計算機操作系統(tǒng)第三版一

1、第一章 操作系統(tǒng)引論主要內(nèi)容目標(biāo)和作用發(fā)展過程基本特征主要功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(自學(xué)）第一章 操作系統(tǒng)引論計算機系統(tǒng)組成： 軟件：應(yīng)用軟件 系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)和常用的例行服務(wù)程序） 硬件：輸入輸出（IO）設(shè)備存儲器（MEMORY） 處理器（CPU）1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用一、操作系統(tǒng)的目標(biāo)二、操作系統(tǒng)的作用三、推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用一、操作系統(tǒng)的目標(biāo)1.有效性：使計算機資源的使用更有效，使資源利用率更高，提高系統(tǒng)吞吐量。2.方便性：使計算機系統(tǒng)更易于使用。3.可擴充性：必須能方便地開發(fā)、測試和引進(jìn)新的系統(tǒng)功能，以適應(yīng)計算機硬件和體系結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展以及應(yīng)

2、用不斷擴大的要求。4. 開放性：必須能提供統(tǒng)一開放的環(huán)境，以使其應(yīng)用在不同的系統(tǒng)中具有可移植性，并使不同的系統(tǒng)能夠通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成，從而能正確、有效地協(xié)同工作。二、操作系統(tǒng)的作用三、推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用一、操作系統(tǒng)的目標(biāo)二、操作系統(tǒng)的作用1、OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口2、OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者3、OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象（擴充機或虛擬機）三、推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力系統(tǒng)調(diào)用方式命令方式圖形窗口方式1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用一、操作系統(tǒng)的目標(biāo)二、操作系統(tǒng)的作用1、OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口2、OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者

3、3、OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象（擴充機或虛擬機）三、推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力處理機管理， 用于分配和控制處理機；存儲器管理，主要負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配與回收；I/O設(shè)備管理，負(fù)責(zé)I/O設(shè)備的分配與操縱；文件管理，負(fù)責(zé)文件的存取、共享和保護(hù)。1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用一、操作系統(tǒng)的目標(biāo)二、操作系統(tǒng)的作用1、OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口2、OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者3、OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象（擴充機或虛擬機）三、推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力通常把覆蓋了軟件的機器稱為擴充機器（Extended Machine）或虛機器（Virtual Machine）。1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用一

4、、操作系統(tǒng)的目標(biāo)二、操作系統(tǒng)的作用三、推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力1、不斷提高計算機資源利用率2、方便用戶3、器件的不斷更新?lián)Q代4、計算機體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)分時系統(tǒng)實時系統(tǒng)1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程年代年代名稱名稱元件元件語言語言應(yīng)用應(yīng)用第一代第一代1946年年1957電子管計算機電子管計算機電子管電子管 機器語言機器語言 匯編語言匯編語言 科學(xué)計算科學(xué)計算 第二代第二代19581964晶體管計算機晶體管計算機 晶體管晶體管 高級程序高級程序設(shè)計語言設(shè)計語言 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 第三代第三代19651970集成電路計算機集

5、成電路計算機 中小規(guī)模中小規(guī)模集成電路集成電路 高級程序高級程序設(shè)計語言設(shè)計語言 廣泛應(yīng)用到廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域各個領(lǐng)域 第四代第四代 1970年現(xiàn)年現(xiàn)在在 集成電路計算機集成電路計算機 集成電路集成電路 面向?qū)ο蟮拿嫦驅(qū)ο蟮母呒壵Z言高級語言網(wǎng)絡(luò)時代網(wǎng)絡(luò)時代 補充：計算機的發(fā)展1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng) 人工操作方式缺點： (1) 用戶獨占全機 (2) CPU等待人工操作。 脫機輸入/輸出（Off-Line I/O）方式1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)人工操作方式脫機輸入/輸出（Off-Line I/O）方式

6、優(yōu)點：減少了CPU的空閑時間。 (1)(2) 提高I/O速度。 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)(1946-50年代末) 沒有系統(tǒng)軟件，用戶直接用機器語言編程。在上機時獨占全部資源。用戶既是程序員又是操作員。 缺點：CPU工作時間大量被浪費編程困難、操作困難1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程單道批處理系統(tǒng)(simple batch processing system)1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程單道批處理系統(tǒng)單道程序運行情況 用戶程序監(jiān)督程序I/O操作計算請求輸入啟動I/O結(jié)束中斷I/O完成繼續(xù)計算特點：自動性、順序性、單道性多道程序運行多道程序運行1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程單道批處理系

7、統(tǒng)把下一個作業(yè)的源程序轉(zhuǎn)換為目標(biāo)程序？源程序有錯嗎？裝配目標(biāo)程序運行目標(biāo)程序還有下一個作業(yè)？開始停止否是是否程序數(shù)據(jù)處理步驟1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程單道批處理系統(tǒng) 優(yōu)點：解決了作業(yè)自動轉(zhuǎn)接問題缺點：作業(yè)的輸入和執(zhí)行結(jié)果的輸出過程中，CPU處于等待狀態(tài)中。1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程多道批處理系統(tǒng)(Multiprogrammed batch processing system)60年代中前提：中斷技術(shù)、通道技術(shù)的出現(xiàn)思想：用戶提交的作業(yè)先在外存排成隊列（后備隊列），由作業(yè)調(diào)度程序按照一定的算法從中選擇若干作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，共享系統(tǒng)中的各種資源。a、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 b、 運行示意圖專門用于負(fù)責(zé)輸入輸出的硬

8、件裝置(輸入輸出處理機)1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程多道批處理系統(tǒng)(Multiprogrammed batch processing system)提交狀態(tài)后備狀態(tài)運行狀態(tài)完成狀態(tài)P1P2P3cpuI/O1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程多道批處理系統(tǒng)(Multiprogrammed batch processing system)運行程序A程序B程序C程序D從處理器看運行運行 運行 運行 運行 運行 運行時間單道程序運行單道程序運行運行I/O運行運行I/O運行1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程多道批處理系統(tǒng)好處： 提高CPU的利用率(理論上可從7提高到100) (2) 可提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率(3) 增加

9、系統(tǒng)吞吐量特征： 多道性、無序性、調(diào)度性1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程多道批處理系統(tǒng)優(yōu)點(1) 資源利用率高。 (2) 系統(tǒng)吞吐量大。 缺點(3) 平均周轉(zhuǎn)時間長。 (4) 無交互能力。 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程多道批處理系統(tǒng) 需要解決的問題 (1) 處理機管理：分配、回收。 (2) 內(nèi)存管理問題：存儲保護(hù)機制。 (3) I/O設(shè)備管理問題：I/O設(shè)備合理分配機制。 (4) 文件管理問題：檢索、存儲。 (5) 作業(yè)管理問題：作業(yè)調(diào)度算法（短優(yōu)先、I/O型與CPU型搭配、。 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 操作系統(tǒng)的定義一組控制和管理計算機硬件和軟件資源、合理地對各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)度、以及方便用戶使用的程

10、序的集合。說明：操作系統(tǒng)是軟件，是系統(tǒng)軟件，是由一整套程序組成基本職能：控制和管理系統(tǒng)內(nèi)各種資源，有效地組織多道程序地運行提供眾多服務(wù)，方便用戶使用，擴充硬件功能。操作系統(tǒng)的地位：其他軟件的支撐環(huán)境1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 首次面對重大失?。菏状蚊鎸χ卮笫。?- MULTICS 于 1963 年開始， 直至 1969 年才發(fā)布 - IBM 的 OS/360 發(fā)布時， 帶著已知的 1000 個錯誤MULTICS的災(zāi)難 1965年在ARPA的支持下MIT、貝爾實驗室和通用電氣公司決定開發(fā)一種“公用計算服務(wù)系統(tǒng)”， 希望能夠同時支持整個波士頓所有的分時用戶。該系統(tǒng)稱作MULTICS (MULTi

11、plexed Information and Computing Service ) MULTICS設(shè)計目標(biāo)是：便利的遠(yuǎn)程終端使用，大量終端通過電話線接入計算機主機 高可靠的大型文件系統(tǒng)；大容量的用戶信息共享；存儲和構(gòu)造層次化信息結(jié)構(gòu)的能力 MULTICS研制難度超出了所有人預(yù)料 長期研制工作達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，1969年4月貝爾實驗室退出，通用電氣公司也退出了 但最終，經(jīng)過多年的努力，MULTICS成功地應(yīng)用 運行MULTICS的計算機系統(tǒng)在九十年代中陸續(xù)被關(guān)閉 MULTICS引入了許多現(xiàn)代操作系統(tǒng)領(lǐng)域概念雛形，對隨后操作系統(tǒng)特別是UNIX的成功有著巨大的影響 MULTICS的災(zāi)難1.2 操作系

12、統(tǒng)的發(fā)展過程分時系統(tǒng)(Time-Sharing Operating System)實現(xiàn)思想：一臺主機周圍聯(lián)接多個終端，多個用戶通過不同的終端共享使用主機資源。關(guān)鍵問題： 及時接收。 及時處理。主機CPU內(nèi)存用戶用戶用戶1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程分時系統(tǒng)(Time-Sharing System)特征 ：(1)多路性。(宏觀：多用戶同時工作，共享系統(tǒng)資源；微觀：用戶作業(yè)輪流運行 )(2) 獨立性。 (3) 及時性。 (4) 交互性。 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 第一個分時系統(tǒng)由 MIT的Fernando Corbato 等1961年在一改裝的IBM 7090/94機上開發(fā)成功當(dāng)時有32個交互式用戶

13、 IBM 7090/94計算機有32K內(nèi)存，系統(tǒng)用5K，用戶用27K，用戶存儲映象在內(nèi)存和一臺磁鼓之間切換 1962年Manchester大學(xué)的Atlas計算機投入運行 運行速度200 kFLOPS 第一個有虛擬存儲器(virtual memory)和頁面調(diào)度(paging) 的機器 指令執(zhí)行是管道式(pipelined)的1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 成功：一群計算機迷 ( Thompson, Ritchie ) 在貝爾實驗室發(fā)展出了UNIX。Ken Thompson，Dennis Ritchie1983年圖靈獎獲得者1999年4月 美國國家技術(shù)金獎1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 1969年，在貝

14、爾退出MULTICS研制項目后，Ken Thompson和Dennis M. Ritchie 想申請經(jīng)費買計算機從事操作系統(tǒng)研究，但多次申請得不到批準(zhǔn) 項目無著落，他們在一臺無人用的PDP-7上，重新擺弄原先在MULTICS項目上設(shè)計的“空間旅行”游戲 為了使游戲能夠在PDP-7上順利運行，他們陸續(xù)開發(fā)了浮點運算軟件包、顯示驅(qū)動軟件，設(shè)計了文件系統(tǒng)、實用程序、shell 和匯編程序 到了1970年，在一切完成后，給新系統(tǒng)起了個同MULTICS發(fā)音相近的名字UNIX 隨后，UNIX用C語言全部重寫，自此，UNIX誕生了1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程實時系統(tǒng)（real-time system) 應(yīng)用需

15、求(1)實時控制。 (2)實時信息處理。指對隨機發(fā)生的外部事件做出及時的響應(yīng)并對其進(jìn)行處理。（所謂事件時指來自與計算機系統(tǒng)相連接的設(shè)備所提出的服務(wù)要求和采集數(shù)據(jù)） 定義實時系統(tǒng)：指系統(tǒng)能及時（或即時）響應(yīng)外部 事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件 的處理，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運 行。1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程實時系統(tǒng) 實時任務(wù) 按任務(wù)執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性來劃分(1)周期性實時任務(wù)。 (2)非周期性實時任務(wù)。A.開始截止時間任務(wù)在某時間以前必須開始執(zhí)行；B.完成截止時間任務(wù)在某時間以前必須完成。2) 根據(jù)對截止時間的要求來劃分(1) 硬實時任務(wù)(hard real-time task)

16、。(2) 軟實時任務(wù)(Soft real-time task)。1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程實時系統(tǒng) 實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較 (1) 多路性。 (2) 獨立性。 (3) 及時性。 (4) 交互性。 (5) 可靠性。1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 6、微機操作系統(tǒng)的發(fā)展 單用戶單任務(wù) CP/M MS-DOS 單用戶多任務(wù) Windows 多用戶多任務(wù) Solaris OS:SUN Linux OS:史上十大失敗操作系統(tǒng) OS/360，IBM公司，1964ITS, 60年代后期GNU Hurd，1983年發(fā)布，至今仍不完整Windows 1.01, 1985MS-DOS 4.0, 1988SCO

17、Open Desktop, 1989JavaOS, 1996Windows Me (Millennium Edition), 2000Lindows/Linux XP Desktop, 2001/2006Windows Vista, 20061.3 操作系統(tǒng)的基本特性 并發(fā)(Concurrence) 共享(Sharing) 虛擬(Virtual) 異步性(Asynchronism) 并行性：是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生；并發(fā)性：是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。1.3 操作系統(tǒng)的基本特性 并發(fā)(Concurrence) 共享(Sharing) 虛擬(Virtual) 異步性(Asyn

18、chronism) 互斥共享方式 同時訪問方式1.3 操作系統(tǒng)的基本特性 并發(fā)(Concurrence) 共享(Sharing) 虛擬(Virtual) 異步性(Asynchronism) “虛擬”：是指通過某種技術(shù)把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。相應(yīng)地，用于實現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。1.3 操作系統(tǒng)的基本特性 并發(fā)(Concurrence) 共享(Sharing) 虛擬(Virtual) 異步性(Asynchronism) 進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，此即進(jìn)程的異步性。1.4 操作系統(tǒng)的主要功能處理機管理功能 進(jìn)程控制：創(chuàng)建與撤銷、狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)程同步 進(jìn)程互斥方式， 這是指

19、諸進(jìn)程(線程)在對臨界資源進(jìn)行訪問時， 應(yīng)采用互斥方式； 進(jìn)程同步方式，指在相互合作去完成共同任務(wù)的諸進(jìn)程(線程)間，由同步機構(gòu)對它們的執(zhí)行次序加以協(xié)調(diào)。 進(jìn)程通信 調(diào)度1.4 操作系統(tǒng)的主要功能 存儲器管理功能主要任務(wù)是為多道程序的運行提供良好的環(huán)境，方便用戶使用存儲器，提高存儲器的利用率，以及能從邏輯上來擴充內(nèi)存，為此，存儲器管理應(yīng)具有以下功能：內(nèi)存分配、內(nèi)存保護(hù)、地址映射、內(nèi)存擴充1.4 操作系統(tǒng)的主要功能存儲器管理功能 1 內(nèi)存分配 分配方式：靜態(tài)分配方式、動態(tài)分配方式在內(nèi)存分配的機制中應(yīng)具有這樣的結(jié)構(gòu)和功能： 內(nèi)存分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 內(nèi)存分配功能 內(nèi)存回收功能2 內(nèi)存保護(hù) 確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運行，彼此互不干擾。1.4 操作系統(tǒng)的主要功能存儲器管理功能 3 地址映射 “邏輯地址”或“相對地址”。 “物理地址”。 4 內(nèi)存擴充 借助于虛擬存儲技術(shù)，從邏輯上去擴充內(nèi)存容量 為了能在邏輯上擴充內(nèi)存，系統(tǒng)必須具有內(nèi)存擴充機制， 用于實現(xiàn)下述各功能： (1) 請求調(diào)入功能。 (2) 置換功能。 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能設(shè)備管理功能緩沖管理設(shè)備分配和設(shè)備處理虛擬設(shè)備等功能。 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能文件管理功能 1) 文件存儲空間的管理 相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲空間的分配和回收功能。 通常是采用離散分配方式，以減少外存零頭，并以盤塊為基本分配單位。盤塊的大小通常為5