1、第一章 操作系統(tǒng)引論,本章主要內(nèi)容： 操作系統(tǒng)的目標(biāo)、作用(單處理機(jī)、多任務(wù)） 操作系統(tǒng)的發(fā)展 操作系統(tǒng)的服務(wù) 操作系統(tǒng)的功能,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 1.1.1 OS的目標(biāo)開發(fā)OS的目標(biāo) 方便性 有效性 可擴(kuò)充性 開放性,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 1.1. 2 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， 最終用戶與硬件的接口：命令、圖形界面。 程序員與硬件的接口：系統(tǒng)調(diào)用 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：提供給用戶一臺(tái)覆蓋了軟件的，使用方便的虛擬機(jī)。,1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 1.1.3 操作系統(tǒng)的層

2、次模型 OS分為三個(gè)層次： 用戶接口 對對象操縱和管理的軟件集合 操作系統(tǒng)對象,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 1.1.3 操作系統(tǒng)的層次模型 一、OS對象 OS對象就是OS操縱和管理的對象，包括：處理器、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、各類I/O設(shè)備、文件、作業(yè)。 二、對對象操縱和管理的軟件集合 對對象操縱和管理的軟件集合是OS的核心部分，包括：處理機(jī)管理、存儲(chǔ)系統(tǒng)管理、文件管理和設(shè)備管理。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 1.1.3 操作系統(tǒng)的層次模型 三、用戶接口 為方便用戶使用OS，利用OS所提供的各種功能和服務(wù)，OS通常向用戶提供一下三種類型的接口： 1、命令接口

3、：是OS與用戶的接口 2、程序接口：是應(yīng)用程序與OS的接口 3、圖形用戶接口,第一章 操作系統(tǒng)引論,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.1 OS的發(fā)展 第一代計(jì)算機(jī)（19451955）：真空管與插件板 第二代計(jì)算機(jī)（1955-1965）：晶體管和批處理系統(tǒng) 第三代計(jì)算機(jī)（1965-1980）：集成電路芯片和多道程序系統(tǒng) 第四代計(jì)算機(jī)（19801990）：個(gè)人計(jì)算機(jī) 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn),第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.2各種OS的特點(diǎn) 一、單道批處理系統(tǒng)（Simple Batch system） 單道批處理系統(tǒng)內(nèi)存中只有一道作業(yè)，可以成批處理作業(yè)。 特點(diǎn)：自動(dòng)

4、性、順序性、單道性 優(yōu)點(diǎn)：減少等待人工操作的時(shí)間。 缺點(diǎn)：作業(yè)獨(dú)占CPU，CPU等待I/O使得CPU利用率低。,開始,還有下一個(gè)作業(yè)嗎？,是,把下一個(gè)作業(yè)的源程序轉(zhuǎn)換為目標(biāo)程序,源程序有錯(cuò)嗎？,否,停止,否,裝配目標(biāo)程序,運(yùn)行目標(biāo)程序,是,單道批處理系統(tǒng)的處理流程,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.2各種OS的特點(diǎn) 二、多道批處理系統(tǒng) 在多道批處理系統(tǒng)中，用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個(gè)隊(duì)列，該隊(duì)列被稱為“后備隊(duì)列”，然后由作業(yè)調(diào)度程序按一定策略從后備隊(duì)列中選擇若干個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源，以達(dá)到提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量的目的。與單道批

5、處理系統(tǒng)相比：1、多道程序駐留內(nèi)存；2、CPU不再空閑等待I/O。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.2各種OS的特點(diǎn) 二、多道批處理系統(tǒng) 1、多道批處理系統(tǒng)的引入 提高CPU的利用率 提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率 增加系統(tǒng)吞吐量,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.2各種OS的特點(diǎn) 二、多道批處理系統(tǒng) 2、特點(diǎn)： 多道性 無序性 調(diào)度性 復(fù)雜性,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.2各種OS的特點(diǎn) 二、多道批處理系統(tǒng) 3、優(yōu)點(diǎn)： 提高CPU利用率； 提高內(nèi)存和I/O設(shè)備的利用率； 增加系統(tǒng)的吞吐量（系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)所完成的總工作量 ）。,

6、第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.2各種OS的特點(diǎn) 二、多道批處理系統(tǒng) 4、 缺點(diǎn)： 平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長。 缺乏交互能力 5、多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題： 處理機(jī)管理、內(nèi)存管理、I/O設(shè)備管理、文件管理、作業(yè)管理。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.2各種OS的特點(diǎn) 三、分時(shí)系統(tǒng) 1、分時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)生 人機(jī)交互 共享主機(jī) 便于用戶上機(jī),第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.2各種OS的特點(diǎn) 三、分時(shí)系統(tǒng) 2、分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題 及時(shí)接收：及時(shí)接收用戶的命令或數(shù)據(jù) 及時(shí)處理：及時(shí)處理用戶命令。應(yīng)該使所有的用戶作業(yè)都直接進(jìn)入內(nèi)存；在很短的時(shí)

7、間內(nèi)使每個(gè)作業(yè)都運(yùn)行一次。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.2各種OS的特點(diǎn) 三、分時(shí)系統(tǒng) 3、分時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法 單道分時(shí)系統(tǒng) 具有“前臺(tái)”和“后臺(tái)”的分時(shí)系統(tǒng) 多道分時(shí)系統(tǒng),第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.2各種OS的特點(diǎn) 三、分時(shí)系統(tǒng) 4、分時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)： 多路性：允許在一臺(tái)主機(jī)上同時(shí)聯(lián)結(jié)多臺(tái)連機(jī)終端； 獨(dú)立性：各終端彼此獨(dú)立操作，互不干擾； 及時(shí)性：用戶請求能在很短的時(shí)間內(nèi)獲得響應(yīng)； 交互性：用戶可以通過終端與系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的人機(jī)對 話。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.2各種OS的特點(diǎn) 四、實(shí)時(shí)系統(tǒng) 有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力

8、，可以“搶占”CPU使用權(quán)。 1、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的引入 實(shí)時(shí)控制 實(shí)時(shí)信息處理,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.2各種OS的特點(diǎn) 四、實(shí)時(shí)系統(tǒng) 2、實(shí)時(shí)任務(wù)的類型 周期性實(shí)時(shí)任務(wù) 非周期性實(shí)時(shí)任務(wù) 硬實(shí)時(shí)任務(wù) 軟實(shí)時(shí)任務(wù),第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.2各種OS的特點(diǎn) 四、實(shí)時(shí)系統(tǒng) 3、實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)的比較 多路性 獨(dú)立性 及時(shí)性* 交互性 可靠性*,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展 小結(jié)： 一個(gè)實(shí)際的OS可以同時(shí)具有批處理、分時(shí)和實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，如Windows NT,無OS 單道批處理 多道批處理 分時(shí)系統(tǒng) 實(shí)時(shí)系統(tǒng),技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用的要

9、求推動(dòng)了OS的發(fā)展,WINDOWS NT,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.3 操作系統(tǒng)的特征和服務(wù) 1.3.1OS的特征（指支持多任務(wù)的OS） 并發(fā):兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。 共享:系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用 虛擬:通過某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變成若干邏輯上的對應(yīng)物 異步性:程序的執(zhí)行不連續(xù)，呈現(xiàn)間斷性。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.3操作系統(tǒng)的特征和服務(wù) 1.3.2操作系統(tǒng)的服務(wù) 一、 公共服務(wù)類型 程序的執(zhí)行。 I/O操作。 文件系統(tǒng)操縱。 進(jìn)程通信 差錯(cuò)檢測,公共服務(wù),系統(tǒng)調(diào)用,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.3 操作系統(tǒng)的特征和服務(wù) 1.3.2操作系統(tǒng)的服務(wù) 二、 系

10、統(tǒng)調(diào)用 1、 什么是系統(tǒng)調(diào)用？ 系統(tǒng)調(diào)用是一群預(yù)先定義好的模塊,它們提供一條管道讓應(yīng)用程序或一般用戶能由此得到核心程序的服務(wù)。系統(tǒng)調(diào)用是核心程序與用戶程序之間的接口，在類UNIX系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)用多使用C語言所提供的函數(shù)庫來提供。如：在程序中，使用C的函數(shù)fseek( ),而fseek( )的代碼調(diào)用了lseek系統(tǒng)調(diào)用。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.3操作系統(tǒng)的特征和服務(wù) 1.3.2操作系統(tǒng)的服務(wù) 二 、系統(tǒng)調(diào)用 2、 用戶態(tài)執(zhí)行與核心態(tài)執(zhí)行 （1）用戶態(tài)執(zhí)行：用戶空間是指用戶所啟動(dòng)的進(jìn)程在存儲(chǔ)器中執(zhí)行的位置，一個(gè)用戶進(jìn)程不能訪問其他進(jìn)程的用戶空間，只有核心程序所啟動(dòng)的進(jìn)程才能存取其他用戶空間，

11、當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在用戶空間執(zhí)行時(shí)，稱該進(jìn)程在用戶態(tài)執(zhí)行。 （2）系統(tǒng)態(tài)執(zhí)行：系統(tǒng)核心空間是指含有一切系統(tǒng)核心代碼的存儲(chǔ)器空間，當(dāng)進(jìn)程處于具有執(zhí)行系統(tǒng)核心代碼的權(quán)力之狀態(tài)時(shí)，稱為進(jìn)程處于系統(tǒng)態(tài)執(zhí)行。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.3操作系統(tǒng)的特征和服務(wù) 1.3.2操作系統(tǒng)的服務(wù) 二 、系統(tǒng)調(diào)用 3、系統(tǒng)調(diào)用與一般函數(shù)調(diào)用的區(qū)別 （1）系統(tǒng)調(diào)用運(yùn)行在系統(tǒng)態(tài)（核心態(tài)）而一般函數(shù)運(yùn)行在用戶態(tài)。 （2）當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行時(shí)，當(dāng)前進(jìn)程被trap指令中斷，由系統(tǒng)找相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用子程序，并在核心態(tài)下執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果返回進(jìn)程。 （3）系統(tǒng)調(diào)用要進(jìn)行“中斷處理”比一般函數(shù)調(diào)用多了一些系統(tǒng)開銷。,系統(tǒng)調(diào)用C調(diào)用命令如open( )

12、,fork( ) 系統(tǒng)調(diào)用展開，發(fā)int 0 x80中斷命令 （syscall N( ) ）(include/asm.i386/unistd.h) 調(diào)int ox80中斷服務(wù)程序systemcall (arch/i386/kernd/entry.s) 從systemcall中轉(zhuǎn)入特定系統(tǒng)調(diào)用的服務(wù)程序如：系統(tǒng)調(diào)用號 執(zhí)行的模塊 5 sysopen( ) 6 sysclose( ) 2 sysfork( ),系統(tǒng)調(diào)用實(shí)例,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.3操作系統(tǒng)的特征和服務(wù) 1.3.2操作系統(tǒng)的服務(wù) 二 、系統(tǒng)調(diào)用 5、系統(tǒng)調(diào)用的類型 進(jìn)程控制類系統(tǒng)調(diào)用:創(chuàng)建、撤消進(jìn)程；獲得、改變進(jìn)程屬性； 文件操

13、縱系統(tǒng)調(diào)用：創(chuàng)建、刪除、打開、關(guān)閉、讀、寫文件； 設(shè)備管理系統(tǒng)調(diào)用：請求、釋放設(shè)備； 通信用系統(tǒng)調(diào)用：打開、關(guān)閉連接、交換信息； 信息維護(hù)：返回系統(tǒng)當(dāng)前日期、時(shí)間、版本號、用戶數(shù)、空 閑內(nèi)存、磁盤空間大小。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.4 操作系統(tǒng)的功能 本節(jié)簡單介紹操作系統(tǒng)的五個(gè)主要功能 存儲(chǔ)器管理功能 處理機(jī)管理功能 設(shè)備管理功能 文件管理功能 用戶接口,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.4 操作系統(tǒng)的功能 1.4.1 存儲(chǔ)器管理的功能 存儲(chǔ)器管理的主要任務(wù)是為多道程序的運(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，以及能從邏輯上來擴(kuò)充內(nèi)存，為此，存儲(chǔ)器管理應(yīng)具有以下功能： 內(nèi)存分配;

14、 內(nèi)存保護(hù); 地址映射; 內(nèi)存擴(kuò)充。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.4 操作系統(tǒng)的功能 1.4.1 存儲(chǔ)器管理的功能 一、內(nèi)存分配 1、內(nèi)存分配的任務(wù) 內(nèi)存分配的主要任務(wù)是為每道程序分配內(nèi)存空間，使它們“各得其所”，提高存儲(chǔ)器的利用率，以減少不可用的內(nèi)存空間，允許正在運(yùn)行的程序申請附加的內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)增長的需要。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.4 操作系統(tǒng)的功能 1.4.1 存儲(chǔ)器管理的功能 一、內(nèi)存分配 2 、0S實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配的兩種方式： 靜態(tài)分配方式 動(dòng)態(tài)分配方式,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.4 操作系統(tǒng)的功能 1.4.1 存儲(chǔ)器管理的功能 一、內(nèi)存分配 3、內(nèi)存分配功能的實(shí)現(xiàn) 為了

15、實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配，需要以下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能。 內(nèi)存分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 內(nèi)存分配功能 內(nèi)存回收功能,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.4 操作系統(tǒng)的功能 1.4.1 存儲(chǔ)器管理的功能 二 、內(nèi)存保護(hù) 1、 內(nèi)存保護(hù)的任務(wù)： 是確保每道用戶程序都在自己的內(nèi)存空間中運(yùn)行，互不干擾。 2、 內(nèi)存保護(hù)的實(shí)現(xiàn) 設(shè)置兩個(gè)界限寄存器，分別存放正在執(zhí)行程序的上界和下界，以便對程序進(jìn)行越界檢查。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.4 操作系統(tǒng)的功能 1.4.1 存儲(chǔ)器管理的功能 三、地址映射 1、相對地址與物理地址 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)過鏈接而形成可裝入程序。這些程序的地址都是從“0”開始的，程

16、序中的其它地址都是相對于起始地址計(jì)算的；由這些地址所形成的地址范圍稱為“地址空間”，其中的地址稱為“邏輯地址”或“相對地址”。此外，由內(nèi)存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為“內(nèi)存空間”，其中的地址稱為“物理地址”。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.4 操作系統(tǒng)的功能 1.4.1 存儲(chǔ)器管理的功能 三、地址映射 2、地址映射 在多道程序環(huán)境下，地址空間中的邏輯地址和內(nèi)存中的物理地址是不可能一致的。因此，存儲(chǔ)器管理必須提供地址映射功能，以將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中與之對應(yīng)的物理地址。地址映射應(yīng)在硬件的支持下完成。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.4 操作系統(tǒng)的功能 1.4.1 存儲(chǔ)器管理的功能 四

17、、內(nèi)存擴(kuò)充 1、內(nèi)存擴(kuò)充：內(nèi)存擴(kuò)充的任務(wù)是借助于虛擬存儲(chǔ)技術(shù)， 從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量，使系統(tǒng)能夠提供比物理內(nèi)存大的容量。 2、為了能從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存，系統(tǒng)必須具有內(nèi)存擴(kuò)充 機(jī) 制，以實(shí)現(xiàn)下述功能： 請求調(diào)入功能 置換功能,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.4 操作系統(tǒng)的功能 1.4.2進(jìn)程管理的功能 進(jìn)程控制：創(chuàng)建進(jìn)程、撤消進(jìn)程、狀態(tài)的轉(zhuǎn)換 進(jìn)程同步 進(jìn)程通信 調(diào)度（包括作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度）,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.4 操作系統(tǒng)的功能 1.4.3設(shè)備管理功能 設(shè)備管理主要完成用戶的I/O請求，為用戶分配I/O設(shè)備。為了完成這些任務(wù)，設(shè)備管理應(yīng)該具有以下功能： 一、緩沖管理：管理各種緩沖區(qū)； 二、設(shè)備

18、分配：分配用戶I/O 所需要的設(shè)備； 三、設(shè)備處理：由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備 控制器之間的通信； 四、設(shè)備獨(dú)立性和虛擬設(shè)備,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.4 操作系統(tǒng)的功能 1.4.4文件管理功能 一、文件存儲(chǔ)空間的管理 二、目錄管理 為每個(gè)文件建立目錄項(xiàng)（包括文件名、文件屬性、文件在磁盤上的物理位置等信息）,并對眾多目錄項(xiàng)進(jìn)行有效組織。 三、文件的讀、寫管理和存取控制,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.4 操作系統(tǒng)的功能 1.4.5用戶接口 一、命令接口 1、 聯(lián)機(jī)用戶接口 2、 脫機(jī)用戶接口 二、程序接口：由一組系統(tǒng)調(diào)用組成。 三、圖形接口:采用圖形化的操作界面。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.5

19、 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展 1.5.1 微機(jī)操作系統(tǒng) 1、單用戶單任務(wù)OS 2、單用戶多任務(wù)OS 3、多用戶多任務(wù)OS,1.5 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展 1.5.2 多處理機(jī)操作系統(tǒng) 一、多處理機(jī)系統(tǒng)的引入 引入多處理機(jī)系統(tǒng)的原因可歸結(jié)為： 1、增加系統(tǒng)的吞吐量； 2、節(jié)省投資 3、提高系統(tǒng)的可靠性,第一章 操作系統(tǒng)引論,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.5 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展 1.5.2 多處理機(jī)操作系統(tǒng) 二、多處理機(jī)系統(tǒng)的類型 1、緊密耦合：緊密耦合的多處理機(jī)系統(tǒng)是通過高速總線和高速交叉開關(guān)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)處理機(jī)之間的互連：它們共享主存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備，并要求將主存儲(chǔ)器劃分為若干個(gè)能獨(dú)立訪問的存儲(chǔ)器模塊，以便

20、多個(gè)處理機(jī)能同時(shí)對主存進(jìn)行訪問。系統(tǒng)中所有的資源和進(jìn)程都有操作系統(tǒng)實(shí)施統(tǒng)一的控制和管理。 2、松散耦合：在松散耦合的多處理機(jī)系統(tǒng)中通常是通過通道和通信線路來實(shí)現(xiàn)多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的互連。每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有自己的存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備，并配置了OS來管理本地資源和在本地運(yùn)行的進(jìn)程。因此，每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都能獨(dú)立工作，必要時(shí)可通過通信線路與其它計(jì)算機(jī)交換信息，以及協(xié)調(diào)它們之間的工作。,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.5 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展 1.5.2 多處理機(jī)操作系統(tǒng) 三、多處理機(jī)系統(tǒng)的類型 1、非對稱多處理模式：（又稱主從模式）主處理器OS負(fù)責(zé)為其它處理器分配任務(wù)。 2、對稱多處理模式：UNIX,第一章 操作系統(tǒng)引論,1.5 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展 1.5.3 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 一