计算机操作系统概述

第1章计算机操作系统概述

■1」存储程序式计算机

■1.2操作系统的发展历史

■1.3操作系统的基本概念

■1.4操作系统的逻辑模型

■L5微机操作系统

本章学习目标

■操作系统的作用

■操作系统的发展

■操作系统的特征与功能

■多道程序设计的概念

■操作系统的模型

1.1存储程序式计算机

■LL1存储程序式计算机的结构与特点

■LL2作为扩展计算机功能的操作系统

■LL3作为资源管理的操作系统

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1.1.1存储程序式计算机的结构与特点

■存储程序式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。如图所示。

输入器

存数据

储运算器

器程序和数据

数据★

控制信号输出器

指令

控制器

图1.1存储程序计算机的组成

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1.1.2作为扩展计算机功能的操作系统

■一台完全无软件的计算机系统称为裸机，即便其

性能再强，相对于用户来讲，如果要面对计算机

的指令集、存储组织、I/O总线结构的编程则是十

分困难的。对于一般程序员也并不想涉足硬件编

程的种种具体细节，而希望针对数据结构抽象地

使用硬件。如果我们在裸机上覆盖一层i/o设备管

理软件，用户便可以利用这层I/O设备管理软件提

供给用户的接口来进行数据的输入和输出，那么

用户此时看到的计算机是一台功能强大、使用方

便的计算机，但实际上，计算机的硬件丝毫没有

变化，这样的计算机称为软件扩充的机器，或称

软件虚拟机。

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1.1.3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

观点或是自内向外的观点。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、时钟、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。

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1.2操作系统的发展历史

■1.2」无操作系统的计算机

■122单道批处理系统与多道批处理系统及

执行系统

■123分时系统

■124实时系统

■125网络操作系统与分布式操作系统

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1.2.1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。

m户-------------------------

＞纸带、卡片---------/----------------计算机

图1.2手工操作计算机

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1.2.2单道批处理系统与多道批处理系统及

执行系统

■所谓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。

■首先出现的是联机批处理系统。如图1.3所示。

■脱机批处理系统控制作业的输入/输出过程是：利

用一台或几台微机或主机的卫星机，让它们从输

入机上读取用户程序，并输出到磁带上；主机空

闲时从输入磁带机上取作业运行，并把结果输出

到高速输出磁带机上；当微机或卫星机空闲时，

再控制向慢速外设上输出。

图1.3联机处理系统

■批处理系统虽然实现了作业的自动选择、作业的

缓输入与缓输出，但也有很多缺点。例如，为了

实现主机与外设的并行操作，引入了卫星机或微

机专门负责I/O操作；当主机与高速外存通讯时，

其过程仍由主机控制。

■所谓中断是指当主机接到外界硬件发来的中断信

号时，停止原来的工作，转去处理中断的事件。

在处理中断完成以后，主机又回到原来的工作点

继续工作。这样可以使用户程序的I/O申请完成后

,主机能自动在原中断点之后继续运行，同时为

多道程序并发执行打下了基础。

图1.4脱机批处理系统

■批处理系统虽然实现了作业的自动选择、作业的

缓输入与缓输出，但也有很多缺点。例如，为了

实现主机与外设的并行操作，引入了卫星机或微

机专门负责I/O操作；当主机与高速外存通讯时，

其过程仍由主机控制。

■所谓中断是指当主机接到外界硬件发来的中断信

号时，停止原来的工作，转去处理中断的事件。

在处理中断完成以后，主机又回到原来的工作点

继续工作。这样可以使用户程序的I/O申请完成后

,主机能自动在原中断点之后继续运行，同时为

多道程序并发执行打下了基础。

■在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，中

断和通道技术出现以后，虽然可以实现输入/输出

设备与中央处理机并行操作，但由于属于同一道

作业的可并发执行的进程不多，大多数进程是有

同步关系的，这使系统中仍有较多的空闲资源，

致使系统的性能较差。为了进一步提高资源的利

用率和系统对作业的吞吐量，在20世纪60年代中

期，引入了多道程序设计技术，由此而形成了多

道批处理系统。单道程序与多道程序的执行过程

如图1.5和图1.6所示。

计篁DO请求继续计算

（CPU执行）用户程序

：启动DODO完成：

tl.'t3t4

I/O操作

图L5单道程序工作过程示意

ET仕A程序AIQ工作B程序程序AAI/O工作B程序

BI/O请求

AI/O请求

AID工作

一T

BIAD工作

图L6多道程序执行过程示意

-在操作系统中引入多道程序设计技术以后

,会使系统具有以下特征。

■(1)多道性

■(2)无序性

-(3)宏观上并行、微观上串行

■(4)调度性

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1.2.3分时系统

■分时技术是把处理机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，并把处理机的控

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。

■分时系统与多道批处理系统相比，具有完全不同

的特征，由上所述可以归纳成以下几点：

■(1)多路性：允许在一台主机上同时联接多台联

机终端，系统按分时原则为每个用户服务。

■(2)独立性：每个用户各占一个终端，彼此独立

操作，互不干扰。

■(3)及时性：用户的请求能在很短时间内获得响

应。

■(4)交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的

人机对话。

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1.2.4实时系统

■1.实时操作系统的分类

■2.实时操作系统的主要目标

1.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。

2.实时操作系统的主要目标

■(1)实时时钟管理。

■(2)连续人机对话。

■(3)过载防护。

■(4)高可靠性。

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1.2.5网络操作系统与分布式操作系统

■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。

■1987年4月，IBM公司推出了OS/2,其最初

的版本OS/2LX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。

■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

多为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32位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。

■计算机技术和通讯技术的结合使得微机用

户资源共享及相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。

■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，即分布式操作系统是透

明的。

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1.3操作系统的基本概念

■131操作系统的定义

■L3.2操作系统的基本功能

■L3.3操作系统的特征

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1.3.1操作系统的定义

■操作系统是一个大型的程序系统，它负责

计算机的全部软、硬件资源的分配、调度

工作，控制协调多个任务的活动，实现信

息的存取保护，并提供用户接口，使用户

获得良好的工作环境。操作系统使整个计

算机系统实现了高效率和高度自动化。

■计算机系统拥有丰富的硬件、软件资源，操作系

统要对这些资源进行管理。在一般微机上配置单

用户操作系统，管理CPU、内存、打印机、键盘

、显示器、软盘及硬盘驱动器、程序和数据，其

目的是让用户方便地使用系统资源解决计算任务

,如让打印机打印计算结果，从键盘输入数据、

在软盘上建立文件等。而在较大型机器上配置多

用户操作系统其资源管理的功能就要复杂得多，

因为多个用户共用一个系统，会产生资源共享的

问题，即资源的竞争使用。

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1.3.2操作系统的基本功能

■1.存储器管理的功能

■2.处理机管理的功能

■3.设备管理的功能

■4.文件管理的功能

1.存储器管理的功能

内存分配

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

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，也就是说绝不允许用

户程序访问操作系统和其他用户的程序和数据。

■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。

■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，

使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多

O

2.处理机管理的功能

处理机管理的主要任务是对处理机进行分配，并对

其运行进行有效的控制和管理。在多道程序环境下

,处理机的分配和运行都是以进程为单位，所以对

处理机的管理可理解为对进程的管理。

。进程控制

。进程同步

。进程通信

。调度

3.设备管理的功能

■缓冲管理

为达到缓解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，许多操作系统通过设置缓冲区的办法来实现

■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。

■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

4.文件管理的功能

■文件存储空间的管理

■目录管理

■文件的操作

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1.3.3操作系统的特征

■1.并发特征(Concurrence)

■2.共享特征(Sharing)

■3.虚拟特征(Virtual)

■4.不确定性

■1.并发特征(Concurrence)

■并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发

生。

■2.共享特征(Sharing)共享是指系统中资源可

供内存中多个并发执行的进程共同使用。

■3.虚拟特征(Virtual)

■虚拟是指将一个物理的实体映射为若干个逻辑实

体。

■4.不确定性

■第一，程序执行结果的不确定，程序执行

结果的不可再现。

■第二，多道程序设计环境下，每道程序在

何时执行，各自执行的程序以及每道程序

所需的时间是不确定的，也是不可预知。

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1.4操作系统的逻辑模型

-1.操作系统的对象

-2.操作系统对象操纵和管理的软件集合

■3.用户接口

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图L7操作系统的逻辑结构

用户接口

（命令接口、程序接口、图形用户接口）

对对象操纵和管理的软件集合

（处理机管理软件、存储器管理软件、设备管理软件、

文件管理软件）

操作系统对象

（处理机、存储器、设备、文件）

用户接口

■(1)命令接口：这是用户与操作系统直接的接口

O用户可以直接从键盘等终端设备输入命令来取

得操作系统的服务。

■(2)程序接口：这是应用程序与操作系统的接口

O用户通过在程序中安排系统调用，让程序取得

操作系统的服务。

■(3)图形用户接口：目前流行的操作系统普遍配

置了更为直观的图形用户接口，将操作系统的各

项功能及各种应用程序以图标的形式表示出来，

利用鼠标进行操作，这样使用户对计算机的操作

更为直观、简单方便。

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1.5微机操作系统

■151DOS操作系统

■152MS-Windows操作系统

■153UNIX操作系统

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1.5.1DOS操作系统

•1981年IBM公司首次推出IBM-PC个人计

算机，在微机中采用了微软公司开发的

MS-DOS操作系统。该操作系统在8位计

算机操作系统CP/M的基础上进行了较大

的扩充，增加了许多内部和外部命令