计算机操作系统-引论

系统

★内容概要

操作系统是计算机专业的重要专业基础

课。本课程重点讲述操作系统对计算机资

源（处理器、主存储器、输入输出设备、文

件）进行管理的基本原理、基本技术和实现

方法，引入现代操作系统的一些新概念、

新技术和新发展，并对主流操作系统

Windows,UNIX和Linux等实例作简"单介绍。

★先修课程

，计算机原理、程序设计、数据结构

课程要求

★课前请做好预习

★保持课堂安静，头脑清醒，思维活跃

★认真、独立、按时完成并提交作业

★重视上机实践，有效利用宝贵的上机时间

什么是操作系统

♦操作系统的虚拟机观点

♦操作系统的资源管理观点

♦操作系统的用户服务观点

操作系统的虚拟机观点

OS的虚拟机观点

这种观点认为，操作系统是添加在硬件上的第

一层软件，是对硬件功能的首次扩充和直接延伸，

又是其他系统软件和应用软件运行的基础。

裸机的组成

裸机是未配置任何软件的裸露的硬件机器，它

又可分为物理器件、微程序与机器语言三个层次。

虚拟机

人们不断在裸机上添加软件，延伸裸机功能，

构造基于裸机，但又比裸机更易于用户理解和编程

的计算机系统，称为虚拟机(virtualmachine)o

操作系统的资源管理观点

•OS的资源管理者观点

这种观点认为，操作系统是管理计算机系统资源的

软件，它负责控制和管理计算机系统中的全部资源，确保

这些资源能被高效合理的使用，确保系统能婚有条不紊的

运彳亍。

•五大资源管理

从资源管理观点出发，把整个操作系统分为处理机管

理、存储器管理、设备管理、文件管理和用户接口五大部

分。处理机管理负责CPU的运行和分配；存储器管理负责

主存储器的分配、回收、保护与扩充；设备管理负责输入

输出设备的分配、回收与控制；文件管理负责文件存储空

间和文件信息的管理；用户接口是对作业进行管理。

操作系统的用户服务观点

•OS的用户服务观点

这种观点认为，操作系统是一个为用户服务

的大型程序。从用户角度看，当计算机配置了操

作系统之后，用户就不再直接使用计算机硬件，

而是利用操作系统所提供的命令和服务去使用计

算机。

•操作系统定义

操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资

源，合理组织计算机工作流程以及方便用户的程

序-台*Q

第一章操作系统引论

§1.1操作系统的目标、作用和模型

§1.2操作系统的发展过程

§1.3操作系统的基本特性

§1.4操作系统的主要功能

§1.5操作系统的结构设计

1.1操作系统的目标和作用

★操作系统是我们使用计算机的一种手

段或接口，拉近了人与计算机之间的

距离，清除了对“CT、“1”的陌生感；

★通过这个接口，我们可以操纵计算机,

但实际上都是由OS指挥各个软硬件协

调工作，即管理和控制；

★它是一个系统软件的集合。

1.1.1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：

❖1.方便性

❖2.有效性

❖3.可扩充性

♦4.开放性

1.1.2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。应注意，OS是一个

系统软件，因而这种接口是软件接口。

1.1.2操作系统的作用

★os作为计算机系统资源的管理者

在一个计算机系统中，通常都含有各种各

样的硬件和软件资源。归纳起来可将资源分

为02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

是针对这类资源进行有效的管理，即：处

理机管理，用于分配和控制处理机；存储器

管理，主要负责内存的分配与回收；I/O设备

管理，负责I/O设备的分配与操纵；文件管理,

负责文件的存取、共享和保护。

1.1.2操作系统的作用

★os用作扩充机器

对于一台完全无软件的计算机系统（即裸机），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隼命

令，来进行文件的存隼。此时，用户所看到的是台功

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，形成一台功能更强的虚机器。

1.1.3操作系统的层次模型

★对象

。处理机、存储器、设备、文件等

★对对象操纵和管理的软件集合

类对象管理软件

★用户接口

。命令接口、程序接口、图形用户接口

1.2操作系统的发展过程

1、人工操作阶段

*含义

在50年代以前的第一代计算机中是没有配置操作系统的，

计算机只是由控制台控制的一个庞大的物理机器。

•人们使用计算机的过程

人们使用计算机的过程可大致描述为：

1）由程序员将其编好的程序从纸带或卡片机上装入内存。

2）再通过控制台上的按钮或开关启动程序执行。

3）当程序运行完毕时，隼下纸带和运算结果，开始下一个

用户程序。

依次重复上述过程。

•存在的主要问题

(1)资源独占当一个用户开始操作后，计算机

中的全部资源都归该用户所有，直到程序运行结

束或出现错误时才会把资源转让给下一个用户。

(2)串行工作人的手工操作与计算机的运行以

及CPU与I/O设备之间都是按串行方式工作的。

(3)人工干预计算机是在人的直接联机干预下

进行工作的。

人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率。

2、单道批处理阶段

一批程序逐个自动被装入主存运行，并且在运

行时程序员不能手工干预，它又可分为早期批量

处理和脱机批量处理两个阶段。

•早期批量处理方式

1)把若干个用户作业集中起来组成一批作业。

2)在内存中放置一个监督程序，由监督程序来

负责实现对这批作业的处理和从一个作业过渡到

另外一个作业的自动转换。

•缺点

虽然这种处理方式提高了系统的处理能力，但

作业的输入输出和CPU的计算仍然是串行的，大大

降低了程序的执行速度。

•脱机批量处理系统结构

它在早期批量处理的基础上增加了一台功能较

差的处理机。原来的那台处理机称为主处理机(jwr

称主机)，它专门负责计算工作，不直接与输入输

出设备打交道。新增加的这台处理机称为卫星机，

专门负责用户意见，作业信息和结果信息的输入输

出工作。

•缺点

(1)虽然批处理方式提高了系统的处理能力，

但却带来了必须解决的保护问题。

(2)更为严重的是它无法防止用户程序破坏监督

程序的问题，潜伏着搞乱系统的危险。

3、多道程序系统阶段

•多道程序的目的和思想

为解决执行系统所存在的问题，提高

CPU的利用率，又引入了多道程序技术。多

道程序技术的主要思想是在内存中同时放

入若干道用户作业或者说若干道用户程序

,并允许他们交替执行，共享系统中的各

种硬、软件资源。

•多道程序的优点

多道程序系统不仅使CPU得到了充分利用，

同时还改善了I/O设备和内存的利用率。

•要解决的问题

虽然多道程序系统有效地提高了系统资源利用率，但实

现多道程序则需要妥善解决下述一系列问题:

(1)内存的分配和保护。应为每道程序分配自己的内存

空间，使它们既不因相互重叠而丢失信息，又不因某道程序

出现异常而破坏其它程序。

(2)处理机的管理和分配。多道程序引起各道程序对中

央处理机的争夺，系统要协调它们之间的关系，既能使那些

紧急的程序优先获得处理机，又能使各道程序都有得到处理

机的机会。

(3)I/O设备的管理和分配。多道程序必将引起各道程

序对I/O设备的争夺。系统应该能婚进行协调，并能为各道程

序分配相应的I/O设备。

(4)文件存储空间的组织和管理。为提高文件存储空间

的利用率，加速对信息的检索速度，系统应对它们进行组织

和管理。同时，为方便用户使用文件，系统还应该提供存储

和检索文件信息的手段。

操作系统的类型

操作系统的主要类型有：批处理

操作系统、分时操作系统、实时操

作系统、网络操作系统和分布式操

作系统。其中批处理操作系统、分

时操作系统、实时操作系统是基本

的操作系统。

一、多道批处理OS

把用户要求计算机系统进行处理的一个计

算问题称为一个“作业”。用户为作业准备

好程序和数据后，再写一份控制作业执行的

说明书。然后将之一起交给操作员。操作员

将收到的一批作业的有关信息输入到计算机

系统中等待处理,由操作系统选择作业并按

其作业说明书的要求自动控制作业的执行。

采用这种批量化处理作业的操作系统称为

“批处理操作系统”o

一、多道批处理OS

★类型：单道批处理系统和多道批处理系统。

★特征：多道性，无序性，调度性

★优点：系统吞吐量大，资源利用率高，自

动调度，提高CPU利用率

★缺点：无交互性，作业调度周转时间长

二、分时OS

★允许多个终端用户同时与计算机系统进行一

系列交互，并使得每个用户感到好象自己有

一台独立的支持自己请求服务的计算机系统，

具有这种功能的操作系统称“分时操作系

统”，茴称“分时系统”o

★在分时系统中，为了使一个计算机系统能同

时为多个终端用户服务，系统采用了分时技

术。该技术把CPU时间划分成许多时间片，每

个终端用户依次轮流使用时间片。

二、分时OS

★特征：

多路性，交互性，独占性，及时性

★优点:

共享资源，响应及时，CPU利用率

在批处理系统中，主要考虑如何提高

机器的利用率；而在分时系统中，必须

注意响应时间。

三、实时OS

★能使计算机系统接到外部信号后及时进行处

理，并在严格的规定时间内处理结束，再给

出反馈信号的操作系统称为实时操作系统，

茴称实时系统。

★类型：实时控制系统

实时信息处理系统

★特征：专用系统,任务目定高可靠性,

实时系统、批处理系统、分时系统的区别

(1)专用系统：许多实时系统是专用系统，而批处理与分时

系统通常是通用系统。

(2)交互能力：实时系统是较少有人为干预的监督和控制系

统，因此交互能力较弱；而分时系统交互能力强。

(3)及时响应：实时系统的及时响应要求响应时间是强制性

的严格规定的，仅当在限定时间内响应、处理笄返回一个

正确结果时，才能认为系统的功能是正确的。而分时操作

系统的及时响应只要保证用户满意就行，即使超过一些时

间也只影响到用户的满意程度，并不影响用户程序的计算

结果的正确性。

(4)可靠性和资源利用率：实时系统对可靠性和安全性要求

极高，不强求系统资源的利用率；批处理系统侧重于资源

的使用效率。

络操作系统

为计算机网络配置的操作系统称为网络操

作系统。网络操作系统把计算机网络中的

各台计算机有机地联合起来，实现各台计

算机之间的通信及网络中各种资源的共享o

用户可以借助通信系统使用网络中其它计

算机的资源、实现相互间的信息交换，从

而大大扩展了计算机的应用范围。

功能：网络通信资源管理提供多

种网络服务提供网络接口

五、分布式OS

★为分布式计算机系统配置的操作系统称为

分布式操作系统。分布式系统是以计算机网

络为基础的，它的基本特征是处理上的分布,

即功能和任务的分布。分布式操作系统的所

有系统任务可在系统中任何处理机上运行，

自动实现全系统范围内的任务分配并自动调

度各处理机的工作负载。

★功能：资源管理任务分配分布式进程同

步和通信管理程序浮动

1.3操作系统的基本特性

一、并发性

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，并发性是指在一段时间

内，宏观上有多个程序在同时运行，但

在单处理机系统中，每一时刻却仅能有

一道程序执行，故微观上这些程序只能

是分时地交替执行。

操作系统的基本特性

倘若在计算机系统中有多个处理

机，则这些可以并发执行的程序便

可被分配到多个处理机上，实现并

行执行，即利用每个处理机来处理

一个可并发执行的程序，这样，多

个程序便可同时执行。

操作系统的基本特性

二、共享性

在操作系统环境下，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（线程）共同使用。由于资源属

性的不同，进程对资源共享的方式也

不同，目前主要有以下两种资源共享

方式。

分为：互斥共享同时访问

操作系统的基本特性

三、虚拟

操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一

个物理实体变为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。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、虚拟外部设备

和虚拟信道等。

操作系统的基本特性

四、异步性

在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但只

有进程在获得所需的资源后方能执行。在单处理机环境下,

由于系统中只有一个处理机，因而每次只允许一个进程执

行，其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源

要求时，如打印请求，而此时打印机正在为其它某进程打

印，由于打印机属于临界资源，因此正在执行的进程必须

等待，且放弃处理机，直到打印机空闲，并再次把处理机

分配给该进程时，该进程方能继续执行。可见，由于资源

等因素的限制，使进程的执行通常都不是“一气呵成”，

而是以“停停走走”的方式运行。

1.4操作系统的主要功能

一、处理器管理

★主要任务是对处理机的分配和运行实施有效

管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运

行又都是以进程为单位的，如某进程因某事件

而无法继续执行时，应引起对处理机的重新分

酉己，因此，对处理机的管理可归结为对进程的

管理。

★主要功能：进程控制进程同步

进程通信进程调度

操作系统的功能

二、存储器管理

★主要任务是为多道程序的并发运行提供良

好的环境；便于用户使用存储器；提高存储

器的利用率；为尽量多的用户提供足够大的

存储空间。

★主要功能：内存分配内存保护

地址映射内存扩充

操作系统的功能

三、设备管理

★主要任务是：为用户程序分配I/O设备；完

成用户程序请求的I/O操作；提高CPU和I/O

设备的利用率；改善人机界面。

★主要功能：缓冲管理设备分配

设备处理虚拟设备

操作系统的功能

四、文件系统管理

★在现代操作系统中，总是把大量信息以文件

形式存放在外存中，以供所有的或指定的用户

使用。系统也允许用户把处理结果保存在系统

中，供以后使用。这样，操作系统中又必须配

置文件系统，作为信息管理机构。

★主要功能：文件存储空间管理目录管理

文件的存月又文件共享

文件保护

操作系统的功能

五、用户接口

。命令接口

。不呈后^接口

。图形接口

1.5操作系统的结构

1整体式系统（无结构os）

西碗荡等凝戋义

结束后，由核心态切换为用户态，控制返回到

用户程序。

2.模块化结构

§基于“分解”和“模块化”原则来

控制大型软件，将os按其功能划分

为若干个具有一定独立性和大小的

模块。每个模块具有某方面的管理

功能,

3.分层式系统结构

层次式系统是按照操作系统中模块

的功能和相互依存关系把它们划分

为若干个层次，除最底层模块外，

任一层模块都只能调用它的下层模

块来得到服务，而不能调用其上层

模块。

应用程序应用程序用户态

系统服务核心态

I

文件系统

I

内存和I/O设备管理

I/

处理器管文

硬件

现代操作系统的结构

c/s工作方式

(1)当客户进程需要请求某个服务时，有

客户进程向所需的服务器进程发送一个请求。

(2)运行在核心态的操作系统内核会把客

户进程的这一请求传递给相应的服务器进程。

(3)服务器进程接到请求后进行工作，工

作完成后再把结果经内核返回给客户进程。

现代操作系统的结构

主要优点

客户/服务器系统的主要优点有以下两

个方面:

(1)提高了系统的可靠性。由于每个服

务器都以独立的用户态进程方式运行，

因此，当单个服务器出现故障(或重新

启动)时，不会引起操作系统其它部分

的崩溃O

(2)适合于分布式系统中的应用。

现代操作系统的结构

§微内核结构：

★微内核技术是指精心设计的、能实现现代OS核

心功能的小型内核、它与一般的OS不同，它更

小更精炼，不仅运行在核心态，而且开机后常

驻内存，它不会因内存紧张而被换出内存。

★把进程管理、存储器管理、进程通信和基本调

度等本质功能放入微内核，其它的OS功能由运

行在用户态的进程提供。

★分别开发，独立性增强，灵活性提高，简化了

OS的实现，适合于分布式应用环境。

现代操作系统的结构

★线程机制：

O一个进程细分为几个线程，将线程作为基本的

调度单位。

。便于开发，线程间地址空间相同，减小开销。

★对称多处理器(SMP)机制：

。两个以上的处理器执行同样的功能，共享资源。

。提高性能，提高