第一章操作系统引论

计算机操作系统医用电子信息系Email：wd_lulu@163.com电话：65485551-3415编写：王云光全书目录第1章操作系统引论 第2章进程 第3章系统的资源管理 第4章虚拟存储器管理 第5章文件系统 第6章磁盘存储器管理 第7章系统服务和系统接口第一篇基本理论第1章概述第2章Windows的启动第3章Windows的体系结构第4章配置管理第5章内存管理第6章磁盘和文件管理全书目录第二篇多种Windows操作系统第1章Linux系统概述第2章安装Linux

第3章Linux的基本使用第4章Linux系统内核第5章Linux的引导与关闭机制

全书目录第三篇Linux操作系统第一章操作系统引论

1.1什么是操作系统

1.1.1操作系统（OperatingSystem）是硬件的延伸

OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。或者说，用户在OS的帮助下能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。应当注意，OS是一个系统软件，这种接口是软件接口用户可以通过以下两种方式来使用计算机。

(1)命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(语言)，用户可通过键盘键入有关的命令，来直接操纵计算机系统。

(2)系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在应用程序中通过调用相应的系统调用来操纵计算机。1.1.2操作系统是系统资源的管理者在一个计算机系统中，通常都包含了各种各样的硬件和软件资源。归纳起来可将资源分为四类：处理器、存储器、I／O设备以及信息(数据和程序)。相应地，OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理。即：

(1)处理机管理。用于分配和控制处理机；

(2)存储器管理。主要负责内存的分配与回收；

(3)I／0设备管理。负责I／o设备的分配与操纵；

(4)文件管理。负责文件的存取、共享和保护。

可见，OS确是计算机系统的资源管理者。事实上，当今世界上广为流行的一个关于OS作用的观点，正是把OS作为计算机系统的资源管理者。

1.1.3操作系统用作扩充机器

对于一台完全无软件的计算机系统(裸机)，即使其功能再强，也必定是难于使用的。如果我们在裸机上覆盖上一层I／O设备管理软件，用户便可利用它所提供的I／O命令，来进行数据输入和打印输出。此时用户所看到的机器，将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。如果我们又在第一层软件上再覆盖上一层文件管理软件，则用户，可利用该软件提供的文件存取命令，来进行文件的存取。此时，用户所看到的是一台功能更强的虚机器。如果我们又在文件管理软件上再覆盖上一层面向用户的窗口软件，则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能极强的虚机器。由此可知，每当人们在计算机系统上覆盖上一层软件后，系统功能便增强一级。由于OS自身包含了若干层软件，因此当在裸机上覆盖上OS后，便可获得一台功能显著增强，使用极为方便的多层扩充机器或多层虚机器。

1.1.4操作系统的定义操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它是管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，以及方便用户使用的程序的集合。1.2操作系统的形成1.2.1手工操作阶段由操作员（用户）通过手工操作的方式去启动设备和主机运行。每次只能一个用户使用计算机，一切资源全部由该用户所占用。并且在一个作业运行过程中，以及在作业完成后转换到另一作业都由人工干预。1.2.2监督程序（早期批处理）阶段所谓“批处理”，实质是指把用户作业以“成批”的方式提交给计算机。由于用户使用控制命令描述自己对作业每一步运行的具体安排意图。

并将这些控制信息连同自己的程序和数据一起作为一个作业提交给操作人员，因此在系统运行过程中，不允许用户与他的作业发生交互作用，即用户不能直接干预自己作业的运行，直至结束。这种自动定序的处理方式称为“批处理”方式。而且，由于是一个接着一个地串行执行作业，因此称为“单道批处理”。1.2.3操作系统的形成

1.通道技术的引进、中断技术的发展、执行系统的出现，使得CPU的时间主要用来处理数据，但系统资源的利用率仍很低下，单道技术的局限难以突破。

2.多道技术的引入，CUP等系统资源的利用率大大提高。多道程序设计技术：把一个以上的程序存放在主存中，并且同时处于运动状态，这些程序共享处理机时间和其它系统资源。

3.多道程序和分时系统的出现，标志着操作系统的形成。

1.3操作系统的特征一、并发(Concurrence)

并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指宏观上在一段时间内有多道程序在同时运行。但在单处理机系统中，每一时刻仅能执行一道程序，故微观上，这些程序是在交替执行的。二、共享(Sharing)

所谓共享是指，系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。由于资源的属性不同，故多个进程对资源的共享方式也不同，可分为以下两种资源共享方式：

1．互斥共享方式

系统中的某些资源如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程使用，但在一段时间内却只允许一个进程访问该资源。当一个进程正在访问该资源时，其它欲访问该资源的进程必须等待，仅当该进程访问完并释放该资源后，才允许另一进程对该资源进行访问。我们把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源。许多物理设备以及某些变量、表格都属于临界资源，它们要求互斥地被共享。2．同时访问方式

系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个程序同时对它进行访问。这里所谓的“同时”往往是宏观上的。而在微观上，这些程序可能是交替地对该资源进行访问。典型的可供多个程序同时访问的资源是磁盘；并发和共享是操作系统的两个基本的特征，它们又是互为存在条件。

三、虚拟(Virtual)

在操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的，即实际存在的，而后者是虚的，是用户感觉上的东西。例如，在多道分时系统中，虽然只有一个CPU，但每个终端用户却都认为是有一个CPU在专门为他服务，亦即，利用多道程序技术可以把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU，也称为虚处理机。类似地，也可以把一台物理I／O设备虚拟为多台逻辑上的I／0设备。此外，也可以把一条物理信道虚拟为多条逻辑信道(虚信道)。在操作系统中虚拟的实现，主要是通过分时使用的方法。显然，如果n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速度必然是物理设备速度的1／n。四、异步性(Asynchronism)或不确定性1.程序执行的速度不确定。2.程序执行的结果不确定。1.4操作系统的类型1.4.1操作系统的基本类型一、批处理操作系统采用批量化处理作业运行技术的操作系统就称为批处理操作系统。批处理操作系统确保作业不断地流入系统，经过处理后又撤离系统，使整批作业能够自动、顺利地进行，节省了人工操作时间，从而加大了系统对作业的吞吐量(也就是计算机一天能够处理作业的数量)，提高了系统的运行效率。

批处理系统中作业从进入到撤离系统的整个流程，大致可以分为4个阶段：

1．提交阶段

用户把自己的作业程序、数据提交给系统操作人员。

2．后备阶段

提交给系统的诸作业被存放在磁盘的某个区域中，这个区域常称作输入井。位于输人井里的作业，都是等待运行的作业，故称为后备作业。

3．运行阶段

从输入井中的后备作业里挑选作业进入内存，并按照用户事先用控制命令设定好的步骤投入运行。运行完毕后，将输出结果存人磁盘的某个区域，这个区域常称作输出井。由操作系统按作业统一加以输出。

4．完成阶段

这批作业撤离系统，操作人员将输出结果交给用户。

批处理操作系统的缺点是：第一，由于在运行过程中用户不能立时与自己的作业进行交互作用，因此即使程序出现一个很小的错误或意外情况，用户都无法立即对其进行修正或排除，利于程序的调试。第二，从整体上讲，批处理方式提高了系统处理作业的吞吐量，但是具体到某一个作业，由于必须等一批作业处理完成后才能得到自己的运行结果。因此从它进入系统到撤离系统，独占方式可能对它更为有利。二、分时操作系统

所谓“分时”，即是把CPU的时间划分成长短相同(或基本相同)的时间区称为“时间片”。通过操作系统的管理，把这些时间片依次轮流地分配给各个用户使用。

如果某个作业在时间片结束之前，整个任务还没有完成，那么该作业就被迫暂停下来，放弃CPU等待下一轮循环再继续做。此时CPU又分配给另一个作业去使用。由于计算机的处理速度很快，只要时间片的间隔取得适当，那么一个用户作业从用完分配给它的一个时间片到获得下一个CPU时间片，中间虽然有所“停顿”，但用户察觉不出来，好象整个系统全由它“独占”似的。向用户提供这样的工作环境、使计算机具有这种特征的操作系统称为“分时操作系统”。分时系统具有4个特点：

(1)多路性用户通过各自的终端，可以同时使用一台计算机。

(2)交互性用户在终端上采用联机工作方式，能随时通过键盘与计算机进行“会话”(这就是所谓的交互作用)，从而及时了解程序的运行情况。这比起批处理方式来会感到方便亲切许多。

(3)独占性在分时系统中，虽然允许多个用户同时使用一台计算机，但用户之间操作独立，互不干涉，感觉不到他人的存在。

(4)及时性用户提出的各种请求，能在较短或可容忍的时间内得到响应和处理。

批处理操作系统设计和要解决的侧重面是如何提高机器的利用率，而分时操作系统着重考虑的则是系统的“响应时间”问题，即用户提出一个请求到他获得对该请求作出回答所需要的时间。影响这个问题的因素有三个：一、是CPU的处理速度；二、是分时系统中终端的数目；三、是时间片设置的长短。三、实时系统(Real-TimeSystem)实时控制

当把计算机用于生产过程的控制，以形成以计算机为中心的控制系统时，系统要求能实时采集现场数据，并对所采集的数据进行及时处理，进而自动地控制相应的执行机构，使某些(个)参数(如温度、压力、方位等)能按预定的规律变化，以保证产品的质量和提高产量。类似地，也可将计算机用于武器的控制，如火炮的自动控制系统、飞机的自动驾驶系统，以及导弹的制导系统等。通常把要求进行实时控制的系统统称为实时控制系统。2．实时信息处理

通常，我们把要求对信息进行实时处理的系统，称为实时信息处理系统。

该系统由一台或多台主机通过通信线路连接成百上千个远程终端，计算机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，并在很短的时间内为用户做出正确的回答。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。 我们把实时控制系统和实时信息处理系统统称为实时系统。所谓“实时”，是表示“及时”、“即时”；而实时系统是指系统能及时(或即时)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。 实时系统的特点：实时性、高可靠性、过载保护、交互能力等。1.4.2微机操作系统

一、单用户操作系统

顾名思义，单用户操作系统一次只能支持一个用户作业的运行，所以它不像大型操作系统那样去追求系统资源的利用率，多半采用资源“独占”的方式，即CPU、内存和外设一次均只为一个用户服务，提供较强的文件管理功能。这种操作系统向使用者提供联机交互式的工作环境，大多数微机上的操作系统均属此列。二、多用户操作系统 系统采用多用户多任务的多道程序设计技术，存储管理上采用虚拟存储管理技术。1.4.3网络操作系统 计算机网络的含义是将地理位置不同、具有独立功能的多个计算机系统通过通信设施互连起来，实现信息交换、资源共享和协同处理。网络操作系统提供最基本的网络操作所需要的核心功能，如网络文件系统、内存管理、进程任务调度等。网络服务应用程序运行在网络操作系统上，为用户提供最基本的网络服务功能，如文件和记录的锁定、查询共享数据库的信息、共享打印机等。网络操作系统和单机操作系统的连接是通过网络通信软件来实现的，各个计算机通过通信软件使用网络硬件与其它计算机建立通信。通信软件还提供所支持的通信协议，以便通过网络发送请求或响应信息。网络操作系统的特点：

1网络通信2网络服务

3网络管理4互操作能力

1.4.4分布式操作系统在网络环境下，大多数计算机仍处在各自独立的处理环境之中，譬如，网络上的一台计算机希望另一台计算机帮助进行处理时，用户必须首先通知对方，将自己的作业环境转移过去，委托它去处理。这就是说，无法对用户隐去资源的实际位置，使用户感到全部资源犹如就在自己的计算机上那样。为了能提