操作系統(tǒng)概論

1、薛福亮l薛福亮l電子郵件： 課堂教學(xué)課堂教學(xué) 習(xí)題課習(xí)題課 課后作業(yè)課后作業(yè) l1、總課時48l2、考核：期末閉卷70%，平時成績30%平時成績：考勤（10分） 平時作業(yè)（20分）l3、問題：課堂、課后、電子郵件l全球最大的軟件公司Microsoft最重要的軟件產(chǎn)品（立家之本）操作系統(tǒng)（Windows）l全球第二大的軟件公司Oracle最重要的軟件產(chǎn)品（立家之本）數(shù)據(jù)庫（Oracle）加深對使用的操作系統(tǒng)的理解，編程時借鑒操作系統(tǒng)的設(shè)計思想和算法（比如插件開發(fā)）操作系統(tǒng)中所用的許多概念和技巧可以推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域存在人們意識不到的大量“操作系統(tǒng)”（如:嵌入式系統(tǒng)家電、手機）設(shè)計操作系統(tǒng)或者修改

2、現(xiàn)有的系統(tǒng)選擇購買操作系統(tǒng)：因為我們并不總使用Windows 2000/XP計算機體系結(jié)構(gòu)計算機體系結(jié)構(gòu)/ /硬件硬件軟件設(shè)計軟件設(shè)計程序設(shè)計語言程序設(shè)計語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法算法網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)核心技術(shù)并能在其他地方應(yīng)用學(xué)習(xí)核心技術(shù)并能在其他地方應(yīng)用操作系統(tǒng)是目前最復(fù)雜的軟件系統(tǒng)操作系統(tǒng)是目前最復(fù)雜的軟件系統(tǒng)l1、湯子瀛等，計算機操作系統(tǒng)，西安電子科技大學(xué)n2、南京大學(xué)孫鐘秀院士，操作系統(tǒng)教程第三版，高等教育出版社n3、Silberschatz，操作系統(tǒng)概念（中、英文）第六版，高等教育出版社1.1.1 1.1.1 計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.1.問題的引入：問題的引入： l1、購買“操

3、作系統(tǒng)”時，零售商所裝的所有東西。l2、一直運行在計算機上的程序2. 2. 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 用戶1用戶2用戶3用戶4用戶n財務(wù)系統(tǒng)航空訂票上網(wǎng)瀏覽電子商務(wù)科學(xué)計算（應(yīng)用程序）編譯程序匯編程序編輯程序數(shù)據(jù)庫（系統(tǒng)程序）操作系統(tǒng)計算機硬件 提供了一良好的工作環(huán)境，提供了一良好的工作環(huán)境，方便用戶的使用方便用戶的使用2. 2. 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)l 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)（裸機）：（裸機）：提供基本的可計算性資源，包括提供基本的可計算性資源，包括CPUCPU、存儲器（主存、輔存）、存儲器（主存、輔存）、I/OI/O系統(tǒng)系統(tǒng)l 操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層：對硬件作擴

4、充和改造，提供了操作系統(tǒng)接對硬件作擴充和改造，提供了操作系統(tǒng)接口，為編譯程序、編輯程序、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等的設(shè)計者提供口，為編譯程序、編輯程序、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等的設(shè)計者提供有力支撐。有力支撐。l 系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件：建立在操作系統(tǒng)改造和擴充過的機器上，提建立在操作系統(tǒng)改造和擴充過的機器上，提供擴展指令集，實現(xiàn)各種語言處理程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)供擴展指令集，實現(xiàn)各種語言處理程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和其他系統(tǒng)程序。和其他系統(tǒng)程序。l 應(yīng)用軟件：應(yīng)用軟件：解決用戶不同的應(yīng)用問題解決用戶不同的應(yīng)用問題1.1.2 1.1.2 操作系統(tǒng)的視圖（作用）操作系統(tǒng)的視圖（作用） 1. 1.操作系統(tǒng)是用戶與計算機硬件之間的接口。

5、操作系統(tǒng)是用戶與計算機硬件之間的接口。用戶用戶A(A(上網(wǎng)）上網(wǎng)）用戶用戶B(B(欣賞音樂）欣賞音樂）用戶用戶C(C(辦公）辦公）瀏覽器瀏覽器播放器播放器辦公軟件辦公軟件用戶需求用戶需求操作界面操作界面計算機硬件計算機硬件 操作系統(tǒng)屏蔽計算機操作系統(tǒng)屏蔽計算機硬件的物理特性差硬件的物理特性差異，給用戶提供了異，給用戶提供了接口接口 2.2.操作系統(tǒng)為用戶提供虛擬計算機操作系統(tǒng)為用戶提供虛擬計算機 n裸機極難使用，雖有很強的指令系統(tǒng)，從功能上來說局限性裸機極難使用，雖有很強的指令系統(tǒng)，從功能上來說局限性很大。加上軟件后，就可在硬件基礎(chǔ)上，對其功能和性能進很大。加上軟件后，就可在硬件基礎(chǔ)上，對其功

6、能和性能進行擴充和完善。例如：如果加上一層窗口管理軟件，由該軟行擴充和完善。例如：如果加上一層窗口管理軟件，由該軟件把一臺物理屏幕改造成多窗口，每個應(yīng)用可以在各自的窗件把一臺物理屏幕改造成多窗口，每個應(yīng)用可以在各自的窗口中操作，用戶可以在窗口環(huán)境中方便地與計算機交互。口中操作，用戶可以在窗口環(huán)境中方便地與計算機交互。n操作系統(tǒng)是緊靠硬件的第一層軟件，計算機上覆蓋操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是緊靠硬件的第一層軟件，計算機上覆蓋操作系統(tǒng)后，可擴展基本功能，為用戶提供一臺功能顯著增強，使用后，可擴展基本功能，為用戶提供一臺功能顯著增強，使用更加方便，安全可靠性好，效率明顯提高的機器，稱為虛擬更加方便，安全可靠性

7、好，效率明顯提高的機器，稱為虛擬計算機，或操作系統(tǒng)虛擬機器（計算機，或操作系統(tǒng)虛擬機器（Virtual MachineVirtual Machine）。）。 3.3.操作系統(tǒng)作為計算機系統(tǒng)的資源管理者操作系統(tǒng)作為計算機系統(tǒng)的資源管理者 n在計算機系統(tǒng)中，能分配給用戶使用的硬件和軟件設(shè)施在計算機系統(tǒng)中，能分配給用戶使用的硬件和軟件設(shè)施總稱為資源，總稱為資源，包括兩大類：硬件資源和信息資源。這些包括兩大類：硬件資源和信息資源。這些資源是可以共享的。資源是可以共享的。n對資源進行抽象研究，找出各種資源共性和個性，有序?qū)Y源進行抽象研究，找出各種資源共性和個性，有序地管理計算機中的硬件、軟件資源，跟蹤

8、資源使用情況，地管理計算機中的硬件、軟件資源，跟蹤資源使用情況，監(jiān)視資源的狀態(tài)，滿足用戶對資源的需求，協(xié)調(diào)各程序監(jiān)視資源的狀態(tài)，滿足用戶對資源的需求，協(xié)調(diào)各程序?qū)Y源的使用沖突，是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的任務(wù)之一。對資源的使用沖突，是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的任務(wù)之一。u操作系統(tǒng)是控制和管理計算機硬件和軟件資源，合理地對操作系統(tǒng)是控制和管理計算機硬件和軟件資源，合理地對各種資源進行分配和調(diào)度，規(guī)范計算機工作流程，方便用各種資源進行分配和調(diào)度，規(guī)范計算機工作流程，方便用戶使用的程序的集合。戶使用的程序的集合。u操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件，它常駐內(nèi)存，給用戶操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件，它常駐內(nèi)存，給用戶程序提供

9、一個支撐環(huán)境，所以，操作系統(tǒng)有哪些成分組成程序提供一個支撐環(huán)境，所以，操作系統(tǒng)有哪些成分組成變得非常重要。一個比較公認的定義是操作系統(tǒng)是一直運變得非常重要。一個比較公認的定義是操作系統(tǒng)是一直運行在計算機上的系統(tǒng)程序（通常稱為內(nèi)核），其它程序則行在計算機上的系統(tǒng)程序（通常稱為內(nèi)核），其它程序則為應(yīng)用程序，運行在操作系統(tǒng)提供的良好環(huán)境中。為應(yīng)用程序，運行在操作系統(tǒng)提供的良好環(huán)境中。1.1.3 1.1.3 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特點：現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特點： 現(xiàn)代操作系統(tǒng)盡管種類繁多，功能差別很大，但它們現(xiàn)代操作系統(tǒng)盡管種類繁多，功能差別很大，但它們?nèi)匀痪哂幸恍┕餐奶卣鳌，F(xiàn)代操作系統(tǒng)具有并發(fā)性、共仍然具有一些

10、共同的特征。現(xiàn)代操作系統(tǒng)具有并發(fā)性、共享性、虛擬性和異步性。享性、虛擬性和異步性。 1.1.并發(fā)性（并發(fā)性（concurrence)concurrence) 并發(fā)性是指兩個或多個事件或活動在同一時間間隔內(nèi)并發(fā)性是指兩個或多個事件或活動在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)是一個并發(fā)的系統(tǒng)，并發(fā)性是它最重要的發(fā)生。操作系統(tǒng)是一個并發(fā)的系統(tǒng)，并發(fā)性是它最重要的特性。操作系統(tǒng)的并發(fā)性是指計算機系統(tǒng)中同時存在若干特性。操作系統(tǒng)的并發(fā)性是指計算機系統(tǒng)中同時存在若干個運行的程序，這些程序在執(zhí)行時間上重疊。個運行的程序，這些程序在執(zhí)行時間上重疊。 2 2共享性共享性(sharing)(sharing) n 共享性是

11、現(xiàn)代操作系統(tǒng)的另一個重要特征。共享是指系統(tǒng)共享性是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的另一個重要特征。共享是指系統(tǒng)中的硬件和軟件資源不再為某個程序所獨占，而是供多個中的硬件和軟件資源不再為某個程序所獨占，而是供多個用戶共同使用。用戶共同使用。n 資源共享的方式有兩種：（資源共享的方式有兩種：（1 1）互斥訪問。系統(tǒng)中的某些資）互斥訪問。系統(tǒng)中的某些資源，如打印機、磁帶機等，它們雖然可以提供給多個程序源，如打印機、磁帶機等，它們雖然可以提供給多個程序使用，但在同一時間段內(nèi)卻只允許一個程序訪問這些資源，使用，但在同一時間段內(nèi)卻只允許一個程序訪問這些資源，即要求互相排斥地使用這些資源。（即要求互相排斥地使用這些資源。（2

12、 2）同時訪問。計算機）同時訪問。計算機系統(tǒng)中還有一些資源，允許同一時間內(nèi)多個程序?qū)λ鼈冞M系統(tǒng)中還有一些資源，允許同一時間內(nèi)多個程序?qū)λ鼈冞M行訪問。典型的可同時訪問的設(shè)備是內(nèi)存，各種可重入程行訪問。典型的可同時訪問的設(shè)備是內(nèi)存，各種可重入程序也可被同時訪問。序也可被同時訪問。 3 3虛擬性虛擬性(virtual)(virtual) 虛擬性是指操作系統(tǒng)采用的一種管理技術(shù)，它把一個物虛擬性是指操作系統(tǒng)采用的一種管理技術(shù)，它把一個物理上的實體，變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物，或者把物理上的理上的實體，變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物，或者把物理上的多個實體變成邏輯上的一個對應(yīng)物的技術(shù)。很顯然，物理實多個實體變成邏

13、輯上的一個對應(yīng)物的技術(shù)。很顯然，物理實體體( (前者前者) )是實的，而后者是虛擬的。是實的，而后者是虛擬的。 4 4異步性異步性(asynchronism)(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)行不是爭資源等因素的限制，使進程的執(zhí)行不是“一氣呵成一氣呵成”，而，而是以是以“走走停停走走停?！钡姆绞竭\行。也就是說，在多道程序環(huán)境的方式運行。也就是說，在多道程序環(huán)境下，程序的執(zhí)行是以異步方式進行的。下，程序的執(zhí)行是以異步方式進行的。 1.1.4 操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)的功能 1

14、1處理機管理處理機管理u創(chuàng)建或刪除用戶進程和系統(tǒng)進程；創(chuàng)建或刪除用戶進程和系統(tǒng)進程；u暫停或重啟進程；暫?；蛑貑⑦M程；u提供進程同步機制；提供進程同步機制；u提供進程通信機制；提供進程通信機制；u提供死鎖處理機制提供死鎖處理機制；2 2存儲管理存儲管理 操作系統(tǒng)負責(zé)下列內(nèi)存管理的活動：操作系統(tǒng)負責(zé)下列內(nèi)存管理的活動：u記錄內(nèi)存的哪些部分正在被使用及被誰使用。記錄內(nèi)存的哪些部分正在被使用及被誰使用。u當(dāng)內(nèi)存空間可用時，決定哪些進程可以裝入內(nèi)存。當(dāng)內(nèi)存空間可用時，決定哪些進程可以裝入內(nèi)存。u根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存空間。根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存空間。u確保多道程序環(huán)境下，各個程序的運行只在自己內(nèi)確保多

15、道程序環(huán)境下，各個程序的運行只在自己內(nèi)存空間運行，互不干擾。存空間運行，互不干擾。u當(dāng)內(nèi)存空間不足時，采取何種策略去擴展邏輯內(nèi)存。當(dāng)內(nèi)存空間不足時，采取何種策略去擴展邏輯內(nèi)存。 3設(shè)備管理設(shè)備管理u提供外圍設(shè)備的控制與處理提供外圍設(shè)備的控制與處理 u提供緩沖區(qū)的管理提供緩沖區(qū)的管理 u提供設(shè)備獨立性提供設(shè)備獨立性 u外圍設(shè)備的分配和驅(qū)動調(diào)度外圍設(shè)備的分配和驅(qū)動調(diào)度u實現(xiàn)虛擬設(shè)備實現(xiàn)虛擬設(shè)備 4文件管理文件管理u創(chuàng)建或刪除文件創(chuàng)建或刪除文件 u創(chuàng)建或刪除目錄創(chuàng)建或刪除目錄 u提供操作文件和目錄的原語提供操作文件和目錄的原語 u將文件映射到輔存上將文件映射到輔存上 u在穩(wěn)定的存儲媒介上備份文件在穩(wěn)

16、定的存儲媒介上備份文件 5 5用戶接口管理用戶接口管理6.6.其他功能其他功能u系統(tǒng)安全系統(tǒng)安全u網(wǎng)絡(luò)和通信管理網(wǎng)絡(luò)和通信管理l小結(jié)操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)的特征操作系統(tǒng)的功能 如同任何其他事物一樣，操作系統(tǒng)也有它的誕生、成長和發(fā)展過程。為了更清楚地把握操作系統(tǒng)的實質(zhì)，了解操作系統(tǒng)的發(fā)展是很有必要的，因為操作系統(tǒng)的許多概念都是在操作系統(tǒng)的發(fā)展過程中出現(xiàn)并逐步得到發(fā)展和成熟的。1.2 1.2 操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.1 1.2.1 人工操作階段人工操作階段 n由用戶（程序員）采用手工方式直接控制和使用計由用戶（程序員）采用手工方式直接控制和使用計算機硬件，即由用戶（程序員）

17、將事先準(zhǔn)備好的程算機硬件，即由用戶（程序員）將事先準(zhǔn)備好的程序和數(shù)據(jù)穿孔在紙帶或卡片上，然后將這些紙帶或序和數(shù)據(jù)穿孔在紙帶或卡片上，然后將這些紙帶或卡片裝入紙帶或卡片輸入機，啟動它們將程序和數(shù)卡片裝入紙帶或卡片輸入機，啟動它們將程序和數(shù)據(jù)輸入到計算機，隨后啟動計算機運行。當(dāng)程序運據(jù)輸入到計算機，隨后啟動計算機運行。當(dāng)程序運行結(jié)束取走結(jié)果后，才讓另一個用戶上機。行結(jié)束取走結(jié)果后，才讓另一個用戶上機。SDProfessional Workstation 6000PRO穿孔操作員計算機室卡片盒 穿孔-紙帶（卡片）裝上輸入機-程序和數(shù)據(jù)送入計算機-控制臺開關(guān)啟動程序運行-計算-輸出結(jié)果-取走紙帶。運行

18、時間=作業(yè)時間+操作時間程序員n這種人工操作方式有以下缺陷：（這種人工操作方式有以下缺陷：（1 1）用戶上機獨占全機）用戶上機獨占全機資源，造成資源利用率不高，系統(tǒng)效率低下。（資源，造成資源利用率不高，系統(tǒng)效率低下。（2 2）手工）手工操作多，浪費處理機時間，也極易發(fā)生差錯。（操作多，浪費處理機時間，也極易發(fā)生差錯。（3 3）數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)的輸入，程序的執(zhí)行、結(jié)果的輸出均聯(lián)機進行，從上機到的輸入，程序的執(zhí)行、結(jié)果的輸出均聯(lián)機進行，從上機到下機的時間拉得非常長。下機的時間拉得非常長。例子：l計算機速度計算機速度 計算時間計算時間 作業(yè)建立和人工干預(yù)作業(yè)建立和人工干預(yù) 手工占的比例手工占的比例l每秒每

19、秒1 1萬次萬次 運行運行1 1個小時個小時 花了花了3 3分鐘分鐘 5%5%l每秒每秒1010萬次萬次 運行運行6 6分鐘分鐘 花了花了3 3分鐘分鐘 50%50%l每秒每秒100100萬次萬次 運行運行3636秒秒 花了花了3 3分鐘分鐘 83%83%改進重點改進重點: :縮短手工操作和人工干預(yù)時間縮短手工操作和人工干預(yù)時間1.2.2 管理程序階段管理程序階段操作系統(tǒng)的雛形操作系統(tǒng)的雛形 操作員集中一批用戶提交的作業(yè)，由管理程序?qū)⑦@批操作員集中一批用戶提交的作業(yè)，由管理程序?qū)⑦@批作業(yè)從紙帶或卡片機輸入到磁帶上，每當(dāng)一批作業(yè)輸入作業(yè)從紙帶或卡片機輸入到磁帶上，每當(dāng)一批作業(yè)輸入完成后，管理程序

20、自動把磁帶上的第一個作業(yè)裝入內(nèi)存，完成后，管理程序自動把磁帶上的第一個作業(yè)裝入內(nèi)存，并把控制權(quán)交給作業(yè)。當(dāng)該作業(yè)執(zhí)行完成后，作業(yè)又把并把控制權(quán)交給作業(yè)。當(dāng)該作業(yè)執(zhí)行完成后，作業(yè)又把控制權(quán)繳回管理程序，管理程序再調(diào)入磁帶上的第二個控制權(quán)繳回管理程序，管理程序再調(diào)入磁帶上的第二個作業(yè)到內(nèi)存執(zhí)行。這種自動定序的處理方由式稱為作業(yè)到內(nèi)存執(zhí)行。這種自動定序的處理方由式稱為“批批處理處理”。管理程序標(biāo)準(zhǔn)輸入程序 編譯程序 裝配程序 標(biāo)準(zhǔn)輸出和處理程序輸入用戶作業(yè)程序編譯后的用戶作業(yè)程序裝配好的用戶作業(yè)程序執(zhí)行、輸出結(jié)果調(diào)用子程序調(diào)用子程序轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到到下下一一個個作作業(yè)業(yè).用戶紙帶機卡片機打印機SDProfes

21、sional Workstation 6000PRO輸入磁帶輸出磁帶系統(tǒng)管理程序聯(lián)機批處理.用戶紙帶機卡片機打印機SDProfessional Workstation 6000PRO輸入磁帶輸出磁帶管理程序 脫機批處理SDProfessional Workstation 6000PRO衛(wèi)星機系統(tǒng)l聯(lián)機I/O批處理：速度慢，I/O設(shè)備和CPU仍然串行工作，CPU時間浪費相當(dāng)大。l脫機I/O批處理：另設(shè)一臺輔機，僅與I/O設(shè)備打交道，不與主機連接。I/O工作脫離了主機，輔機和主機可以并行工作，大大加快了程序的處理和數(shù)據(jù)的輸入輸出。l在早期的單道批處理系統(tǒng)中，內(nèi)存中僅有單個作業(yè)在運行，致使系統(tǒng)中仍有

22、許多資源空閑，設(shè)備利用率低，系統(tǒng)性能較差。1.2.3 多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)現(xiàn)代意義上的操作系統(tǒng)出現(xiàn)現(xiàn)代意義上的操作系統(tǒng)出現(xiàn)n 所謂多道程序設(shè)計（所謂多道程序設(shè)計（multiprogrammingmultiprogramming）是指允許多個程序）是指允許多個程序同時進入一個計算機系統(tǒng)的主存儲器并啟動進行計算的方法。同時進入一個計算機系統(tǒng)的主存儲器并啟動進行計算的方法。也就是說，計算機內(nèi)存中同時存放多道（二個以上相互獨立也就是說，計算機內(nèi)存中同時存放多道（二個以上相互獨立的）程序，它們都處于開始和結(jié)束點之間。從宏觀上看是并的）程序，它們都處于開始和結(jié)束點之間。從宏觀上看是并行的，多道程序

23、都處于運行中，并且都沒有運行結(jié)束；從微行的，多道程序都處于運行中，并且都沒有運行結(jié)束；從微觀上看是串行的，各道程序輪流使用觀上看是串行的，各道程序輪流使用CPUCPU，交替執(zhí)行。，交替執(zhí)行。 l例子：l 計算某個數(shù)據(jù)處理問題，要求從輸入機（速度為6400 字符秒）輸入500 個字符(費時78毫秒)，經(jīng)處理（費時52 毫秒）后，將結(jié)果（假定為2000 個字符）存到磁帶上（磁帶機速度為10 萬字符秒,費時20 毫秒），然后，再讀500 個字符處理，直至所有的輸入數(shù)據(jù)全部處理完畢。 單道算題運行時處理器的使用效率l處理器的利用率為：l 52/（78 十52 十20） 35%l 分析上面的例子，可以看

24、出效率不高的原因，當(dāng)輸入機輸入500 個字符后，處理器只花了52 毫秒就處理完了，而這時第二批輸入數(shù)據(jù)還要再等98 毫秒時間才能輸入完畢，在此期間CPU 一直空閑著。l這個例子說明單道程序工作時，計算機系統(tǒng)的各部件的利用率沒有得到充分發(fā)揮。l為了提高效率，考慮讓計算機同時接受兩道算題，當(dāng)?shù)谝坏莱绦蛟诘却鈬O(shè)備的時候，讓第二道程序運行，以降低CPU 空閑等待時間，那么，處理器的利用率顯然可以有所提高。l例如，計算機在接受上述算題時還接受了另一道算題：從另一臺磁帶機上輸入2000 個字符，經(jīng)42 毫秒的處理后，從行式打印機（速度為1350 行分）上輸出兩行。l當(dāng)這兩道算題同時進入內(nèi)存計算時，計算

25、過程如圖所示。l其中，P1 表示程序甲占用CPU 對輸入機輸入的500 個字符進行處理，由于52 毫秒處理便結(jié)束，下次處理要等待98 毫秒之后，故這個時間段內(nèi)CPU 是空閑的。系統(tǒng)調(diào)度程序乙工作，它從磁帶機上輸入2000 個字符后，P2 表示對這批數(shù)據(jù)進行處理。相應(yīng)的I/O 設(shè)備和CPU的操作都是并行的。l不難算出，此時處理器的利用率為：l （52+42）/150 63操作系統(tǒng)中引入多道程序設(shè)計的好處操作系統(tǒng)中引入多道程序設(shè)計的好處: : 一是提高了一是提高了CPUCPU的利用率，的利用率， 二是提高了內(nèi)存和二是提高了內(nèi)存和I/OI/O設(shè)備的利用率，設(shè)備的利用率， 三是改進了系統(tǒng)的吞吐率，三是

26、改進了系統(tǒng)的吞吐率， 四是充分發(fā)揮了系統(tǒng)的并行性。四是充分發(fā)揮了系統(tǒng)的并行性。 其主要缺點是其主要缺點是: :作業(yè)周轉(zhuǎn)時間延長。作業(yè)周轉(zhuǎn)時間延長。1.2.4 1.2.4 分時系統(tǒng)與實時系統(tǒng)的出現(xiàn)分時系統(tǒng)與實時系統(tǒng)的出現(xiàn)操作系統(tǒng)步入操作系統(tǒng)步入實用化實用化 1.1.分時系統(tǒng)：分時系統(tǒng)：n允許多個聯(lián)機用戶同時使用一臺計算機系統(tǒng)進行計允許多個聯(lián)機用戶同時使用一臺計算機系統(tǒng)進行計算的操作系統(tǒng)稱分時操作系統(tǒng)算的操作系統(tǒng)稱分時操作系統(tǒng) （Time Sharing Time Sharing Operating SystemOperating System）n而系統(tǒng)則是將處理機的時間劃分為小的時間間隔而系統(tǒng)則

27、是將處理機的時間劃分為小的時間間隔（又稱時間片），輪流地為每個終端上的作業(yè)服務(wù)，（又稱時間片），輪流地為每個終端上的作業(yè)服務(wù)，使每個用戶都感覺好象自己在使用計算機。使每個用戶都感覺好象自己在使用計算機。n分時操作系統(tǒng)具有以下特性：分時操作系統(tǒng)具有以下特性： （1 1）多路性：允許在一臺主機上同時聯(lián)接多臺聯(lián)機終）多路性：允許在一臺主機上同時聯(lián)接多臺聯(lián)機終端，系統(tǒng)按分時原則為每個用戶服務(wù)。端，系統(tǒng)按分時原則為每個用戶服務(wù)。 （2 2）獨立性：每個用戶各占一個終端，彼此獨立操作，）獨立性：每個用戶各占一個終端，彼此獨立操作，互不干擾?；ゲ桓蓴_。 （3 3）及時性：用戶的請求能在很短時間內(nèi)獲得響應(yīng)。）

28、及時性：用戶的請求能在很短時間內(nèi)獲得響應(yīng)。 （4 4）交互性：用戶可通過終端與系統(tǒng)進行廣泛的人機）交互性：用戶可通過終端與系統(tǒng)進行廣泛的人機對話對話。l批處理、多道程序批處理、多道程序=充分利用系統(tǒng)資充分利用系統(tǒng)資源（源（CPU、內(nèi)存、外設(shè)）、內(nèi)存、外設(shè)）l分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)=為用戶提供與計算機系統(tǒng)為用戶提供與計算機系統(tǒng)直接交互的能力，允許許多用戶共享直接交互的能力，允許許多用戶共享計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng) 多道和分時系統(tǒng)的出現(xiàn)，標(biāo)志著多道和分時系統(tǒng)的出現(xiàn)，標(biāo)志著現(xiàn)代操作系統(tǒng)的正式形成?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)的正式形成。2.2.實時操作系統(tǒng)：實時操作系統(tǒng)：n 實時操作系統(tǒng)（實時操作系統(tǒng)（Real Time O

29、perating System)Real Time Operating System)指當(dāng)外界事指當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能接收并以足夠快的速度予以處理，處件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能接收并以足夠快的速度予以處理，處理的結(jié)果又能在規(guī)定時間內(nèi)來控制監(jiān)控的生產(chǎn)過程或?qū)μ幚淼慕Y(jié)果又能在規(guī)定時間內(nèi)來控制監(jiān)控的生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行理系統(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行的操作系統(tǒng)。的操作系統(tǒng)。3.3.操作系統(tǒng)的三種基本類型的比較操作系統(tǒng)的三種基本類型的比較n 批處理系統(tǒng)的特點是批處理系統(tǒng)的特點是“多道、成批自動處理多道、成批自動處理”，優(yōu)點是，優(yōu)點是“資源利用

30、率高、系統(tǒng)吞吐量大資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大”，缺點是，缺點是“等待時間長、等待時間長、沒有交互能力沒有交互能力”；n 分時系統(tǒng)的特點分時系統(tǒng)的特點“同時性、交互性、獨立性和及時性同時性、交互性、獨立性和及時性”，優(yōu)點是優(yōu)點是“響應(yīng)快，便于資源共享響應(yīng)快，便于資源共享”；n 實時系統(tǒng)的特點實時系統(tǒng)的特點“響應(yīng)迅速，可靠性高，系統(tǒng)專用響應(yīng)迅速，可靠性高，系統(tǒng)專用”，與，與分時系統(tǒng)相比，交互性較弱。分時系統(tǒng)相比，交互性較弱。1.2.5 操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展 1.1.微機操作系統(tǒng)微機操作系統(tǒng) 現(xiàn)代的微機操作系統(tǒng)具有現(xiàn)代的微機操作系統(tǒng)具有GUIGUI、多用戶多任務(wù)、虛擬存、多用戶多

31、任務(wù)、虛擬存儲管理、網(wǎng)絡(luò)通信支持、數(shù)據(jù)庫支持、多媒體支持、應(yīng)用儲管理、網(wǎng)絡(luò)通信支持、數(shù)據(jù)庫支持、多媒體支持、應(yīng)用程序編程接口（程序編程接口（API)API)支持等功能支持等功能, ,以最大程度的滿足個人用以最大程度的滿足個人用戶的使用要求。典型的微機操作系統(tǒng)有戶的使用要求。典型的微機操作系統(tǒng)有WindowsWindows、OS2OS2、UnixUnix和和LinuxLinux等。等。2.2.網(wǎng)絡(luò)和分布式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和分布式操作系統(tǒng)n網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（Network Operating System)Network Operating System)能夠控制計算能夠控制計算機在網(wǎng)絡(luò)中方

32、便的傳送信息和共享資源，并能為網(wǎng)絡(luò)用戶提機在網(wǎng)絡(luò)中方便的傳送信息和共享資源，并能為網(wǎng)絡(luò)用戶提供各種所需服務(wù)的操作系統(tǒng)。供各種所需服務(wù)的操作系統(tǒng)。n網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)主要有兩種工作模式：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)主要有兩種工作模式： （1 1）客戶機）客戶機/ /服務(wù)器（服務(wù)器（Client/Server)Client/Server)模式。模式。 （2 2）對等模式（）對等模式（peer-to-peerpeer-to-peer）。）。n網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)除了具有操作系統(tǒng)的基本功能外，還應(yīng)具有網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)除了具有操作系統(tǒng)的基本功能外，還應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)通信、資源管理和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。絡(luò)通信、資源管理和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。n目前比較

33、流行的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)有：目前比較流行的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)有：LinuxLinux、UnixUnix、Windows Windows Server 2000/2003Server 2000/2003等。等。2.2.網(wǎng)絡(luò)和分布式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和分布式操作系統(tǒng)n分布式計算機系統(tǒng)是一種特殊的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在分布式分布式計算機系統(tǒng)是一種特殊的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在分布式系統(tǒng)中。每臺計算機高度自治，又相互協(xié)調(diào)，能在系統(tǒng)范圍系統(tǒng)中。每臺計算機高度自治，又相互協(xié)調(diào)，能在系統(tǒng)范圍內(nèi)實現(xiàn)資源管理，任務(wù)分配，能并行地運行分布式程序。內(nèi)實現(xiàn)資源管理，任務(wù)分配，能并行地運行分布式程序。n分布式系統(tǒng)與計算機網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵區(qū)別在于：在分布

34、式系統(tǒng)中，分布式系統(tǒng)與計算機網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵區(qū)別在于：在分布式系統(tǒng)中，多臺自主的計算機對用戶是透明的（或者說是不可見的）。多臺自主的計算機對用戶是透明的（或者說是不可見的）。也就是說，在分布式系統(tǒng)中，用戶覺察不到多個處理機的存也就是說，在分布式系統(tǒng)中，用戶覺察不到多個處理機的存在，用戶面對的是一臺虛擬的單處理機。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，在，用戶面對的是一臺虛擬的單處理機。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，用戶必須明確指出在哪臺機器上登錄，明確地運行遞交的任用戶必須明確指出在哪臺機器上登錄，明確地運行遞交的任務(wù)，明確地指定文件傳輸?shù)哪康牡?。?wù)，明確地指定文件傳輸?shù)哪康牡亍?.3.并行系統(tǒng)和集群系統(tǒng)并行系統(tǒng)和集群系統(tǒng)n多處理機系

35、統(tǒng)（也稱為并行系統(tǒng)）有多個緊密通信的處理器，多處理機系統(tǒng)（也稱為并行系統(tǒng)）有多個緊密通信的處理器，它們共享計算機總線、時鐘，有時還有內(nèi)存和外設(shè)等。多處它們共享計算機總線、時鐘，有時還有內(nèi)存和外設(shè)等。多處理機系統(tǒng)有對稱多處理（理機系統(tǒng)有對稱多處理（SMP)SMP)和非對稱多處理兩種模式。和非對稱多處理兩種模式。 n集群系統(tǒng)（集群系統(tǒng)（Cluster System)Cluster System)將多個將多個CPUCPU集中起來完成計算任集中起來完成計算任務(wù)。然而，集群系統(tǒng)與并行系統(tǒng)不同，它是有兩個或多個獨務(wù)。然而，集群系統(tǒng)與并行系統(tǒng)不同，它是有兩個或多個獨立的系統(tǒng)耦合起來。集群的定義尚未定形，通常

36、接受的定義立的系統(tǒng)耦合起來。集群的定義尚未定形，通常接受的定義是集群計算機共享存儲并通過是集群計算機共享存儲并通過LANLAN網(wǎng)絡(luò)緊密連接。網(wǎng)絡(luò)緊密連接。 4. 4. 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)u嵌入式操作系統(tǒng)指運行在嵌入式嵌入式操作系統(tǒng)指運行在嵌入式( (計算機計算機) )環(huán)境中，對整個系環(huán)境中，對整個系統(tǒng)及所有操作的各種部件、裝置等資源進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、處理、統(tǒng)及所有操作的各種部件、裝置等資源進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、處理、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。指揮和控制的系統(tǒng)軟件。u嵌入式操作系統(tǒng)具有通常操作系統(tǒng)的功能，包括：與硬件相嵌入式操作系統(tǒng)具有通常操作系統(tǒng)的功能，包括：與硬件相關(guān)的底層軟件、操作系統(tǒng)核心功能（

37、文件系統(tǒng)、存儲管理、關(guān)的底層軟件、操作系統(tǒng)核心功能（文件系統(tǒng)、存儲管理、設(shè)備管理、進程管理、處理器管理和中斷處理）、功能強大設(shè)備管理、進程管理、處理器管理和中斷處理）、功能強大的還提供圖形界面、通信協(xié)議、小型瀏覽器等設(shè)施。的還提供圖形界面、通信協(xié)議、小型瀏覽器等設(shè)施。u嵌入式操作系統(tǒng)硬件平臺的局限性、應(yīng)用環(huán)境的多樣性、嵌入式操作系統(tǒng)硬件平臺的局限性、應(yīng)用環(huán)境的多樣性、 開發(fā)手段的特殊性，使它與一般操作系統(tǒng)有很大不同。開發(fā)手段的特殊性，使它與一般操作系統(tǒng)有很大不同。1.2.6 1.2.6 實例研究：實例研究：WindowsWindows和和LinuxLinux的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程 1. Linu

38、x1. Linux系統(tǒng)系統(tǒng)u LinuxLinux是類是類UnixUnix操作系統(tǒng)大家族中的一員。從操作系統(tǒng)大家族中的一員。從2020世紀(jì)世紀(jì)9090年年代末開始，代末開始，LinuxLinux這位相對較新的成員突然變得非常流行，這位相對較新的成員突然變得非常流行，并且躋身于那些有名的商用并且躋身于那些有名的商用UnixUnix操作系統(tǒng)之列。操作系統(tǒng)之列。u 1991年，年，Linus Torvalds開發(fā)出最初的開發(fā)出最初的Linux，它作為一個，它作為一個適用于基于適用于基于Intel 80386微處理器的微處理器的IBM PC兼容機的操作系兼容機的操作系統(tǒng)。統(tǒng)。Linus將這個系統(tǒng)放到將

39、這個系統(tǒng)放到Internet上，允許人們自由下載，上，允許人們自由下載，許多人對許多人對Linux進行改進、擴充、完善，做出了關(guān)鍵性貢獻。進行改進、擴充、完善，做出了關(guān)鍵性貢獻。Linux由最初一個人寫的原型變成在由最初一個人寫的原型變成在Internet上由無數(shù)志同道上由無數(shù)志同道合的程序高手們參與的一場運動。合的程序高手們參與的一場運動。lDOS操作系統(tǒng)lWindows操作系統(tǒng)lUnix操作系統(tǒng)lLinux操作系統(tǒng)lIBM操作系統(tǒng)l其他流行操作系統(tǒng)lDOS操作系統(tǒng)：Disk Operating Systeml1980 年11 月，IBM 公司和Microsoft 公司正式簽約委托Micro

40、soft 為其即將推出的IBM-PC 機 開發(fā)一個操作系統(tǒng)，這就是PC-DOS，又稱IBM-DOS。1981 年，Microsoft 推出了MS-DOS1.0 版，兩者的功能基本一致，統(tǒng)稱DOS。l到1994 年推出了最后的版本DOS6.22l微軟的發(fā)家之寶。lDOS 采用匯編語言書寫，系統(tǒng)開銷小，運行效率高。另外，DOS 針對PC 機環(huán)境來設(shè)計，實用性好，較好地滿足了低檔微機工作的需要。l但是，隨著PC 機性能的突飛猛進，DOS 的缺點不斷顯露出來，已經(jīng)無法發(fā)揮硬件的能力，又缺乏對數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體等的支持，沒有通用的應(yīng)用程序接口，加上用戶界面不友善，操作使用不方便，從而，逐步讓位于W

41、indows 等其他操作系統(tǒng)。lMicrosoft 公司成立于1975 年，到現(xiàn)在已經(jīng)成為世界上最大的軟件公司。l從1983 年11 月Microsoft 公司宣布Windows 誕生到今天的Windows XP，Windows已經(jīng)走過了20 個年頭，并且成為風(fēng)靡全球的微機操作系統(tǒng)。目前個人計算機上采用Windows 操作系統(tǒng)的占90%，微軟公司幾乎壟斷了PC 行業(yè)。l它最早由美國電報電話公司貝爾實驗室的Thompson 和Ritchie 于1969 年在DEC 公司的小型系列機PDP-7 上開發(fā)成功，1971 年被移植到PDP-11 上。l1973 年Ritchie 在BCPL(Basic

42、Combined Programming Language)語言基礎(chǔ)上開發(fā)出C 語言，這對UNIX 的發(fā)展產(chǎn)生了重要作用，用C 語言改寫后的第3 版UNIX具有高度易讀性、可移植性，為迅速推廣和普及走出了決定性的一步lUNIX 取得成功的最重要原因是系統(tǒng)的開放性，公開源代碼，用戶可以方便地向UNIX 系統(tǒng)中逐步添加新功能和工具，這樣可使UINX 越來越完善，能提供更多服務(wù)，成為有效的程序開發(fā)支撐平臺。它是目前唯一可以安裝和運行在從微型機、工作站直到大型機和巨型機上的操作系統(tǒng)。lUnix系統(tǒng)和C語言的設(shè)計者Ritcchie 和Thompson 共同獲得了1983 年度的ACM圖靈獎(ACM Tu

43、ring Award)和軟件系統(tǒng)獎(Software System Award)。lLinux 是由芬蘭藉科學(xué)家Linus Torvalds 于1991 年編寫完成的一個操作系統(tǒng)內(nèi)核，當(dāng)時他還是芬蘭首都赫爾辛基大學(xué)計算機系的學(xué)生，在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程中，自己動手編寫了一個操作系統(tǒng)原型，從此，一個新的操作系統(tǒng)誕生了。Linus 把這個系統(tǒng)放在Internet 上，允許自由下載1.3.1 1.3.1 操作系統(tǒng)的設(shè)計操作系統(tǒng)的設(shè)計 操作系統(tǒng)是一個龐雜的大型系統(tǒng)的軟件操作系統(tǒng)是一個龐雜的大型系統(tǒng)的軟件, ,因此因此, ,操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的設(shè)計是一個的設(shè)計是一個 復(fù)雜的過程。以復(fù)雜的過程。以IBMIBM公

44、司的公司的OS/360OS/360系統(tǒng)為例，系統(tǒng)為例，它由它由40004000個模塊組成，共約個模塊組成，共約100100萬條指令，花費萬條指令，花費50005000人年，人年，經(jīng)費達數(shù)億美元。經(jīng)費達數(shù)億美元。 1. 1. 操作系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)操作系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo) 一個高質(zhì)量的操作系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性、高效性、可擴一個高質(zhì)量的操作系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性、高效性、可擴充性、易移植性、安全性和兼容性等特征。充性、易移植性、安全性和兼容性等特征。 2. 2. 操作系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)操作系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn) 設(shè)計原則：設(shè)計原則： 機制與實現(xiàn)相分離機制與實現(xiàn)相分離 1.3.2 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 1. 1. 整體

45、式結(jié)構(gòu)整體式結(jié)構(gòu)u 整體式操作系統(tǒng)的基本設(shè)計思想是：把模塊作為操作系統(tǒng)整體式操作系統(tǒng)的基本設(shè)計思想是：把模塊作為操作系統(tǒng)的基本單位，按照功能需要而不是根據(jù)程序和數(shù)據(jù)的特性把的基本單位，按照功能需要而不是根據(jù)程序和數(shù)據(jù)的特性把整個操作系統(tǒng)分解成若干個模塊，每個模塊具有一定的功能，整個操作系統(tǒng)分解成若干個模塊，每個模塊具有一定的功能，若干個關(guān)聯(lián)模塊協(xié)作完成某個功能。各個模塊可以不加控制，若干個關(guān)聯(lián)模塊協(xié)作完成某個功能。各個模塊可以不加控制，自由調(diào)用，每個模塊經(jīng)獨立設(shè)計、編碼和調(diào)試后連接成一個自由調(diào)用，每個模塊經(jīng)獨立設(shè)計、編碼和調(diào)試后連接成一個完整的系統(tǒng)。完整的系統(tǒng)。u這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：程序結(jié)構(gòu)緊密

46、，接口簡單直接，系統(tǒng)效這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：程序結(jié)構(gòu)緊密，接口簡單直接，系統(tǒng)效率高，但是也有一定的缺陷，如模塊獨立性差，模塊之間牽率高，但是也有一定的缺陷，如模塊獨立性差，模塊之間牽連太多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不清晰，系統(tǒng)的正確性難以保證，可靠性連太多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不清晰，系統(tǒng)的正確性難以保證，可靠性降低，擴充性差等。降低，擴充性差等。2. 2. 層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)u所謂層次結(jié)構(gòu)就是把操作系統(tǒng)所有的功能模塊按照功能的調(diào)所謂層次結(jié)構(gòu)就是把操作系統(tǒng)所有的功能模塊按照功能的調(diào)用次序分別排成若干層，各層之間的模塊只能是單向依賴或用次序分別排成若干層，各層之間的模塊只能是單向依賴或單向調(diào)用（如：只允許上層或外層模塊調(diào)用下層或內(nèi)層模塊）單向調(diào)用（如：只允許上層或外層模塊調(diào)用下層或內(nèi)層模塊）關(guān)系，這樣不但操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)清晰，而且不構(gòu)成循環(huán)。關(guān)系，這樣不但操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)清晰，而且不構(gòu)成循環(huán)。u層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：整體問題局部化，系統(tǒng)的正確性可通過各層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：整體問題局部化，系統(tǒng)的正確性可通過各層正確性來保證。增加、修改或替換層次不影響其他層次，層正確性來保證。增加、修改或替換層次不影響其他層次，有利于系統(tǒng)的維護和擴充。有利于系統(tǒng)的維護和擴充。2. 2. 層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)u 構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)OSOS分層原則分層原則