操作系统 第1章 概述学习专业课件

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软件学院教研室

2016.04

操作系统2025/1/1哈工大软件学院2第1章操作系统概述

本章主要内容：

1.1操作系统的概念

1.2操作系统的目标和功能

1.3操作系统的发展和主要成就

1.4

现代操作系统的特征

1.5UNIX操作系统发展简史

1.6Windows操作系统发展简史

1.7

操作系统启动引导过程2025/1/1哈工大软件学院3第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念计算机系统组成示意图…财务系统航空订票上网浏览电子商务科学计算(应用软件)…用户n用户4用户3用户2用户1编译程序汇编程序数据库(支撑软件)…实用程序操作系统(系统软件)计算机硬件操作系统在计算机系统中的地位:操作系统处于计算机硬件和应用软件和用户之间，是“中介机构”

计算机硬件对用户来说是透明的2025/1/1哈工大软件学院4第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念管理资源观点OS是资源管理者处理器管理存储管理设备管理文件管理系统实现观点OS是虚拟机虚拟机OS结构OS运行模型安全与保护动态观察方法静态观察方法进程交互观点进程、线程、调度互斥与同步通信死锁OS是程序执行控制者

用户角度接口服务OS是服务提供者服务用户观点

系统角度研究和观察操作系统2025/1/1哈工大软件学院5第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念计算机系统的层次视图操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）相邻层之间可以沟通，每层对下一层负责，是上一层的“译员”2025/1/1哈工大软件学院6第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念

什么是操作系统？

操作系统的定义：

计算机系统中的一个系统软件，它是这样一些程序模块的集合：它们能有效地组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使用户能够灵活、方便和有效地使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行。教材中的定义：

操作系统是一直运行在计算机上的程序（通常称为内核），其他程序则称为系统程序和应用程序。2025/1/1哈工大软件学院7第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念操作系统的作用：3种观点(3)

OS是扩展机(ExtendedMachine)/虚拟机(VirtualMachine)。

在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理(内存和外存)、处理机管理（CPU）另外，合理组织工作流程：作业管理、进程管理、线程管理(2)

OS是用户使用系统硬件、软件的接口。通常包括两种方式：系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口GUI）；系统调用（类似于过程调用，在应用编程中使用）(1)

OS是计算机硬件、软件资源的管理者。

管理对象包括：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）；

管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）2025/1/1哈工大软件学院8第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念操作系统的特征：

操作系统作为一种系统软件，有着与其他软件不同的特征3.

随机性－

OS所管理和处理的资源和事件有一定的随机性（1）系统中所运行的程序的行为是随机的（2）系统硬件设备的情况是随机的：有无故障，忙/闲，何时发中断请求2.

共享性－

OS与多个用户程序共用系统中的各种资源，而且这种共享是在操作系统控制协调下实现的1.

并发性－系统中同时存在多个程序，宏观上看它们同时向前推进（1）单CPU系统：并发体现在程序交替使用CPU运行（时间片）；宏观上、表面上的并行，微观上伪并行（2）多CPU系统：除了有（1）的特征外，在微观（处理器级）也是并发的（3）分布式系统：多个计算机的并行使程序的并发特征得到充分体现2025/1/1哈工大软件学院9

UNIX:BSD,SRV4,OSF1,Solaris,IBM-AIX，

Linux

MSOS:MSDOS,Windows3.x/95/98/2000/XP，

WindowsNT/Win7/Win8/Win10

Novell：NovellNetware第1章操作系统概述

1.1操作系统的概念

操作系统举例：

2025/1/1哈工大软件学院10第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.1操作系统应达到的目标方便：

操作系统使计算机更易于使用

（OS产生的根本原因）有效：

操作系统允许以更有效的方式使用计算机系统资源

（以优化的算法合理分配、调度资源，提高效率）扩展的能力：

在构造操作系统时，应考虑如何有效地扩展新功能

原因：（1）硬件升级；（2）用户新的服务要求；

（3）OS纠正错误2025/1/1哈工大软件学院11第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能操作系统要做什么?管理所有硬件资源！2025/1/1哈工大软件学院12伟大的冯诺依曼认为，计算机由五大部件组成:输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器OS需要管理CPU(运算器、控制器)OS需要管理memory(内存)OS需要管理disk(外存)OS需要管理IO(输入/输出设备)进程管理内存管理文件系统I/O系统课程核心内容第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能2025/1/1哈工大软件学院13第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

宏观方面，操作系统具有如下5个功能：

1.进程管理

2.存储管理

3.文件管理

4.作业管理

5.设备管理2025/1/1哈工大软件学院14第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

1.进程管理：（1）进程的概念是由描述多道程序的并发执行而引入的（2）进程管理实质上是对处理器的管理：

处理器分配调度策略、进行分配、进行回收再分配等2025/1/1哈工大软件学院15第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

2.存储管理

管理内存和外存资源，但主要是内存管理

解决多程序共享内存遇到的问题：为进程分配、释放内存空间进行程序和数据隔离虚拟存储器：内存、外存结合管理2025/1/1哈工大软件学院16第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

3.文件管理

解决大容量、“永久”存储器，即外存（磁盘、

光盘等）的管理问题计算机系统中信息资源以文件形式存放

文件管理要解决的问题：外存的存储结构（比如FAT32、NTFS等）文件系统（文件格式、目录等）文件的读、写、修改磁盘调度：对磁盘访问的响应策略等

（电梯响应例子）2025/1/1哈工大软件学院17第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

4.作业管理

从用户的角度来看，OS是用户和计算机系统之间的“中介机构”因此，作业管理的任务是为用户提供一个环境：接收用户的任务，并提交给计算机运行

例如：Windows的程序管理模块Explorer.exe

UNIX的C-Shell、B-Shell模块2025/1/1哈工大软件学院18第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

5.设备管理

管理所有I/O设备，包括设备控制器等

例如：Printer，Keyboard，Mouse…

显示卡，USB接口…

2025/1/1哈工大软件学院19第1章操作系统概述

1.2操作系统的目标和功能1.2.2操作系统的功能

需要说明的问题：

1.除上述管理以外，OS还要具备中断处理、错误处理等功能

2.上述的OS功能并非完全独立，而是互相依赖的关系2025/1/1哈工大软件学院20第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

1.手工操作

2.简单批处理系统

3.多道程序批处理系统

4.分时系统

5.UNIX6.DOS、Windows7.Linux2025/1/1哈工大软件学院21第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

1.手工操作称为OS的史前“文明”（1）手工输入机器码（2）上世纪50年代早期，出现卡片读入装置，机器码

程序通过卡片穿孔记录并输入（3）出现汇编语言及汇编编译程序，及外设控制程序

特点：手工操作，独占所有资源，效率极低程序员兼操作员2025/1/1哈工大软件学院22第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

2.简单批处理系统

●监督程序●单道批处理●

OS的雏形

背景：上世纪50中期，晶体管出现，计算机性能比较可靠，批量生产并销售，用户期望其长期稳定运行

计算机厂商设计了管理程序（监督程序）

1956年出现FORTRAN高级语言

1958年出现ALGOL高级语言2025/1/1哈工大软件学院23第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

2.简单批处理系统

管理程序(监督程序)能批

量读入作业程序、能够自

动识别一个作业，处理后

再取下一个作业

----即“批处理”方式

由于作业是被串行执行，故称“单道批处理”作业卡片示意图DataforProgram2025/1/1哈工大软件学院24第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

2.简单批处理系统常驻主存监控程序布局图$JOB$FTN…(Fortran程序)…$LOAD$RUN…(数据)…$END作业卡片内容序列图2025/1/1哈工大软件学院25第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

3.多道程序批处理系统

●标志现代意义上的OS出现

背景：计算机进入第三代

（1）主存、辅存容量增大，可以同时装入多个

程序到主存（2）出现代替CPU管理设备的“DMA通道”，

使得I/O操作与CPU并行成为可能这一代典型的OS是FMS（FORTRANMonitorSystem)

和IBMSYS（IBM为7094计算机配备的OS）2025/1/1哈工大软件学院26第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

3.多道程序批处理系统多道程序OS中程序运行时序示意图说明：（1）这种OS依靠I/O中断机制和DMA通道实现（2）CPU的切换只是在它空闲时才发生，调度机制特别简单2025/1/1哈工大软件学院27第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

4.分时系统

●标志OS步入实用化阶段

背景：（1）多终端计算机出现（2）事务性计算、人机交互的需要（3）对用户快速响应的需要

同“多道批处理OS”不同的是：（1）CPU在程序间切换设定了固定时间（2）出现“存储器调度”：当作业多、主存不能

同时容下时，则程序在完成之前，可以写回

磁盘上，需要时再读回

2025/1/1哈工大软件学院28第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

4.分时系统

●世界上第一个分时OS是1961年MIT开发的CTSS

（CompatibleTimeSharingSystem兼容分时系统）

●

IBM709计算机，主存容量：32000个36位字

●常驻监控程序大小＝36bit×5000≈22KB

●CPU切换时间片＝0.2秒

●为减小磁盘的读写频率，它采用了部分写出/读回的策略（见下页例子）292025/1/1哈工大软件学院JOB1被全部写出JOB2被调入

JOB2被部分写出JOB3被调入

JOB3全部被写出JOB2另一部分被写出JOB1被重新写入

JOB1部分被写出JOB4被调入

JOB1剩余部分被写出JOB4剩余部分被写出JOB2写出部分被重新写入JOB1被调入CTSS系统作业程序写出/读回例子2025/1/1哈工大软件学院30第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

5.UNIX－OS革命

●

20世纪60年代，贝尔实验室的KenThompson

和DennisM.Ritchie设计出UNIX操作系统

（开始用汇编语言编写，后用C语言重写）

●

UNIX是现代操作系统的代表

●

UNIX出色的设计思想与实现技术在理论界有着广泛而深远的影响2025/1/1哈工大软件学院31第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

6.DOS、Windows－OS大众化

DOS、Windows一直统治着PC-OS市场

Windows2K/XP/NT面向网络的OS

7.Linux－OS新宠儿/自由软件里程碑

UNIX的新版本，自由版权OS1991年由LinusTorvalds公布推出后，迅速得到空前发展2025/1/1哈工大软件学院32第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

操作系统的分类

1.批处理操作系统

2.分时操作系统

3.实时操作系统

4.嵌入式操作系统

5.个人计算机操作系统

6.网络操作系统

7.分布式操作系统2025/1/1哈工大软件学院33第1章操作系统概述

1.3OS的发展和主要成就1.3.1操作系统的发展

操作系统的分类

1.批处理操作系统

DOS中仍保留批处理命令形式：XXX.batc：

cd\aaacdbbbtypeXXX.batdir2025/1/1哈工大软件学院34第1章操作系统概述

1.3O