周国运《操作系统》讲义第1章第1部分

计算机操作系统讲义Email:zhougy@mail.nyist.net网页：6/~zhougy/2005年9月周国运Ch1操作系统概论1.1操作系统概观1.2操作系统的形成和发展1.3操作系统提供的服务和用户接口1.4操作系统的结构1.5流行操作系统简介1.1操作系统概观1.1.1操作系统的定义和目标1.1.2操作系统的作用和功能1.1.3操作系统的主要特性1.1.1操作系统的定义和目标

1、操作系统的定义操作系统是管理系统资源（软硬件资源）、控制程序执行，改善人机界面，提供各种服务，合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件。操作系统可以看作是用户和计算机硬件之间的一种接口，是现代计算机系统不可分割的重要组成部分。

2、操作系统的主要目标方便用户使用扩大机器功能管理系统资源提高系统效率构筑开放环境，含义为：

遵循有关国际标准（通信、用户接口、线程库等）、支持体系结构伸缩扩展、应用程序可移植互操作3、计算机系统的层次结构(1)

用户1用户2用户3用户4用户n财务系统航空订票上网浏览电子商务科学计算（应用程序）编译程序汇编程序编辑程序数据库（系统程序）操作系统计算机硬件………3、计算机系统的层次结构(2)

硬件层：提供基本的可计算性资源操作系统层：对硬件作扩充和改造，提供了操作系统接口；资源的调度和分配，信息的存取和保护，并发活动的协调和控制等许多工作系统程序层：提供扩展指令集；提供种类繁多的实用程序应用层：解决用户不同的应用问题操作系统和硬件组成了一个运行平台，其他软件都运行在这个平台上。

1.1.2操作系统的作用与功能

一、操作系统的作用（有三）1、

OS作为用户与计算机硬件之间的接口改造硬件设施，使之更易使用；提供系统调用，扩展机器功能；组织工作流程

，提供运行环境

2、OS作为虚拟计算机：在计算机裸机上加上一层又一层OS软件所组成的计算机系统，叫做虚拟计算机（VirtualMachine）。

虚拟机功能强、可靠、效率高、使用方便

3、OS作为计算机系统的资源管理者：硬件资源和信息资源二、操作系统的功能处理机管理存储管理设备管理文件管理网络与通信管理用户接口1、处理机管理•处理中断事件•处理器调度进程控制和管理进程同步和互斥进程通信进程死锁线程控制和管理处理器调度：高级调度（作业调度）、中级调度、低级调度

2、存储管理

存储管理具有四大功能：

存储分配

存储共享

地址转换与存储保护

存储扩充3、设备管理

设备管理具有以下功能：

设备分配缓冲区管理

设备驱动

设备独立性

实现虚拟设备4、文件管理

文件管理要完成以下任务：

提供文件逻辑组织方法

提供文件物理组织方法

提供文件的存取方法

提供文件的使用方法

实现文件的目录管理

实现文件的存取控制

实现文件的存储空间管理5、网络与通信管理

联网操作系统应具有以下管理功能：网上资源管理功能数据通信管理功能网络管理功能，包括:故障管理、安全管理、性能管理、记帐管理和配置管理。1.1.3操作系统的主要特性（特征）

第一个特性--并发性第二个特性--共享性第三个特性--异步性（不确定性、随机性）第四个特性--虚拟性1、第一个特性--并发性(1)并发性（Concurrence）：指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生并发性的优点：发挥并发性能够消除系统中部件和部件之间的相互等待，有效地改善系统资源的利用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率并发性例子：内存中同时有多个用户程序，或内存中同时有操作系统程序和用户程序被启动交替、穿插地执行，等都是并发性的例子。1、第一个特性--并发性(2)

并发性引发的问题

如何从一个活动切换到另一个活动？怎样将各个活动隔离开来，使之互不干扰，免遭对方破坏？怎样让多个活动协作完成任务？怎样协调多个活动对资源的竞争？如何保证每个活动的资源不被其它进程侵犯?多个活动共享文件数据时，如何保证数据的一致性？引入“进程”概念实现并发性

（进程是程序是并发系统内的一次执行）进程能清晰刻划操作系统中的并发性，实现并发活动的执行，因而，它已成为现代操作系统的一个重要基础。1、第一个特性--并发性(3)采用并发技术的系统称为多任务系统(Multitasking)并发的实质是一个物理CPU(也可以多个物理CPU)在若干道程序之间多路复用，并发性是对有限物理资源强制行使多用户共享以提高效率。

实现并发技术的关键之一是如何对系统内的多个活动(进程)进行切换。1、第一个特性--并发性(4)

并行性与并发性的区别和关系并行性概念并行性（parallelism）指两个或两个以上事件或活动在同一时刻发生在多道程序环境下，并行性使多个程序同一时刻可在不同CPU上同时执行。二者的区别和关系并行的事件或活动一定是并发的，但反之并发的事件或活动未必是并行的。并行性是并发性的特例，而并发性是并行性的扩展。2、第二个特性--共享性(1)

共享指操作系统中的资源可被多个并发执行的进程所使用，可分成两种资源共享方式：互斥访问:

系统中的某些资源同一时间内只允许一个进程访问，许多物理设备、以及某些数据和表格都是互斥共享的资源。2、第二个特性--共享性(2)

同时访问：

系统中还有许多资源，允许同一时间内多个进程对它进行访问，这里“同时”是宏观上的说法。典型的可供多进程同时访问的资源是磁盘，可重入程序也可被同时访问。与共享性有关的问题是资源分配、信息保护、存取控制等，必须要妥善解决好这些问题。3、第三个特性--异步性(1)异步性即不确定性、随机性操作系统中的异步性处处可见：一个进程在CPU上运行一段时间后，由于等待资源满足或事件发生，被暂停执行，CPU转让给另一个进程执行。系统中的进程何时执行？何时暂停？怎样的速度向前推进？进程总共要多少时间执行才能完成？这些都是不可予知的，或者说该进程是以异步方式运行的。3、第三个特性--异步性(2)

操作系统中异步性的其他例子：(1)作业到达系统的类型和时间是随机的；(2)操作员发出命令或按按钮的时刻是随机的；(3)程序运行发生错误或异常的时刻是随机的；(4)各种各样硬件和软件中断事件发生的时刻是随机的

。4、第四个特性--虚拟性(1)

虚拟性：是指操作系统中的一种管理技术，它是把物理上的一个实体变成逻辑上的多个对应物，或把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术，显然，前者是实际存在的而后者是虚构假想的。4、第四个特性--虚拟性(2)

虚拟性例子：通过多道程序和分时使用CPU技术，物理上的一个CPU变成逻辑上的多个CPU

通过Spooling(P428)技术可把物理上的一台独占设备变成逻辑上的多台虚拟设备通过窗口技术可把物理上的一个屏幕变成逻辑上的多个虚拟屏幕

IBM的VM技术把物理上的一台计算机变成逻辑上的多台计算机虚拟存储器则是把物理上的多个存储器(主存和辅存)变成逻辑上的一个虚存3、OS是计算机系统的

资源管理者