第1章 操作系統(tǒng)概述

計算機操作系統(tǒng)計算機專業(yè)課程課程安排：第一章操作系統(tǒng)引論

第二章進程管理第三章處理機調(diào)度與死鎖第四章存儲管理第五章設備管理第六章文件管理第七章操作系統(tǒng)接口

操作系統(tǒng)的主要類型

操作系統(tǒng)的主要工作A．執(zhí)行程序啟動和結束B．為用戶提供良好的界面普通用戶和系統(tǒng)用戶C．管理整個系統(tǒng)中的各種資源

硬件資源和軟件資源D．計算機系統(tǒng)的效率與安全問題

協(xié)調(diào)各個部件和進程運行，保證互不干擾

OS在計算機中的位置1、OS與各層的關系與硬件的關系：控制CPU的工作訪問存儲器設備驅(qū)動、中斷處理與用戶及應用程序的關系：提供方便的用戶界面提供高效的系統(tǒng)管理能力2、各層對操作系統(tǒng)的制約下層硬件環(huán)境提供OS運行基礎;

限制了OS的功能實現(xiàn)（如：一個CPU如何同時處理多個任務）上層軟件對OS提出要求(如：計算中心每天處理1000個任務，要求吞吐量高)

良好的用戶界面OS與硬件相關，與應用無關

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的主要特點

多任務的例子：

(1)聽音樂、上網(wǎng)看小說

CPU、接口、顯卡、顯示寄存器，聲卡

(2)計算x=(a＋b)＊(c＋d)/(e

＋

f)

子任務P1、P3、P5可并行執(zhí)行；P1P2P3P4P5多用戶多任務多任務同時（并發(fā)）執(zhí)行系統(tǒng)資源的調(diào)度與分配（3）巡航導彈轟炸目標首先由偵察機偵察，沿線攝像；然后由巡航導彈進行轟炸。巡航導彈（有計算機、攝像設備）從出發(fā)地點向目標地點飛行的同時進行攝像，并和原圖像（偵察機的攝像）比較匹配，需并行處理（將圖像分割為多個部分并行計算），以達到實時性，并行處理的圖像有交點，因此應控制訪問共享變量的方式。

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的主要特點

學習過程中應時刻注意：操作系統(tǒng)是如何實現(xiàn)多任務的OS采用了一系列軟件技術：多道程序設計技術、分時技術、資源分配與調(diào)度等。計算機體系結構/硬件軟件設計程序設計語言數(shù)據(jù)結構算法網(wǎng)絡

操作系統(tǒng)涉及的學科領域

地位：

專業(yè)核心課程

考研核心課程

技術開發(fā)的理論基礎特點：

理論性強

涉及面廣

錯綜復雜

操作系統(tǒng)課程地位及特點第一章操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)的目標和作用操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的基本特性

操作系統(tǒng)的主要功能41231.1操作系統(tǒng)的目標和作用一、操作系統(tǒng)的目標

目前存在著多種類型的OS，不同類型的OS，其目標各有所側(cè)重。通常在計算機硬件上配置的OS，其目標有以下幾點：有效性方便性可擴充性開放性二、操作系統(tǒng)的作用

OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口

OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者

OS用作擴充機器窗口軟件虛擬機文件管理軟件I/O管理軟件裸機

物理實體裸機

數(shù)據(jù)輸入和打印輸出I/O管理軟件

實現(xiàn)對文件操作的細節(jié)文件管理軟件

方便操作計算機窗口軟件

操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)：OperatingSystem，有時簡記為OS，是一組控制和管理計算機硬件與軟件資源，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的集合。主要功能：實現(xiàn)處理機管理、內(nèi)存管理、I/O設備管理、文件管理，用戶接口。1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程一、無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)人工操作方式特點：無任何軟件、沒有“源程序”的概念用物理地址編程、絕對裝入缺點：用戶獨占全機

CPU等待人工操作嚴重浪費系統(tǒng)資源人機矛盾指在慢速的手工操作和高速的計算機運算之間形成的一種矛盾。CPU-I/O設備速度不匹配的矛盾脫機輸入/輸出(Off-LineI/O)方式

在外圍計算機的控制下，實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的自動輸入輸出；這里的脫機是指脫離主機進行的，故稱為脫機輸入／輸出。圖1-2脫機I/O示意圖CPU磁盤磁盤磁盤聯(lián)機I/O：在主機的直接控制下進行的輸入/輸出。

優(yōu)點：減少了主機CPU的空閑時間提高I/O速度

缺點：浪費一臺外圍機磁盤上的程序不能被連續(xù)地處理批處理技術指在管理程序的控制下，對一批作業(yè)自動進行處理而不需要人工干預的一種技術。該技術旨在提高系統(tǒng)的吞吐量和資源利用率。單道批處理系統(tǒng)(OS的雛形)在系統(tǒng)中的監(jiān)督程序的控制下，將一批以脫機方式輸入到磁盤上的作業(yè)進行處理。有監(jiān)督程序；成批處理；作業(yè)自動過渡；內(nèi)存中始終保持一道作業(yè)。特征：自動性順序性單道性缺點：內(nèi)存僅有一道作業(yè)，系統(tǒng)資源不能被好地利用。多道批處理系統(tǒng)采用多道程序設計技術的批處理系統(tǒng)稱為是多道批處理系統(tǒng)。

多道程序設計技術：在內(nèi)存中同時存放若干個作業(yè)，使它們共享系統(tǒng)資源并同時運行的技術，單機環(huán)境下，作業(yè)僅在宏觀上同時運行，微觀上交替執(zhí)行。

引入多道程序設計技術可帶來以下好處：（1）提高CPU的利用率。（2）可提高內(nèi)存和I/O設備利用率。（3）增加系統(tǒng)吞吐量。

圖多道批處理系統(tǒng)處理批作業(yè)過程示意圖圖1-4(a)單道程序運行情況

CPU監(jiān)督程序I/O設備問題1：每道程序是否可以一直做到完成？問題2：CPU有無等待？問題3：控制轉(zhuǎn)換的原因是什么？控制轉(zhuǎn)換如何完成？特征：多道性無序性調(diào)度性優(yōu)缺點：優(yōu)點：資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大缺點：平均周轉(zhuǎn)時間長、無交互能力系統(tǒng)吞吐量是指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)所完成的總工作量。周轉(zhuǎn)時間指作業(yè)從進入系統(tǒng)開始，直至其完成并退出系統(tǒng)為止所經(jīng)歷的時間。分時系統(tǒng)圖分時系統(tǒng)示意圖主機分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關鍵問題及時接收（多路卡、緩沖區(qū)）及時處理（直接進入內(nèi)存、分配時間片）主機……緩沖區(qū)1緩沖區(qū)2緩沖區(qū)n……終端1終端2終端n多路卡圖多路卡配置示意圖特點：多路性交互性獨占性及時性系統(tǒng)對用戶提出的請求及時響應用戶感覺不到計算機為其他人服務（OS作為虛機器使各個用戶的工作互不干擾）用戶根據(jù)系統(tǒng)響應結果進一步提出新請求(用戶直接干預每一步)同時有多個用戶使用一臺計算機宏觀上：多人同時使用一個CPU微觀上：多個人在交替使用CPU實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)(Real-TimeSystem)是指系統(tǒng)能及時響應外部事件的請求，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協(xié)調(diào)一致地運行。實時操作系統(tǒng)的分類實時控制系統(tǒng)實時信息處理系統(tǒng)通常是指以計算機為中心的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，又稱計算機控制系統(tǒng)。以計算機為中心的實時信息查詢系統(tǒng)和實時事務處理系統(tǒng)，如機票訂購系統(tǒng)。例：一個有計算機系統(tǒng)控制生產(chǎn)過程的反應堆，它要把A、B兩種產(chǎn)品合成一種新產(chǎn)品C。程序傳感器ＣＡＢ計算機系統(tǒng)控制信號反應堆溫度濕度特點：多路性獨立性交互性及時性可靠性小結批處理系統(tǒng)分時系統(tǒng)實時系統(tǒng)1、假設在多道批處理系統(tǒng)中，某時刻有A、B、C三道作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，按A、B、C的先后順序執(zhí)行，問三道作業(yè)全部完成所用時間比在單道批處理系統(tǒng)中節(jié)省多少時間？（忽略系統(tǒng)開銷）

A：計算20s——I/O40s——計算40sB：計算10s——I/O80sC：計算50s——I/O20s——計算10s2、分時OS與實時OS的區(qū)別？習題操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展

操作系統(tǒng)成為獨立的程序，已有40年的歷史，它經(jīng)過60和70年代的大發(fā)展時期，到80年代雖已趨于成熟，但它仍繼續(xù)沿著兩個方向繼續(xù)向前發(fā)展，一個是隨著計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展，形成多處理機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)；另一個則是把操作系統(tǒng)應用于微機，形成微機操作系統(tǒng)。多處理機操作系統(tǒng)在1975年前后，打破了以單處理機體系結構為主的局面，形成了由多臺處理機通過互連網(wǎng)絡連接在一起的計算機系統(tǒng)。網(wǎng)絡操作系統(tǒng)網(wǎng)絡操作系統(tǒng)是建立在主機操作系統(tǒng)基礎上，用于管理網(wǎng)絡通信和共享資源，協(xié)調(diào)各主機上任務地運行，并向用戶提供統(tǒng)一的、有效的網(wǎng)絡接口的軟件集合。分布式操作系統(tǒng)分布具有各個計算機間相互通訊，無主從關系；網(wǎng)絡有主從關系分布式系統(tǒng)資源為所有用戶共享；而網(wǎng)絡有限制地共享分布式系統(tǒng)中若干個計算機可相互協(xié)作共同完成一項任務.微型機（個人）操作系統(tǒng)DOSMicrosoftWindowsUnixLinuxOS/2典型操作系統(tǒng)

上一頁

返回下一頁DOS是配置在IBM-PC及兼容機上的磁盤操作系統(tǒng)。單用戶、單任務。OS/2

：單用戶、多任務

是一個克服了DOS最大缺陷，并且有多任務處理功能的操作系統(tǒng)。Windows

單用戶、多任務

是一個具有非常新穎用戶界面和多媒體處理功能的系統(tǒng)。UNIX及其變種（Linux），多用戶、多任務是從中小型機上移植下來的一個多用戶操作系統(tǒng)，這個操作系統(tǒng)具有許多DOS沒有的功能，是最常用的操作系統(tǒng)之一。具有a.圖形的用戶界b.多任務處理功能c.硬件獨立性構成完整的操作環(huán)境。操作系統(tǒng)領域中新的操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng),Linux有線電視機頂盒領域，PowerTV移動通信領域，EPOC掌上計算機領域，PalmOS數(shù)字影像領域，Digita1.3操作系統(tǒng)的基本特性

并發(fā)性

共享性

虛擬性

異步性

并發(fā)性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。多道程序環(huán)境中，并發(fā)是指一段時間內(nèi)宏觀上多道程序同時執(zhí)行。在單處理機系統(tǒng)中，微觀上多道程序交替執(zhí)行；多處理機系統(tǒng)中，微觀上多道程序并行執(zhí)行。共享性資源共享是指系統(tǒng)中的硬件和軟件資源不再為某個程序所獨占，而是供多個用戶共同使用。并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)兩個最基本的特征，這兩者之間又是互為存在條件的。虛擬性在操作系統(tǒng)中，所謂虛擬，是指把一個物理上的實體，變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應物。物理實體(前者)是實的，而后者是虛的，相應地，用于實現(xiàn)虛擬的技術，稱為虛擬技術。在OS中利用了多種虛擬技術，分別用來實現(xiàn)虛擬處理機、虛擬內(nèi)存和虛擬外部設備等。異步性(Asynchronism)多道程序環(huán)境下程序的執(zhí)行，是以異步方式進行的；每個程序在何時執(zhí)行，多個程序間的執(zhí)行順序以及完成每道程序所需的時間都是不確定和不可預知的。進程是以人們不可預知的速度向前推進，此即進程的異步性。1.4

操作系統(tǒng)的主要功能

從資源管理觀點看，操作系統(tǒng)具有五大功能：處理機管理存儲器管理設備管理文件管理操作系統(tǒng)與用戶之間的接口處理機管理功能處理機管理中的主要功能：進程控制——創(chuàng)建和撤銷進程；進程同步——對多個進程的運行進行協(xié)調(diào)；進程通信——實現(xiàn)進程之間的信息交換；調(diào)度——可以按照一定的算法將處理機分配給各個進程。進程通信

例一個程序的輸入進程、計算進程和打印進程三個進程間的通信過程：

圖進程間通信示意圖

總結：在輸入進程、計算進程和打印進程三者之間都發(fā)生的數(shù)據(jù)的交換，因而在這三者之間就有了種通信。這就是進程間的通信。輸入進程計算進程打印進程計算前的數(shù)據(jù)計算后的數(shù)據(jù)通信通信存儲器管理功能主要任務：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可以為這些程序從邏輯上擴充內(nèi)存。主要功能：內(nèi)存分配、內(nèi)存保護、地址映射和內(nèi)存擴充設備管理功能主要任務：完成用戶進程提出的I/O請求；為用戶進程分配其所需的I/O設備；提高CPU和I/O設備的利用率；提高I/O速度；方便用戶使用I/O設備。為此，設備管理應具有緩沖管理、設備分配和設備處理，以及虛擬設備等功能。文件管理功能操作系統(tǒng)與用戶間的接口接口：是指掩蓋軟件內(nèi)部功能的實現(xiàn)細節(jié)，并向外提供一些使用的約定，用戶不必知道軟件內(nèi)