操作系統(tǒng)概論之1引論

1操作系統(tǒng)概論2課程特點(diǎn)：概念多、原理性強(qiáng)、較抽象課程學(xué)習(xí)目的：基礎(chǔ)核心課有利于對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理解和軟件開發(fā)3計(jì)算機(jī)基本模型計(jì)算機(jī)模型的基本方案是，如要使計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)地計(jì)算，必須有一個(gè)存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)；同時(shí)要有一個(gè)運(yùn)算器，用以執(zhí)行指定的操作；有一個(gè)控制器，以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作；另外，輔以輸入/輸出部件，以便輸入原始數(shù)據(jù)和輸出計(jì)算結(jié)果。于是形成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本組成形式。4存儲(chǔ)器運(yùn)算器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)指令控制器控制信號(hào)輸出器輸入器程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序和程序控制計(jì)算機(jī)的組成5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次關(guān)系應(yīng)用軟件操作人員操作系統(tǒng)軟件系統(tǒng)實(shí)用軟件計(jì)算機(jī)硬件6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成1、硬件包括中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出控制系統(tǒng)和各種輸入輸出設(shè)備等。2、軟件包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件以及應(yīng)用程序等。7計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成8操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)是一組程序，是一種管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，合理組織計(jì)算機(jī)的工作流程，協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部分之間、系統(tǒng)與用戶之間、用戶與用戶之間的關(guān)系，為用戶提供方便的、有效的、友善的服務(wù)界面的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效率和高度自動(dòng)化。9操作系統(tǒng)的作用管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口：操作系統(tǒng)向用戶提供使用計(jì)算機(jī)完成某類特定應(yīng)用的界面或命令。具有擴(kuò)充硬件的功能：用戶不用關(guān)心軟件對(duì)硬件的控制和操作，只需關(guān)注軟件的使用方式，操作系統(tǒng)屏蔽了計(jì)算機(jī)硬件的復(fù)雜性和物理、電氣等特性。10

作為資源管理的操作系統(tǒng)從作為機(jī)器功能擴(kuò)充的觀點(diǎn)看，操作系統(tǒng)是為用戶提供基本的方便的接口，這是一種自頂向下的觀點(diǎn)。但是從用戶向機(jī)器的觀點(diǎn)或自底向上的觀點(diǎn)來看，操作系統(tǒng)則用來管理一個(gè)復(fù)雜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)部分。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)包含處理器、存儲(chǔ)器、磁盤、終端、網(wǎng)絡(luò)接口、打印機(jī)以及許多其他設(shè)備。從這個(gè)角度來看，操作系統(tǒng)的任務(wù)是在相互競(jìng)爭(zhēng)的程序之間有序地控制對(duì)處理器、存儲(chǔ)器以及其他I/O接口設(shè)備的分配。11資源管理基本功能處理器管理存儲(chǔ)管理文件管理設(shè)備管理作業(yè)管理121．處理器管理的功能

處理器管理的主要任務(wù)是對(duì)處理器進(jìn)行分配，并對(duì)其運(yùn)行進(jìn)行有效的控制和管理。在多道程序環(huán)境下，處理器的分配和運(yùn)行都是以進(jìn)程為單位，所以對(duì)處理器的管理可理解為對(duì)進(jìn)程的管理。132．存儲(chǔ)管理的功能內(nèi)存分配

主存儲(chǔ)器中允許同時(shí)容納各種軟件和多個(gè)用戶程序時(shí)，必須解決主存空間如何分配的問題。內(nèi)存分配的主要任務(wù)是為每道程序分配內(nèi)存空間，但要以存儲(chǔ)器利用率最高、減少不可用的內(nèi)存空間為準(zhǔn)則，同時(shí)允許正在運(yùn)行的程序申請(qǐng)附加的內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)增長的需要。內(nèi)存保護(hù)和共享

內(nèi)存保護(hù)的主要任務(wù)是確保每道用戶程序在自己的內(nèi)存空間中運(yùn)行，互不干擾，也就是說不允許用戶程序訪問操作系統(tǒng)和其他用戶的程序和數(shù)據(jù)。在多道程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，同時(shí)進(jìn)入主存儲(chǔ)器執(zhí)行的作業(yè)可能要調(diào)用相同的程序。例如，調(diào)用編譯程序進(jìn)行編譯，把這個(gè)編譯程序存放在某個(gè)區(qū)域中，各作業(yè)要調(diào)用時(shí)就訪問這個(gè)區(qū)域，因此這個(gè)區(qū)域就是共享的。同樣也可實(shí)現(xiàn)公共數(shù)據(jù)的共享。14地址映射一個(gè)應(yīng)用程序經(jīng)編譯后，通常會(huì)形成若干個(gè)目標(biāo)程序，這些目標(biāo)程序再經(jīng)過鏈接而形成可執(zhí)行程序。地址映射要配合硬件做好地址轉(zhuǎn)換工作，把一組邏輯地址空間轉(zhuǎn)換成絕對(duì)地址空間，以保證處理器的正確執(zhí)行。內(nèi)存擴(kuò)充

由于物理內(nèi)存的容量有限，難以滿足用戶的需要，存儲(chǔ)器管理的任務(wù)就是在不增加物理內(nèi)存的條件下，借助于虛擬內(nèi)存技術(shù)從邏輯上去擴(kuò)充內(nèi)存容量，使用戶編制程序時(shí)不必考慮主存儲(chǔ)器的實(shí)際容量，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)似乎有一個(gè)比實(shí)際主存儲(chǔ)器容量大得多的主存空間。153．文件管理的功能

對(duì)用戶文件和系統(tǒng)文件進(jìn)行管理，以方便用戶使用文件，并保證文件的安全性和可靠性。因此，文件管理具有對(duì)文件存儲(chǔ)空間的管理、目錄管理、文件的讀、寫等操作的管理以及文件的共享與保護(hù)等功能。164．設(shè)備管理的功能緩沖管理緩解CPU和I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，達(dá)到提高CPU和I/O設(shè)備利用率，提高系統(tǒng)吞吐量的目的。

設(shè)備分配設(shè)備分配的基本任務(wù)是根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求，為他們分配所需的設(shè)備。如果在I/O設(shè)備和CPU之間還存在設(shè)備控制器和通道，則還需為分配出去的設(shè)備分配相應(yīng)的控制器和通道。17設(shè)備處理設(shè)備處理程序又稱設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信。設(shè)備獨(dú)立性和虛擬設(shè)備用戶向系統(tǒng)申請(qǐng)和使用的設(shè)備與實(shí)際操作的設(shè)備無關(guān)。185．作業(yè)管理的功能使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的目的是為了完成作業(yè)的運(yùn)行。用戶采用什么方式把作業(yè)提交給計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)根據(jù)什么原則挑選作業(yè)投入運(yùn)行，又如何組織和調(diào)度作業(yè)，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，這就是作業(yè)控制管理要完成的任務(wù)。19

無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)人工操作方式有以下兩個(gè)缺點(diǎn)：（1）用戶獨(dú)占全部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源。（2）CPU等待人工操作。用戶進(jìn)行裝帶（卡）、卸帶（卡）等人工操作時(shí)，CPU這個(gè)系統(tǒng)最重要的資源空閑。手工操作計(jì)算機(jī)20操作系統(tǒng)的出現(xiàn)探索思路1：執(zhí)行成批處理探索思路2：多道程序并行21硬件發(fā)展的支持通道技術(shù)中斷技術(shù)22操作系統(tǒng)的主要分類多道批處理系統(tǒng)(Multi-BatchProgrammingSystem)分時(shí)系統(tǒng)(TimeSharingSystem)實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Real-TimeSystem)23

批處理系統(tǒng)是指加載在計(jì)算機(jī)上的一個(gè)系統(tǒng)軟件，在它的控制下，計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)地成批地處理一個(gè)或多個(gè)用戶的作業(yè)。

批處理系統(tǒng)可以分為單道批處理系統(tǒng)和多道批處理系統(tǒng)。24

在單道批處理系統(tǒng)中，每次只允許執(zhí)行一個(gè)作業(yè)，一批作業(yè)的程序和數(shù)據(jù)交給系統(tǒng)后，系統(tǒng)順序控制作業(yè)的執(zhí)行，當(dāng)一個(gè)作業(yè)執(zhí)行結(jié)束后自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一個(gè)作業(yè)的執(zhí)行，CPU和輸入輸出設(shè)備是串行工作的。

2520世紀(jì)60年代中期產(chǎn)生了多道程序批處理系統(tǒng)多道，即內(nèi)存中可以同時(shí)存放著若干個(gè)作業(yè)，外存中則還存放著若干個(gè)后備性的作業(yè)。中央處理器輪流地執(zhí)行各個(gè)作業(yè)，各個(gè)作業(yè)可以同時(shí)使用各自所需的外圍設(shè)備。26多道批處理系統(tǒng)的特征

作業(yè)存在的多道性。作業(yè)運(yùn)行的無序性。作業(yè)運(yùn)行中的不可干預(yù)性。27多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

提高資源的利用率。增加了在單位時(shí)間內(nèi)完成作業(yè)的吞吐量。28多道批處理系統(tǒng)的缺點(diǎn)作業(yè)運(yùn)行平均周期長。人機(jī)交互能力差。29分時(shí)系統(tǒng)(TimeSharingSystem)

在一個(gè)系統(tǒng)中，如果多個(gè)用戶分時(shí)地使用同一計(jì)算機(jī)，那么這樣的系統(tǒng)稱為分時(shí)系統(tǒng)（Time-SharingSystem）。SC1C2C330分時(shí)技術(shù)是把處理器的時(shí)間分成很短的時(shí)間片，這些時(shí)間片輪流地分配給各個(gè)聯(lián)機(jī)的各作業(yè)使用。如果某作業(yè)在分配給它的時(shí)間片用完時(shí)仍未完成，則該作業(yè)就暫時(shí)中斷，等待下一輪運(yùn)行，并把處理器的控制權(quán)讓給另一個(gè)作業(yè)使用。這樣在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間間隔內(nèi)，每個(gè)用戶作業(yè)都能得到快速響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。31分時(shí)操作系統(tǒng)的分類單道分時(shí)系統(tǒng)多道分時(shí)系統(tǒng)32分時(shí)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

多路性獨(dú)占性及時(shí)性交互性實(shí)時(shí)響應(yīng)存在不足33實(shí)時(shí)系統(tǒng)(RealTimeSystem)

實(shí)時(shí)，指的是“立即響應(yīng)”，即對(duì)指定作業(yè)響應(yīng)的及時(shí)性要比分時(shí)系統(tǒng)高得多。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的具體含義是指系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件，并在嚴(yán)格的時(shí)間范圍內(nèi)完成對(duì)該事件的處理34實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的分類實(shí)時(shí)控制實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：與被控制過程的變化速度相比，其反應(yīng)速度要足夠快；工作安全可靠，即使系統(tǒng)硬件發(fā)生故障，系統(tǒng)也能安全運(yùn)行；操作人員使用系統(tǒng)也簡(jiǎn)單、方便。實(shí)時(shí)信息處理典型的實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)有：飛機(jī)訂票系統(tǒng)、情報(bào)檢索系統(tǒng)等。35實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的注意要點(diǎn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理連續(xù)人——機(jī)對(duì)話過載保護(hù)高可靠性36現(xiàn)代操作系統(tǒng)的主要特征并發(fā)（Concurrence）：在一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)做幾件事，這包括主機(jī)處理器與若干外設(shè)在真正地并行工作，也包括多道作業(yè)微觀上輪流執(zhí)行而形成宏觀上的同時(shí)運(yùn)行。

共享（Sharing）：多道作業(yè)共同分享使用系統(tǒng)的資源（CPU、內(nèi)存、磁盤、打印機(jī)、磁盤上的數(shù)據(jù)和程序等等）。37操作系統(tǒng)的發(fā)展

微機(jī)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)38到20世紀(jì)80年代，隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展產(chǎn)生了微型計(jì)算機(jī)，配置在微機(jī)上的操作系統(tǒng)稱為微機(jī)操作系統(tǒng)。最早出現(xiàn)的微機(jī)操作系統(tǒng)是8位微機(jī)上的CP/M，它是一個(gè)單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)，即只允許一個(gè)用戶上機(jī)，且只允許用戶程序作為一個(gè)任務(wù)運(yùn)行。

1981年IBM公司推出16位的IBM-PC個(gè)人計(jì)算機(jī)，并在其上采用了微軟公司開發(fā)的MS-DOS操作系統(tǒng)。

微機(jī)操作系統(tǒng)391987年4月，IBM公司推出了OS/2，其最初的版本OS/21.X是針對(duì)80286開發(fā)的，仍屬16位操作系統(tǒng)，但已能實(shí)現(xiàn)真正的多任務(wù)處理。

1990年微軟公司推出Windows3.0，其友好的圖形用戶界面及易學(xué)易用的特點(diǎn)使其很快占領(lǐng)了個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的市場(chǎng)。1995年推出的Windows95及1998年推出的Windows98成為32位多任務(wù)操作系統(tǒng)的主流。40如果允許多個(gè)用戶通過各自的終端，使用同一臺(tái)主機(jī)共享主機(jī)系統(tǒng)中的各類資源，而每個(gè)用戶程序又可進(jìn)一步分為幾個(gè)任務(wù)，使它們并發(fā)執(zhí)行，從而進(jìn)一步提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，則這種操作系統(tǒng)稱多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)。在大、中、小型計(jì)算機(jī)上都可以配置多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)，在微機(jī)上也有很多配置多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)，最有代表性的是UNIX操作系統(tǒng)。41計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的結(jié)合使得計(jì)算機(jī)用戶資源共享及相說互通信的愿望成為可能，即在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上可以使用其他機(jī)器上的資源或進(jìn)行通信。這樣計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念得以產(chǎn)生。一些獨(dú)立自治的計(jì)算機(jī)利用通信線路相互連接形成的計(jì)算機(jī)的集合，稱為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)配置的操作系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)42網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的主要功能共享資源、用戶通信、網(wǎng)絡(luò)管理、安全控制……提供高效而可靠的網(wǎng)絡(luò)通信能力。提供多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。(1)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)錄入服務(wù)。(2)提供多種系統(tǒng)服務(wù)。(3)文件傳輸服務(wù)?！?3大量的實(shí)際應(yīng)用要求一個(gè)一體化的系統(tǒng)，用戶希望以統(tǒng)一的界面，標(biāo)準(zhǔn)的接口去使用系統(tǒng)的各種資源，實(shí)現(xiàn)所需的各種操作，這就導(dǎo)致了分布式系統(tǒng)的出現(xiàn)。一個(gè)分布式系統(tǒng)是若干計(jì)算機(jī)的集合，它們都有自己的局部存儲(chǔ)器和外部設(shè)備，但分布式系統(tǒng)是一個(gè)一體化的系統(tǒng)，在系統(tǒng)中有一個(gè)全局操作系統(tǒng)，即分布式操作系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)整個(gè)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，為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的界面，標(biāo)準(zhǔn)的接口，用戶通過這一界面實(shí)現(xiàn)所需的操作和使用系統(tǒng)的資源，但操作和計(jì)算是在哪一臺(tái)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行或使用哪個(gè)計(jì)算機(jī)的資源則由操作系統(tǒng)自動(dòng)完成，用戶不用知道，即分布式操作系統(tǒng)對(duì)用戶是透明的。分布式操作系統(tǒng)44隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的滲透，計(jì)算機(jī)硬件不再以物理上獨(dú)立的裝置形式出現(xiàn)，而是大部分或全部都隱藏和嵌入到各種應(yīng)用系統(tǒng)中，這樣的系統(tǒng)稱為嵌入式（計(jì)算機(jī)）系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是指運(yùn)行在嵌入式（計(jì)算機(jī)）系統(tǒng)中對(duì)各種部件、裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、處理和控制的系統(tǒng)軟件。主要特點(diǎn)：微型化實(shí)時(shí)性嵌入式操作系統(tǒng)45系統(tǒng)資源的特點(diǎn)從“是否能被幾個(gè)作業(yè)同時(shí)使用”的角度看，分為“共享資源”和“獨(dú)享資源”從“當(dāng)被一個(gè)作業(yè)使用時(shí)是否還能被其他作業(yè)搶奪去使用”的角度看，分為“可搶占的資源(可剝奪性資源)”和“不可搶占的資源(不可剝奪性資源)”從“是否能被反復(fù)使用”的角度看，分為“永久資源(可重用資源)”和“臨時(shí)資源(不可重用資源)”46管理資源的一般方法1、確定資源的分配原則2、隨時(shí)記錄資源的狀況3、隨時(shí)記錄各個(gè)作業(yè)的需求4、根據(jù)已經(jīng)確定的原則，按照需求和可能實(shí)施分配5、隨時(shí)了解各個(gè)作業(yè)對(duì)所分配資源的使用情況47處理器的工作狀態(tài)特權(quán)指令管態(tài)和目態(tài)程序狀態(tài)字48特權(quán)指令和非特權(quán)指令1.特權(quán)指令：只有OS才能使用的指令，不允許用戶程序隨意使用。如訪問關(guān)鍵寄存器、I/O敏感指令（中斷屏蔽、端口讀寫）等等……2.非特權(quán)指令：用戶程序中可以使用的指令。49管態(tài)和目態(tài)1.管態(tài)：CPU運(yùn)行OS程序時(shí)的狀態(tài)。

2.目態(tài)：CPU運(yùn)行用戶程序時(shí)的狀態(tài)。當(dāng)CPU處于目態(tài)時(shí)，不允許執(zhí)行特權(quán)指令：當(dāng)CPU處于管態(tài)時(shí)，可執(zhí)行包括特權(quán)指令在內(nèi)的一切指令。50PSW(programstatusword)1.程序狀態(tài)字：為了硬件的控制方便，將反映程序運(yùn)行中指令一級(jí)的硬件系統(tǒng)狀態(tài)的信息集中在一個(gè)機(jī)器字中，稱為程序狀態(tài)字。

2.設(shè)置程序狀態(tài)字的目的:控制指令執(zhí)行的順序，保留和指示與程序有關(guān)的硬件系統(tǒng)狀態(tài)。

3.PSW寄存器：CPU中存放PSW的寄存器，存放正起控制作用的現(xiàn)行PSW。51■12位（C）：控制方式0：基本方式1：虛擬方式■13位(M)：機(jī)器校驗(yàn)中斷屏蔽0：屏蔽1：響應(yīng)■14位(W)：等待/計(jì)算狀態(tài)0：CPU工作，執(zhí)行指令1：CPU空轉(zhuǎn)■15位(P)：目態(tài)/管態(tài)位0：管態(tài)，可執(zhí)行特權(quán)指令1：目態(tài)，不可執(zhí)行特權(quán)指令52操作系統(tǒng)與用戶的接口

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用戶利用計(jì)算機(jī)解決問題，大致可分成兩個(gè)步驟：首先是編制程序，其次是使程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行?！?/p>

操作系統(tǒng)向用戶提供了兩類使用接口：一類用于程序一級(jí)，即系統(tǒng)調(diào)用接口（程序員接口）;

一類用于作業(yè)控制一級(jí)，即系統(tǒng)命令接口（操作員接口）。53

程序級(jí)：系統(tǒng)調(diào)用命令作業(yè)級(jí)鍵盤操作命令作業(yè)控制命令操作系統(tǒng)向用戶提供的兩類接口

操作系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)54★系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)向用戶提供的程序一級(jí)的服務(wù)，用戶程序可以在源程序一級(jí)借助于系統(tǒng)調(diào)用命令來向操作系統(tǒng)提出各種資源要求和服務(wù)請(qǐng)求。（如，請(qǐng)求使用各種外部設(shè)備進(jìn)行信息傳輸、向系統(tǒng)申請(qǐng)資源等）。程序員接口55用戶程序函數(shù)操作系統(tǒng)凡是與硬件相關(guān)、與應(yīng)用無關(guān)的工作，都通過操作系統(tǒng)程序來完成，系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給編程人員的唯一接口。編程人員通過系統(tǒng)調(diào)用使用操作系統(tǒng)內(nèi)核所提供的各種功能。56系統(tǒng)調(diào)用功能分類1.設(shè)備管理2.文件管理3.進(jìn)程控制4.進(jìn)程通信5.存儲(chǔ)管理6.系統(tǒng)管理57。。。調(diào)用指令（SVCN）。。。。（1）保留用戶程序現(xiàn)場(chǎng)（2）取系統(tǒng)調(diào)用命令號(hào)并找到子程序入口（3）返回A0A1…An