操作系统课件第1章 操作系统概论

操作系统原理及应用

（Linux）（第２版）清华大学出版社操作系统是什么?操作系统课程的地位?学习了该课程能干什么?怎样学好这门课程?目录第1章操作系统概论第2章进程管理第3章处理机调度与死锁 第4章内存管理 第5章文件管理 第6章设备管理 第7章现代操作系统实例第8章操作系统的安全性 第1章操作系统概论

第1章操作系统概论

本章学习目标操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。一台计算机只有安装了操作系统之后才能正常使用，因此操作系统在计算机系统中占据非常重要的地位。通过本章的学习，读者应该掌握以下内容：第1章操作系统概论*掌握操作系统在计算机系统中的地位；掌握操作系统的基本概念;掌握操作系统的功能及其目标；掌握操作系统的分类；掌握操作系统的特征；理解操作系统的结构，掌握层次结构的操作系统结构模型；了解Linux操作系统。

问题：计算机从接收人们的工作请求，到输出完成所需结果或完成特定操作，计算机是如何进行这一系列工作的？启动的过程。为什么要用计算机时，打开电源开关还要等一会儿才能启动完成，然后我们才能用这一台计算机？1.1操作系统的地位计算机系统是分层次的:最低层是未配置任何软件的硬件裸机;硬件裸机之上是软件;软件又分为若干层次:最低层是操作系统。操作系统是覆盖在裸机之上的第一层软件，它直接控制、管理各种硬件资源。所以操作系统是整个计算机系统的控制管理中心。第1章操作系统概论8计算机系统层次结构图应用用户应用软件应用开发人员操作系统开发人员系统工具操作系统裸机1.2操作系统的功能操作系统是计算机系统中具有一定功能的软件系统。操作系统的目标：是方便用户使用计算机系统和提高计算机系统资源利用率。第1章操作系统概论101.2.1提供人机接口1．命令级接口用户可以通过命令级接口向作业发出命令以控制作业的运行，该接口又进一步分为：联机用户接口脱机用户接口。第1章操作系统概论11用户是通过操作系统提供的人机接口来使用计算机的。操作系统为用户提供了三种接口：

命令级接口程序级接口----系统调用图形界面系统调用表01……255Int10H（1）脱机用户接口脱机用户接口是为批处理作业的用户提供的，所以也称为批处理用户接口。操作命令的形式为作业控制语言，用户以脱机批处理方式使用计算机。用户对作业流程的控制意图是利用作业控制语言书写成一份作业说明书来表达的。上机时，用户将作业控制说明书交给系统，系统逐条解释执行说明书中的命令。在这种方式下，用户一旦提交了作业，作业流程就由操作系统根据作业控制说明书自动控制，用户无法干预该作业的运行。因此，必须事先设计好作业流程，还要预测作业运行过程中可能出现的错误，并给出发生错误时的处理方法。第1章操作系统概论13（2）联机用户接口这是为联机用户提供的。当用户在系统提示符（如$符）后输入命令并按下回车键之后，命令解释程序就分析该命令，然后创建一个新进程，由它执行该命令所对应的可执行文件，并返回结果；然后命令解释进程重新发出提示符，接收用户输入的命令。这个程序就是命令解释程序。在不同的操作系统中有不同的称呼，它可以区分为：控制卡解释程序、命令解释程序、控制台命令处理程序、shell，等等。在这一级上提供的很多命令都可直接对文件进行管理，如创建、删除、列表、打印、复制、执行等。第1章操作系统概论142．程序级接口操作系统提供的程序级接口由一组系统功能调用命令以及完成这些命令的程序模块组成。为方便用户编程，提高编程效率，规范编程，操作系统提供了完成某些通用功能的程序，供用户在开发应用程序时调用。不同的操作系统提供了不同的系统功能调用以及调用方式。如DOS的系统功能调用主要是进行硬件驱动，以软中断INT21H的方式提供。第1章操作系统概论15Windows中的系统功能调用要比DOS丰富，用户可在编程语言中使用的应用编程接口函数的方式提供，称为API——ApplicationProgrammingInterface。使用Windows的API函数，可以提高编程效率，并规范Windows环境下的编程。如可开发具有统一风格的应用程序窗口界面，这会使得软件用户能很快熟悉该软件的窗口界面而不必重新学习。第1章操作系统概论163．图形界面以Windows为代表的操作系统为用户提供了图形界面。图形界面为用户提供了方便、直观、灵活、有动感的工作环境。应该指出，除系统调用是操作系统核心部分外，系统程序（shell层）和图形界面工具都不是操作系统核心的组成部分。但它们体现了操作系统的许多特性，以便加便捷的方式展示了操作系统的各种服务功能。第1章操作系统概论171.2.2管理计算机资源计算机系统中的资源包括:

硬件资源;

软件资源;硬件资源有：处理机、存储器、外部设备等；软件资源有：程序和数据。第1章操作系统概论181.处理机管理处理机的任务是运行程序。程序在某个数据对象上的一次运行过程称为进程，处理机管理又称为进程管理。在单处理机系统中，程序有两种运行方式：单道程序顺序执行；多道程序并发执行；第1章操作系统概论19单道程序顺序执行：要执行的多个程序按一定次序依次执行，一个程序运行完毕才能运行下一个程序，即在一个程序运行期间不插入运行其他程序。这种运行方式的优点是实现简单，不需要在多个进程之间进行转换；缺点是资源利用率低。

第1章操作系统概论20多道程序并发执行：在内存中同时存放多道程序，按一定策略调度多道程序交叉运行，形成“微观上串行、宏观上并行”的情况。这使得处理机和设备可以并行工作，当某个进程在进行输入输出操作时，可以同时有另一个进程在处理机上进行计算。

第1章操作系统概论21

本书讨论的是单处理机系统中多道程序并发运行方式下的处理机管理问题。具体包括如下：（1）处理机调度（2）进程控制（3）进程通信（4）进程同步处理机调度

要在单处理机系统中并发运行多道程序，必须按照一定策略对处理机进行调度，就像在一条铁路上运行多列火车一样，需要进行调度，要决定在某个时刻把处理机分配给哪个进程进行计算操作，这是处理机管理的核心任务。

进程控制

进程是程序的一次动态运行过程，在其生存期内从产生到消亡经过了一系列状态的转换。在多道程序并发运行的系统中，通常不会让一道程序独占计算机全部资源不间断地运行，而是让多个进程交替运行。进程的状态数量是操作系统按照一定的管理策略设置的，进程状态转换是操作系统实施进程管理的一个基本操作。进程通信

在多道程序环境下，可以由系统为一个应用程序建立多个进程，这些进程相互合作，完成某一共同任务，它们之间要交换信息——进程通信。为保证进程之间正确通信，操作系统提供了一系列通信原语供应用进程调用。进程同步

在多道程序系统中，多个并发进程处在同一运行环境中，必然存在某种联系，如进程之间的资源共享和进程之间的协作。操作系统必须采用一定策略来处理并发进程之间的制约关系，使各进程能顺利运行，即使各进程同步协调运行。操作系统中设置了同步机制来完成此功能。2.存储管理在多道程序环境中，要在内存中同时存放多道程序，必须对内存进行合理管理以保证程序的顺利运行，并提高内存的利用率。操作系统提供了如下存储管理功能:

（1）内存分配（2）地址转换（3）内存保护（4）内存扩充第1章操作系统概论27内存分配内存分配的任务是为每道程序分配一定的存储空间。往往会出现多道程序对内存的需求总和超过实际内存空间，因此，制定分配策略时应以提高内存利用率为目标。第1章操作系统概论28地址转换将程序装入内存之前，无法确定程序在内存中的实际存放位置，因此必须建立一个虚拟内存地址空间，将整个程序放在这个虚拟内存地址空间中。每个数据和指令都有一个惟一确定的虚拟内存地址，这个地址空间又称为逻辑地址空间，相对地，称实际内存地址空间为物理地址空间。必须把指令中的逻辑地址转换成相应的物理地址，这一操作称为地址转换，又称为重定位。第1章操作系统概论29内存保护内存保护的任务是确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互不干扰，即不允许用户程序访问操作系统的程序和数据（只能通过系统调用访问操作系统），也不允许访问（存取）其他程序的存储空间。

内存保护不排斥对程序代码和数据的共享，此时把共享的代码和数据作为主调进程的一个组成部分，同一程序代码和数据共享的进程所占用的内存空间有部分重叠。第1章操作系统概论30内存扩充在多道程序环境中，内存资源比较紧张，往往会出现多道程序对内存的需求总和超过实际内存容量的情况。因此应采用内存扩充技术为多道程序运行提供充足的内存空间。

这里说的内存扩充是从逻辑角度而言的，不是指添加物理内存，扩充物理内存容量。

第1章操作系统概论313.设备管理设备管理的任务是：接受用户程序提出的I/O请求，为用户程序分配I/O设备；使CPU和I/O设备并行操作，提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户程序使用I/O设备。第1章操作系统概论323.设备管理为完成以上任务，操作系统的设备管理子系统应该具有如下功能：（1）设备分配（2）缓冲管理（3）设备驱动（4）设备无关性等功能。

第1章操作系统概论33设备分配根据用户程序的I/O请求，为之分配所需的设备。

第1章操作系统概论34缓冲管理缓冲管理的任务是解决CPU和外设速度不匹配的矛盾，使它们能充分并行工作，从而提高CPU和I/O设备的利用率，最终达到提高系统吞吐量的目的。设备驱动设备驱动程序实现CPU与设备控制器之间的通信。第1章操作系统概论35设备无关性设备无关性又称设备独立性，即用户编写的应用程序与实际使用的物理设备无关。用户编写的应用程序中不直接指定使用哪台具体的物理设备，而是使用操作系统提供的逻辑设备，然后由操作系统把用户程序中使用的逻辑设备映射到具体的物理设备，实施具体的I/O操作。4.文件管理计算机系统中的软件资源（程序和数据的集合）要反复利用、要永久保存起来，形成文件。如银行中的存贷款数据、学校的学籍管理软件和学籍数据等等。软件资源以文件的形式存放在外部存储介质中，供用户反复使用。操作系统中对文件进行管理的子系统称为文件系统，文件系统的任务是为用户提供一种简便、统一的存取和管理文件的方法，对用户而言，按名存取是一种简便的存取文件的手段。第1章操作系统概论36文件管理具体有如下功能：（1）文件存储空间的管理（2）目录管理（3）文件操作（4）文件的存取权限控制第1章操作系统概论37文件管理的功能为新文件分配所需的外存存储空间，回收释放的文件存储空间。进行文件存储空间的分配和回收时，要考虑到提高外存空间的利用率和提高文件的存取速度。第1章操作系统概论38文件存储空间的管理为外存中存放的文件建立目录，每个文件对应一个目录项。目录项包含文件名、文件属性、文件在外存中的存放位置等用户和操作系统所需信息。目录管理的主要任务是建立外存中文件的目录结构，实现用户程序对文件的“按名存取”。文件目录项要按一定结构组织起来，以便于操作系统检索。在UNIX/Linux中采用了树型目录结构。第1章操作系统概论39目录管理

文件操作包括文件的创建、删除、打开、关闭、读、写等，其实是一组文件系统功能调用，在用户程序中对文件进行操作时，可以调用文件系统提供的这些文件操作功能。第1章操作系统概论40文件操作5、作业管理多用户系统中，为了防止系统中的文件被非法窃取和破坏，操作系统提供了文件的存取权限控制功能，以防止未被授权的用户存取文件，或以不正确的方式存取文件。当用户对某一文件操作时，首先检查其对该文件的操作权限，如果具有对该文件的此种操作权限，则允许该用户存取该文件，否则拒绝对该文件的此种操作。第1章操作系统概论42文件的存取权限控制根据以上所述操作系统的功能，我们可以给操作系统下一个描述性的定义：操作系统是一个软件系统，它控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，提供用户与计算机系统之间的接口。第1章操作系统概论43操作系统的定义1.3操作系统的发展过程1.3.1推动操作系统发展的主要动力

1.不断提高计算机资源利用率的需要

2.方便用户

3.硬件的不断更新换代

4.计算机体系结构的不断发展第1章操作系统概论441.3.2无操作系统的计算机系统第一代：1946年～1958年 电子管第二代：1958年～1964年 晶体管第三代：1964年～1974年 小规模集成电路第四代：1974年至今 大规模集成电路现在计算机正向巨型化、微型化、网络化、智能化方向发展。在第一代计算机时期，构成计算机的主要元器件是电子管，其运算速度较慢（只有几千次每/秒）。此时，人们采用手工方式使用计算机，计算机工作效率很低，无操作系统。当计算机进入第二代——晶体管时代后，计算机的速度有了很大提高，这使得人机矛盾显得很突出，严重制约了计算机的工作效率。为了解决计算机工作效率低下矛盾，就要设法减少手工操作时间，因此人们研制出了实现作业自动过渡的批处理系统。第1章操作系统概论451.4操作系统的类型批处理是指用户将一批作业提交给操作系统后就不再干预，由操作系统控制它们自动运行。这种采用批量处理作业技术的操作系统称为批处理操作系统。批处理操作系统分为单道批处理系统和多道批处理系统。该系统不具有交互性，它是为了提高CPU的利用率而提出的一种操作系统。第1章操作系统概论461．单道批处理系统单道批处理系统具有以下特征：（1）自动性。外存上的一批作业自动逐个运行，无需人工干预。（2）顺序性。外存上的程序是按先后顺序装入和运行的。（3）单道性。内存中仅能容纳一道作业的程序和数据。1.4.1批处理系统2．多道批处理系统多道程序并发执行系统的特征：（1）多道性。（2）调度性。（3）宏观上并行，微观上串行。（4）异步性。3．多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的主要优缺点如下：（1）资源利用率高。（2）系统吞吐量大。（3）无交互功能。（4）平均周转时间长。1.4.2分时系统第1章操作系统概论49

一台主机可以连接若干终端，每个用户可以通过终端与主机交互。……终端1终端2终端n图1-2分时系统主机集线器分时系统采用的策略是：基于主机的高速运行，分时为终端用户服务。即主机按一定次序轮流为各终端用户服务，每个用户一次仅使用主机很短的一段时间（称为时间片，毫秒级），在分得的时间片内若用户没有完成工作则暂时中断，将处理机分配给下一个用户。在分时系统中，虽然若干用户通过各自的终端共享一台主机，但是在操作系统的管理下，每个用户都感觉自己在独占一台主机。分时系统具有以下特征：（1）多个用户同时联机操作（2）各用户独立（3）交互性第1章操作系统概论51（1）多个用户同时联机操作。同一台主机同时连接多个终端，各用户独占一个终端，通过终端使用主机。（2）各用户独立。在宏观上，多个用户通过各自的终端同时使用一台主机，即一台主机同时为若干用户服务，而各用户之间互不干涉。（3）交互性。各用户通过终端联机以交互方式使用主机。交互式与批处理相对，交互式使用计算机是指用户可以随意干预、控制作业的运行流程，这需要操作系统提供一组人机交互命令。1.4.3实时系统1.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。类似地，也可将计算机用于武器的控制，如火炮自动控制系统、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称为实时控制系统。第1章操作系统概论532.实时信息处理把实时控制系统和实时信息处理系统称为实时系统。所谓实时，是指计算机能及时响应外来事件，并快速地处理该事件，在被控对象允许的时间范围内作出快速反应。实时系统对响应时间的要求比分时系统高。典型的实时信息处理系统有：飞机订票系统、情报检索实时系统的特征：（1）及时性（2）可靠性第1章操作系统概论541.4.4微机操作系统1.单用户单任务操作系统

单用户单任务是指，只允许一个用户上机，用户要运行的多个程序要按一定次序依次执行，不能交替执行。这是最简单的微机操作系统，代表性产品是：CP/M和MS-DOS。第1章操作系统概论552.单用户多任务操作系统单用户多任务是指，只允许一个用户上机，但是可以并发执行多道程序，从而充分利用系统资源，满足用户同时执行多个任务的需求，如一边打字一边听音乐。代表性产品是OS/2和Windows。第1章操作系统概论563.多用户多任务操作系统现在的微机与小型机的差距已经很小，只要在微机上配置多用户操作系统就可以使微机同时为多个用户服务。具有代表性的产品是UNIX、LINUX。第1章操作系统概论571.4.5网络操作系统计算机网络要有一个网络操作系统对整个网络实施管理，并为用户提供统一的、方便的网络接口。网络操作系统一般建立在各个主机的本地操作系统基础之上，其功能是：实现网络通信、资源共享和保护，提供网络服务和网络接口。信息共享第1章操作系统概论591.4.6分布式操作系统分布式软件系统(DistributedSoftwareSystems)，是支持分布式处理的软件系统,是在由通信网络互联的多处理机体系结构上执行任务的系统。它包括分布式操作系统、分布式程序设计语言及其编译(解释)系统、分布式文件系统和分布式数据库系统等。

第1章操作系统概论601.4.7嵌入式操作系统凡是将计算机的主机嵌埋在应用系统或设备之中，不为用户所知的计算机应用方式，都是嵌入式应用。在嵌入式系统运行的操作系统几乎都是实时操作系统。第1章操作系统概论611.5操作系统的特征并发性共享性异步性虚拟性其中，并发性是操作系统的最基本的特征。第1章操作系统概论621．并发

在单处理机系统中，并发性是指宏观上有多道程序同时运行，但在微观上是交替执行的。2．共享共享是指计算机系统中的资源被多个任务共同使用。并发和共享是紧密相关的。3．异步在多道程序系统中，多进程并发执行，但在微观上，进程是交替执行的，因此进程以“走走停停”的不连续方式运行。

4．虚拟虚拟指的是通过某种技术把一个物理实体映射为多个逻辑实体，用户程序使用逻辑实体。逻辑实体是用户感觉上有而实际不存在的事物.1.6操作系统的体系结构

一般而言，操作系统有两种结构：

层次结构微内核结构。1.6.1层次结构层次结构操作系统的设计思想是：按照操作系统各模块的功能和相互依存关系，把系统中的模块分为