又称计算机控制系统。以计算机为中心的实时信息查询系统和实时事务处理系统，如机票订购系统。例：一个有计算机系统控制生产过程的反应堆，它要把A、B两种产品合成一种新产品C。程序传感器ＣＡＢ计算机系统控制信号反应堆温度湿度特点：多路性独立性交互性及时性可靠性小结批处理系统分时系统实时系统1、假设在多道批处理系统中，某时刻有A、B、C三道作业调入内存，按A、B、C的先后顺序执行，问三道作业全部完成所用时间比在单道批处理系统中节省多少时间？（忽略系统开销）

A：计算20s——I/O40s——计算40sB：计算10s——I/O80sC：计算50s——I/O20s——计算10s2、分时OS与实时OS的区别？习题操作系统的进一步发展

操作系统成为独立的程序，已有40年的历史，它经过60和70年代的大发展时期，到80年代虽已趋于成熟，但它仍继续沿着两个方向继续向前发展，一个是随着计算机系统结构的发展，形成多处理机操作系统、网络操作系统和分布式操作系统；另一个则是把操作系统应用于微机，形成微机操作系统。多处理机操作系统在1975年前后，打破了以单处理机体系结构为主的局面，形成了由多台处理机通过互连网络连接在一起的计算机系统。网络操作系统网络操作系统是建立在主机操作系统基础上，用于管理网络通信和共享资源，协调各主机上任务地运行，并向用户提供统一的、有效的网络接口的软件集合。分布式操作系统分布具有各个计算机间相互通讯，无主从关系；网络有主从关系分布式系统资源为所有用户共享；而网络有限制地共享分布式系统中若干个计算机可相互协作共同完成一项任务.微型机（个人）操作系统DOSMicrosoftWindowsUnixLinuxOS/2典型操作系统

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返回下一页DOS是配置在IBM-PC及兼容机上的磁盘操作系统。单用户、单任务。OS/2

：单用户、多任务

是一个克服了DOS最大缺陷，并且有多任务处理功能的操作系统。Windows

单用户、多任务

是一个具有非常新颖用户界面和多媒体处理功能的系统。UNIX及其变种（Linux），多用户、多任务是从中小型机上移植下来的一个多用户操作系统，这个操作系统具有许多DOS没有的功能，是最常用的操作系统之一。具有a.图形的用户界b.多任务处理功能c.硬件独立性构成完整的操作环境。操作系统领域中新的操作系统嵌入式操作系统,Linux有线电视机顶盒领域，PowerTV移动通信领域，EPOC掌上计算机领域，PalmOS数字影像领域，Digita1.3操作系统的基本特性

并发性

共享性

虚拟性

异步性

并发性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。多道程序环境中，并发是指一段时间内宏观上多道程序同时执行。在单处理机系统中，微观上多道程序交替执行；多处理机系统中，微观上多道程序并行执行。共享性资源共享是指系统中的硬件和软件资源不再为某个程序所独占，而是供多个用户共同使用。并发和共享是操作系统两个最基本的特征，这两者之间又是互为存在条件的。虚拟性在操作系统中，所谓虚拟，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。在OS中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存和虚拟外部设备等。异步性(Asynchronism)多道程序环境下程序的执行，是以异步方式进行的；每个程序在何时执行，多个程序间的执行顺序以及完成每道程序所需的时间都是不确定和不可预知的。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

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操作系统与用户之间的接口处理机管理功能处理机管理中的主要功能：进程控制——创建和撤销进程；进程同步——对多个进程的运行进行协调；进程通信——实现进程之间的信息交换；调度——可以按照一定的算法将处理机分配给各个进程。进程通信

例一个程序的输入进程、计算进程和打印进程三个进程间的通信过程：

图进程间通信示意图

总结：在输入进程、计算进程和打印进程三者之间都发生的数据的交换，因而在这三者之间就有了种通信。这就是进程间的通信。输入进程计算进程打印进程计算前的数据计算后的数据通信通信存储器管理功能主要任务：为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率以及可以为这些程序从逻辑上扩充内存。主要功能：内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充设备管理功能主要任务：完成用户进程提出的I/O请求；为用户进程分配其所需的I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。为此，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理，以及虚拟设备等功能。文件管理功能操作系统与用户间的接口接口：是指掩盖软件内部功能的实现细节，并向外提供一些使用的约定，用户不必知道软件内