操作系统-第1章-计算机系统概述

操作系统

第一章计算机系统概述

RecommendedReading

•[1]操作系统原理、设计及应用，刘乃琦，蒲晓蓉等，

高等教育出版社,2008

•[2]梁红兵，汤小丹.《计算机操作系统》学习指导与题

解[M].西安电子科技大学出版社,2008.

•[3]李善平.操作系统学习指导和考试指导[M].浙江大

学出版社,2004.

•[4]李春葆,曾平,曾慧.计算机操作系统联考辅导教程

#:#2012版[M],清华大学出版社,2011.

第一讲什么是操作系统

计算机操作系统概论

・操作系统一一是裸机上的第一层软件，它是对硬件系统功能的首次

扩充，是填补人与机器之间的鸿沟。

§1.1操作系统与计算机同在

操作系统与计算机同在

实用程序（编译，数据库…）

操作系统

硬件

操作系统的认识

•对操作系统的认识有两个方面：

1.从用户的观点来看操作系统

A虚拟机的观点

A用户环境的观点

2.是从系统设计者（系统分析员）的观点来看操作系统。

»资源管理的观点

A作业（任务）组织的观点

虚拟机器观点

•该观点认为，操作系统是建立在计算机硬件平台上的虚拟机器，它为应

用软件提供了许多比计算机硬件功能更强或计算机硬件所没有的功能。

•操作系统在虚拟机中充当管理员和协调员的角色，管理计算机的软硬件

资源，并协调多任务、多进程的运行。

•扩充：功能、计算机数量

用户环境观点

•该观点认为，操作系统是计算机用户使用计算机系统的接口，它为计算机

用户提供了方便的工作环境。

・计算机用户：终端用户、程序员和系统设计者

•操作系统提供的接口

-用户接口（UserInterface,也称为命令接口）

-程序接口（系统调用，也称为应用编程接口，

AppIicationProgrammingInterface,简称API）

命令接口

•命令接口-一用户可通过该接口向作业发出命令以控制作业的运行

可分为联机用户接口和脱机用户接口。

(1)联机用户接口：这是为联机用户提供的，它由一组键盘

操作命令及命令解释程序所组成。

•字符形式：较灵活但因繁琐而难记；

彷腆睥翩户徽:口陆雕胴解嗡I肚魏螂冽蝴忻肺户鬻视刚

干预，事先写在作业说明$上，然后将作业连同作业说明

书一起提供给系统。当系统调度到该作业运行时，再调用

命令解释程序，对作业说明书上的命令，逐条地解释执行。

该接口即为批处理接口。

程序接口

•该接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得

操作系统服务的惟一途径。

•它是由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的

子程序，每当应用程序要求OS提供某种服务（功能）时，便调用具有相

应功能的系统调用，

・不同的系统其调用形式不同。

资源管理观点

•该观点认为，操作系统是计算机系统中各类资源的管理者，它负责分配、

回收以及控制系统中的各种软硬件资源。

-监视资源

-分配/回收资源

-保护资源

,跟踪资源的使用状况、满足资源请求、提高资源利用率，以及协调各程

序和用户对资源的使用冲突。

资源类型

C<»nipiiterSystem

I/ODevices

Memory

OperatingPrinters.

SystemkoboanK

SoRwarvOdlKlUilcamera

Pni|tran»>

andDitU

Pnx?«M>or

作业组织观点

•该观点认为，操作系统是计算机系统工作流程的组织者，它负责协调在系

统中运行的各个应用软件的运行次序。

•用于巨型机和大型朋务器上，以批文件方式提交作业，请求主机逐个运行。

•主机操作系统负责组织、协调各个作业的运行，报告执行结果或错误信息。

•减少了人工干预，提高了系统的效率。

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,管理和控制计算机系统

中的硬件和软件资源，合理地组织计算机的工作流程，以便有效利用

这些资源为用户提供一个功能强、使用方便的工作环境,从而在计算

机与用户之间起到於_口的作用。

第二讲操作系统的主要功能和基本特征

操作系统的主要功能

操作系统应具有六方面的功能:

1x进程管理

2、存储器管理

3、设备管理

4、文件管理

5、作业管理

6、操作系统的安全

•进程管理的主要功能：按照一定的算法把处理机分配

给进程（线程），并对其进行有效的管理和控制。

1.进程控制

进程控制的主要功能是为作业创建进程、撤消已结束

2,进嚷薛步，-以-腹的修脚跳在幽罐栩B瞩瞬态转换。

•两种协调方式：

&进剑镰匹朋逸程达醐循母提换线程）在对蹄僦

御ffi面聊，的窿理用函程方）或；于同"计翱麴时通常

在包进蒯鹤腻直搬辘脚合触潮解利触潮耐

存储器管理功能

•存储器管理的主要任务：

为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存

储器，提高存储器的利用率以及能从逻辑上扩充内存。

•存储器管理功能有4个：

1、内存分配

2、内存保护

3、地址映射

4、扩充内存

内存分配

内存分配有两种方式：

①静态分配方式，每个作业运行之前分配好内存空间，在作业的整个

运行期间不再改变。

②动态分配方式，每个作业在运行前或运行中，均可申请新的附加内

存空间，以适应程序和数据的动态增涨。

内存分配的机制中的结构和功能

•内存分配的机制中的结构和功能

①内存分配的数据结构，该结构用于记录内存空间的使用情况。

②内存分配功能一为用户程序分配内存空间。

③内存回收功能一当用户不再需要的内存时，系统能回收内存的功能。

内存保护

•内存保护的主要任务：

是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不

干扰。

•内存保护机制：

是设置两个界限寄存器，越界检查都由硬件实现

地址映射

地址空间——目标程序或装入程序

限定的空间，称为“地址空间”。

单元的编号称为逻辑地址，又称为

相对地址。

内存空间——由内存中的一系列单

元所限定的地址范围称为“内存空

间”，其中的地址称为“物理地

址”。

地址映射——运行时，将地址空间内存空间

中的逻辑地址转换为内存空间中与

之对应的物理地址，称为地址映射

内存扩充

・借助于虚拟存储技术

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；

•扩充内存必须具有内存扩充机制：

(1)请求调入功能。在程序运行过程中，若所需

的程序和数据尚未装入内存，可由OS从磁盘中将所需

部分调入内存，继续运行。

(2)置换功能。将内存中的一部分暂时不用的程

序和数据调出到磁盘上，然后再将所需调入的部分装

入内存。

设备管理功能

设备管理的主要任务：是完成用户进程提出的I/O

请求；为用户进程分配其所需的I/0设备；提高

CPU和I/0设备的利用率；提高I/O速度；方便用

户使用I/0设备。

设备管理功能

设备管理具有的功能：

1.设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务：用于实现

CPU和设备控制器之间的通信，即由CPU向设备控制器发出I/

。命令,要求它完成指定的I/O操作；反之由CPU接收从控制

器发来的中断请求，并给予迅速的响应和相应的处理。

2.设备分配的基本任务，是根据用户进程的I/0请求，按照某种设

备分配策略，为之分配其所需的设备。不同的设备类型（独占、共

享）而采用不同的设备分配方式。

3,缓冲管理：有效地缓和CPU和1/0设备速度不匹配的矛盾，提高

CPU的利用率。不同的系统采用不同的缓冲技术。

文件管理功能

文件管理的主要任务：是对用户文件和系统文件进行管

理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。

文件管理的主要功能：

1.文件存储空间的管理——是对诸多文件及文件的存储空间，

实施统一的管理。基于数据结构(MCB)对存储空间进行分配和

回收的功能。

2.目录管理——为每个文件建立目录项，并对众多的目录项加以

有效的组织与管理(例如，按名存取，文件共享)。

3.文件的读/写管理和保护

(1)文件的读/写管理：是根据用户的请求，从外存中读取数

据或将数据写入外存。

(2)文件保护：

操作系统的服务

人们希望操作系统提供的服务有三种：

1、操作系统能提供的服务：

＞通过命令接口和程序接口来实现的。

2、操作系统在提供这些服务时，需要满足的限制条件:

＞硬件资源的能力、操作系统的类型（实时系统、分时系统）

3、操作系统具有适应某些变化的能力。

＞PerforMnce（tttt）orEfficiencyCtt事）

-mxiaizethroughput,・ini・izeresponsetiae

第1类服务需求是后两类服务需求赖以存在的基础，称

之为操作系统的曲钮的后两类服务称为操作系统

购非功能性需求。

§1.2操作系统基本特；n

操作系统的基本特征

•现代OS的四个基本特征:

1、并发

2、共享

3、虚拟

4、异步

•并发是最重要的特征，其它特征都以并发

为前提。

1.并发

•并发——并行性和并发性，并发执行的过程。

-并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。

-并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

•任务共行

-从宏观上看，任务共行是指系统中有多个任务同时运

行

-从微观上看，任务共行是指单处理机系统中的任务并

发（TaskConcurrency：即多个任务在单个处理机上交

替运行）或多处理机系统中的任务并行（Task

Parallelism：即多个任务在多个处理机上同时运行）。

2.共享

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。

1、互斥共享方式：

一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。

一系统中的临界资源可以提供给多个进程使用，但一次仅允

许一个进程使用，称为互斥共享方式。

2、同时访问方式：

-从宏观上看，资源共享是指多个任务可以同时使用系统中的软硬件资源

-从微观上看，资源共享是指多个任务可以交釐互反地使用系统中的某个资源。

例如磁盘。

3.虚拟

•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。

•虚拟处理机：分时实现

•虚拟设备：SPOOLING技术

•虚拟存储器：虚拟存储管理实现

4.异步

1、执行结果不确定。

2、异步性——是指进程以异步的方式执行，进

程是以人们不可预知的速度向前推进。

§1.3操作系统的形成与发展

操作系统的形成与发展

•推动操作系统发展的动力

•操作系统能够不断发展，其原因：

1.硬件升级和新型硬件的出现：OS都应能适应。

2.新的服务：为适应用户的要求或系统管理员的需要，需

要扩展操作系统以提供新的服务。

3.纠正错误：任何一个操作系统都有错误，在使用一段时

间后发现了错误就需要进行纠错。当然，纠错本身可能

会产生新的错误。

4.计算机体系结构的不断发展.

操作系统的进展与演变

•粳据计真机果用的电子■件桌划分

{L电子管计算机「41大规模集成电路计算机

(丁晶底函丽I：r丁智丽•算机

(3.集成电路计算机—物讦算机

•体积大小、处理能力强弱标准划分

(-----------------------功能多样的个人电子计真机

；2」小型计算机-------功能较强,可以同时执行多个任务

(3大中型讦薪------功能强大的通用数字电子计算机

1包超级H■算机-------运算速度*快、存储容■■大、功

能■完善

第1代电子管计算机

世界上第1台计算机

•名称：ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorand

Computer)

•目的：用于第二次世界大战后期的弹道计算

•诞生时间：1946年2月15日

•诞生地：美国宾夕法尼亚大学

ENIAC#算机

•使用18000只电子管

・1500个继电器

•占地面积170m2

・重量30吨

•耗电量140千瓦

•没有操作系统

计算机诞生中的三个第一

•世界上第一台投入运行的电子计算机

ENIAC,1946.2,美国

•世界上第一台按存储程序控制功能设计的计算

机EDVAC,1946—1950,美国

•世界上第一台投入运行的实现存储程序控制的

计算机EDSAC,1947—1949,英国

计算机时代的开始：以1951年UNIVAC-I投入运行为标志，第一台批量生

产的商用计算机，从此，计算机走向社会。

第2代晶体管计算机

•1947年，美国贝尔电话实验室发明了晶体管，利用半导体错和硅制

作

的晶体管开始用于计算机的制造上。

・晶体管体积小，反应速度快，

使计算机的运算速度和处理

能力得到很大提高。

•程序设计方面

•研制出通用的算法和语

言

•出现批处理操作系统

•主要应用于科学计算、

数据处理和实时控制等方面

第3代集成电路计算机

•1958年，美国德州仪器公司利用照像技术

把多个晶体管和电路蚀刻在一块硅片上,

这种半导体集合体就是：

“集成电路”----IC(Integrated

Circuit)

•程序设计方面

•提出“多道程序”和“分时系统”概念

•出现了系列计算机、远程终端联机系统

•应用于系统模拟、系统控制、智能模拟等

新的领域自

苹果(Apple)计算机

第4代大规模集成电路计算机

・大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）器

件的使用是第四代计算机的主要标志。

・计算机系统引入图形界面（GUI）以来，视窗操作系统的

代表:Windows。

・应用领域：军事预警、尖端科学、航天科学、天气预报

超大规模集成电路

第5代智能计算机

・广泛使用多媒体技术，使人们能够用语音、图像、视频等更为

自然的方式与计算机进行信息交互。

・硬件系统支持高度并行和快速推理，软件系统能够处理知识信

息。

第6代生物计算机

•利用蛋白质分子制造出基因芯片,研制生物计算

机是当今计算机技术的最前沿。

•阻抗低、能耗少、发热量极小。

生物芯片

现代计算机的发展趋势

⑴微型化

体积更小，重量更轻，价格更便宜，且功能更强。

现代计算机的发展趋势

(2)巨型化

目前世界上还有很多领域，如国防、百年天气

预测和地震分析等，都需要功能更为强大的计算机。

为中国银行引进了大型计算机数据处理为国家气象中心引进了中期气象预报

系统数据分析系统

现代计算机的发展趋势

(3)网络化

将计算机连成网络，可实现计算机的相互通信和资源

共享。

计算机网络化的出现，掀起了电子计算机发展

史上的第三次浪潮！

在第一次浪潮中，信息处理是关键。

第二次浪潮的情景是每张桌子上摆有一台计算机。

第三次浪潮是把所有这些计算机都连接在一起。

现代计算机的发展趋势

(4)多媒体化(5)智能化

使人们面对图、文、让计算机能够模仿

声并茂的计算机信息。

人脑的功能，即对信

息具有智能处理能力。

§1.4操作系统的分类

操作系统的分类

无操作系统时的计算机系统

1、人工操作方式

一台计算机的所有资源由用户独占，降低了计算机资源利

用率，人操作慢，出现了严重的人机矛盾。

2、脱机输入输出方式

•在外围计算机的控制下，实现输入输出。

•主要解决了CPU与设备之间不匹配的矛盾

单道批处理系统

1、在内存中仅存一道作业运行，运行结束或出错，才自动调另一道作业

运行。

2、单道批处理系统主要特征：自动性、顺序性、单道性。

3、单道批处理系统主要优点：减少人工操作，解决了作业的自动接续。

4、单道批处理系统主要缺点：平均周转时间长，没有交互能力。

多道批处理系统

•多道程序的概念

在内存中存放多道作业运行，运行结束或出错，自动调度内存中的

另一道作业运行。

•多道程序带来的好处：

1、提高CPU的利用率。

2、提高内存和I/O设备利用率。

3、增加系统吞吐率。

举例：多道执行情况

程序1程序2程序3

用户程序

单

道

监督程序

执

I/O操作

A请求I/OA完成

多A程序

道B请求I/OB完成

执B程序

行

C请求"0C完成

C程序

完成

D请求I/OD

D程序

调度

多道批处理系统主要特征：

多道性、无序性、调度性（进程调度和作业调

度）。

多道批处理的主要优点：

提高了资源利用率和吞吐能力。

多道批处理的主要缺点：

平均周转时间长，没有交互能力。

分时系统

•分时系统的产生

用户需要：人机交互、共享主机、便于用户上机

•分时系统实现的方法

简单分时系统

具有“前台”和“后台”的分时系统多道分时系统

•分时系统实现中的关键问题：

及时接收：实现多个用户的信息及时接收。

及时处理：及时控制作业的运行。

简单分时系统示意图

A।B।CA।BiCiAiBiCiAiB

具有“前台”和“后台”的分时系统示例

A।B।A।B।AB।A

A、B前台作业

osos

AA

CCD

C\D后台作业

多道分时系统示意图

A।B।CA।BiCiAiBiCiAiB

分时系统的特征

多路性：多个用户分时使用一台计算机。

独立性：独立运行，不混淆，不破坏。

及时性：系统能在很短的时间得到回答。

交互性：能实现人机对话。

影响响应时间的若干因素

Ti（响应时间）

改善响应时间的方法

采用重入码减少信息的对换量

采用虚拟存储技术,减少信息对换量

实时系统

所谓实时系统：

是计算机及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，

并控制所有实时设备和实时任务协调一

致的运行。

实时系统分为两类

1、实时控制系统

2、实时信息处理系统

实时系统的特征

1.多路性：能对多个对象进行控制。

2.独立性：独立运行，不混淆，不破坏。

3.交互性：仅限于访问系统中某些特定的专用服

务程序。

4.可靠性：高可靠性，应具有过载防护能力。

5.及时性：不同的系统要求不一样，控制对象必

须在截止时间内完成。

第5-6讲操作系统的体系结构

和主流操作系统

操作系统的体系结构

・操作系统中增加了越来越多的功能，并且随着底层硬件更高的性能，

更加通用，操作系统的大小和复杂性也随着增加。

•为了控制该软件的复杂性，在开发OS时，先后引入了分解、模块化、

抽象和隐蔽等方法。开发方法的不断发展，促进了OS结构的更新换

代。

1.模块化OS结构

•使用分块结构的系统包含若干512皿（模块）；

其中，每一块实现一组基本概念以及与其相关

的基本属性。

•块与块之间的相互关系：

所有各块的实现均可以任意引用其它各块所提

供的概念及属性。

模块化os的优缺点

优点：

①提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性。

②增强了os的可适应性。

③加速了os的开发过程。

缺点：

①对模块的划分及对接口的规定要精确描述很困难。

②从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源

加以区别；

2.分层式OS结构

•使用分层系统结构包含若干layer（层）；其

中，每一层实现一组基本概念以及与其相关的

基本属性。

•层与层之间的相互关系：

A所有各层的实现不依赖其以上各层所提供的概念及

其属性，只依赖其直接下层所提供的概念及属性；

A每一层均对其上各层隐藏其下各层的存在。

3.常见OS总体结构

计算机硬件平台

双模式基础平台子系统总体结构风格

・双模式基础平台子系统其总体结构包含两个模式模

块；它们分别在两种不同的CPU特权模式下运行。

注:习惯上,人们把双模式基础平台子系统的这两个模式模

块分别称为核外子系统和核心子系统;把核外子系统所使

用的CPU的模式称为UserMode,把核心子系统所使用的

CPU特权模式称为Kerne!Mode

双模式运行结构图

§1.5当前主流操作系统

当前主流操作系统简介

•Windows

•Unix

•Linux

Windows操作系统

•DOS(DiskOperatingSystem)操作系统曾经是最著名的

个人计算机操作系统，以Intel80x86处理器的16位机器

上，是一种以字符为基础的、命令行式的界面平台。

•MS-DOS和PC-DOS,前者是微软(Microsoft)公司的产品，

后者是IBM公司的产品。

•DOS操作系统家族已经完成了它们的历史使命，进入了IT

博物馆。

•Microsoft于1985年推出了一种采用图形用户界面

(GraphicsUserInterface-GUI)的新颖的操作系统，

称为视窗(Windows)操作系统。此后，Windows操作系统系

列逐渐发展壮大，形成了具有多种分支、版本、语言的操

作系统家族。

Linux操作系统

•Linux是UNIX变种,是一个源代码开放的、多用户操作系统。

•Linux支持多用户、多任务、分页式虚拟存储、动态链接库、动态调整

文件系统缓冲区大小等功能。

•其网络功能非常强大，几乎能与当前绝大多数网络互连。

Linux操作系统

•Linux的结构属于整体式结构,由若干过程构成，过程之间可以相

互调用。

,这样的结构使其子系统易于扩展。因此，Linux为众多开发者提供

了自由灵活的设计环境，使它得以快速发展。

Linux的抽象结构

用户进程一

系统调用接口

Linux内核

硬件

Linux的主要子系统

Linux的主要子系统

•用户进程

•调用接口

；亩若干指令构成,运行在内核模式,是Linux内核代码的一

部分。

•Linux的内核

•是OS的灵魂，负责管理文件、内存，启动运行程序，从

网络接收/发送数据包等。

•硬件

•CPU、硬盘、网络硬件等

Linux内核体系结构

TheSystemCallInterface

Kernel