《操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用(Linux)》第1章-操作系統(tǒng)概論

1、操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用(Linux)第1章-操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用(Linux)第1章-操作系統(tǒng)概論 本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 本章主要講解操作系統(tǒng)的基本知識。通過本章學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)該掌握以下內(nèi)容： 操作系統(tǒng)的功能和地位 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 操作系統(tǒng)的特征 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論3教學(xué)內(nèi)容第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論5操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中具有一定功能的軟件系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的目標(biāo)是方便用戶使用計算機系統(tǒng)和提高計算機系統(tǒng)資源利用率。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論61作業(yè)控制級接口 作業(yè)：用戶上機所作的一系列順序相關(guān)的工作。一道作業(yè)由若干順序相關(guān)的作業(yè)步構(gòu)成。例如，我

2、們上機編程要經(jīng)歷如下步驟：第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論7 第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論8編 輯編 譯連 接運 行源程序目標(biāo)程序可執(zhí)行程序第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論9由一組鍵盤字符命令（或鼠標(biāo)命令）和命令解釋器組成，使用戶可以聯(lián)機交互方式使用計算機。用戶每次鍵入一個合法命令（解釋器能執(zhí)行的命令），啟動一個作業(yè)步；一個作業(yè)步運行完畢后，再鍵入下一個命令名，啟動下一個作業(yè)步。在一個作業(yè)步結(jié)束后，若發(fā)現(xiàn)錯誤，可以由用戶修正錯誤，然后重新啟動該作業(yè)步。用戶可根據(jù)作業(yè)運行情況隨時進行作業(yè)步的調(diào)整。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論10操作命令的形式為作業(yè)控制語言，用戶以脫機批處

3、理方式使用計算機。用戶對作業(yè)流程的控制意圖是利用作業(yè)控制語言書寫成一份作業(yè)說明書來表達的。上機時，用戶將作業(yè)控制說明書交給系統(tǒng)，系統(tǒng)逐條解釋執(zhí)行說明書中的命令。在這種方式下，用戶一旦提交了作業(yè)，作業(yè)流程就由操作系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)控制說明書自動控制，用戶無法干預(yù)該作業(yè)的運行。因此，用戶必須事先設(shè)計好作業(yè)流程，還要預(yù)測作業(yè)運行過程中可能出現(xiàn)的錯誤，并給出發(fā)生錯誤時的處理方法。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論11操作系統(tǒng)提供的程序級接口由一組系統(tǒng)功能調(diào)用命令以及完成這些命令的程序模塊組成。為方便用戶編程，提高編程效率，規(guī)范編程，操作系統(tǒng)提供了完成某些通用功能的程序提供用戶在開發(fā)應(yīng)用程序時調(diào)用。不同的操

4、作系統(tǒng)提供了不同的系統(tǒng)功能調(diào)用以及調(diào)用方式。如DOS的系統(tǒng)功能調(diào)用主要是進行硬件驅(qū)動，以軟中斷INT 21H的方式提供。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論12Windows中的系統(tǒng)功能調(diào)用要比DOS豐富，且層次要高，不只局限于硬件驅(qū)動，以用戶可在編程語言中使用的應(yīng)用編程接口函數(shù)的方式提供，稱為APIApplication Programming Interface 。使用Windows的API函數(shù)，可以提高編程效率，并規(guī)范Windows環(huán)境下的編程，如可開發(fā)具有統(tǒng)一風(fēng)格的應(yīng)用程序窗口界面，這會使得軟件用戶能很快熟悉該軟件的窗口界面而不必重新學(xué)習(xí)。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論13計算機

5、系統(tǒng)中的資源包括硬件資源和軟件資源。硬件資源有：處理機、存儲器、外部設(shè)備；軟件資源有：程序和數(shù)據(jù)。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論14處理機的任務(wù)是運行程序，我們把程序在某個數(shù)據(jù)對象上的一次運行過程稱為進程，處理機管理又稱為進程管理。在單處理機系統(tǒng)中，程序有兩種運行方式：單道程序順序執(zhí)行，多道程序并發(fā)執(zhí)行。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論15單道程序順序執(zhí)行：要執(zhí)行的多個程序按一定次序依次執(zhí)行，一個程序運行完畢才能運行下一個程序，即在一個程序運行期間不插入運行其他程序。這種運行方式的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，不需要在多個進程之間進行轉(zhuǎn)換；缺點是資源利用率低。 多道程序并發(fā)執(zhí)行：在內(nèi)存中同時存放多

6、道程序，按一定策略調(diào)度多道程序交叉運行，形成“微觀上串行、宏觀上并行”的情況。這使得處理機和設(shè)備可以并行工作，當(dāng)某個進程在進行輸入輸出操作時，可以同時有另一個進程在處理機上進行計算。 第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論16計算機系統(tǒng)采用了馮諾依曼提出的存儲程序原理，即把要運行的程序先一次性存放在存儲器中，然后由處理機自動從存儲器中依次取出程序指令運行，處理機的運行過程就是不斷地取指令、執(zhí)行指令循環(huán)往復(fù)的過程，每次取一條指令，執(zhí)行一條指令。則存儲器是計算機系統(tǒng)中的重要資源與處理機一起稱為計算機系統(tǒng)中的主機。因此，程序的運行機構(gòu)不只是處理機，而是由處理機和存儲器構(gòu)成的主機。第第1章章 操作系統(tǒng)概

7、論操作系統(tǒng)概論17在多道程序環(huán)境中，要在內(nèi)存中同時存放多道程序，則必須對內(nèi)存進行合理管理以保證程序的順利運行，并提高內(nèi)存的利用率。操作系統(tǒng)提供如下存儲管理功能：（1）內(nèi)存分配（2）地址轉(zhuǎn)換（3）內(nèi)存保護（4）內(nèi)存擴充第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論18設(shè)備管理的任務(wù)是：接受用戶程序提出的I/O請求，為用戶程序分配I/O設(shè)備；使CPU和I/O設(shè)備并行操作，提高CPU和I/O設(shè)備的利用率；提高I/O速度；方便用戶程序使用I/O設(shè)備。為完成以上任務(wù)，操作系統(tǒng)的設(shè)備管理子系統(tǒng)應(yīng)該具有設(shè)備分配、緩沖管理、設(shè)備驅(qū)動、設(shè)備無關(guān)性等功能。 第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論19設(shè)備無關(guān)性又稱設(shè)備獨立性。

8、即用戶編寫的應(yīng)用程序與實際使用的物理設(shè)備無關(guān)。用戶編寫的應(yīng)用程序中不直接指定使用哪臺具體的物理設(shè)備，而是使用操作系統(tǒng)提供的邏輯設(shè)備，然后由操作系統(tǒng)把用戶程序中使用的邏輯設(shè)備映射到具體的物理設(shè)備，實施具體的I/O操作。這樣做的一個明顯好處是用戶應(yīng)用進程的運行不取決于某臺具體物理設(shè)備的狀態(tài)，而由操作系統(tǒng)為其分配一臺合適的設(shè)備完成I/O操作。這樣會避免出現(xiàn)有設(shè)備可用但進程卻無法運行的情況。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論20計算機系統(tǒng)中的軟件資源（程序和數(shù)據(jù)的集合）不是一次性用品，用了一次后就再也不用了，而是要反復(fù)利用的，因此要永久保存（相對于內(nèi)存的暫時存儲而言）起來，如銀行中的存貸款數(shù)據(jù)、學(xué)校

9、的學(xué)籍管理軟件和學(xué)籍?dāng)?shù)據(jù)等等。軟件資源以文件的形式存放在外部存儲介質(zhì)中，供用戶反復(fù)使用。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論21操作系統(tǒng)中對文件進行管理的子系統(tǒng)稱為文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)的任務(wù)是：為用戶提供一種簡便的、統(tǒng)一的存取和管理文件的方法，對用戶而言，按名存取是一種簡便的存取文件的手段；實現(xiàn)文件的共享；維護文件的秘密和安全。 第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論22文件管理具體有如下功能：（1）文件存儲空間的管理（2）目錄管理（3）文件操作（4）文件的存取權(quán)限控制根據(jù)以上所述操作系統(tǒng)的功能，我們可以給操作系統(tǒng)下一個描述性的定義：操作系統(tǒng)是一個軟件系統(tǒng)，它控制和管理計算機系統(tǒng)內(nèi)各種硬件和軟件資

10、源，提供用戶與計算機系統(tǒng)之間的接口。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論231.3.1 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的需要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)展第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論24此時，人們采用手工方式使用計算機，用戶一個挨一個地輪流使用計算機。每個用戶的工作過程大致是：先把程序紙帶（或卡片）裝到輸入機上，然后啟動輸入機把程序和數(shù)據(jù)輸入計算機存儲器，接著利用控制臺開關(guān)啟動程序開始執(zhí)行。計算結(jié)束，用戶取走打印出來的結(jié)果，并卸下紙帶.第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論25在這個過程中，需要人工裝卸紙帶、人工控制程序運行。手工操

11、作速度相對于計算機的運行速度而言是很慢的，因此在使用計算機完成某一工作的整個過程中，手工操作時間占了很大的比例，而計算機運行時間所占比例較小，這就形成了明顯的人機矛盾，致使計算機資源利用率很低，從而使計算機工作效率很低。在早期計算機運行速度較慢的時候，這種狀況還是可以容忍的。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論26單道批處理系統(tǒng)在當(dāng)時稱為監(jiān)督程序，是操作系統(tǒng)的雛形。監(jiān)督程序常駐內(nèi)存，在它的控制下，實現(xiàn)了作業(yè)的自動過渡，從而去掉了原先的作業(yè)過渡時的手工操作。此時，出現(xiàn)了匯編語言、高級語言編程工具，每一種語言編譯程序（如匯編語言或某種高級語言的編譯程序）、實用程序（如連接程序）都作為監(jiān)督程序的子例

12、程，當(dāng)需要用到它們時由監(jiān)督程序進行調(diào)用。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論27早期的批處理分為聯(lián)機批處理和脫機批處理兩種。1. 聯(lián)機批處理操作員把一批作業(yè)裝到輸入設(shè)備上（紙帶輸入機/卡片閱讀機），然后由監(jiān)督程序控制把這批作業(yè)輸入到磁帶上，之后在監(jiān)督程序的控制下，使這批作業(yè)一個接一個的連續(xù)執(zhí)行，直至磁帶上的所有作業(yè)運行完畢。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論28第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論29 脫機批處理輸入帶主 機輸出帶輸入帶讀卡機打印機輸出帶衛(wèi)星機卡片為了進一步提高資源利用率，從而最終提高系統(tǒng)吞吐量（系統(tǒng)在單位時間內(nèi)完成的總工作量），在60年代中期引入了多道程序并發(fā)執(zhí)行技術(shù)，從而

13、形成了多道批處理系統(tǒng)。多道程序并發(fā)執(zhí)行的基本思想是：在內(nèi)存中同時存放多道程序，在操作系統(tǒng)的控制下交替執(zhí)行。在多道批處理系統(tǒng)中，用戶提交的作業(yè)都先存放在外存中并排成一個隊列，稱為后備隊列，然后由作業(yè)調(diào)度程序按一定的策略從后備隊列中選擇若干作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們并發(fā)運行，從而共享系統(tǒng)中的各種資源，提高資源利用率，最終提高系統(tǒng)吞吐量。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論30多道程序并發(fā)執(zhí)行系統(tǒng)的特征：（1）多道性（2）調(diào)度性（3）宏觀上并行，微觀上串行（4）異步性第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論31在分時系統(tǒng)中，雖然若干用戶通過各自的終端共享一臺主機，但是在操作系統(tǒng)的管理下，每個用戶都感覺自己在獨

14、占一臺主機。分時系統(tǒng)采用的策略是：基于主機的高速運行，分時為終端用戶服務(wù)。即主機按一定次序輪流為各終端用戶服務(wù)，每個用戶一次僅使用主機很短的一段時間（稱為時間片，毫秒級），在分得的時間片內(nèi)若用戶沒有完成工作則暫時中斷，將處理機分配給下一個用戶。雖然在一個用戶使用主機時其他用戶處于等待狀態(tài)，但是等待的時間很短，用戶感覺不到，從而每個用戶的各次請求都能得到快速響應(yīng)，給每個用戶的印象是：他獨占一臺計算機。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論32分時系統(tǒng)具有以下特征：（1）多個用戶同時聯(lián)機操作（2）各用戶獨立（3）交互性第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論331. 實時控制實時控制當(dāng)把計算機用于生產(chǎn)過

15、程的控制，以形成以計算機為中心的控制系統(tǒng)時，系統(tǒng)要求能實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對所采集的數(shù)據(jù)進行及時處理，進而自動地控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，使某些（個）參數(shù)（如溫度、壓力、方位等）能按預(yù)定的規(guī)律變化。類似地，也可將計算機用于武器的控制，如火炮自動控制系統(tǒng)、飛機的自動駕駛系統(tǒng)，以及導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)等。通常把要求進行實時控制的系統(tǒng)稱為實時控制系統(tǒng)。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論34通常，我們把要求對信息進行實時處理的系統(tǒng)，稱為實時信息處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一臺或多臺主機通過通信線路連接成百上千個遠(yuǎn)程終端，計算機接收從遠(yuǎn)程終端發(fā)來的服務(wù)請求，對數(shù)據(jù)進行檢索和處理，并及時將結(jié)果反饋給用戶。典型的實時信息處理系

16、統(tǒng)有：飛機訂票系統(tǒng)、情報檢索實時系統(tǒng)的特征：（1）及時性（2）可靠性第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論351. 單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng) 單用戶單任務(wù)是指，只允許一個用戶上機，用戶要運行的多個程序要按一定次序依次執(zhí)行，不能交替執(zhí)行。這是最簡單的微機操作系統(tǒng)，代表性產(chǎn)品是：CP/M和MS-DOS。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論36單用戶多任務(wù)是指，只允許一個用戶上機，但是可以并發(fā)執(zhí)行多道程序，從而充分利用系統(tǒng)資源，滿足用戶同時執(zhí)行多個任務(wù)的需求，如一邊打字一邊聽音樂。代表性產(chǎn)品是OS/2和Windows。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論37微機是面向個人用戶而開發(fā)的，

17、所以一般由單個用戶使用，配置單用戶操作系統(tǒng)。但是這并不意味著微機不可由多個用戶同時聯(lián)機使用，特別是現(xiàn)在的微機與小型機的差距已經(jīng)很小，只要在微機上配置多用戶操作系統(tǒng)就可以使微機同時為多個用戶服務(wù)。具有代表性的產(chǎn)品是UNIX、LINUX。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論38為了實現(xiàn)計算機之間的數(shù)據(jù)通信和資源共享，把分布在各處的計算機通過通信線路連接在一起，構(gòu)成一個系統(tǒng)，這就是計算機網(wǎng)絡(luò)。計算機網(wǎng)絡(luò)要有一個網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)對整個網(wǎng)絡(luò)實施管理，并為用戶提供統(tǒng)一的、方便的網(wǎng)絡(luò)接口。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)一般建立在各個主機的本地操作系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，其功能是：實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、資源共享和保護，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)接口。第第1

18、章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論39大量的實際應(yīng)用要求一個完整的一體化的系統(tǒng)。在分布式系統(tǒng)中，有一個全局的分布式操作系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度、任務(wù)劃分、信息傳輸、控制協(xié)調(diào)等工作，并為用戶提供一個統(tǒng)一的界面。用戶通過這一界面實現(xiàn)所需的操作和使用系統(tǒng)資源，至于操作是在哪一臺計算機上資源是系統(tǒng)的事，用戶不必知道，即系統(tǒng)對用戶是透明的。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論40并發(fā)性共享性異步性虛擬性其中，并發(fā)性是操作系統(tǒng)的最基本的特征。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論41 一般而言，操作系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)：層次結(jié)構(gòu)、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。1.5.1 層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu) 層次結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的設(shè)計思想是：按照操作系統(tǒng)各模塊的功能和相互依存關(guān)系，把系統(tǒng)中的模塊分為若干層次，其中任一層（除底層模塊）都建立在它下面一層的基礎(chǔ)上，每一層僅使用其下層所提供的服務(wù)。第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論42微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的。其基本思想是：把操作系統(tǒng)中的基本功能模塊組織為微內(nèi)核，其他功能模塊盡量放到核外