教材：計算機操作系統(tǒng)（第四版）

湯小丹等編著課程名：操作系統(tǒng)原理教師：王秋芬辦公地點：辦公樓7307手機一章操作系統(tǒng)引論

1.1操作系統(tǒng)的目標和作用1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.5操作系統(tǒng)的結構設計

第一章操作系統(tǒng)引論（OS引論）1.1操作系統(tǒng)的目標和作用一、操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位（視頻）1.核心地位2.系統(tǒng)軟件用戶應用程序系統(tǒng)調用命令圖標、窗口操作系統(tǒng)計算機硬件二、OS的作用1.OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口2.OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者3.OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象（OS用作擴充機器）三、深入認識OS1.OS是什么？OS是鋪設在計算機硬件上的多層軟件的集合，它們增強了系統(tǒng)的功能，同時隱藏了對硬件操作的具體細節(jié)，實現(xiàn)了對計算機硬件操作的多個層次的抽象模型。2.OS能做什么？管理、控制、提供服務3.OS該怎么做？原理、方法及實現(xiàn)技術（如多用戶多任務、并發(fā)、并行、虛擬等）思考：開發(fā)OS這樣一個系統(tǒng)軟件，目標是什么？四、OS的目標1.方便性（讓用戶好用）2.有效性（資源利用率高、處理任務的能力強）3.可擴充性（適應計算機技術的快速發(fā)展）4.開放性（能兼容，遵循開發(fā)系統(tǒng)OSI國際標準）五、推動OS發(fā)展的主要動力1.不斷提高計算機資源利用率2.方便用戶3.器件的不斷更新?lián)Q代4.計算機體系結構的不斷發(fā)展5.不斷提出新的應用需求1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.人工操作方式從第一臺計算機誕生(1945年)到50年代中期的計算機，屬于第一代，這時還未出現(xiàn)OS。由程序員將事先已穿孔(對應于程序和數(shù)據(jù))的紙帶(或卡片)裝入紙帶輸入機(或卡片輸入機)，再啟動它們將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機，然后啟動計算機運行。當程序運行完畢并取走計算結果后，才讓下一個用戶上機。人工操作方式的特點特點:用戶獨占全機CPU等待人工操作串行性缺點:效率低計算機的有效機時嚴重浪費2.脫機輸入/輸出方式

在采用脫機輸入輸出方式時，程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出都是在外圍計算機的控制下完成的，即它們是脫離主機進行的，故稱之為脫機輸入輸出操作。

脫機I/O方式的主要優(yōu)點如下：（1）減少了CPU的空閑時間。（2)提高I/O速度。圖1-2脫機I/O示意圖1.2.2單道批處理系統(tǒng)

單道批處理系統(tǒng)的處理過程

批處理（對一批作業(yè)自動進行處理，在內存中僅有一道作業(yè)）圖1-3單道批處理系統(tǒng)的處理流程

單道批處理系統(tǒng)（監(jiān)督程序）是最早出現(xiàn)的一種OS，嚴格地說，它只能算作是OS的前身而并非是現(xiàn)在人們所理解的OS。優(yōu)點：提高了資源利用率和系統(tǒng)吞吐量缺點：資源得不到充分利用2.單道批處理系統(tǒng)的特征1.2.3多道批處理系統(tǒng)

1.多道程序設計的基本概念

在計算機內存中同時存放若干道已開始運行尚未結束的程序，它們交替運行，共享系統(tǒng)中的各種硬、軟件資源，從而使處理機得到充分利用。

在該系統(tǒng)中，用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個隊列，稱為“后備隊列”；然后，由作業(yè)調度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干個作業(yè)調入內存，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源。例子（比較單道和多道）一個cpu、一臺輸入設備、一臺打印機。內存中有A、B兩個就緒進程，進程A先得到cpu運行，進程B后運行。進程A：計算50ms，打印信息100ms，再計算50ms，打印信息100ms。進程B：計算50ms，輸入數(shù)據(jù)80ms，再計算100ms2.多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點

優(yōu)點：(1)資源利用率高（CPU,內存和I/O設備）(2)系統(tǒng)吞吐量大缺點：(3)平均周轉時間長(4)無交互能力。適合大型科學計算、數(shù)據(jù)處理。

3.多道批處理需要解決的問題

（1）處理機爭用問題。（2）內存分配與保護問題。（3）I/O設備分配問題。（4）文件的組織與管理問題。（5）作業(yè)管理問題。（6）用戶與系統(tǒng)的接口問題

1.2.4分時系統(tǒng)

1.分時系統(tǒng)(Time-SharingSystem)的引入分時系統(tǒng)是為了滿足用戶對人機-交互的需求所形成的一種新型OS。

用戶的需求具體表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)人—機交互(2)共享主機主機終端2.分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關鍵問題實現(xiàn)分時系統(tǒng)的最關鍵的問題：如何使用戶能與自己的作業(yè)進行交互即人—機交互。即使有多個用戶同時通過自己的鍵盤鍵入命令，系統(tǒng)也應能全部地及時接收并處理:1）及時接收。（配置多路卡，實現(xiàn)分時多路復用）2）及時處理。（用戶任務直接進入內存、時間片輪轉方法）3.分時操作系統(tǒng)特征多路性獨立性及時性交互性同時有多個用戶使用一臺計算機宏觀上：是多個人同時使用一個CPU微觀上：多個人在不同時刻輪流使用CPU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)用戶感覺不到計算機為其他人服務（OS提供虛機器，各個用戶的虛機器互不干擾）系統(tǒng)對用戶提出的請求及時響應1.2.5實時系統(tǒng)

“實時”，是表示“及時”，而實時系統(tǒng)(Real-TimeSystem)是指系統(tǒng)能及時響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調一致地運行。特點：及時性要求高，系統(tǒng)可靠性高。

1.實時操作系統(tǒng)的分類工業(yè)（武器）控制系統(tǒng)

計算機用于對生產(chǎn)過程（武器）的控制，形成以計算機為中心的控制系統(tǒng)。如：鋼鐵冶煉和鋼板軋制的自動控制、煉油、化工生產(chǎn)過程的自動控制,導彈制導系統(tǒng)，飛機的自動駕駛系統(tǒng)等。信息查詢系統(tǒng)

計算機及時接收從遠程終端發(fā)來的服務請求，根據(jù)用戶提出的問題對信息進行檢索和處理，并在很短時間內對用戶做出正確回答。例如：銀行查詢系統(tǒng)，機票訂購系統(tǒng)、股市行情，情報檢索信息查詢系統(tǒng)等。多媒體系統(tǒng)

插放將文本、圖像、音頻、視頻等信息集成在一起的多媒體文件時，為了較好的視覺、聽覺效果，要求多媒體系統(tǒng)必須是實時信息處理系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)

將芯片嵌入到各種儀器和設備中，使之具有智能。配置嵌入式OS同樣需要實時控制或處理。2.實時任務的分類(P10)1）按執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性來劃分（1）周期性實時任務（2）非周期性實時任務（開始截止時間、完成截止時間）2）根據(jù)對截至時間的要求來劃分（1）硬實時任務（2）軟實時任務（1）多路性（2）獨立性（3）及時性（4）交互性（5）可靠性3.實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較1.2.6微機操作系統(tǒng)的發(fā)展（P11）

按運行方式分為：1.單用戶單任務操作系統(tǒng)——只允許一個用戶上機且只允許用戶程序作為一個任務運行CP/M（8位）,MS-DOS（16位、32位）2.單用戶多任務操作系統(tǒng)——只允許一個用戶上機，但只允許用戶將程序分成若干個任務，使它們并發(fā)執(zhí)行。Windows的部分系列（16位、32位、64位）3.多用戶多任務操作系統(tǒng)——允許多個用戶通過各自的終端，使用同一臺機器，共享主機系統(tǒng)的各種資源，每個用戶程序可分為幾個任務使其并發(fā)執(zhí)行UNIXOS(SolarisOS,LinuxOS)（大、中、小型機中配置）1.3操作系統(tǒng)的基本特性

并發(fā)性共享性虛擬性異步性

1.3.1并發(fā)性概念：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發(fā)生。在多道程序設計環(huán)境中，并發(fā)性是指在一段時間內宏觀上有多個程序在同時運行，但在單處理系統(tǒng)中，每一時刻卻僅能有一道程序執(zhí)行。重要概念：進程

1.3.2共享性

共享性:并發(fā)執(zhí)行的進程共享計算機系統(tǒng)中的資源（有時間、地點要求）資源共享方式：（1）互斥共享方式：可以供多個進程（線程）使用，但規(guī)定在一段時間內，只允許一個進程訪問該資源（打印機、磁帶機）（2）同時訪問方式：允許在一段時間內由多個進程“同時”對它們進行訪問，并發(fā)和共享是用戶多任務操作系統(tǒng)兩個最基本的特征，這兩者之間又是互為依存的。1.3.3虛擬性

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。利用兩種方式實現(xiàn)：

1.時分復用技術:即對一個物理設備分時使用，N個虛擬設備的速度小于等于物理設備速度的1/N。CPU打印機

2.空分復用技術:將一個物理設備虛擬為N個，每個虛擬設備平均占用的空間小于等于原物理設備空間的1/N。

磁盤存儲器

1.3.4異步性(Asynchronism)

在多道程序環(huán)境下，允許多個進程并發(fā)執(zhí)行，但由于競爭資源等因素的限制，使進程的執(zhí)行不是“一氣呵成，而是以“走走停停”的方式運行。每個進程何時執(zhí)行，多個進程間的執(zhí)行順序以及每個進程完成所需的時間都是不確定。

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

系統(tǒng)資源處理機存儲器I/O設備軟件資源操作系統(tǒng)功能模塊處理機管理存儲器管理設備管理文件系統(tǒng)

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、用戶接口。

1.4.1處理機管理功能

主要任務：是對處理機的分配和運行實施有效管理。處理機的分配和運行都是以進程為基本單位的，所以對處理機的管理可歸結為對進程的管理。

進程管理的主要功能

1、進程控制：當用戶程序要運行時，應為之建立一個或多個進程，并為它分配除處理機以外的所有資源，將它放入進程就緒隊列。當進程運行完成時，立即撤消該進程，以便及時釋放其所占有的資源。進程控制的基本功能就是創(chuàng)建和撤消進程以及控制進程的狀態(tài)轉換。2、進程同步：所謂進程同步是指系統(tǒng)對并發(fā)執(zhí)行的進程進行協(xié)調。1）進程互斥方式。2）進程同步方式。

進程管理的主要功能（續(xù)）

3、進程通信：對于相互合作的進程，在它們運行時，相互之間往往要交換一定的信息，這種進程間所進行的信息交換稱為進程通信。4、進程調度：

1>作業(yè)調度指從作業(yè)后備隊列中按照一定的算法選出若干個作業(yè)，并為他們分配必要的資源。

2>進程調度是指按一定算法，如最高優(yōu)先算法，從進程就緒隊列中選出一進程，把處理機分配給它，為該進程設置運行現(xiàn)場，并使之投入運行。1.4.2存儲器管理功能1、內存分配：為每道進程分配內存是存儲器管理的最基本功能。2、內存保護：保證各道進程都能在自己的內存空間運行而互不干擾；決不允許用戶進程訪問操作系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)，也不允許轉移到非共享的其他用戶程序中去執(zhí)行。

存儲器管理的功能（續(xù)）

3、地址映射：在多道程序的系統(tǒng)中，編譯、鏈接后形成的可裝入程序地址是從“0”開始的，在內存中的地址不是從“0”開始的，為保證正確運行，操作系統(tǒng)必須提供把程序地址空間中的邏輯地址轉換為內存空間對應的物理地址的功能。4、內存擴充：借助于虛擬存儲技術，使系統(tǒng)能運行內存要求量遠比物理內存大得多的進程，或讓更多得進程并發(fā)執(zhí)行。

1.4.3設備管理功能

1、緩沖管理：利用緩沖來緩和CPU和I/O設備間速度不匹配的矛盾，和提高CPU與設備、設備與設備間操作的并行程度，以提高CPU和I/O設備的利用率。2、設備分配：系統(tǒng)根據(jù)用戶所請求的設備類型和所采用的分配算法對設備進行分配。3、設備處理：啟動指定的I/O設備，完成用戶規(guī)定的I/O操作，并對由設備發(fā)來的中斷請求進行及時響應，根據(jù)中斷類型進行相應的處理。

4.文件管理

文件管理應具有以下功能：1.文件存儲空間的管理2.目錄管理3.文件讀、寫管理和保護4.向用戶提供接口文件管理

1、文件存儲空間的管理：文件系統(tǒng)為每個文件分配必要的外存空間，提高外存利用率和文件系統(tǒng)的運行速度；還應具有對外存空間進行分配和回收的功能。2、目錄管理：為每個文件建立其目錄項，并對所有目錄項加以有效組織，實現(xiàn)按名存取，實現(xiàn)文件共享，提供快速的目錄查詢手段。文件管理

3、文件的讀/寫管理和保護：

文件的讀/寫管理：根據(jù)用戶請求，從外存中讀取數(shù)據(jù)，或將數(shù)據(jù)寫入外存。文件的保護：防止系統(tǒng)中文件被非法竊取或破壞。1.4.5用戶接口為了使用戶能靈活、方便地使用計算機和系統(tǒng)功能，0S提供了一組友好的使用其功能的手段，稱為用戶接口。用戶接口命令接口圖形用戶接口程序接口1.4.6現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新功能1.系統(tǒng)安全

(1)認證技術。

(2)密碼技術。

(3)訪問控制技術。

(4)反病毒技術。2.網(wǎng)絡的功能和服務

(1)網(wǎng)絡通信。

(2)資源管理。

(3)應用互操作。1.4.6現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新功能3.支持多媒體

(1)接納控制功能。

(2)實時調度。

(3)多媒體文件的存儲。1.5操作系統(tǒng)的結構設計

無結構OS:注意力放在功能的實現(xiàn)和獲得高的效率上，缺乏首尾一致的設計思想模塊化OS結構分層式OS結構一、傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的結構

2.模塊化OS結構

模塊化程序設計技術，是基于“分解”和“模塊化”原則來控制大型軟件的復雜度的。將OS按其功能劃分為若干個具有一定獨立性和大小的模塊。并規(guī)定好各模塊間的接口，各模塊之間能通過該接口實現(xiàn)交互。模塊化OS結構優(yōu)缺點優(yōu)點：提高設計的正確性；增強可適應性；加速開發(fā)過程缺點：難保證模塊完全正確；未區(qū)分獨占與共享資源。3.分層式OS結構有序分層的基本概念高層只能調用低層功能，應考慮：嵌套、運行頻率、公用模塊、用戶接口。2