操作系統(tǒng)基礎知識補充內容第一次課先講

操作系統(tǒng)基礎知識補充內容第一次課先講2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論2主要內容1.1操作系統(tǒng)的概述

1.2操作系統(tǒng)的目標和作用

1.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

1.4操作系統(tǒng)的基本特性

1.5操作系統(tǒng)的主要功能

1.6操作系統(tǒng)的結構設計2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論31.1操作系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)=硬件+軟件1.什么是操作系統(tǒng)？硬件：計算機的物理裝置本身，如CPU、內存、硬盤、終端設備等軟件：計算機執(zhí)行的程序，如UNIX、WindowsXP、Office、Oracle等計算機軟件的分類應用軟件支撐軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)的概念

操作系統(tǒng)（OS，OperatingSystem）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)進行調度，以及方便用戶使用的程序的集合。2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論41.1操作系統(tǒng)概述下面哪些是操作系統(tǒng)？2.理解操作系統(tǒng)UNIX，SQLServer，Word，DOS，WindowsXP，PowerPoint，Linux操作系統(tǒng)的定位它是裸機之上的第一層軟件，是與硬件最為緊密的程序

裸機：沒有配置任何軟件的物理計算機它管理用戶程序的執(zhí)行以防止計算機資源的錯誤使用或使用不當操作系統(tǒng)的定義通常不唯一，但又非常重要它對下：控制和管理系統(tǒng)內的各種資源（軟件和硬件），有效地組織多道程序運行它對上：擴充硬件功能，提供眾多服務，方便用戶使用

UNIX，SQLServer，Word，DOS，WindowsXP，PowerPoint，Linux2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論51.1操作系統(tǒng)概述3.計算機系統(tǒng)的層次結構信息管理系統(tǒng)，飛機訂票系統(tǒng)，銀行系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)，CAD軟件…測試工具，編輯工具，項目管理工具，DFD編輯器，語言轉換工具…語言編譯程序，連接裝配程序，數據庫管理軟件，網絡軟件…操作系統(tǒng)裸機用戶用戶用戶用戶應用軟件支撐軟件系統(tǒng)軟件2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論61.2操作系統(tǒng)的目標和作用有效性提高系統(tǒng)資源的利用率，提高系統(tǒng)的吞吐量。1.操作系統(tǒng)的目標方便性方便使用計算機系統(tǒng)，避免用戶使用機器語言編寫程序的繁瑣工作?？蓴U充性超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術、計算機技術以及計算機網絡發(fā)展的需求，以便于增加新的功能和模塊，并能修改老的功能和模塊。開放性遵循世界標準規(guī)范，如開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）國際標準。2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論71.2操作系統(tǒng)的目標和作用它作為用戶和計算機硬件之間的接口2.操作系統(tǒng)的作用它作為計算機系統(tǒng)資源的管理者

a.處理器管理（分配和控制處理機）b.存儲器管理（負責內存的分配與回收）c.I/O設備管理（I/O設備的分配與操縱）d.信息管理（信息的存取、共享和保護）它實現了對計算機資源的抽象鋪設在硬件上的多層軟件系統(tǒng)，增強了系統(tǒng)的功能，隱藏了硬件操作的具體細節(jié)，從而方便用戶使用。用戶計算機硬件操作系統(tǒng)接口2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論81.2操作系統(tǒng)的目標和作用不斷提高計算機資源的利用率最初的動力——計算機系統(tǒng)的昂貴。3.推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力方便用戶使用改善用戶上機、調試的條件，如圖形用戶界面的出現。器件的不斷更新?lián)Q代微電子技術的發(fā)展，推動了OS的功能和性能迅速增強和提高。計算機體系結構的不斷發(fā)展計算機：單處理機系統(tǒng)多處理機系統(tǒng)計算機網絡。操作系統(tǒng)：單處理機OS

多處理機OS網絡OS2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論91.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1）人工操作方式用戶獨占全機資源；CPU等待人工操作；CPU和I/O串行操作。1.無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)上機特點

：

人工安裝

I/O輸入

人工啟動

CPU計算

I/O輸出

人工取結果效率極低，人機矛盾！2）脫機輸入/輸出方式

外圍機控制I/O輸入到磁盤

CPU自動I/O輸入

CPU計算

CPU自動I/O輸出

外圍機控制從磁盤輸出到I/O減少了CPU的空閑時間；提高了I/O速度。主要優(yōu)點

：2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論101.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程2.單道批處理系統(tǒng)(a)自動性

作業(yè)自動逐個依次運行，無需人工干預(b)順序性

先調入內存的作業(yè)先完成(c)單道性

內存始終僅有一道程序運行主要特征

：

批處理系統(tǒng)：將作業(yè)按一定的原則組成作業(yè)流，由系統(tǒng)監(jiān)督程序自動控制完成。目的：使整個作業(yè)流能自動地、順序地運行，提高系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)吞吐量。單道批處理系統(tǒng)：系統(tǒng)對作業(yè)的處理成批進行，并且在內存中始終只保持一道作業(yè)。2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論111.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

將作業(yè)在外存上排成一個隊列，稱為后備隊列，由作業(yè)調度程序按照一定的算法從后備隊列中選擇若干個（并不是同時）作業(yè)進入內存，形成多道批處理。即指多個作業(yè)同時進入內存，處于運行狀態(tài)，可并行運行，但在某一時刻，真正在CPU上運行的只有一個作業(yè)，為此引入多道程序設計技術。多道無序調度性宏觀上并行微觀上串行3.多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)的特征

：提高CPU的利用率；提高內存和I/O設備利用率；增加系統(tǒng)吞吐量。多道批處理系統(tǒng)的好處

：2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論121.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程3.多道批處理系統(tǒng)

優(yōu)點

：資源利用率高，系統(tǒng)吞吐量大缺點：平均周轉時間長（排隊、調度），無交互能力處理機的分配和回收；內存的分配和保護；I/O設備的共享；程序和數據的組織；作業(yè)的組織和管理。多道批處理系統(tǒng)應解決的問題

：程序A程序B程序C程序D調度程序程序A程序B程序C程序D程序DI/O請求程序CI/O請求程序BI/O請求程序AI/O請求程序AI/O完成程序A再被調度程序A完成程序BI/O完成程序CI/O完成程序C再被調度2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論131.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

計算機系統(tǒng)由若干個用戶共享，每個用戶通過終端或控制臺采用問答方式（交互式）控制程序的運行，系統(tǒng)將CPU時間輪流地分配給每個用戶，每個用戶每次只運行很短的時間片，對用戶而言好像獨占整個機器。(a)多路性宏觀上多個用戶同時工作，微觀上每個用戶輪流運行一個時間片(b)

獨立性每個用戶各占一個終端，彼此獨立操作(c)及時性用戶請求能在很短時間內獲得相應(d)交互性用戶可通過終端與系統(tǒng)進行人機對話4.分時系統(tǒng)系統(tǒng)特征：關鍵問題：(a)及時接收(b)及時處理2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論141.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

計算機能及時響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內完成對原事件的處理，并且控制所有實時設備和實時任務協(xié)調一致的工作。（1）響應時間要快（2）系統(tǒng)可靠性要高（3）具有連續(xù)的人-機對話能力（4）具有保護過載能力（5）系統(tǒng)整體性要強5.實時系統(tǒng)系統(tǒng)特征

：周期性實時任務非周期性實時任務實時任務按執(zhí)行周期性可分為硬實時任務軟實時任務按截止時間要求可分為實時任務：通常與外部設備相關，能反應或控制相應的外部設備，帶有某種程度的緊迫性。2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論151.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程實時系統(tǒng)和分時系統(tǒng)的比較特征實時系統(tǒng)分時系統(tǒng)多路性采集多路信息，控制多個對象和多個執(zhí)行機構與用戶情況有關，時多時少獨立性獨立信息采集和對象控制獨立操作，互不干擾獨立的服務請求獨立操作，互不干擾及時性控制對象的要求人能接受的等待時間交互性限于特定專用服務程序向終端用戶提供大量服務可靠性要求系統(tǒng)高度可靠要求系統(tǒng)可靠2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論161.4操作系統(tǒng)的基本特征1.并發(fā)性（Concurrence）2.共享性（Sharing）3.虛擬性（Virtual）4.異步性（Asynchronism）指進程以不可預知的速度向前推進，先進入內存的作業(yè)不一定先完成。虛擬是指將一個物理實體變換（映射）為若干個邏輯上的對應物，可以通過時分復用和空分復用兩種技術實現。指系統(tǒng)中的資源可供內存中多個并發(fā)執(zhí)行的進程共同使用，并發(fā)和共享是OS的兩個最基本的特征。并發(fā)：是一種邏輯的或者宏觀的同時性概念，指兩個或多個事件在同一時間間隔內發(fā)生。并行：是一種物理的或者微觀的同時性概念，指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生。并發(fā)是宏觀上的并行。時分復用：利用處理機的空閑時間來運行其它程序空分復用：利用存儲器的空閑空間來存放其它程序2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論171.5操作系統(tǒng)的主要功能

主要任務：對CPU進行分配，并對其運行控制和管理

進程控制：為作業(yè)創(chuàng)建進程，撤銷已結束的進程，控制進程在運行過程中的狀態(tài)轉換；進程同步：為多個進程的運行進行協(xié)調，包括進程互斥和進程同步兩種協(xié)調方式；進程通信：實現相互合作的進程之間的信息交換；調度：包括作業(yè)調度和進程調度。1.處理機管理

主要任務：為多道程序分配內存，方便用戶使用存儲器，提高存儲器利用率以及能從邏輯上擴充內存。

內存分配：為每道程序靜態(tài)或者動態(tài)地分配內存；內存保護：確保每道用戶程序都只在自己的內存空間運行，互不干擾；地址映射：將應用程序地址空間中的邏輯地址映射為內存空間中的物理地址；內存擴充：借助虛擬存儲技術，從邏輯上擴充內存。2.存儲器管理處理機管理、存儲器、設備、用戶接口、文件管理。2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論181.5操作系統(tǒng)的主要功能

主要任務：完成I/O請求，分配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。

緩沖管理：管理好各類緩沖區(qū)，提高系統(tǒng)吞吐量；設備分配：根據I/O請求，分配所需要的設備；設備處理：實現CPU與設備控制器之間的通信；虛擬設備：將一個物理設備變換（改造）為多個對應的邏輯設備，使每個用戶感覺自己獨占該設備。3.設備管理功能設備管理具有下列功能：2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論191.5操作系統(tǒng)的主要功能

主要任務：對用戶文件和系統(tǒng)文件進行管理，方便用戶使用，并保證文件的安全性。文件存儲空間的管理：為文件分配必要的外存空間，提高外存利用率，并提高文件系統(tǒng)的存取速度；目錄管理：為每個文件建立目錄項，并對眾多的目錄項加以有效的組織，實現方便的按名存??；文件讀/寫管理和保護：進程之間的信息交換；文件讀/寫管理：從外存中讀取數據，或將數據寫入外存；文件保護：防止未經核準的用戶存取文件，防止冒名頂替存取文件，防止以不正確的方式存取文件。4.文件管理2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論201.5操作系統(tǒng)的主要功能

主要任務：方便用戶使用操作系統(tǒng)，以命令、系統(tǒng)調用或者圖形方式為用戶提供接口。命令接口：包括聯(lián)機用戶接口和脫機用戶接口（即批處理用戶接口）；程序接口：由一組具有特定功能的系統(tǒng)調用組成；圖形接口：圖形化的操作界面。5.用戶接口用戶計算機硬件操作系統(tǒng)接口用戶操作系統(tǒng)1.命令接口2.程序接口3.圖形接口接口2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論211.6操作系統(tǒng)的結構設計無結構操作系統(tǒng)一組過程的集合，過程之間可以互相調用。模塊化結構操作系統(tǒng)

OS由許多標準的、可兼容的基本單位構成，稱為模塊。各模塊功能上相互獨立，模塊間通過規(guī)定的接口相互調用，將各模塊連接起來構成完整的系統(tǒng)。1.傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結構優(yōu)點：提高OS設計的正確性、可理解性和可維護性，增強了可適應性，加速了開發(fā)過程。缺點：調用關系復雜，相互依賴，模塊設計的無序性。操作系統(tǒng)進程管理存儲器管理文件管理進程控制進程調度內存分配內存保護磁盤管理目錄管理模塊子模塊………2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論221.6操作系統(tǒng)的結構設計分層式操作系統(tǒng)將模塊按照某種邏輯關系排成若干層、層間只能單向依賴，不構成循環(huán)，系統(tǒng)的正確性由各層的正確性來保證。

基本原則：每一層都僅使用其底層所提供的功能和服務，這樣可使系統(tǒng)的調試和驗證變得容易。1.傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結構優(yōu)點：調用和依賴關系單向，易保證系統(tǒng)的正確性，同時容易擴充和維護。

分層設計時應考慮的因素：程序嵌套運行頻率公用模塊用戶接口缺點：分層單向依賴，增加通信開銷，系統(tǒng)效率降低。2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論231.6操作系統(tǒng)的結構設計客戶/服務器模式（Client/ServerModel）主要由客戶機、服務器和網絡系統(tǒng)組成，客戶進程發(fā)送消息給服務器，以請求某項服務，服務器操作后又把結果返回給客戶進程。2.微內核操作系統(tǒng)結構

客戶/服務器模式的優(yōu)點：數據的分布處理和存儲；便于集中管理，較好保障系統(tǒng)的可靠和安全；靈活性和可擴充性；易于改編應用程序；

客戶/服務器之間的交互：客戶發(fā)送請求消息(2)服務器接收消息(3)服務器回送消息(4)客戶機接收消息2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論241.6操作系統(tǒng)的結構設計面向對象的設計技術（Object-OrientedProgramming）