操作系統(tǒng)第一章

1、2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院12021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院22021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院32021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院42021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院52021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院62021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院72021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院82021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院9返回目錄返回目錄2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院10返回2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院112021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院122021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院132021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院14運(yùn)算速度：運(yùn)算速度：50005000次次/ /秒秒, , 1800018000個(gè)真空管個(gè)真空管

2、, , 占地占地182182平方米，重量平方米，重量130130噸，功耗噸，功耗140kW140kW2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院151946 50年代（電子管），集中計(jì)算（計(jì)算中心），計(jì)算機(jī)資源昂貴；2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院162021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院17一種穿孔機(jī)與穿孔卡片2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院182021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院192021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院20需求推動(dòng)發(fā)展需求推動(dòng)發(fā)展2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院212021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院222021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院232021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院24MINIX Logo2021

3、-12-20南曉數(shù)信學(xué)院252021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院262021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院272021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院28Linux:tux2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院29計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(層次結(jié)構(gòu))軟件硬件及固件（裸機(jī)）應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件編輯軟件，編譯軟件操作系統(tǒng)圖1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院30計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件的層次結(jié)構(gòu)2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院31操作系統(tǒng)的地位：緊貼系統(tǒng)硬件之上，所有其他軟件之下（是其他軟件的共同環(huán)境）操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)者應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件終端

4、用戶終端用戶程序員程序員2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院322021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院332021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院342021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院35定義：定義：操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是管理軟硬件資源、控制程是管理軟硬件資源、控制程序執(zhí)行，改善人機(jī)界面，提供各種服務(wù)，合理序執(zhí)行，改善人機(jī)界面，提供各種服務(wù)，合理組織計(jì)算機(jī)工作流程和為用戶使用計(jì)算機(jī)提供組織計(jì)算機(jī)工作流程和為用戶使用計(jì)算機(jī)提供良好運(yùn)行環(huán)境的一種系統(tǒng)軟件。良好運(yùn)行環(huán)境的一種系統(tǒng)軟件。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院36操作系統(tǒng)的層次模型操作系統(tǒng)的層次模型高低2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院372021-12-20南曉數(shù)信

5、學(xué)院38返回2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院3950年代末 60年代中（晶體管）：利用磁帶把若干個(gè)作業(yè)分類編成作業(yè)執(zhí)行序列，每個(gè)批作業(yè)由一個(gè)專門的監(jiān)督程序（Monitor）自動(dòng)依次處理。可使用匯編語言開發(fā)。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院402021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院412021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院42為解決CPU和I/O設(shè)備之間速度不匹配而提出，利用衛(wèi)星機(jī)完成輸入輸出功能。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院43 批處理操作系統(tǒng)針對的是第二代通用計(jì)算機(jī)，如IBM的1401和7094等，通過去除人機(jī)交互達(dá)到CPU和輸入輸出利用率的改善。 2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院4460年代初，發(fā)

6、展了通道技術(shù)和中斷技術(shù)，這些技術(shù)的出現(xiàn)使監(jiān)督程序在負(fù)責(zé)作業(yè)運(yùn)行的同時(shí)提供I/O控制功能。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院452021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院4660年代中 70年代中（集成電路集成電路），利用多道批處理提高資源的利用率。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院472021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院48用戶作業(yè)錄入提交收容完成運(yùn)行就緒等待作業(yè)調(diào)度執(zhí)行作業(yè)調(diào)度批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理及狀態(tài)2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院49在此計(jì)算過程中，處理器的利用率是：52/（78+52+20）35%2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院50如果計(jì)算機(jī)同時(shí)接受兩道計(jì)算題，當(dāng)?shù)谝坏莱绦蛟诘却鈬O(shè)備的時(shí)候，讓第二道

7、程序運(yùn)行，以降低CPU的等待時(shí)間，處理器的利用率顯然可以有所提高。例如，計(jì)算機(jī)在接受上述計(jì)算時(shí)還接受了另外一道算題：從另一臺(tái)磁帶機(jī)上輸入2000個(gè)字符（假設(shè)磁帶機(jī)的速度是10萬字符/秒，則耗時(shí)20MS），經(jīng)42毫秒處理后，從行式打印機(jī)（速度為1350行/分）上輸出兩行(耗時(shí)88ms)當(dāng)這兩個(gè)算題同時(shí)進(jìn)入主存計(jì)算時(shí)，這個(gè)計(jì)算過程如下圖所示此時(shí)，處理器的利用率為：（52+42）/15063%2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院512021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院522021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院532021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院54多道程序系統(tǒng)和多處理系統(tǒng)(multiprocessing syst

8、em)的區(qū)別：前者指多個(gè)程序同時(shí)在內(nèi)存中交替運(yùn)行，后者指多個(gè)處理器。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院552021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院562021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院5770年代中期至今2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院582021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院592021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院60在分時(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，操作系統(tǒng)的發(fā)展開始分化，如實(shí)時(shí)系統(tǒng)、通用系統(tǒng)、個(gè)人系統(tǒng)等。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院612021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院622021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院63實(shí)時(shí)系統(tǒng)的類型：實(shí)時(shí)系統(tǒng)的類型：（1）工業(yè)（武器）控制系統(tǒng)（2）信息查詢系統(tǒng)（3）多媒體系統(tǒng)（4）嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)任

9、務(wù)類型：實(shí)時(shí)任務(wù)類型：按任務(wù)執(zhí)行時(shí)是否出現(xiàn)周期劃分：周期性實(shí)時(shí)任務(wù)、非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)。根據(jù)對截止時(shí)間的要求劃分：硬實(shí)時(shí)任務(wù)、軟實(shí)時(shí)任務(wù)。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院652021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院662021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院67返回2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院682021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院69多處理操作系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能和可靠性。提高性能有兩條途徑：提高性能有兩條途徑：l提高各個(gè)組成部分的速度、增大處理的并行程度。l1975年前后，出現(xiàn)多處理機(jī)系統(tǒng)(multi-processor)。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院702021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院7

10、12021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院72對稱多處理機(jī)與非對稱多處理機(jī)的比較2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院732021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院74網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是在通常操作系統(tǒng)功能操作系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上提供網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的操作系統(tǒng)。l網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為網(wǎng)上計(jì)算機(jī)進(jìn)行方便而有效的網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源共享絡(luò)資源共享，提供網(wǎng)絡(luò)用戶所需各種服務(wù)的軟件和相關(guān)規(guī)程的集合。l網(wǎng)絡(luò)功能與操作系統(tǒng)的結(jié)合程度網(wǎng)絡(luò)功能與操作系統(tǒng)的結(jié)合程度是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。l早期的作法是通常操作系統(tǒng)附加網(wǎng)絡(luò)軟件附加網(wǎng)絡(luò)軟件，過渡到網(wǎng)絡(luò)功能成為操作系統(tǒng)的有機(jī)組成部分有機(jī)組成部分。l它們的區(qū)別在于：網(wǎng)絡(luò)功能的強(qiáng)弱、

11、使用是否方便等。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院75一些自主的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過通信設(shè)施一些自主的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過通信設(shè)施相互連接，完成信息交換、資源共享、相互連接，完成信息交換、資源共享、互操作和協(xié)同工作等功能?；ゲ僮骱蛥f(xié)同工作等功能。引入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的目的：完成新的應(yīng)用引入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的目的：完成新的應(yīng)用（進(jìn)行自動(dòng)的信息交換），提高性能（進(jìn)行自動(dòng)的信息交換），提高性能價(jià)格比（共享昂貴資源）價(jià)格比（共享昂貴資源）2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院762021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院772021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院78分布式系統(tǒng)：分布式系統(tǒng)：處理和控制的分散（相對于集中處理和控制的分散（相對于集中

12、式系統(tǒng)）式系統(tǒng)）l分布式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的，它分布式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的，它的基本特征是處理上的分布，即功能和任務(wù)的基本特征是處理上的分布，即功能和任務(wù)的分布。的分布。l分布式操作系統(tǒng)的所有系統(tǒng)任務(wù)可在系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)的所有系統(tǒng)任務(wù)可在系統(tǒng)中任何處理機(jī)上運(yùn)行，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)范圍中任何處理機(jī)上運(yùn)行，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的任務(wù)分配并自動(dòng)調(diào)度各處理機(jī)的工作負(fù)內(nèi)的任務(wù)分配并自動(dòng)調(diào)度各處理機(jī)的工作負(fù)載。載。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院792021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院80返回2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院812021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院82并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個(gè)

13、概念。并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個(gè)概念。并行性：兩個(gè)或多個(gè)事件在并行性：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生同一時(shí)刻發(fā)生；并發(fā)性：兩個(gè)或多個(gè)事件在并發(fā)性：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)是一個(gè)并發(fā)系統(tǒng)操作系統(tǒng)是一個(gè)并發(fā)系統(tǒng)，各進(jìn)程間的并發(fā)，系統(tǒng)與應(yīng)用間的并發(fā)。l操作系統(tǒng)要完成這些并發(fā)過程的管理。并行(parallel)是指在同一時(shí)刻發(fā)生。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院832021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院84多個(gè)進(jìn)程共享有限的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源。多個(gè)進(jìn)程共享有限的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源。l操作系統(tǒng)要對系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配和使用。l資源在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)交替被多個(gè)進(jìn)程所用。2021

14、-12-20南曉數(shù)信學(xué)院85一個(gè)物理實(shí)體映射為若干個(gè)對應(yīng)的邏輯實(shí)體分分時(shí)時(shí)或分空間分空間。虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院86也稱不確定性，指進(jìn)程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時(shí)間的不確定性；也稱不確定性，指進(jìn)程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時(shí)間的不確定性；2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院872021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院882021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院89完成處理機(jī)資源的分配調(diào)度等功能。處理機(jī)調(diào)度的單位可為進(jìn)程或線程。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院90管理目標(biāo)：提高利用率、方便用戶使用、提供足夠的存儲(chǔ)空間、方便進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院

15、91設(shè)備管理的目標(biāo)是：方便的設(shè)備使用、提高CPU與I/O設(shè)備利用率；2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院92解決軟件資源的存儲(chǔ)、共享、保密和保護(hù)。2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院93目標(biāo)：提供一個(gè)友好的用戶訪問操作系統(tǒng)的接口。操作系統(tǒng)向上提供兩種接口：2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院942021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院952021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院962021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院972021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院982021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院99圖 1-6 模塊化操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院1002021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院1012021-12-20南曉數(shù)信

16、學(xué)院1022021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院1032021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院1042021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院1052021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院106圖 1-7 一個(gè)對象的示意圖 2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院107 2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院108 2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院109 2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院110安全子系統(tǒng)登錄進(jìn)程Win32客戶OS/2客戶POSIX客戶OS/2子系統(tǒng)Win32子系統(tǒng)POSIX子系統(tǒng)硬件抽象層系統(tǒng)服務(wù)核心態(tài)用戶態(tài)內(nèi)核NT執(zhí)行體對象管理器安全引用監(jiān)視器虛擬內(nèi)存管理器進(jìn)程和線程管理器本地過程調(diào)用功能高速緩存管理器文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序硬

17、件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序I/O管理器網(wǎng)絡(luò)重定向Windows NT體系結(jié)構(gòu)2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院111簡化的Windows2000體系結(jié)構(gòu)2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院1122021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院113返回2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院114IBM PC, CPU 8088/8086, BIOS單用戶單任務(wù)，簡單分層結(jié)構(gòu)，16位MS DOS的歷史的歷史2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院115BIOS(基本輸入/輸出系統(tǒng))DOS核心命令處理程序BIOS(基本輸入/輸出系統(tǒng))DOS核心命令處理程序2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院1162021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院117CPU 803

18、86單用戶多任務(wù)（分時(shí)系統(tǒng)），16位/16和32位混合/32位Windows的歷史的歷史2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院118安全子系統(tǒng)登錄進(jìn)程Win32客戶OS/2客戶POSIX客戶OS/2子系統(tǒng)Win32子系統(tǒng)POSIX子系統(tǒng)硬件抽象層系統(tǒng)服務(wù)核心態(tài)用戶態(tài)內(nèi)核NT執(zhí)行體對象管理器安全引用監(jiān)視器虛擬內(nèi)存管理器進(jìn)程和線程管理器本地過程調(diào)用功能高速緩存管理器文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序I/O管理器網(wǎng)絡(luò)重定向Windows NT體系結(jié)構(gòu)2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院119簡化的Windows2000體系結(jié)構(gòu)2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院1202021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院1212021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院122多用戶多任務(wù)，16/32/64位BSD, SVR4（模塊式結(jié)構(gòu)）, OSF/1（微內(nèi)核結(jié)構(gòu)） UNIX的歷史的歷史2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院123Bell實(shí)驗(yàn)室早期UNIX和C加州大學(xué)伯克利分校BSD4At&T的系統(tǒng)VHP-UXAIXSolarisSCO UNIXLinux2021-12-20南曉數(shù)信學(xué)院124硬件硬件層硬件控制字符