操作系統(tǒng) 第1章

1、計算機操作系統(tǒng)主講教師：主講教師： 劉詠梅劉詠梅 安春燕安春燕 白翔宇白翔宇內蒙古大學計算機學院內蒙古大學計算機學院計算機操作系統(tǒng)參考書：1、計算機操作系統(tǒng)（湯子瀛著）西安電子科技大學2、現(xiàn)代操作系統(tǒng)（陳向群譯）機械工業(yè)出版社3、操作系統(tǒng)精髓與設計原理（William Stallings著）清華大 學出版社4、實用操作系統(tǒng)概念（Abraham Silberschatz著） 高等教育 出版社5、 操作系統(tǒng)原理教程（孟靜著）清華大學出版社第一章第一章 操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)引論1.1 1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)1.2 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展1.3 1.3 操作系統(tǒng)的特征和功能

2、操作系統(tǒng)的特征和功能1.4 1.4 操作系統(tǒng)的結構操作系統(tǒng)的結構1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)一、計算機系統(tǒng)組成一、計算機系統(tǒng)組成 中央處理機（中央處理機（CPU） 硬件硬件 內存內存 I/O設備設備（鍵盤、顯示器、打字機、鼠標） 外部設備外部設備 存儲設備存儲設備（硬盤、軟盤、光盤、磁帶） 其它設備其它設備（MODEM、通信口） 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、Turbo-C、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)） 軟件軟件 應用軟件應用軟件 （CAD、游戲、用戶自己開發(fā)的系統(tǒng)等） 一個現(xiàn)代計算機系統(tǒng)CPU磁盤磁盤驅動器驅動器打印機打印機驅動器驅動器磁帶磁帶驅動器驅動器存儲器驅動器存儲器驅動器 磁盤磁盤 磁盤磁

3、盤打印機打印機磁帶磁帶存儲器存儲器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)二、操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位二、操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位應用軟件應用軟件其它系統(tǒng)軟件其它系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)計算機硬件（裸機）計算機硬件（裸機） 操作系統(tǒng)的地位：操作系統(tǒng)的地位： 配置在硬件之上的配置在硬件之上的第一層軟件；第一層軟件； 對硬件功能的第一對硬件功能的第一次擴充。次擴充。1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)應用軟件應用軟件其它系統(tǒng)軟件其它系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)計算機硬件（裸機）計算機硬件（裸機）普通用戶普通用戶操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)開發(fā)人員開發(fā)人員三、用戶使用操作系統(tǒng)的途徑三、用戶使用操

4、作系統(tǒng)的途徑1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng) 1. 方便性：使計算機系統(tǒng)更容易使用。 2. 有效性：提高計算機系統(tǒng)的資源利用率； 提高系統(tǒng)的吞吐量。 3. 可擴充性：允許改進老的功能及增加新的功能。 四、設置操作系統(tǒng)的目標四、設置操作系統(tǒng)的目標1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)五、操作系統(tǒng)的作用五、操作系統(tǒng)的作用 v作用作用1 1：操作系統(tǒng)是用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口。操作系統(tǒng)是用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口。操作系統(tǒng)為用戶和程序員提供的服務：操作系統(tǒng)為用戶和程序員提供的服務： 1.負責程序的創(chuàng)建、啟動、執(zhí)行和結束處理。 2.訪問I/O設備。 3.控制文件存取。 4.通信。 5.差錯

5、檢測。接口類型：接口類型： 1.命令接口：例如DOS命令。 2.程序接口：即系統(tǒng)調用，例如編程中使用的read命令。 3.圖形接口：例如WINDOWS圖標。1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)包括：包括： 1.CPU管理； 2.存儲器管理； 3.I/O設備管理； 4.文件管理。五、操作系統(tǒng)的作用五、操作系統(tǒng)的作用 v作用作用2 2：操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的資源管理者，它負責 計算機系統(tǒng)的全部資源的分配、控制、調度和回收。1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)五、操作系統(tǒng)的作用五、操作系統(tǒng)的作用 v作用作用3 3：操作系統(tǒng)隱蔽硬件特性，為用戶提供了一臺等 價的擴充機器（虛擬機）。虛擬機：虛擬機：覆蓋

6、了軟件、功能變得更加強大的機器。例：只能做加法的機器（只能做加法的機器（+ +）2+325先轉成先轉成2+2+2+2+2實現(xiàn)乘法的軟件（實現(xiàn)乘法的軟件（+ +和和 ）直接做直接做直接做直接做直接做直接做1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)一是自頂向下、從用戶的角度看；（作用一是自頂向下、從用戶的角度看；（作用1、3） 一是自底向上、從硬件的角度看。（作用一是自底向上、從硬件的角度看。（作用2）面對用戶、面對機器面對用戶、面對機器1.1 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)定義：操作系統(tǒng)定義： 操作系統(tǒng)是一組控制和管理計算機硬件和軟件操作系統(tǒng)是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)

7、進行調度，以及方便用資源、合理地對各類作業(yè)進行調度，以及方便用戶的程序的集合。戶的程序的集合。1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展發(fā)展原因：發(fā)展原因：內因：受計算機硬件發(fā)展的驅動。外因：受計算機應用的刺激。 與計算機系統(tǒng)發(fā)展同步與計算機系統(tǒng)發(fā)展同步1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展一、無操作系統(tǒng)時的計算機系統(tǒng)一、無操作系統(tǒng)時的計算機系統(tǒng)工作過程：工作過程： 用戶1：紙帶 紙帶輸入機 計算機 紙帶輸出機 紙帶 用戶2：工作方式：工作方式： 編程語言：機器語言。 輸入輸出：紙帶或卡片。 用戶：既是程序員，又是操作員；是計算機專業(yè)人員。1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展一、無操作系統(tǒng)時的計算機系

8、統(tǒng)一、無操作系統(tǒng)時的計算機系統(tǒng)特點：特點： 1.用戶獨占全機：不出現(xiàn)資源被其他用戶占用的情況， 資源利用率低； 2.CPU等待用戶：計算前后，手工裝卸紙帶或卡片； CPU利用率低。造成：1、人機矛盾； 2、CPU與I/O設備 速度不匹配的矛盾。 -CPU浪費嚴重!解決解決專門的操作員；批處理。1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展二、單道二、單道批處理系統(tǒng)（批處理系統(tǒng)（Simple Batch System）工作過程：工作過程： 程序員將各自的作業(yè)提交給系統(tǒng)操作員，系統(tǒng)操作員采用脫機輸入方式將多個作業(yè)組織成一批，輸入磁帶。在系統(tǒng)中配置有監(jiān)督程序，它從磁帶上讀入第一個作業(yè)并運行，其輸出寫到另一個磁

9、帶；每個作業(yè)結束后，監(jiān)督程序自動從磁帶上讀入下一個作業(yè)并運行。當這批作業(yè)全部結束后，系統(tǒng)操作員再采用脫機輸出技術將保存在磁帶上的結果打印，交給相應的程序員。提交的作業(yè)包括提交的作業(yè)包括：用戶程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書（作業(yè)控制語言） 關鍵 脫機輸入輸出技術 監(jiān)督程序：現(xiàn)代操作系統(tǒng)的前身，常駐內存 job1job2job3job4主機主機監(jiān)督程序監(jiān)督程序輸入設備輸入設備外圍機外圍機磁盤磁盤磁盤磁盤輸出設備輸出設備程序員程序員操作員操作員外圍機外圍機job1job2job3job4job1job2job3job41.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展二、單道二、單道批處理系統(tǒng)（批處理系統(tǒng)（Simple

10、Batch System）工作方式：工作方式： 編程語言：匯編語言、FORTRAN語言。 輸入輸出：磁帶。 用戶：第一次在程序員、操作員和維護員之間有了明確的分工。進步之處：進步之處： 減少了CPU的空閑時間、提高了I/O速度，從而提高了 CPU的利用率。不足之處：不足之處： I/O速度仍顯慢，使CPU許多時間空閑；無交互能力。1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展三、多道批處理系統(tǒng)三、多道批處理系統(tǒng)（Multiprogramming Batch SystemMultiprogramming Batch System）與單道批處理系統(tǒng)的區(qū)別：與單道批處理系統(tǒng)的區(qū)別： 輸入輸出：磁盤，spooli

11、ng技術（聯(lián)機）。 操作系統(tǒng)：使用多道程序技術處理作業(yè)。優(yōu)點：優(yōu)點： 1.資源利用率高； 2.系統(tǒng)吞吐量大。缺點：缺點： 1.平均周轉時間長； 2.無交互能力1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展多道程序技術：多道程序技術：多道：計算機內存中同時存放幾個用戶作業(yè)；宏觀上并行運行：內存中的幾個作業(yè)都處于運行狀態(tài)， 但都未運行完；微觀上串行運行：內存中的各作業(yè)交替使用CPU；可共享計算機系統(tǒng)中的各種軟、硬件資源。例：作業(yè)A和B在單道和多道系統(tǒng)下的運行對比。job1job2job3job4主機主機監(jiān)督程序監(jiān)督程序單道系統(tǒng)單道系統(tǒng)job1job2job3job4主機主機監(jiān)督程序監(jiān)督程序多道系統(tǒng)多道系統(tǒng)j

12、ob1job1job2job2job3job3job4job4job1job3job3job2job4job1job4job2 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9時間時間輸入機輸入機CPU打印機打印機 磁帶機磁帶機時間時間輸入機輸入機CPU打印機打印機 磁帶機磁帶機BAAAAAABBAAAAABBB單單道道多多道道1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展四、分時系統(tǒng)（四、分時系統(tǒng)（Time-sharing System）工作方式：工作方式： 一臺計算機連接多個用戶終端，允許多個用戶共享計 算機中的資源，每個用戶可通過各自的終端以交互方式 使用計算機。分類：分類： 1.單道分時系統(tǒng)

13、 2.具有“前臺”和“后臺”的分時系統(tǒng) 3.多道分時系統(tǒng)1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展四、四、分時系統(tǒng)（分時系統(tǒng)（Time-sharing System）特點：特點： 1.多路性 2.獨立性 3.及時性 4.交互性 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展五、五、實時系統(tǒng)（實時系統(tǒng)（Real-time System）實時系統(tǒng)：實時系統(tǒng)：系統(tǒng)能及時響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內 完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調一致地運行。分類：分類： 1.實時控制：例如飛機自動駕駛系統(tǒng)、工業(yè)控制等 2.實時信息處理：例如圖書管理系統(tǒng)、民航售票系統(tǒng)等特點：特點： 1.多路性 2.獨立性 3.及時性

14、 4.交互性 5.可靠性 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展六、六、微機操作系統(tǒng)微機操作系統(tǒng)應用領域：應用領域：事務處理，個人娛樂；系統(tǒng)要求：系統(tǒng)要求：使用方便、支持多種硬件和外部設備（多媒體設備、 網絡、遠程通信）、效率不必很高。常用的個人計算機操作系統(tǒng)：常用的個人計算機操作系統(tǒng)： 1.單用戶單任務：CP/M、MS-DOS 2.單用戶多任務：OS/2、MS Windows 3.多用戶多任務：UNIX1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展七、網絡操作系統(tǒng)（七、網絡操作系統(tǒng)（Network Operating System）計算機網絡：計算機網絡：一些自主的計算機系統(tǒng)，通過通信設施相互連接， 完

15、成信息交換、資源共享、互操作和協(xié)同工作等功能。計算機網絡類型：計算機網絡類型： 1.按網絡拓撲：星形、樹形、總線形、環(huán)形、網狀形； 2.按地理范圍：局域網、廣域網；1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展七、七、網絡操作系統(tǒng)（網絡操作系統(tǒng)（Network Operating System）網絡網絡OS：根據(jù)已有標準開發(fā)出的、具有支持網絡資源通信、共 享和管理等功能的軟件模塊和原有網絡計算機系統(tǒng)中 操作系統(tǒng)的合稱。網絡網絡OS功能：功能： 1.通常操作系統(tǒng)的功能 2.網絡通信功能 3.網絡資源管理 4.網絡服務 5.網絡管理 6.互操作能力1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展八、八、分布式操作系統(tǒng)（

16、分布式操作系統(tǒng)（Distributed System）分布式系統(tǒng)：分布式系統(tǒng)：指由多個分散的處理單元，經互連網絡的連接而 形成的系統(tǒng)。它的基本特征是處理上的分布，即 資源、功能、任務和控制的分布。分布式操作系統(tǒng)：分布式操作系統(tǒng)：所有系統(tǒng)任務可在系統(tǒng)中任何處理機上運行， 自動實現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內的任務分配并自動調度各 處理機的工作負載。1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展分布式分布式OS與網絡與網絡OS的比較的比較分布式分布式OS網絡網絡OS分布性分布性處理分布、控制分布處理分布、控制分布處理分布、控制集中處理分布、控制集中并行性并行性有任務分配功能，任務有任務分配功能，任務可并行執(zhí)行可并行執(zhí)行無任

17、務分配功能無任務分配功能透明性透明性網絡資源調度對用戶透網絡資源調度對用戶透明明網絡資源的使用由用戶直網絡資源的使用由用戶直接指定接指定共享性共享性所有資源可供系統(tǒng)中所所有資源可供系統(tǒng)中所有用戶共享有用戶共享可共享資源大多設置在服可共享資源大多設置在服務器上務器上健壯性健壯性強強弱弱1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展（小結）操作系統(tǒng)的發(fā)展（小結）第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代1945-19551955-19651965-19801980至今電子管晶體管集成電路超大規(guī)模集成電路無操作系統(tǒng)；無程序設計語言；采用手工操作方式單道批處理系統(tǒng)；FORTRAN、匯編語言；多道批處理系統(tǒng)；分時系統(tǒng)；實

18、時系統(tǒng)；多道程序設計技術；spooling技術；中斷、通道、DMA、虛存、設備獨立性；微機操作系統(tǒng)；網絡操作系統(tǒng)；分布式操作系統(tǒng)；1.3 操作系統(tǒng)特征和功能操作系統(tǒng)特征和功能一、操作系統(tǒng)的特征一、操作系統(tǒng)的特征1. 并發(fā)性（并發(fā)性（Concurrence） 并行性：并行性：兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生。 并發(fā)性：并發(fā)性：兩個或多個事件在同一時間間隔內發(fā)生。并行是一種微觀的同時性概念。并發(fā)是一種宏觀上的同時性概念：宏觀上并發(fā)，微觀 上交替占用CPU運行。為更好描述并發(fā)性，引入進程概念。 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9時間時間輸入機輸入機CPU打印機打印機 磁帶機磁帶機時間時

19、間輸入機輸入機CPU打印機打印機 磁帶機磁帶機BAAAAAABBAAAAABBB單單道道多多道道1.3 操作系統(tǒng)特征和功能操作系統(tǒng)特征和功能一、操作系統(tǒng)的特征一、操作系統(tǒng)的特征2.2.共享共享（Sharing） 共享：共享：指計算機系統(tǒng)中的各種軟、硬件資源可供內存中 多個并發(fā)運行的進程共同使用。 方式方式： 互斥共享：例打印機 同時訪問：例磁盤文件 （注：“同時”也是宏觀上的同時）1.3 操作系統(tǒng)特征和功能操作系統(tǒng)特征和功能一、操作系統(tǒng)的特征一、操作系統(tǒng)的特征3.3.虛擬虛擬（Virtual） 虛擬：虛擬：通過某種技術將一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上 的對應物。 例：CPU -分時系統(tǒng) 多個CP

20、U 前者真實存在；后者只是用戶的感覺。4.4.異步性（異步性（Asynchronism） 異步性異步性：也稱不確定性，指進程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時間 的不確定。1.3 操作系統(tǒng)的特征和功能操作系統(tǒng)的特征和功能二、操作系統(tǒng)的功能二、操作系統(tǒng)的功能存儲器管理：指內存管理； 內存分配、內存保護、地址映射和內存擴充；處理機管理：實質是進程管理； 進程控制、進程同步、進程通信和調度； 設備管理：緩沖管理、設備分配、設備處理、設備獨立性和虛 擬設備；文件管理：存儲空間的管理、目錄管理和文件操作；用戶接口：命令接口、程序接口和圖形接口。1.3 操作系統(tǒng)的特征和功能操作系統(tǒng)的特征和功能相關概念相關概念1.CPU的

21、執(zhí)行狀態(tài)： 系統(tǒng)態(tài)（核心態(tài)） 分為 用戶態(tài)能執(zhí)行一切指令，訪問所有寄存器和存能執(zhí)行一切指令，訪問所有寄存器和存儲區(qū)；操作系統(tǒng)運行在核心態(tài)。儲區(qū)；操作系統(tǒng)運行在核心態(tài)。 只能執(zhí)行非特權指令，訪問規(guī)定的寄存只能執(zhí)行非特權指令，訪問規(guī)定的寄存器和存儲區(qū)；用戶程序運行在用戶態(tài)。器和存儲區(qū)；用戶程序運行在用戶態(tài)。 作用：防止用戶程序破壞操作系統(tǒng)及其關鍵數(shù)據(jù)。1.3 操作系統(tǒng)的特征和功能操作系統(tǒng)的特征和功能2.程序接口用戶程序用戶程序系統(tǒng)調用命令系統(tǒng)調用命令用戶態(tài)用戶態(tài)核心態(tài)核心態(tài)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)功實現(xiàn)系統(tǒng)功能的子過程能的子過程l 與一般過程調用不同之處： 1）運行在不同的系統(tǒng)狀態(tài)； 2）通過軟中

22、斷進入；l 實例：匯編語言中，打印字符。 MOVE A，PARA1 MOVE A，PARA2 INT 21H l由各種各樣的系統(tǒng)調用（System Call）組成。l 用戶程序可通過系統(tǒng)調用來調用OS中的特定過程，以獲得操作 系統(tǒng)的服務功能。l 執(zhí)行過程： 1.4 操作系統(tǒng)的結構操作系統(tǒng)的結構一、整體式系統(tǒng)（一、整體式系統(tǒng)（Monolithic Systems）整個操作系統(tǒng)是一個過程集，每個過程都可以調用其它 過程。 每個過程都有一個完好定義的接口； 每個過程都對其它過程可見。應用程序和操作系統(tǒng)本身分開。 操作系統(tǒng)運行在核心態(tài)； 應用程序運行在用戶態(tài)。 用戶態(tài)用戶態(tài) 核心態(tài)核心態(tài) 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)過程過程系統(tǒng)調用系統(tǒng)調用應用程序應用程序應用程序應用程序硬硬 件件1.4 操作系統(tǒng)的結構操作系統(tǒng)的結構二、層次式系統(tǒng)（二、層次式系統(tǒng)（Layered Systems）操作系統(tǒng)被劃分成若干層，每一層放在較低層的頂上。 最底層是硬件；最高層是用戶接口。在任一特定層次上的代碼只能調用較低層次的代碼。優(yōu)點： 1便于系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。 1）設計上層時，可認為下層已經正確實現(xiàn)； 2）上層無需知道下層操作如何實現(xiàn)，只需知道下層操作是什么。 2便于系統(tǒng)的擴展。 用戶態(tài)用戶態(tài) 核心態(tài)核心態(tài)應用程序應用程序應用程序應用程序系統(tǒng)調用系統(tǒng)調用文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)內存和內存和I/O設備管理設備管理處理器調