第1章 操作系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程課程安排：第一章操作系統(tǒng)引論

第二章進(jìn)程管理第三章處理機(jī)調(diào)度與死鎖第四章存儲(chǔ)管理第五章設(shè)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(dòng)和結(jié)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(gè)系統(tǒng)中的各種資源

硬件資源和軟件資源D．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率與安全問題

協(xié)調(diào)各個(gè)部件和進(jìn)程運(yùn)行，保證互不干擾

OS在計(jì)算機(jī)中的位置1、OS與各層的關(guān)系與硬件的關(guān)系：控制CPU的工作訪問存儲(chǔ)器設(shè)備驅(qū)動(dòng)、中斷處理與用戶及應(yīng)用程序的關(guān)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(duì)操作系統(tǒng)的制約下層硬件環(huán)境提供OS運(yùn)行基礎(chǔ);

限制了OS的功能實(shí)現(xiàn)（如：一個(gè)CPU如何同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)）上層軟件對(duì)OS提出要求(如：計(jì)算中心每天處理1000個(gè)任務(wù)，要求吞吐量高)

良好的用戶界面OS與硬件相關(guān)，與應(yīng)用無關(guān)

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

多任務(wù)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(jì)算x=(a＋b)＊(c＋d)/(e

＋

f)

子任務(wù)P1、P3、P5可并行執(zhí)行；P1P2P3P4P5多用戶多任務(wù)多任務(wù)同時(shí)（并發(fā)）執(zhí)行系統(tǒng)資源的調(diào)度與分配（3）巡航導(dǎo)彈轟炸目標(biāo)首先由偵察機(jī)偵察，沿線攝像；然后由巡航導(dǎo)彈進(jìn)行轟炸。巡航導(dǎo)彈（有計(jì)算機(jī)、攝像設(shè)備）從出發(fā)地點(diǎn)向目標(biāo)地點(diǎn)飛行的同時(shí)進(jìn)行攝像，并和原圖像（偵察機(jī)的攝像）比較匹配，需并行處理（將圖像分割為多個(gè)部分并行計(jì)算），以達(dá)到實(shí)時(shí)性，并行處理的圖像有交點(diǎn)，因此應(yīng)控制訪問共享變量的方式。

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

學(xué)習(xí)過程中應(yīng)時(shí)刻注意：操作系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的OS采用了一系列軟件技術(shù)：多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)、分時(shí)技術(shù)、資源分配與調(diào)度等。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)/硬件軟件設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法網(wǎng)絡(luò)

操作系統(tǒng)涉及的學(xué)科領(lǐng)域

地位：

專業(yè)核心課程

考研核心課程

技術(shù)開發(fā)的理論基礎(chǔ)特點(diǎn)：

理論性強(qiáng)

涉及面廣

錯(cuò)綜復(fù)雜

操作系統(tǒng)課程地位及特點(diǎn)第一章操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)的目標(biāo)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(biāo)和作用一、操作系統(tǒng)的目標(biāo)

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

OS作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口

OS作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者

OS用作擴(kuò)充機(jī)器窗口軟件虛擬機(jī)文件管理軟件I/O管理軟件裸機(jī)

物理實(shí)體裸機(jī)

數(shù)據(jù)輸入和打印輸出I/O管理軟件

實(shí)現(xiàn)對(duì)文件操作的細(xì)節(jié)文件管理軟件

方便操作計(jì)算機(jī)窗口軟件

操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)：OperatingSystem，有時(shí)簡(jiǎn)記為OS，是一組控制和管理計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源，合理地對(duì)各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)度，以及方便用戶使用的程序的集合。主要功能：實(shí)現(xiàn)處理機(jī)管理、內(nèi)存管理、I/O設(shè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)人工操作方式特點(diǎn)：無任何軟件、沒有“源程序”的概念用物理地址編程、絕對(duì)裝入缺點(diǎn)：用戶獨(dú)占全機(jī)

CPU等待人工操作嚴(yán)重浪費(fèi)系統(tǒng)資源人機(jī)矛盾指在慢速的手工操作和高速的計(jì)算機(jī)運(yùn)算之間形成的一種矛盾。CPU-I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾脫機(jī)輸入/輸出(Off-LineI/O)方式

在外圍計(jì)算機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的自動(dòng)輸入輸出；這里的脫機(jī)是指脫離主機(jī)進(jìn)行的，故稱為脫機(jī)輸入／輸出。圖1-2脫機(jī)I/O示意圖CPU磁盤磁盤磁盤聯(lián)機(jī)I/O：在主機(jī)的直接控制下進(jìn)行的輸入/輸出。

優(yōu)點(diǎn)：減少了主機(jī)CPU的空閑時(shí)間提高I/O速度

缺點(diǎn)：浪費(fèi)一臺(tái)外圍機(jī)磁盤上的程序不能被連續(xù)地處理批處理技術(shù)指在管理程序的控制下，對(duì)一批作業(yè)自動(dòng)進(jìn)行處理而不需要人工干預(yù)的一種技術(shù)。該技術(shù)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(jī)方式輸入到磁盤上的作業(yè)進(jìn)行處理。有監(jiān)督程序；成批處理；作業(yè)自動(dòng)過渡；內(nèi)存中始終保持一道作業(yè)。特征：自動(dòng)性順序性單道性缺點(diǎn)：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(shè)計(jì)技術(shù)的批處理系統(tǒng)稱為是多道批處理系統(tǒng)。

多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)：在內(nèi)存中同時(shí)存放若干個(gè)作業(yè)，使它們共享系統(tǒng)資源并同時(shí)運(yùn)行的技術(shù)，單機(jī)環(huán)境下，作業(yè)僅在宏觀上同時(shí)運(yùn)行，微觀上交替執(zhí)行。

引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)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(shè)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(yùn)行情況

CPU監(jiān)督程序I/O設(shè)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(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大缺點(diǎn)：平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)、無交互能力系統(tǒng)吞吐量是指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)所完成的總工作量。周轉(zhuǎn)時(shí)間指作業(yè)從進(jìn)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(shí)間。分時(shí)系統(tǒng)圖分時(shí)系統(tǒng)示意圖主機(jī)分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題及時(shí)接收（多路卡、緩沖區(qū)）及時(shí)處理（直接進(jìn)入內(nèi)存、分配時(shí)間片）主機(jī)……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(diǎn)：多路性交互性獨(dú)占性及時(shí)性系統(tǒng)對(duì)用戶提出的請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng)用戶感覺不到計(jì)算機(jī)為其他人服務(wù)（OS作為虛機(jī)器使各個(gè)用戶的工作互不干擾）用戶根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)一步提出新請(qǐng)求(用戶直接干預(yù)每一步)同時(shí)有多個(gè)用戶使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)宏觀上：多人同時(shí)使用一個(gè)CPU微觀上：多個(gè)人在交替使用CPU實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Real-TimeSystem)是指系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的分類實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)通常是指以計(jì)算機(jī)為中心的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，又稱計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。以計(jì)算機(jī)為中心的實(shí)時(shí)信息查詢系統(tǒng)和實(shí)時(shí)事務(wù)處理系統(tǒng)，如機(jī)票訂購系統(tǒng)。例：一個(gè)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制生產(chǎn)過程的反應(yīng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制信號(hào)反應(yīng)堆溫度濕度特點(diǎn)：多路性獨(dú)立性交互性及時(shí)性可靠性小結(jié)批處理系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)1、假設(shè)在多道批處理系統(tǒng)中，某時(shí)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(shí)間比在單道批處理系統(tǒng)中節(jié)省多少時(shí)間？（忽略系統(tǒng)開銷）

A：計(jì)算20s——I/O40s——計(jì)算40sB：計(jì)算10s——I/O80sC：計(jì)算50s——I/O20s——計(jì)算10s2、分時(shí)OS與實(shí)時(shí)OS的區(qū)別？習(xí)題操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展

操作系統(tǒng)成為獨(dú)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(shí)期，到80年代雖已趨于成熟，但它仍繼續(xù)沿著兩個(gè)方向繼續(xù)向前發(fā)展，一個(gè)是隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，形成多處理機(jī)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)；另一個(gè)則是把操作系統(tǒng)應(yīng)用于微機(jī)，形成微機(jī)操作系統(tǒng)。多處理機(jī)操作系統(tǒng)在1975年前后，打破了以單處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)為主的局面，形成了由多臺(tái)處理機(jī)通過互連網(wǎng)絡(luò)連接在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是建立在主機(jī)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，用于管理網(wǎng)絡(luò)通信和共享資源，協(xié)調(diào)各主機(jī)上任務(wù)地運(yùn)行，并向用戶提供統(tǒng)一的、有效的網(wǎng)絡(luò)接口的軟件集合。分布式操作系統(tǒng)分布具有各個(gè)計(jì)算機(jī)間相互通訊，無主從關(guān)系；網(wǎng)絡(luò)有主從關(guān)系分布式系統(tǒng)資源為所有用戶共享；而網(wǎng)絡(luò)有限制地共享分布式系統(tǒng)中若干個(gè)計(jì)算機(jī)可相互協(xié)作共同完成一項(xiàng)任務(wù).微型機(jī)（個(gè)人）操作系統(tǒng)DOSMicrosoftWindowsUnixLinuxOS/2典型操作系統(tǒng)

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

：?jiǎn)斡脩?、多任?wù)

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

單用戶、多任務(wù)

是一個(gè)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(wù)是從中小型機(jī)上移植下來的一個(gè)多用戶操作系統(tǒng)，這個(gè)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(wù)處理功能c.硬件獨(dú)立性構(gòu)成完整的操作環(huán)境。操作系統(tǒng)領(lǐng)域中新的操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng),Linux有線電視機(jī)頂盒領(lǐng)域，PowerTV移動(dòng)通信領(lǐng)域，EPOC掌上計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，PalmOS數(shù)字影像領(lǐng)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(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生。并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。多道程序環(huán)境中，并發(fā)是指一段時(shí)間內(nèi)宏觀上多道程序同時(shí)執(zhí)行。在單處理機(jī)系統(tǒng)中，微觀上多道程序交替執(zhí)行；多處理機(jī)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(gè)程序所獨(dú)占，而是供多個(gè)用戶共同使用。并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)兩個(gè)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(gè)物理上的實(shí)體，變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物。物理實(shí)體(前者)是實(shí)的，而后者是虛的，相應(yīng)地，用于實(shí)現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。在OS中利用了多種虛擬技術(shù)，分別用來實(shí)現(xiàn)虛擬處理機(jī)、虛擬內(nèi)存和虛擬外部設(shè)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(jìn)行的；每個(gè)程序在何時(shí)執(zhí)行，多個(gè)程序間的執(zhí)行順序以及完成每道程序所需的時(shí)間都是不確定和不可預(yù)知的。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

從資源管理觀點(diǎn)看，操作系統(tǒng)具有五大功能：處理機(jī)管理存儲(chǔ)器管理設(shè)備管理文件管理操作系統(tǒng)與用戶之間的接口處理機(jī)管理功能處理機(jī)管理中的主要功能：進(jìn)程控制——?jiǎng)?chuàng)建和撤銷進(jìn)程；進(jìn)程同步——對(duì)多個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)；進(jìn)程通信——實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的信息交換；調(diào)度——可以按照一定的算法將處理機(jī)分配給各個(gè)進(jìn)程。進(jìn)程通信

例一個(gè)程序的輸入進(jìn)程、計(jì)算進(jìn)程和打印進(jìn)程三個(gè)進(jìn)程間的通信過程：

圖進(jìn)程間通信示意圖

總結(jié)：在輸入進(jìn)程、計(jì)算進(jìn)程和打印進(jìn)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(jìn)程間的通信。輸入進(jìn)程計(jì)算進(jìn)程打印進(jìn)程計(jì)算前的數(shù)據(jù)計(jì)算后的數(shù)據(jù)通信通信存儲(chǔ)器管理功能主要任務(wù)：為多道程序的運(yùn)行提供良好的環(huán)境，方便用戶使用存儲(chǔ)器，提高存儲(chǔ)器的利用率以及可以為這些程序從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存。主要功能：內(nèi)存分配、內(nèi)存保護(hù)、地址映射和內(nèi)存擴(kuò)充設(shè)備管理功能主要任務(wù)：完成用戶進(jìn)程提出的I/O請(qǐng)求；為用戶進(jìn)程分配其所需的I/O設(shè)備；提高CPU和I/O設(shè)備的利用率；提高I/O速度；方便用戶使用I/O設(shè)備。為此，設(shè)備管理應(yīng)具有緩沖管理、設(shè)備分配和設(shè)備處理，以及虛擬設(shè)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(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，并向外提供一些使用的約定，用戶不必知道軟件內(nèi)