第1章操作系統(tǒng)引論-1

操作系統(tǒng)主講：劉亞輝1課程安排：上課：48學(xué)時上機：20學(xué)時考試方式：閉卷試卷：80%；平時：20%講授內(nèi)容：操作系統(tǒng)引論進程管理處理機調(diào)度與死鎖存儲管理設(shè)備管理文件管理2參考書：1、《計算機操作系統(tǒng)》郁紅英，清華大學(xué)出版社2、《操作系統(tǒng)概念》[美]Silberschatz等編著

，鄭扣根譯，高等教育出版社。3第一章操作系統(tǒng)引論1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用

1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

1.3操作系統(tǒng)的基本特性

45計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)軟件硬件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)：Windows、Unix、Linux語言處理程序：匯編、編譯程序等辦公軟件、信息管理系統(tǒng)、各種軟件包等輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀

輸出設(shè)備：顯示器、打印機

外

存：硬盤、光盤、閃存

外部設(shè)備主機運算器控制器內(nèi)存CPU隨機存儲器(RAM)只讀存儲器(ROM)高速緩沖存儲器(Cache)

回顧

操硬件作統(tǒng)

系用軟件硬件與軟件的關(guān)系頭顱人的頭顱與思想的關(guān)系操作系統(tǒng)作用

文化、思想

應(yīng)67計算機硬件內(nèi)存插槽總線插槽接口卡CPU并行口USB接口芯片組鼠標(biāo)口鍵盤口串行口回顧插槽內(nèi)存條8馮.諾依曼提出“存儲程序”原理

計算機采用二進制碼（0，1）存儲與處理在內(nèi)存中存儲程序與數(shù)據(jù)計算機由（運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出）五大基本部件組成輸入設(shè)備內(nèi)存儲器輸出設(shè)備中央處理器運算器控制器程序數(shù)據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)控制命令信號控制命令信號地址指令數(shù)據(jù)圖1計算機的硬件組成回顧9各部件的主要功能存儲器：存儲各種信息的部件運算器：進行算術(shù)運算和邏輯運算的部件控制器：控制指揮所有部件協(xié)調(diào)工作的部件指令：讓計算機工作的命令，由操作碼和操作數(shù)構(gòu)成程序：完成某項任務(wù)的指令集合輸入設(shè)備：輸入信息到計算機內(nèi)部，轉(zhuǎn)換信息輸出設(shè)備：將計算機內(nèi)部的信息輸出回顧1011存儲器訪問速度快信息暫時性相對價格高訪問速度慢信息永久性相對價格低微型計算機存儲器分內(nèi)部存儲器和外部存儲器內(nèi)部存儲器外部存儲器回顧121.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)什么是操作系統(tǒng)？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)進行調(diào)度、以及方便用戶使用的程序集合。下列哪些軟件是操作系統(tǒng)？OfficeFoxProWindows8DOSUnixLinuxPowerPointMacOS131.1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)1.方便性

一個未配置OS的計算機系統(tǒng)是極難使用的，因為計算機硬件只能識別0和1這樣的機器代碼。如果我們在計算機硬件上配置了OS，用戶便可通過OS所提供的各種命令來使用計算機系統(tǒng)。

2.有效性（1）資源忙，而得到有效的利用

（2）數(shù)據(jù)有序而節(jié)省存儲空間

（3）合理地組織計算機工作流程

143.可擴充性（1）適應(yīng)硬件與網(wǎng)絡(luò)發(fā)展要求；（2）應(yīng)采用層次化結(jié)構(gòu)4.開放性指系統(tǒng)能遵循世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，特別是遵循開放系統(tǒng)互連(OSI)國際標(biāo)準(zhǔn)。90年代以后計算機技術(shù)的一個核心問題。

15161.1.2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（用作擴充機器）軟件接口，給用戶提供三種方式(用戶通過三種方式使用計算機，用以操縱硬件和運行自己的程序)：（1）命令方式（2）系統(tǒng)調(diào)用方式（3）圖形、窗口方式1.OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口圖1-1OS作為接口的示意圖

182.OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者（1）處理機管理（2）存儲器管理（3）設(shè)備管理（4）文件管理193.OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象裸機：

無任何軟件的計算機系統(tǒng)擴充機器：

覆蓋了軟件的機器又稱虛擬機圖1-2I/O軟件隱藏了I/O操作實現(xiàn)的細節(jié)

20為了方便用戶使用文件系統(tǒng)，人們又在第一層軟件上再覆蓋上一層用于文件的管理軟件，同樣由它來實現(xiàn)對文件操作的細節(jié)，并向上提供一組對文件進行存取操作的命令，用戶可利用這組命令進行文件的存取。此時，用戶所看到的是一臺功能更強、使用更方便的虛機器。該層軟件實現(xiàn)了對硬件資源操作的第二個層次的抽象。而當(dāng)人們又在文件管理軟件上再覆蓋一層面向用戶的窗口軟件后，用戶便可在窗口環(huán)境下方便地使用計算機，形成一臺功能更強的虛機器。由此可知，OS是鋪設(shè)在計算機硬件上的多層系統(tǒng)軟件，它們不僅增強了系統(tǒng)的功能，而且還隱藏了對硬件操作的細節(jié)，由它們實現(xiàn)了對計算機硬件操作的多個層次的抽象。

21221.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程231.2.1未配置操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.2.2單道批處理系統(tǒng)（50年代）1.2.3多道批處理系統(tǒng)（60年代）1.2.4分時系統(tǒng)（60年代）1.2.5實時系統(tǒng)（60年代）1.2.6微機操作系統(tǒng)的發(fā)展1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1未配置操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1、人工操作方式缺點：(1)用戶獨占全機。此時，計算機及其全部資源只能由上機用戶獨占。(2)CPU等待人工操作。當(dāng)用戶進行裝帶(卡)、卸帶(卡)等人工操作時，CPU及內(nèi)存等資源是空閑的。

24圖4脫機I/O示意圖

25磁帶2、脫機輸入/輸出(Off-LineI/O)技術(shù)輸入輸出機261.2.2單道批處理系統(tǒng)過程：一批作業(yè)以脫機方式輸入到磁

帶上，在監(jiān)督程序的控制下連續(xù)處理。特征：（1）自動性（2）順序性無人工干預(yù)按進入內(nèi)存的先后執(zhí)行（3）單道性內(nèi)存中只保持一道作業(yè)。雖然系統(tǒng)對作業(yè)的處理都是成批地進行的，但是在內(nèi)存中始終只保持一道作業(yè)，故稱此系統(tǒng)為單道批處理系統(tǒng)圖1-4單道批處理系統(tǒng)的處理流程

271.2.3多道批處理系統(tǒng)多道：內(nèi)存中同時存放多個相互獨立的程序，多道技術(shù)是共享的基礎(chǔ)。

1、多道批處理特征多道性內(nèi)存中有多道程序，可并發(fā)執(zhí)行無序性完成時間與進入內(nèi)存先后無關(guān)調(diào)度性作業(yè)從提交到完成經(jīng)兩次調(diào)度（1）作業(yè)調(diào)度外存內(nèi)存（選多個）（2）進程調(diào)度分配處理機（選1個）在OS中引入多道程序設(shè)計技術(shù)可帶來以下好處：

(1)提高CPU的利用率。當(dāng)內(nèi)存中僅有一道程序時，每逢該程序在運行中發(fā)出I/O請求后，CPU空閑，必須在其I/O完成后CPU才繼續(xù)運行；尤其因I/O設(shè)備的低速性，更使CPU的利用率顯著降低。圖(a)示出了單道程序的運行情況，從圖中可以看出：在t2～t3、t6～t7時間間隔內(nèi)CPU空閑。在引入多道程序設(shè)計技術(shù)后，由于同時在內(nèi)存中裝有若干道程序，（通過作業(yè)調(diào)度算法使用CPU）并使它們交替地運行，這樣，當(dāng)正在運行的程序因I/O而暫停執(zhí)行時，系統(tǒng)可調(diào)度另一道程序運行，從而保持了CPU處于忙碌狀態(tài)。圖(b)示出了四道程序時的運行情況。

29圖1-6單道和多道程序運行情況

書p7調(diào)度程序程序A程序B程序C程序D

(2)可提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率。為了能運行較大的作業(yè)，通常內(nèi)存都具有較大容量，但由于80%以上的作業(yè)都屬于中小型，因此在單道程序環(huán)境下，也必定造成內(nèi)存的浪費。類似地，對于系統(tǒng)中所配置的多種類型的I/O設(shè)備，在單道程序環(huán)境下也不能充分利用。如果允許在內(nèi)存中裝入多道程序，并允許它們并發(fā)執(zhí)行，則無疑會大大提高內(nèi)存和I/O設(shè)備的利用率。

(3)增加系統(tǒng)吞吐量。在保持CPU、I/O設(shè)備不斷忙碌的同時，也必然會大幅度地提高系統(tǒng)的吞吐量，從而降低作業(yè)加工所需的費用。

31322、多道批處理優(yōu)缺點優(yōu)點：資源利用率高系統(tǒng)吞吐量大

吞吐量：單位時間內(nèi)完成的總工作量

原因（1）資源忙

（2）完成或運行不下去時才切換缺點：平均周轉(zhuǎn)時間長作業(yè)周轉(zhuǎn)時間：從作業(yè)進入系統(tǒng)開始到完成并退出系統(tǒng)所經(jīng)歷的時間。通常幾小時，甚至幾天。無交互能力修改和調(diào)試極不方便。331.2.4分時系統(tǒng)定義：一臺主機上連接了多個終端，同時允許多個用戶通過自己的終端，以交互方式使用計算機，共享主機中的資源。產(chǎn)生動力：（1）人—機交互。（邊運行邊調(diào)試）（2）共享主機。（設(shè)備昂貴）（3）便于用戶上機（在終端上輸入、控制）

34分時系統(tǒng)特征

多路性

允許在一臺主機上同時聯(lián)接多臺聯(lián)機終端，系統(tǒng)按分時原則為每個用戶服務(wù)。宏觀上，是多個用戶同時工作，共享系統(tǒng)資源；而微觀上，則是每個用戶作業(yè)輪流運行一個時間片。獨立性每個用戶感覺獨占主機。及時性較短時間響應(yīng)（2-3秒）交互性用戶可以請求系統(tǒng)提供多方面的服務(wù)，如文件編輯、數(shù)據(jù)處理和資源共享等。時間片：每個作業(yè)只運行一個很短的時間（例如0.1秒），通常把這段時間成為~。351.2.5實時系統(tǒng)實時：及時響應(yīng)外部事件請求應(yīng)用需求：（1）實時控制：

工業(yè)生產(chǎn)、武器控制、飛機的自動駕駛（2）實時信息處理：

火車訂票系統(tǒng)1.2.6微機操作系統(tǒng)的發(fā)展隨著VLSI（超大規(guī)模集成電路）和計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，先后形成了微機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)等。（1）單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)

單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)的含義是，只允許一個用戶上機，且只允許用戶作為一個任務(wù)運行。這是最簡單的微機操作系統(tǒng)，主要配置在8位和16位微機上。最有代表性的單用戶單任務(wù)微機操作系統(tǒng)是CP/M和MS-DOS。

36（2）單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)的含義是，只允許一個用戶上機，但允許用戶把程序分為若干個任務(wù)，使它們并發(fā)執(zhí)行，從而有效地改善了系統(tǒng)的性能。目前在32位微機上配置的操作系統(tǒng)基本上都是單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)，其中最有代表性的是由微軟公司推出的Windows。37（3）多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)的含義是，允許多個用戶通過各自的終端使用同一臺機器，共享主機系統(tǒng)中的各種資源，而每個用戶程序又可進一步分為幾個任務(wù)，使它們能并發(fā)執(zhí)行，從而可進一步提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。在大、中和小型機中所配置的大多是多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)，而在32位微機上也有不少是配置的多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)，其中最有代表性的是UNIXOS。

38現(xiàn)在最有影響的兩個能運行在微機上的UNIX操作系統(tǒng)的變型是SolarisOS和LinuxOS。

391.3操作系統(tǒng)的基本特性401.3.1并發(fā)性（最重要特征）1.3.2共享性1.3.3虛擬性1.3.4異步性1.3操作系統(tǒng)的基本特征411.3.1并發(fā)性并行性：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。單處理機系統(tǒng)：宏觀并發(fā)，微觀串行。多處理機系統(tǒng)：可能有并行。在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)宏觀上有多個程序在同時運行，但在單處理機系統(tǒng)中，每一時刻卻僅能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分時地交替執(zhí)行。倘若在計算機系統(tǒng)中有多個處理機，則這些可以并發(fā)執(zhí)行的程序便可被分配到多個處理機上，實現(xiàn)并行執(zhí)行，即利用每個處理機來處理一個可并發(fā)執(zhí)行的程序，這樣，多個程序便可同時執(zhí)行。

p13頁421.3.2共享性（1）互斥共享方式對臨界資源的訪問；臨界資源：把在一段時間內(nèi)只允許一個進程訪問的資源稱為臨界資源或獨占資源。打印機等硬件；棧、變量、表格等軟件互斥訪問：當(dāng)一個進程A要訪問某資源時，必須先提出請求。如果此時該資源空閑，系統(tǒng)便可將之分配給請求進程A使用。此后若再有其它進程也要訪問該資源時(只要A未用完)，則必須等待。僅當(dāng)A進程訪問完并釋放該資源后，才允許另一進程對該資源進行訪問。43（2）同時訪問方式

允許在一段時間內(nèi)由多個進程“同時”對它們進行訪問，如：磁盤、重入碼寫的文件。操作系統(tǒng)兩個最基本的特征：并發(fā)和共享441.3.3虛擬性通過某種技術(shù)把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。如：虛擬處理器、虛擬內(nèi)存等1.3.4異步性進程以不可預(yù)知的速度向前推進。在多道程序環(huán)境下允許多個進程并發(fā)執(zhí)行，但只有進程在獲得所需的資源后方能執(zhí)行。在單處理機環(huán)境下，由于系統(tǒng)中只有一臺處理機，因而每次只允許一個進程執(zhí)行，其余進程只能等待。當(dāng)正在執(zhí)行的進程提出某種資源要求時，如打印請求，而此時打印機正在為其它某進程打印，由于打印機屬于臨界資源，因此正在執(zhí)行的進程必須等待，且放棄處理機，直到打印機空閑，并再次把處理機分配給該進程時，該進程方能繼續(xù)執(zhí)行?？梢姡捎谫Y源等因素的限制，使進程的執(zhí)行通常都不是“一氣呵成”，而是以“停停走走”的方式運行。

45內(nèi)存中的每個進程在何時能獲得處理機運行，何時又因提出某種資源請求而暫停，以及進程以怎樣的速度向前推進，每道程序總共需多少時間才能完成，等等，這些都是不可預(yù)知的。由于各用戶程序性能的不同，比如，有的側(cè)重于計算而較少需要I/O，而有的程序其計算少而I/O多，這樣，很可能是先進入內(nèi)存的作業(yè)后完成，而后進入內(nèi)存的作業(yè)先完成。或者說，進程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進，此即進程的異步性(Asynchronism)。盡管如此，但只要在操作系統(tǒng)中配置有完善的進程同步機制，且運行環(huán)境相同，作業(yè)經(jīng)多次運行都會獲得完全相同的結(jié)果。因此，異步運行方式是允許的，而且是操作系統(tǒng)的一個重要特征。

46資源管理5.用戶接口1.處理機管理（硬件）2.存儲器管理（硬件）3.設(shè)備管理（硬件）4.文件管理（軟件）命令接口程序接口圖形接口1.4操作系統(tǒng)的五大功能聯(lián)機用戶接口脫機用戶接口5.用戶接口

(1)聯(lián)機用戶接口適用：幾乎所有計算機的操作系統(tǒng)中。組成：命令+終端處理程序+命令解釋程序過程：用戶在鍵盤上輸入命令；終端處理程序接收命令并顯示在屏幕上；命令解釋程序解釋并執(zhí)行該命令。聯(lián)機命令舉例：UNIX:login;logout；DOS:copy;format;命令解釋程序：操作系統(tǒng)的最高層，如：

MS-DOS:COMMAND.COMUNIX:Shell.(2)脫機用戶接口適用：批處理系統(tǒng)。又稱批處理用戶接口組成：JCL+作業(yè)說明書+命令解釋程序JCL：作業(yè)控制語言過程：用戶把對作業(yè)的控制用JCL寫在作業(yè)說明書上，命令解釋程序按照作業(yè)說明書解釋并執(zhí)行。(3)程序接口目的：為用戶程序訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置。組成：一組系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用：一個系統(tǒng)調(diào)用是一個能完成特定功能的子程序。系統(tǒng)調(diào)用過程系統(tǒng)調(diào)用命令

用戶程序

系統(tǒng)功能

調(diào)用

返回1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)的發(fā)展階段：第一代：無結(jié)構(gòu)OS第二代：模塊化OS結(jié)構(gòu)第三代：分層式OS結(jié)構(gòu)第四代：微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)（20世紀(jì)90年代）傳統(tǒng)OS結(jié)構(gòu)中斷54請求系統(tǒng)服務(wù)；實現(xiàn)并行工作；處理突發(fā)事件；滿足實時要求，都需要打斷處理器正常的工作，為此，提出了中斷的概念。中斷是指程序執(zhí)行過程中，當(dāng)發(fā)生某個事件時，終止CPU上現(xiàn)行程序的運行，引出處理該事件的程序執(zhí)行的過程。中斷：55CPU對I/O設(shè)備發(fā)來的中斷信號的一種響應(yīng)。CPU暫停正在執(zhí)行的程序，保留CPU環(huán)境后，自動地轉(zhuǎn)去執(zhí)行該I/O設(shè)備的中斷處理程序。執(zhí)行完后，再回到斷點，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。

中斷是由外部設(shè)備引起的，又稱外中斷。I/O設(shè)備可以是字符設(shè)備，也可以是塊設(shè)備、通信設(shè)備。字符設(shè)備：大多是以字符為單位發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的，如：鍵盤和顯示器為一體的字符終端、打印機等。塊設(shè)備：又叫外部存儲器。是以塊為單位進行傳輸?shù)?，如：磁盤、光盤等。網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備：如網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器等。圖5-17中斷現(xiàn)場保護示意圖

57第一章操作系統(tǒng)概述1、OS概念：

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)進行調(diào)度、以及方便用戶使用的程序集合。2、操作系統(tǒng)的基本特性操作系統(tǒng)兩個最基本的特征：并發(fā)和共享并發(fā)性：并行性與并發(fā)性的區(qū)別；共享性：臨界資源、互斥。虛擬性異步性583．操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能（1）操作系統(tǒng)作為計算機系統(tǒng)資源的管理者處理機管理、存儲器管理、設(shè)備管理、文件管