操作系统概论之1引论

1操作系统概论2课程特点：概念多、原理性强、较抽象课程学习目的：基础核心课有利于对计算机系统的理解和软件开发3计算机基本模型计算机模型的基本方案是，如要使计算机能够自动地计算，必须有一个存储器用来存储程序和数据；同时要有一个运算器，用以执行指定的操作；有一个控制器，以便实现自动操作；另外，辅以输入/输出部件，以便输入原始数据和输出计算结果。于是形成了现代计算机的基本组成形式。4存储器运算器数据数据指令控制器控制信号输出器输入器程序和数据存储程序和程序控制计算机的组成5计算机系统的层次关系应用软件操作人员操作系统软件系统实用软件计算机硬件6计算机系统的层次结构

计算机系统由硬件和软件两大部分组成1、硬件包括中央处理器、存储器、输入输出控制系统和各种输入输出设备等。2、软件包括系统软件、支撑软件以及应用程序等。7计算机系统的组成8操作系统的定义操作系统是一组程序，是一种管理计算机系统资源，合理组织计算机的工作流程，协调计算机系统各部分之间、系统与用户之间、用户与用户之间的关系，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面的系统软件。操作系统使整个计算机系统实现了高效率和高度自动化。9操作系统的作用管理计算机系统的资源用户与计算机硬件之间的接口：操作系统向用户提供使用计算机完成某类特定应用的界面或命令。具有扩充硬件的功能：用户不用关心软件对硬件的控制和操作，只需关注软件的使用方式，操作系统屏蔽了计算机硬件的复杂性和物理、电气等特性。10

作为资源管理的操作系统从作为机器功能扩充的观点看，操作系统是为用户提供基本的方便的接口，这是一种自顶向下的观点。但是从用户向机器的观点或自底向上的观点来看，操作系统则用来管理一个复杂计算机系统的各个部分。现代计算机包含处理器、存储器、磁盘、终端、网络接口、打印机以及许多其他设备。从这个角度来看，操作系统的任务是在相互竞争的程序之间有序地控制对处理器、存储器以及其他I/O接口设备的分配。11资源管理基本功能处理器管理存储管理文件管理设备管理作业管理121．处理器管理的功能

处理器管理的主要任务是对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在多道程序环境下，处理器的分配和运行都是以进程为单位，所以对处理器的管理可理解为对进程的管理。132．存储管理的功能内存分配

主存储器中允许同时容纳各种软件和多个用户程序时，必须解决主存空间如何分配的问题。内存分配的主要任务是为每道程序分配内存空间，但要以存储器利用率最高、减少不可用的内存空间为准则，同时允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。内存保护和共享

内存保护的主要任务是确保每道用户程序在自己的内存空间中运行，互不干扰，也就是说不允许用户程序访问操作系统和其他用户的程序和数据。在多道程序设计的系统中，同时进入主存储器执行的作业可能要调用相同的程序。例如，调用编译程序进行编译，把这个编译程序存放在某个区域中，各作业要调用时就访问这个区域，因此这个区域就是共享的。同样也可实现公共数据的共享。14地址映射一个应用程序经编译后，通常会形成若干个目标程序，这些目标程序再经过链接而形成可执行程序。地址映射要配合硬件做好地址转换工作，把一组逻辑地址空间转换成绝对地址空间，以保证处理器的正确执行。内存扩充

由于物理内存的容量有限，难以满足用户的需要，存储器管理的任务就是在不增加物理内存的条件下，借助于虚拟内存技术从逻辑上去扩充内存容量，使用户编制程序时不必考虑主存储器的实际容量，使计算机系统似乎有一个比实际主存储器容量大得多的主存空间。153．文件管理的功能

对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用文件，并保证文件的安全性和可靠性。因此，文件管理具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读、写等操作的管理以及文件的共享与保护等功能。164．设备管理的功能缓冲管理缓解CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，达到提高CPU和I/O设备利用率，提高系统吞吐量的目的。

设备分配设备分配的基本任务是根据用户的I/O请求，为他们分配所需的设备。如果在I/O设备和CPU之间还存在设备控制器和通道，则还需为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。17设备处理设备处理程序又称设备驱动程序。其基本任务是实现CPU和设备控制器之间的通信。设备独立性和虚拟设备用户向系统申请和使用的设备与实际操作的设备无关。185．作业管理的功能使用计算机系统的目的是为了完成作业的运行。用户采用什么方式把作业提交给计算机，操作系统根据什么原则挑选作业投入运行，又如何组织和调度作业，提高整个系统的工作效率，这就是作业控制管理要完成的任务。19

无操作系统的计算机人工操作方式有以下两个缺点：（1）用户独占全部计算机系统资源。（2）CPU等待人工操作。用户进行装带（卡）、卸带（卡）等人工操作时，CPU这个系统最重要的资源空闲。手工操作计算机20操作系统的出现探索思路1：执行成批处理探索思路2：多道程序并行21硬件发展的支持通道技术中断技术22操作系统的主要分类多道批处理系统(Multi-BatchProgrammingSystem)分时系统(TimeSharingSystem)实时系统(Real-TimeSystem)23

批处理系统是指加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地成批地处理一个或多个用户的作业。

批处理系统可以分为单道批处理系统和多道批处理系统。24

在单道批处理系统中，每次只允许执行一个作业，一批作业的程序和数据交给系统后，系统顺序控制作业的执行，当一个作业执行结束后自动转入下一个作业的执行，CPU和输入输出设备是串行工作的。

2520世纪60年代中期产生了多道程序批处理系统多道，即内存中可以同时存放着若干个作业，外存中则还存放着若干个后备性的作业。中央处理器轮流地执行各个作业，各个作业可以同时使用各自所需的外围设备。26多道批处理系统的特征

作业存在的多道性。作业运行的无序性。作业运行中的不可干预性。27多道批处理系统的优点

提高资源的利用率。增加了在单位时间内完成作业的吞吐量。28多道批处理系统的缺点作业运行平均周期长。人机交互能力差。29分时系统(TimeSharingSystem)

在一个系统中，如果多个用户分时地使用同一计算机，那么这样的系统称为分时系统（Time-SharingSystem）。SC1C2C330分时技术是把处理器的时间分成很短的时间片，这些时间片轮流地分配给各个联机的各作业使用。如果某作业在分配给它的时间片用完时仍未完成，则该作业就暂时中断，等待下一轮运行，并把处理器的控制权让给另一个作业使用。这样在一个相对较短的时间间隔内，每个用户作业都能得到快速响应，以实现人机交互。31分时操作系统的分类单道分时系统多道分时系统32分时系统的主要特点

多路性独占性及时性交互性实时响应存在不足33实时系统(RealTimeSystem)

实时，指的是“立即响应”，即对指定作业响应的及时性要比分时系统高得多。实时系统的具体含义是指系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理34实时操作系统的分类实时控制实时控制系统的主要特点是：与被控制过程的变化速度相比，其反应速度要足够快；工作安全可靠，即使系统硬件发生故障，系统也能安全运行；操作人员使用系统也简单、方便。实时信息处理典型的实时信息处理系统有：飞机订票系统、情报检索系统等。35实时系统实现的注意要点实时时钟管理连续人——机对话过载保护高可靠性36现代操作系统的主要特征并发（Concurrence）：在一段时间内同时做几件事，这包括主机处理器与若干外设在真正地并行工作，也包括多道作业微观上轮流执行而形成宏观上的同时运行。

共享（Sharing）：多道作业共同分享使用系统的资源（CPU、内存、磁盘、打印机、磁盘上的数据和程序等等）。37操作系统的发展

微机操作系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统38到20世纪80年代，随着超大规模集成电路的发展产生了微型计算机，配置在微机上的操作系统称为微机操作系统。最早出现的微机操作系统是8位微机上的CP/M，它是一个单用户单任务操作系统，即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。

1981年IBM公司推出16位的IBM-PC个人计算机，并在其上采用了微软公司开发的MS-DOS操作系统。

微机操作系统391987年4月，IBM公司推出了OS/2，其最初的版本OS/21.X是针对80286开发的，仍属16位操作系统，但已能实现真正的多任务处理。

1990年微软公司推出Windows3.0，其友好的图形用户界面及易学易用的特点使其很快占领了个人计算机操作系统的市场。1995年推出的Windows95及1998年推出的Windows98成为32位多任务操作系统的主流。40如果允许多个用户通过各自的终端，使用同一台主机共享主机系统中的各类资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们并发执行，从而进一步提高资源利用率和系统吞吐量，则这种操作系统称多用户多任务操作系统。在大、中、小型计算机上都可以配置多用户多任务操作系统，在微机上也有很多配置多用户多任务操作系统，最有代表性的是UNIX操作系统。41计算机技术和通讯技术的结合使得计算机用户资源共享及相说互通信的愿望成为可能，即在一台计算机上可以使用其他机器上的资源或进行通信。这样计算机网络的概念得以产生。一些独立自治的计算机利用通信线路相互连接形成的计算机的集合，称为计算机网络。为计算机网络配置的操作系统称为网络操作系统。网络操作系统42网络操作系统的主要功能共享资源、用户通信、网络管理、安全控制……提供高效而可靠的网络通信能力。提供多种网络服务。(1)远程数据录入服务。(2)提供多种系统服务。(3)文件传输服务。……43大量的实际应用要求一个一体化的系统，用户希望以统一的界面，标准的接口去使用系统的各种资源，实现所需的各种操作，这就导致了分布式系统的出现。一个分布式系统是若干计算机的集合，它们都有自己的局部存储器和外部设备，但分布式系统是一个一体化的系统，在系统中有一个全局操作系统，即分布式操作系统，它负责整个系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输、控制协调等工作，为用户提供一个统一的界面，标准的接口，用户通过这一界面实现所需的操作和使用系统的资源，但操作和计算是在哪一台计算机上执行或使用哪个计算机的资源则由操作系统自动完成，用户不用知道，即分布式操作系统对用户是透明的。分布式操作系统44随着计算机技术对各个应用领域的渗透，计算机硬件不再以物理上独立的装置形式出现，而是大部分或全部都隐藏和嵌入到各种应用系统中，这样的系统称为嵌入式（计算机）系统。嵌入式操作系统是指运行在嵌入式（计算机）系统中对各种部件、装置等资源进行统一协调、处理和控制的系统软件。主要特点：微型化实时性嵌入式操作系统45系统资源的特点从“是否能被几个作业同时使用”的角度看，分为“共享资源”和“独享资源”从“当被一个作业使用时是否还能被其他作业抢夺去使用”的角度看，分为“可抢占的资源(可剥夺性资源)”和“不可抢占的资源(不可剥夺性资源)”从“是否能被反复使用”的角度看，分为“永久资源(可重用资源)”和“临时资源(不可重用资源)”46管理资源的一般方法1、确定资源的分配原则2、随时记录资源的状况3、随时记录各个作业的需求4、根据已经确定的原则，按照需求和可能实施分配5、随时了解各个作业对所分配资源的使用情况47处理器的工作状态特权指令管态和目态程序状态字48特权指令和非特权指令1.特权指令：只有OS才能使用的指令，不允许用户程序随意使用。如访问关键寄存器、I/O敏感指令（中断屏蔽、端口读写）等等……2.非特权指令：用户程序中可以使用的指令。49管态和目态1.管态：CPU运行OS程序时的状态。

2.目态：CPU运行用户程序时的状态。当CPU处于目态时，不允许执行特权指令：当CPU处于管态时，可执行包括特权指令在内的一切指令。50PSW(programstatusword)1.程序状态字：为了硬件的控制方便，将反映程序运行中指令一级的硬件系统状态的信息集中在一个机器字中，称为程序状态字。

2.设置程序状态字的目的:控制指令执行的顺序，保留和指示与程序有关的硬件系统状态。

3.PSW寄存器：CPU中存放PSW的寄存器，存放正起控制作用的现行PSW。51■12位（C）：控制方式0：基本方式1：虚拟方式■13位(M)：机器校验中断屏蔽0：屏蔽1：响应■14位(W)：等待/计算状态0：CPU工作，执行指令1：CPU空转■15位(P)：目态/管态位0：管态，可执行特权指令1：目态，不可执行特权指令52操作系统与用户的接口

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用户利用计算机解决问题，大致可分成两个步骤：首先是编制程序，其次是使程序在计算机上运行。★

操作系统向用户提供了两类使用接口：一类用于程序一级，即系统调用接口（程序员接口）;

一类用于作业控制一级，即系统命令接口（操作员接口）。53

程序级：系统调用命令作业级键盘操作命令作业控制命令操作系统向用户提供的两类接口

操作系统

计算机54★系统调用是操作系统向用户提供的程序一级的服务，用户程序可以在源程序一级借助于系统调用命令来向操作系统提出各种资源要求和服务请求。（如，请求使用各种外部设备进行信息传输、向系统申请资源等）。程序员接口55用户程序函数操作系统凡是与硬件相关、与应用无关的工作，都通过操作系统程序来完成，系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口。编程人员通过系统调用使用操作系统内核所提供的各种功能。56系统调用功能分类1.设备管理2.文件管理3.进程控制4.进程通信5.存储管理6.系统管理57。。。调用指令（SVCN）。。。。（1）保留用户程序现场（2）取系统调用命令号并找到子程序入口（3）返回A0A1…An