計算機操作系統(tǒng)第三版一

1、第一章 操作系統(tǒng)引論 主要內(nèi)容 目標(biāo)和作用 發(fā)展過程 基本特征 主要功能 結(jié)構(gòu)設(shè)計(自學(xué)） 第一章 操作系統(tǒng)引論 計算機系統(tǒng)組成： 軟件：應(yīng)用軟件 系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)和 常用的例行服務(wù)程序） 硬件：輸入輸出（IO）設(shè)備 存儲器（MEMORY） 處理器（CPU） 1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 一、操作系統(tǒng)的目標(biāo) 二、操作系統(tǒng)的作用 三、推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力 1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 一、操作系統(tǒng)的目標(biāo) 1.有效性：使計算機資源的使用更有效，使資源利用率 更高，提高系統(tǒng)吞吐量。 2.方便性：使計算機系統(tǒng)更易于使用。 3.可擴充性：必須能方便地開發(fā)、測試和引進(jìn)新的系統(tǒng) 功能，

2、以適應(yīng)計算機硬件和體系結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展以及 應(yīng)用不斷擴大的要求。 4. 開放性：必須能提供統(tǒng)一開放的環(huán)境，以使其應(yīng)用在 不同的系統(tǒng)中具有可移植性，并使不同的系統(tǒng)能夠通 過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成，從而能正確、有效地協(xié)同工作。 二、操作系統(tǒng)的作用 三、推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力 1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 一、操作系統(tǒng)的目標(biāo) 二、操作系統(tǒng)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（擴充機或虛 擬機） 三、推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力 系統(tǒng)調(diào) 用方式 命令方 式 圖形窗 口方式 1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 一、操作系統(tǒng)的目標(biāo) 二、操

3、作系統(tǒng)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（擴充機或虛 擬機） 三、推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力 處理機管理， 用于分配和控制處理機； 存儲器管理，主要負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配與回收； I/O設(shè)備管理，負(fù)責(zé)I/O設(shè)備的分配與操縱； 文件管理，負(fù)責(zé)文件的存取、共享和保護(hù)。 1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 一、操作系統(tǒng)的目標(biāo) 二、操作系統(tǒng)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（擴充機或虛 擬機） 三、推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力 通常把覆蓋了軟件的機

4、器稱為擴充機器 （Extended Machine）或虛機器（Virtual Machine）。 1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 一、操作系統(tǒng)的目標(biāo) 二、操作系統(tǒng)的作用 三、推動操作系統(tǒng)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(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng) 單道批處理系統(tǒng) 多道批處理系統(tǒng) 分時系統(tǒng) 實時系統(tǒng) 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 年代年代名稱名稱元件元件語言語言應(yīng)用應(yīng)用 第一代第一代 1946年年 1957 電子管計算機電子管計算機 電子管電子管 機器語言機器語言 匯編語言匯編語言 科學(xué)計算科學(xué)計

5、算 第二代第二代 19581964 晶體管計算機晶體管計算機 晶體管晶體管 高級程序高級程序 設(shè)計語言設(shè)計語言 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 第三代第三代 19651970 集成電路計算機集成電路計算機 中小規(guī)模中小規(guī)模 集成電路集成電路 高級程序高級程序 設(shè)計語言設(shè)計語言 廣泛應(yīng)用到廣泛應(yīng)用到 各個領(lǐng)域各個領(lǐng)域 第四代第四代 1970年現(xiàn)年現(xiàn) 在在 集成電路計算機集成電路計算機 集成電路集成電路 面向?qū)ο蟮拿嫦驅(qū)ο蟮?高級語言高級語言 網(wǎng)絡(luò)時代網(wǎng)絡(luò)時代 補充：計算機的發(fā)展 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng) 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng) 人工操作方式 缺點： (1)

6、 用戶獨占全機 (2) CPU等待人工操作。 脫機輸入/輸出（Off-Line I/O）方式 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng) 人工操作方式 脫機輸入/輸出（Off-Line I/O）方式 優(yōu)點： 減少了CPU的空閑時 間。 (1)(2) 提高I/O速度。 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)(1946-50年代末) 沒有系統(tǒng)軟件，用戶直接用機器語言 編程。在上機時獨占全部資源。用戶既是 程序員又是操作員。 缺點： CPU工作時間大量被浪費 編程困難、操作困難 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 單道批處理系統(tǒng)(simple batch processing syste

7、m) 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 單道批處理系統(tǒng) 單道程序運行情況 用戶程序 監(jiān)督程序 I/O操作 計算 請求輸入 啟動I/O 結(jié)束中斷 I/O完成 繼續(xù)計算 特點：自動性、順序性、單道性 多道程序運行多道程序運行 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 單道批處理系統(tǒng) 把下一個作業(yè) 的源程序轉(zhuǎn)換為 目標(biāo)程序？ 源程序 有錯嗎？ 裝配目標(biāo)程序運行目標(biāo)程序 還有下一 個作業(yè)？ 開始 停止 否 是 是 否 程序數(shù)據(jù) 處理步驟 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 單道批處理系統(tǒng) 優(yōu)點：解決了作業(yè)自動轉(zhuǎn)接問題 缺點：作業(yè)的輸入和執(zhí)行結(jié)果的輸出過 程中，CPU處于等待狀態(tài)中。 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 多道批處理系統(tǒng)(M

8、ultiprogrammed batch processing system) 60年代中 前提：中斷技術(shù)、通道技術(shù)的出現(xiàn) 思想：用戶提交的作業(yè)先在外存排成隊列（后備隊 列），由作業(yè)調(diào)度程序按照一定的算法從中選擇若干 作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，共享系統(tǒng)中的各種資源。 a、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 b、 運行示意圖 專門用于負(fù)責(zé)輸入輸出的硬 件裝置(輸入輸出處理機) 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 多道批處理系統(tǒng)(Multiprogrammed batch processing system) 提交狀態(tài)后備狀態(tài) 運行狀態(tài) 完成狀態(tài) P1 P2 P3 cpu I/O 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 多道批處理系統(tǒng)(Multipro

9、grammed batch processing system) 運行 程序A 程序B 程序C 程序D 從處理器看 運行 運行 運行 運行 運行 運行 運行 時間 單道程序運行單道程序運行 運行 I/O 運行 運行 I/O 運行 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 多道批處理系統(tǒng) 好處： 提高CPU的利用率(理論上可從7提高到 100) (2) 可提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率 (3) 增加系統(tǒng)吞吐量 特征： 多道性、無序性、調(diào)度性 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 多道批處理系統(tǒng) 優(yōu)點 (1) 資源利用率高。 (2) 系統(tǒng)吞吐量大。 缺點 (3) 平均周轉(zhuǎn)時間長。 (4) 無交互能力。 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展

10、過程 多道批處理系統(tǒng) 需要解決的問題 (1) 處理機管理：分配、回收。 (2) 內(nèi)存管理問題：存儲保護(hù)機制。 (3) I/O設(shè)備管理問題：I/O設(shè)備合理分配機制。 (4) 文件管理問題：檢索、存儲。 (5) 作業(yè)管理問題：作業(yè)調(diào)度算法（短優(yōu)先、 I/O型與CPU型搭配、。 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 操作系統(tǒng)的定義 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(jìn)行調(diào)度、以及方便用戶使用的程序 的集合。 說明： 操作系統(tǒng)是軟件，是系統(tǒng)軟件，是由一整套程序組成 基本職能：控制和管理系統(tǒng)內(nèi)各種資源，有效地組織 多道程序地運行 提供眾多服務(wù)，方便用戶使用，擴充硬件功能。 操作系統(tǒng)的地位：其他

11、軟件的支撐環(huán)境 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 首次面對重大失?。菏状蚊鎸χ卮笫。?- MULTICS 于 1963 年開始， 直至 1969 年才發(fā)布 - IBM 的 OS/360 發(fā)布時， 帶著已知的 1000 個錯誤 MULTICS的災(zāi)難 1965年在ARPA的支持下MIT、貝爾實驗室和通 用電氣公司決定開發(fā)一種“公用計算服務(wù)系 統(tǒng)”， 希望能夠同時支持整個波士頓所有的 分時用戶。該系統(tǒng)稱作MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service ) MULTICS設(shè)計目標(biāo)是：便利的遠(yuǎn)程終端使用， 大量終端通過電話線接入計算機主機 高可靠

12、的大型文件系統(tǒng)；大容量的用戶信息共 享；存儲和構(gòu)造層次化信息結(jié)構(gòu)的能力 MULTICS研制難度超出了所有人預(yù)料 長期研制工作達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，1969年4月貝爾 實驗室退出，通用電氣公司也退出了 但最終，經(jīng)過多年的努力，MULTICS成功地應(yīng)用 運行MULTICS的計算機系統(tǒng)在九十年代中陸續(xù)被 關(guān)閉 MULTICS引入了許多現(xiàn)代操作系統(tǒng)領(lǐng)域概念雛形， 對隨后操作系統(tǒng)特別是UNIX的成功有著巨大的 影響 MULTICS的災(zāi)難 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 分時系統(tǒng)(Time-Sharing Operating System) 實現(xiàn)思想：一臺主機周圍聯(lián)接多個終端，多個用戶 通過不同的終端共享使用主機資

13、源。 關(guān)鍵問題： 及時接收。 及時處理。主機 CPU 內(nèi)存 用戶 用戶 用戶 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 分時系統(tǒng)(Time-Sharing System) 特征 ： (1)多路性。(宏觀：多用戶同時工作，共享系 統(tǒng)資源；微觀：用戶作業(yè)輪流運行 ) (2) 獨立性。 (3) 及時性。 (4) 交互性。 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 第一個分時系統(tǒng)由 MIT的Fernando Corbato 等 1961年在一改裝的IBM 7090/94機上開發(fā)成功當(dāng)時 有32個交互式用戶 IBM 7090/94計算機有32K內(nèi)存，系統(tǒng)用5K，用戶 用27K，用戶存儲映象在內(nèi)存和一臺磁鼓之間切換 1962年Man

14、chester大學(xué)的Atlas計算機投入運行 運行速度200 kFLOPS 第一個有虛擬存儲器(virtual memory)和頁面調(diào) 度(paging) 的機器 指令執(zhí)行是管道式(pipelined)的 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 成功： 一群計算機迷 ( Thompson, Ritchie ) 在貝 爾實驗室發(fā)展出了UNIX。 Ken Thompson，Dennis Ritchie 1983年圖靈獎獲得者 1999年4月 美國國家技術(shù)金獎 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 1969年，在貝爾退出MULTICS研制項目后，Ken Thompson和Dennis M. Ritchie 想申請經(jīng)費買計

15、算 機從事操作系統(tǒng)研究，但多次申請得不到批準(zhǔn) 項目無著落，他們在一臺無人用的PDP-7上，重新 擺弄原先在MULTICS項目上設(shè)計的“空間旅行”游 戲 為了使游戲能夠在PDP-7上順利運行，他們陸續(xù)開 發(fā)了浮點運算軟件包、顯示驅(qū)動軟件，設(shè)計了文件 系統(tǒng)、實用程序、shell 和匯編程序 到了1970年，在一切完成后，給新系統(tǒng)起了個同 MULTICS發(fā)音相近的名字UNIX 隨后，UNIX用C語言全部重寫，自此，UNIX誕生了 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 實時系統(tǒng)（real-time system) 應(yīng)用需求 (1)實時控制。 (2)實時信息處理。 指對隨機發(fā)生的外部事件做出 及時的響應(yīng)并對其進(jìn)行

16、處理。 （所謂事件時指來自與計算機 系統(tǒng)相連接的設(shè)備所提出的服 務(wù)要求和采集數(shù)據(jù)） 定義 實時系統(tǒng)：指系統(tǒng)能及時（或即時）響應(yīng)外部 事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件 的處理，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運 行。 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 實時系統(tǒng) 實時任務(wù) 按任務(wù)執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性來劃分 (1)周期性實時任務(wù)。 (2)非周期性實時任務(wù)。 A.開始截止時間任務(wù)在某時間以前必須開 始執(zhí)行； B.完成截止時間任務(wù)在某時間以前必須完 成。 2) 根據(jù)對截止時間的要求來劃分 (1) 硬實時任務(wù)(hard real-time task)。 (2) 軟實時任務(wù)(Soft real-time tas

17、k)。 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 實時系統(tǒng) 實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較 (1) 多路性。 (2) 獨立性。 (3) 及時性。 (4) 交互性。 (5) 可靠性。 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 6、微機操作系統(tǒng)的發(fā)展 單用戶單任務(wù) CP/M MS-DOS 單用戶多任務(wù) Windows 多用戶多任務(wù) Solaris OS:SUN Linux OS: 史上十大失敗操作系統(tǒng) OS/360，IBM公司，1964 ITS, 60年代后期 GNU Hurd，1983年發(fā)布，至今仍不完整 Windows 1.01, 1985 MS-DOS 4.0, 1988 SCO Open Desktop, 1989 J

18、avaOS, 1996 Windows Me (Millennium Edition), 2000 Lindows/Linux XP Desktop, 2001/2006 Windows Vista, 2006 1.3 操作系統(tǒng)的基本特性 并發(fā)(Concurrence) 共享(Sharing) 虛擬(Virtual) 異步性(Asynchronism) 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(nèi) 發(fā)生。 1.3 操作系統(tǒng)的基本特性 并發(fā)(Concurrence) 共享(Sharing) 虛擬(Virtual) 異步性(Asynchronism) 互斥

19、共享方式 同時訪問方式 1.3 操作系統(tǒng)的基本特性 并發(fā)(Concurrence) 共享(Sharing) 虛擬(Virtual) 異步性(Asynchronism) “虛擬”：是指通過某種技術(shù)把一個物理實體變 為若干個邏輯上的對應(yīng)物。相應(yīng)地，用于實現(xiàn)虛 擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。 1.3 操作系統(tǒng)的基本特性 并發(fā)(Concurrence) 共享(Sharing) 虛擬(Virtual) 異步性(Asynchronism) 進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，此即 進(jìn)程的異步性。 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能 處理機管理功能 進(jìn)程控制：創(chuàng)建與撤銷、狀態(tài)轉(zhuǎn)換 進(jìn)程同步 進(jìn)程互斥方式， 這是指諸進(jìn)程(

20、線程)在對臨界 資源進(jìn)行訪問時， 應(yīng)采用互斥方式； 進(jìn)程同步方式，指在相互合作去完成共同任務(wù) 的諸進(jìn)程(線程)間，由同步機構(gòu)對它們的執(zhí)行次 序加以協(xié)調(diào)。 進(jìn)程通信 調(diào)度 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能 存儲器管理功能 主要任務(wù)是為多道程序的運行提供良好的 環(huán)境，方便用戶使用存儲器，提高存儲器 的利用率，以及能從邏輯上來擴充內(nèi)存， 為此，存儲器管理應(yīng)具有以下功能： 內(nèi)存分配、內(nèi)存保護(hù)、地址映射、內(nèi)存擴充 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能 存儲器管理功能 1 內(nèi)存分配 分配方式：靜態(tài)分配方式、動態(tài)分配方式 在內(nèi)存分配的機制中應(yīng)具有這樣的結(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 2 內(nèi)存保護(hù)

21、 確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運 行，彼此互不干擾。 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能 存儲器管理功能 3 地址映射 “邏輯地址”或“相對地址”。 “物理地址”。 4 內(nèi)存擴充 借助于虛擬存儲技術(shù)，從邏輯上去擴充內(nèi)存容量 為了能在邏輯上擴充內(nèi)存，系統(tǒng)必須具有內(nèi)存擴充 機制， 用于實現(xiàn)下述各功能： (1) 請求調(diào)入功能。 (2) 置換功能。 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能 設(shè)備管理功能 緩沖管理 設(shè)備分配和設(shè)備處理 虛擬設(shè)備等功能。 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能 文件管理功能 1) 文件存儲空間的管理 相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲空間的分配和回收功 能。 通常是采用離散分配方式，以減少外存零頭， 并以盤塊為基本分配單位。盤