第1章操作系统引论

第一章绪论2/1/20251教学目的及要求

（1）了解操作系统的发展历程，分层式结构和微内核结构（2）理解操作系统在计算机系统中的地位，多道程序设计技术（3）掌握操作系统的基本概念，操作系统的特性和主要功能，操作系统的类型及特点2教学重点（1）操作系统的定义和功能（2）操作系统的分类（3）操作系统的基本特性

教学难点（1）操作系统的作用及意义（2）操作系统结构3目录1.1操作系统概念

1.2操作系统的历史

1.3操作系统的特性

1.4操作系统功能

1.5操作系统的设计目标1.6有关操作系统的研究

1.7小结

41.1操作系统概念

计算机发展到今天，从个人计算机到巨型计算机系统，毫无例外都配置一种或多种操作系统。操作系统管理和控制计算机系统中的所有软、硬件资源，是计算机系统的灵魂和核心。除此之外，它还为用户使用计算机提供一个方便灵活、安全可靠的工作环境。

5图计算机系统层次结构6操作系统计算机硬件裸机虚拟机裸机（硬件）是僵尸，软件是幽灵.7

没有任何软件之支持的计算机称为裸机(BareMachine)，它仅仅构成了计算机系统的物质基础，而实际呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层软件改造的计算机。裸机在最里层，它的外面是操作系统，经过操作系统提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能将裸机改造成功能更强，使用更方便的机器，通常称之为虚拟机(VirtualMachine)。8

因此，引入操作系统的目的可从三方面来考察：

观点一、从系统管理人员的观点来看，操作系统是计算机资源的管理者。

观点二、从用户的观点来看，引入操作系统是为了给用户使用计算机提供一个良好的界面，以使用户无需了解许多有关硬件和系统软件的细节，就能方便灵活地使用计算机。

观点三、从发展的观点看，引入操作系统是为了给计算机系统的功能扩展提供支撑平台，使之在追加新的服务和功能时更加容易和不影响原有的服务与功能。9综上所述，我们可以形式地把操作系统定义为

操作系统(OperatingSystem)

是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——它们管理和控制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以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作用。101.2操作系统的历史

操作系统的发展和计算机的组成与体系结构相关，经历了四个发展阶段：无操作系统（手工操作）：第一代，电子管时代。

单道批处理系统

：第二代，晶体管时代。多道程序设计：第三代，集成电路时代。分时系统：第四代，大规模和超大规模集成电路时代。现代计算机正向着巨型、微型、并行、分布、网络化和智能化几个方面发展。

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1.2.1手工阶段用户在计算机上算题的所有工作都要用户人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等。随着计算机速度的加快，人机矛盾越来越大，直至无法容忍。必须寻求新的办法。例如：上机操作要1分钟,运行时间20分钟（10万次/sec）上机操作要1分钟,运行时间0.2分钟（1000万次/sec）121.2.2单道批处理系统

(SimpleBatchProcessing)

计算机发展的早期，没有任何用于管理的软件，所有的运行管理和具体操作都由用户自己承担，任何操作出错都要重做作业，CPU的利用率甚低。解决的方法有两个：首先配备专门的计算机操作员，程序员不再直接操作机器，减少操作机器的错误。另一个是进行批处理，操作员把用户提交的作业分类，把一批中的作业编成一个作业执行序列。每一批作业将有专门编制的监督程序（monitor）自动依次处理。

131.2.3多道批处理操作系统

(BatchProcessingOperationSystem)批处理的主要特征：(1)用户脱机使用计算机：作业提交后直到获得结果之前，用户无法与作业交互。(2)作业成批处理：采用成批处理作业。(3)多道程序并行：充分利用系统资源。1415多道批处理系统的优点、缺点

多道批处理系统的优点是由于系统资源为多个作业所共享，其工作方式是作业之间自动调度执行。并在运行过程中用户不干预自己的作业，从而大大提高了系统资源的利用率和作业吞吐量。多道批处理系统的缺点是无交互性，用户一旦提交作业就失去了对其运行的控制能力；又是批处理，作业周转时间长，用户使用不方便。161.2.4多道程序系统(MultiprogrammingSystem)

早期的批处理可能出现两种情况：对于以计算为主的作业，输入输出量少，外围设备空闲；对于以输入输出为主的作业，主机空闲。

单道运行：每次只调用一个用户作业程序进入内存并运行。多道程序合理搭配输入输出为主与计算为主程序交替运行，充分利用资源，提高系统效率。17程序A程序B程序C程序D18多道程序的运行特点

多道：计算机内存中同时存放多道相互独立的程序。宏观上并行运行：同时进入系统的几道程序都处于运行状态，但都未运行完。微观上串行运行：各作业轮流使用CPU，交替执行。在批处理中采用多道程序设计技术，就形成了多道批处理系统。在当前运行的作业需做I/O处理时，CPU转而执行另一个作业。（I/O完成后是否立刻恢复执行，要等到其他程序再次I/O时）。19多道程序系统的技术问题：

（1）并行程序的运行需要共享软件硬件资源，需要同步和互斥机制。

（2）多道程序需要提高内存的使用效率，需要覆盖技术、对换技术、虚拟存储等技术。

（3）多道程序在内存中要保证系统程序存储区和用户程序存储区的安全可靠，需要内存保护。201.2.4分时操作系统

(TimeSharingOperatingSystem)

分时(TimeSharing)是把计算机的系统资源（尤其是CPU时间）进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片(TimeSlice)

，每个用户依次轮流使用时间片。

分时技术：把处理机的运行时间分为很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。

21分时操作系统

（TimeSharingOperatingSystem）是一种联机的多用户交互式的操作系统。一般采用时间片轮转的方式，使一台计算机为多个终端服务。对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话能力。

2223分时系统的特征交互性：系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间。多用户同时性：多个用户同时工作，共享系统资源，提高了资源利用率。节省维护开支，可靠性高的终端－－至今仍在使用。促进了计算机的普遍应用，提高资源利用率，远地用户通过终端（较便宜）联机使用。独立性：各用户独立操作，互不干扰。UNIX是当今最流行的一种多用户分时操作系统。241.2.5

实时操作系统

(RealTimeOperatingSystem)

实时操作系统(RealTimeOperatingSystem)是一种联机的用于实时控制和实时信息处理领域的操作系统，主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域，其主要特征是实时性和可靠性。要求:响应时间短，在一定范围之内；系统可靠性高。25实时系统的特征(1)实时时钟管理：提供系统日期和时间、定时和延时等时钟管理功能；(2)过载保护：缓冲区排队，丢弃某些任务，动态调整任务周期；过载是指进入系统的任务数目超出系统的处理能力。(3)高度可靠性和安全性－－容错能力（如故障自动复位）和冗余备份（双机，关键部件）。26实时系统与批处理系统和分时系统的区别

（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）实时控制：实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的迅速响应，具有较强的中断处理机构。

（3）高可靠性：实时系统用于控制重要过程，要求高度可靠，具有较高冗余。如双机系统。

（4）事件驱动和队列驱动：实时系统的工作方式：接受外部消息，分析消息，调用相应处理程序进行处理。

（5）可与通用系统结合成通用实时系统：实时处理前台作业，批处理为后台作业。271.2.6通用系统(GeneralSystem)

批处理系统、分时系统和实时系统是操作系统的三种基本类型。目前的操作系统中：

1）通常具有分时、实时和批处理两种以上的功能，又称作通用操作系统。

2）通常把实时任务称为前台作业，批作业称为后台作业。

3）将批处理和分时处理相结合可构成分时批处理系统。28常用操作系统

UNIX操作系统:SUN公司的Solaris，IBM公司的AIX。

Windows操作系统:Microsoft公司的Windows系列。

Linux操作系统：Redhat,红旗Linux等。291.2.7操作系统的进一步发展２０世纪８０年代，大规模集成电路的发展，一方面迎来了个人计算机飞速发展，一方面又向网络化、分布式处理、巨型计算机、智能化方向发展。主要包括：个人计算机上的操作系统，嵌入式操作系统，网络操作系统，分布式操作系统，智能化操作系统。30

个人计算机上的操作系统

目前个人计算机上使用的操作系统以Windows系列和Linux系统为主。

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网络操作系统

计算机网络是通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互连起来的，实现信息交换，资源共享，可互操作和协作处理的系统。它具有这样的特征：

1）计算机网络是个互连的计算机系统的群体。

2）这些计算机是自治的，每台计算机有自己的操作系统，各自独立工作，它们在网络协议控制下协同工作。

3）系统互连要通过通信设施（硬件，软件）来实现。

4）系统通过通信设施执行信息交换，资源共享，互操作和协作处理，实现多种应用要求。互操作和协作处理是计算机网络应用中更高层次的要求特征。

现代操作系统的主要特征之一就是具有上网功能.3233

分布式操作系统

分布系统也可定义为通过通信网络将物理上分布的具有自治功能的数据处理系统或计算机系统互连起来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务。但还是有一些区别：

1）作为计算机网络，现在已制定了明确的通信网络协议体系结构及一系列协议族。

2）分布式系统要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性。在计算机网络中，实现全网的统一管理的网络管理系统已成为越来越重要的组成部分。

3）系统的透明性。

4）分布式系统的基础是网络。

5）分布式系统还处在研究阶段，目前还没真正实用的系统。34小结：操作系统的基本类型

随着计算机技术和软件技术长期发展，已形成了各种类型的操作系统，以满足不同的应用要求。操作系统分类主要讨论操作系统的内部特征。根据其使用环境和对作业批处理方式，操作系统有以下几种基本类型：批处理操作系统(BatchProcessingOperationSystem)分时操作系统(TimeSharingOperatingSystem)实时操作系统(RealTimeOperatingSystem)个人操作系统(PersonalOperatingSystem)网络操作系统(NOS,NetworkOperatingSystem)分布式操作系统(DistributedOperatingSystem)351.3操作系统的特性并发性共享性虚拟性异步性36并发并发性：同一时间间隔内发生两个或多个事件并行性：同一时刻内发生两个或多个事件单处理机下，并发在宏观上是并行的，在微观上是分时的多处理机下，当前需处理的进程数小于CPU数量时，并发即并行37共享

指多个计算任务（或多道程序）对系统资源的共同使用。

1）互斥时共享（如打印机的共享）

2）同时访问共享（宏观上的同时）问题：资源的分配、对数据同时存取的保护。38虚拟虚拟，即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。前者（物理实体）是实的，实际存在；而后者是虚的，是用户感觉上的东西虚拟技术：实现虚拟的技术，即~~~~在OS中，使用多种虚拟技术，分别实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等。39异步性进程在以不可预知的速度向前推进，进程之间需要通信，从而出现间接制约的情况但是，只要环境相同，作业经过多次的运行，所获得的结果也应该是完全相同的。允许异步运行方式，是操作系统的一个重要特征。401.4操作系统功能

操作系统的基本功能：处理机管理、存储管理、设备管理、文件系统管理（信息管理）、用户接口。411.4.1处理机管理

在多道程序或多用户的情况下，要组织多个作业同时运行，就要解决对处理机分配调度策略，分配实施和资源回收等问题。这就是处理机管理功能。

421.4.2存储管理

主要工作：对内部存储器进行分配，保护和扩充。

主要包括：

(1)存储分配与回收：内存分配所要解决的问题。

(2)存储保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如：访问合法性检查、甚至要防止从“垃圾”中窃取其他进程的信息。

(3)

地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地址的映射。

(4)

内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存利用率、扩大进程的内存空间。431.4.3设备管理1）通道，控制器，输入输出设备的分配和管理。2)设备独立性。44

我们把程序和数据统称为信息或文件。

信息的共享，保密和保护也是文件系统所要解决的。1.4.4文件系统管理451.4.5用户接口

操作系统向上提供两种接口：

(1)程序一级的接口：提供一组广义指令(或称系统调用、程序请求)供用户程序和其他系统程序调用。当这些程序要求进行数据传输、文件操作或有其他资源要求时，通过这些广义指令向操作系统提出申请，并由操作系统代为完成。

(2)作业一级的接口：提供一组控制操作命令(或称作业控制语言，或象UNIX中的shell命令语言)供用户去组织相控制自己作业的运行。作业控制方式典型地分两大类：脱机控制和联机控制。操作系统提供脱机控制作业语言和联机控制作业控制语言。461.5操作系统的设计目标1可靠性

包括正确性和健壮性2高效性

目态：为用户服务的状态（用户态）

管态：为用户服务或做系统维护工作的状态（系统态）Tu—目态下运行程序所用的时间Tsu—管态下运行程序为用户服务的时间Tsm--管态下运行程序做系统工作的时间473易维护性

包括易读性、易扩充性、易剪裁性和易修改性。4可移植性

可移植性指把一个程序从一个计算机环境移到另一个计算机环境中并能正常运行的特性。为了使操作系统具备可移植性，应当使操作系统程序中与硬件相关的部分相对独立，并且位于操作系统程序的底层，移植时只需修改这一部分。485安全性6可适应性7简明性491.6有关操作系统的研究目前的操作系统是一个大的、不灵活、不可靠、不安全且带有错误的系统，而且特定的某个操作系统较其他的操作系统有更多的错误。所带来的结果是，大量的研究集中于如何构造灵活和可靠的系统。有很多研究关注微内核系统。微内核系统有一个很小的内核，这样就有机会把系统做得可靠和易于查错。典型地，微内核所做的一切就是处理低级资源管理和用户进程之间的消息传递。现在，许多有关内核的研究工作集中于构造可扩展的操作系统。这些系统是典型的微内核系统，并且具有扩展或者沿着某个方向定制它的能力。501.6有关操作系统的研究消除庞大、错误多、不可靠的操作系统的处理方式之一是使操作系统更小些。另一种更加彻底的方法是整个消除操作系统。麻省理工学院的Kaashoek小组就采用这种处理方式。其想法是：有一薄层软