操作系統(tǒng)第1章－引論

高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教材操作系統(tǒng)OperatingSystem孟慶昌編著電子工業(yè)出版社PublishingHouseofElectronicsIndustry北京·BEIJING課件版本：2004-6第1章操作系統(tǒng)引論一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件和軟件兩大部分組成的操作系統(tǒng)（OperatingSystem）是所有軟件中最基礎(chǔ)、最核心的部分，是計(jì)算機(jī)用戶和計(jì)算機(jī)硬件之間的中介程序，它為用戶執(zhí)行程序提供更方便、更有效的環(huán)境。操作系統(tǒng)是什么、干什么和如何干？本章內(nèi)容提要1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述1.2什么是操作系統(tǒng)1.3操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.4操作系統(tǒng)的類型1.5操作系統(tǒng)的特征1.6操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的。硬件是軟件建立與活動(dòng)的基礎(chǔ)，而軟件是對(duì)硬件功能的擴(kuò)充。計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)由CPU，內(nèi)存和若干I/O設(shè)備組成。它們經(jīng)由系統(tǒng)總線連接在一起，實(shí)現(xiàn)彼此通信。圖1-1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)1.1.1處理器

CPU工作的基本周期是：從內(nèi)存中提取指令對(duì)指令譯碼最后執(zhí)行指令每個(gè)CPU可以執(zhí)行的指令集是專用的1.1.1處理器

所有CPU都包含某些寄存器通用寄存器專用寄存器程序計(jì)數(shù)器棧指針PSW（程序狀態(tài)字）1.1.1處理器

兩種處理機(jī)執(zhí)行狀態(tài)核心態(tài)用戶態(tài)1.1.2存儲(chǔ)器寄存器高速緩存內(nèi)存磁盤磁帶

圖1-2典型的存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)1.1.3I/O設(shè)備

通常由控制器和設(shè)備本身兩部分組成控制器設(shè)備設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序1.1.3I/O設(shè)備

輸入和輸出的工作方式

程序控制方式程序中斷方式

DMA方式1.1.4總線

總線分類

數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線1.2什么是操作系統(tǒng)

1.2.1操作系統(tǒng)概念1．操作系統(tǒng)作為擴(kuò)展機(jī)器2．操作系統(tǒng)作為資源管理器作為資源管理者，操作系統(tǒng)主要做以下工作：監(jiān)視各種資源，隨時(shí)記錄它們的狀態(tài)；實(shí)施某種策略以決定誰獲得資源，何時(shí)獲得，獲得多少；分配資源供需求者使用；回收資源，以便再分配。操作系統(tǒng)的用戶觀點(diǎn)和系統(tǒng)觀點(diǎn)定義：

操作系統(tǒng)是控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各種硬件和軟件資源，有效地組織多道程序運(yùn)行的系統(tǒng)軟件（或程序集合），是用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口。1.2.2操作系統(tǒng)的主要功能

1．存儲(chǔ)管理功能內(nèi)存分配、地址映射、內(nèi)存保護(hù)、內(nèi)存擴(kuò)充2．處理機(jī)管理功能作業(yè)和進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程控制和進(jìn)程通信3．設(shè)備管理功能緩沖區(qū)管理，設(shè)備分配，設(shè)備驅(qū)動(dòng)和設(shè)備無關(guān)性。1.2.2操作系統(tǒng)的主要功能4．文件管理功能

文件存儲(chǔ)空間的管理，文件操作的一般管理，目錄管理，文件的讀寫管理和存取控制。5．用戶接口命令界面程序界面圖形界面1.2.3操作系統(tǒng)的地位

軟件是相對(duì)硬件而言的，它是與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的操作有關(guān)的計(jì)算機(jī)程序、過程、規(guī)則和相關(guān)的文檔資料的總稱。軟件是計(jì)算機(jī)執(zhí)行的程序軟件通?？煞譃槿箢?，即應(yīng)用軟件、支撐軟件和系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)是裸機(jī)之上的第1層軟件，它只在核心態(tài)模式下運(yùn)行。通常把經(jīng)過軟件擴(kuò)充功能后的機(jī)器稱為“虛擬機(jī)”1.2.3操作系統(tǒng)的地位

圖1-4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次關(guān)系1.2.4操作系統(tǒng)的服務(wù)與服務(wù)方式1．操作系統(tǒng)提供的服務(wù)2．操作系統(tǒng)的服務(wù)方式（1）系統(tǒng)調(diào)用（2）系統(tǒng)程序3．命令解釋程序（1）內(nèi)置方式（2）外置方式操作系統(tǒng)的服務(wù)方式（1）系統(tǒng)調(diào)用

系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供的、與用戶程序之間的接口，也就是操作系統(tǒng)提供給程序員的接口。它一般位于操作系統(tǒng)核心的最高層。系統(tǒng)調(diào)用類似于過程調(diào)用（2）系統(tǒng)程序它們本身并不屬于操作系統(tǒng)的一部分

1.3操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程

1.3.1操作系統(tǒng)的形成1．手工操作階段2．早期批處理階段3．多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)

多道程序設(shè)計(jì)的基本思想是在內(nèi)存中同時(shí)存放多道程序，在管理程序的控制下交替地執(zhí)行。這些作業(yè)共享CPU和系統(tǒng)中的其他資源。多道程序的這種交替運(yùn)行稱做并發(fā)執(zhí)行在一段給定的時(shí)間內(nèi)，計(jì)算機(jī)所能完成的總工作量（稱為系統(tǒng)吞吐量）。1.3.2操作系統(tǒng)的發(fā)展1.3.3推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的動(dòng)力

硬件技術(shù)更新應(yīng)用需求擴(kuò)大1.4操作系統(tǒng)的類型

1．作業(yè)所謂作業(yè)，是用戶定義的、由計(jì)算機(jī)完成的工作單位。它通常包括一組計(jì)算機(jī)程序、文件和對(duì)操作系統(tǒng)的控制語(yǔ)句。利用作業(yè)控制語(yǔ)言（JCL）書寫的作業(yè)控制語(yǔ)句標(biāo)識(shí)一個(gè)作業(yè)的存在，描述它對(duì)操作系統(tǒng)的需求。作業(yè)步1.4.1多道批處理系統(tǒng)1.4.1多道批處理系統(tǒng)

2．工作流程

圖1-8多道批處理系統(tǒng)中的作業(yè)流程1.4.1多道批處理系統(tǒng)

3.特點(diǎn)“多道”是指內(nèi)存中存放多個(gè)作業(yè)，并且在外存上存放大量的后備作業(yè)?！俺膳钡奶攸c(diǎn)是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不允許用戶和機(jī)器之間發(fā)生交互作用。批處理系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：

①系統(tǒng)資源利用率高；②系統(tǒng)吞吐量大。明顯缺點(diǎn)：①用戶作業(yè)的等待時(shí)間長(zhǎng)

②沒有交互能力1.4.2分時(shí)系統(tǒng)1．分時(shí)概念和分時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法所謂分時(shí)，就是對(duì)時(shí)間的共享。所謂并行是指在同一時(shí)刻有兩個(gè)或兩個(gè)以上的活動(dòng)發(fā)生。分時(shí)主要是指若干并發(fā)程序?qū)PU時(shí)間的共享1.4.2分時(shí)系統(tǒng)2．分時(shí)系統(tǒng)的特征和優(yōu)點(diǎn)同時(shí)性交互性獨(dú)立性及時(shí)性1.4.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)

1．實(shí)時(shí)系統(tǒng)的引入實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指具有實(shí)時(shí)特性，能夠支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)現(xiàn)在有三種典型應(yīng)用形式，即過程控制系統(tǒng)、信息查詢系統(tǒng)和事務(wù)處理系統(tǒng)。1.4.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)

2．實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)的差別交互性實(shí)時(shí)性可靠性1.4.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)

3．實(shí)現(xiàn)方式（1）硬式實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間嚴(yán)格約束（2）軟式實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間限制稍弱一些1.4.4個(gè)人機(jī)（PC）系統(tǒng)1．單用戶操作系統(tǒng)

MS-DOS,OS/2,Windows95,Windows98等2．多用戶操作系統(tǒng)

UNIX系統(tǒng)以及各種類UNIX系統(tǒng)1.4.5多處理器操作系統(tǒng)對(duì)稱多處理（SMP）系統(tǒng)1.4.6嵌入式操作系統(tǒng)1.4.7網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)1.4.8分布式操作系統(tǒng)1.5操作系統(tǒng)的特征

（1）并發(fā)

并發(fā)是指兩個(gè)或多個(gè)活動(dòng)在同一給定的時(shí)間間隔中進(jìn)行。（2）共享

共享是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的資源被多個(gè)進(jìn)程所共用。（3）不確定性

不確定性是指系統(tǒng)中各種事件發(fā)生順序的不可預(yù)測(cè)性。1.6操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.6.1整體系統(tǒng)1.6.2層次式系統(tǒng)圖1-12THE操作系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.6操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.6.3虛擬機(jī)這是物理機(jī)器通過共享資源來實(shí)現(xiàn)多個(gè)虛擬機(jī)器。