第1章緒論操作系統(tǒng)

12:52:001教材：

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程（第3版）清華大學(xué)編著：張堯?qū)W中國工程院院士，教育部高等教育司司長，清華大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。

史美林清華大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。

張高中科院軟件所工學(xué)博士學(xué)位，微軟亞洲研究院高校關(guān)系中國區(qū)經(jīng)理。主要參考書：

張堯?qū)W

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程(第3版)習(xí)題解答與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)清華大學(xué)出版社湯子瀛

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)西安電子科技大學(xué)12:52:0026個問題什么是操作系統(tǒng)？為什么需要操作系統(tǒng)？（地位）為什么要學(xué)操作系統(tǒng)？這門課學(xué)什么？這門課如何學(xué)？操作系統(tǒng)如何工作？12:52:003第1章緒論§1.1操作系統(tǒng)概念§1.2操作系統(tǒng)的歷史§1.3操作系統(tǒng)的基本類型§1.4操作系統(tǒng)功能§1.5計(jì)算機(jī)硬件簡介§1.6算法的描述§1.7研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)12:52:004一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：是按用戶要求接收和存儲信息、自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并輸出結(jié)果信息的系統(tǒng)。

§1.1操作系統(tǒng)概念應(yīng)用軟件硬件裸機(jī)操作系統(tǒng)其它系統(tǒng)軟件圖1.1操作系統(tǒng)與硬件軟件的關(guān)系硬件系統(tǒng)：由中央處理器（運(yùn)算器和控制器）、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等組成。軟件系統(tǒng)：包括應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)12:52:005三、虛擬機(jī)：經(jīng)過操作系統(tǒng)提供的資源管理功能和方便用戶的各種服務(wù)功能把裸機(jī)改造成為功能更強(qiáng)、使用更為方便的機(jī)器。二、裸機(jī)：沒有任何軟件支持的計(jì)算機(jī)。

它僅僅構(gòu)成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而實(shí)際呈現(xiàn)在用戶面前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是經(jīng)過若干層軟件改造的計(jì)算機(jī)。

12:52:006四、操作系統(tǒng)定義

2、操作系統(tǒng)的定義：是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，由它管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程，以便有效地利用這些資源為用戶提供一個功能強(qiáng)大、使用方便和可擴(kuò)展的工作環(huán)境，從而在計(jì)算機(jī)與用戶之間起到接口的作用。1、引入操作系統(tǒng)的目的：（1）為用戶提供良好的界面（2）資源的管理者（3）便于擴(kuò)展新的服務(wù)和功能

12:52:007§1.2操作系統(tǒng)的歷史

四個階段：1946年—50年代末：電子管時代，無操作系統(tǒng)60年代中期—70年代中期：集成電路，多道程序設(shè)計(jì)50年代末—60年代中期：晶體管，批處理系統(tǒng)70年代中期—今：大（超大）規(guī)模集成電路，分時系統(tǒng)、實(shí)時系統(tǒng)、通用操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。其它如嵌入式系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)（網(wǎng)格計(jì)算、云計(jì)算）等。手工（無）→單道批處理（有）→多道（批處理、分時、實(shí)時）→通用本課程主要內(nèi)容：單機(jī)（CPU）多道系統(tǒng)原理12:52:0081.2.1手工操作階段

1946年—50年代末：電子管時代，無操作系統(tǒng)，用戶既是程序員，又是操作員。上機(jī)完全是手工操作。特點(diǎn)：（1）計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度慢（2）一個程序獨(dú)占機(jī)器（3）機(jī)器（CPU）等待手工操作（4）機(jī)器語言、紙帶或卡片

50年代后期，手工操作的漫速度與計(jì)算機(jī)的高速度之間的矛盾越來越突出,解決矛盾的唯一辦法是實(shí)現(xiàn)作業(yè)的自動過渡,因而出現(xiàn)了批處理。12:52:0091.2.2早期批處理（batchprocessing）

批處理：操作員把用戶提交的作業(yè)分類，把一批中的作業(yè)編成一個作業(yè)執(zhí)行序列。每一批作業(yè)將有專門編制的監(jiān)督程序（monitor）自動依次處理。

作業(yè)的組成：包括用戶程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書（作業(yè)控制語言）。

批：供一次加載的磁帶或磁盤，通常由若干個作業(yè)組裝而成，在處理中使用一組相同的系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)帶）。

12:52:0010早期批處理分為兩種：聯(lián)機(jī)批處理和脫機(jī)批處理

1、聯(lián)機(jī)批處理慢速的輸入輸出設(shè)備是和主機(jī)直接相連，在輸入輸出過程中CPU處于等待狀態(tài)。主機(jī)輸入機(jī)打印機(jī)監(jiān)督程序系統(tǒng)程序用戶作業(yè)磁帶機(jī)12:52:0011圖1.3監(jiān)督程序管理下的解題過程12:52:0012聯(lián)機(jī)批處理主要優(yōu)點(diǎn)：解決了作業(yè)自動轉(zhuǎn)接，減少了作業(yè)建立和手工操作時間。聯(lián)機(jī)批處理存在問題：CPU與I/O串行操作，輸入輸出時，CPU處于等待狀態(tài)，CPU的時間仍有很大的浪費(fèi)。12:52:00132、脫機(jī)批處理增加一臺或多臺不與主機(jī)直接連接而專門用于與輸入輸出設(shè)備打交道的衛(wèi)星機(jī)。主機(jī)與衛(wèi)星機(jī)可并行工作。衛(wèi)星機(jī)：完成面向用戶的輸入輸出（紙帶或卡片），中間結(jié)果暫存在磁帶或磁盤上。

多個手工手工圖1.2早期脫機(jī)批處理模型

12:52:0014

（1）由監(jiān)督程序自動依次裝入作業(yè)，不需人工干預(yù)。（2）用戶除提交程序和數(shù)據(jù)，還需提交作業(yè)說明書。（3）用匯編語言編寫程序，需匯編程序或編譯程序及連接裝配程序。（4）用磁帶存儲作業(yè)。新問題：監(jiān)督程序、系統(tǒng)程序和用戶程序之間存在著調(diào)用關(guān)系，任何一個環(huán)節(jié)出問題，整個系統(tǒng)都會停頓，用戶程序也可能破壞系統(tǒng)程序，系統(tǒng)安全與保護(hù)成為最重要的問題。問題的解決：硬件的發(fā)展（通道和中斷技術(shù)），導(dǎo)致操作系統(tǒng)進(jìn)入執(zhí)行系統(tǒng)階段。批處理特點(diǎn)：12:52:0015中斷：是指當(dāng)主機(jī)（CPU）接到外部信號時，馬上停止原來工作，轉(zhuǎn)去處理這一事件，處理完畢后，主機(jī)回到原來的斷點(diǎn)繼續(xù)工作。執(zhí)行系統(tǒng)：監(jiān)督程序借助于通道、中斷技術(shù)和輸入輸出在主機(jī)控制下完成批處理。這個功能增強(qiáng)的監(jiān)督程序常駐內(nèi)存，稱為執(zhí)行系統(tǒng)。通道：是一種專用處理部件，它能控制一臺或多臺輸入輸出設(shè)備工作，負(fù)責(zé)輸入輸出設(shè)備與主存之間的信息傳輸。它一旦被啟動就能獨(dú)立于CPU運(yùn)行，這樣可使CPU和通道并行操作，而且CPU和多種輸入輸出設(shè)備也能并行操作。

12:52:00161.2.3多道程序系統(tǒng)

早期批處理系統(tǒng)是單道順序的處理作業(yè)，即每次只調(diào)用一個用戶作業(yè)程序進(jìn)入內(nèi)存并運(yùn)行，稱為單道運(yùn)行（單道程序系統(tǒng)）問題：I/O量大的作業(yè)，CPU利用率降低，而計(jì)算量大的作業(yè)，I/O設(shè)備空閑。因而計(jì)算機(jī)資源使用效率仍然不高。問題的解決：同時裝入多道程序，合理搭配交替運(yùn)行，充分利用資源，提高效率。圖1.4程序工作示例12:52:0018特點(diǎn)：

（1）多道：計(jì)算機(jī)內(nèi)存中同時存放幾道相互獨(dú)立的程序。（2）宏觀上并行：（3）微觀上串行：在批處理系統(tǒng)中采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，就形成了多道批處理系統(tǒng)。要解決的技術(shù)問題：

（1）同步與互斥機(jī)制（2）內(nèi)存管理（3）內(nèi)存保護(hù)12:52:00191.2.4分時操作系統(tǒng)問題：批處理方式交互性差，中間不需人工干預(yù)雖然效率高，但有時很不方便，處理出錯、中間結(jié)果等。問題的解決：隨著軟硬件技術(shù)發(fā)展，采用分時技術(shù)。既能保證計(jì)算機(jī)效率，又能方便用戶使用。分時技術(shù)：把處理機(jī)的運(yùn)行時間分成很短的時間片，按時間片輪流把處理機(jī)分配給聯(lián)機(jī)作業(yè)使用。分時系統(tǒng)：采用分時技術(shù)，用時間片輪轉(zhuǎn)的方式，使一臺計(jì)算機(jī)為多個終端用戶服務(wù)。12:52:0020(1)人機(jī)交互性好：在調(diào)試和運(yùn)行程序時由用戶自己操作。(2)多用戶同時性：多個用戶同時使用。(3)用戶獨(dú)立性：對每個用戶而言，好象獨(dú)占主機(jī)。

多用戶分時操作系統(tǒng)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中使用最普遍的一類操作系統(tǒng)。分時系統(tǒng)的特點(diǎn)：12:52:00211.2.5實(shí)時操作系統(tǒng)問題：隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，計(jì)算機(jī)用于工業(yè)過程控制、軍事實(shí)時控制，需對外部信息作出快速響應(yīng)，要求高可靠性。問題的解決：專用的各種實(shí)時處理系統(tǒng)，要求計(jì)算機(jī)對外來信息能以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在被控對象允許時間范圍內(nèi)作出快速響應(yīng)。響應(yīng)時間要求在秒級、毫秒級甚至微秒級或更小。12:52:00221.2.6通用操作系統(tǒng)

通用操作系統(tǒng)是在批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實(shí)時系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，同時具備了批處理、分時、實(shí)時處理和多重處理的功能或其中兩種以上的功能。

UNIX是一個通用的多用戶分時交互型的操作系統(tǒng)，應(yīng)用非常廣泛，對現(xiàn)代操作系統(tǒng)有著重大的影響。

Windows系列是通用操作系統(tǒng)，主要原理也是基于UNIX系統(tǒng)，而Linux系列是從UNIX演變而成的。12:52:00231.2.7操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展

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個人計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)（DOS）

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嵌入式操作系統(tǒng)

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網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

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分布式操作系統(tǒng)

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智能化操作系統(tǒng)12:52:0024§1.3操作系統(tǒng)的基本類型操作系統(tǒng)的基本類型：

(1)批處理操作系統(tǒng)

(2)分時操作系統(tǒng)

(3)實(shí)時操作系統(tǒng)

(4)個人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

(5)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

(6)分布式操作系統(tǒng)可從硬件平臺、硬件數(shù)量、資源共享、交互與響應(yīng)、通用專用、傳統(tǒng)現(xiàn)代、多媒體、人工智能等角度給操作系統(tǒng)分類。12:52:00251.3.1批處理操作系統(tǒng)

是早期的大型機(jī)用操作系統(tǒng)，但現(xiàn)代操作系統(tǒng)大都具有批處理功能。圖1.5批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理及狀態(tài)12:52:0026

主要特征：（1）用戶脫機(jī)使用計(jì)算機(jī)。（2）成批處理。（3）多道程序運(yùn)行。

優(yōu)點(diǎn)：作業(yè)之間自動調(diào)度執(zhí)行，資源利用率高，吞吐量大。

缺點(diǎn)：無交互性，作業(yè)周轉(zhuǎn)時間長，使用不方便。多道程序系統(tǒng)和多重處理系統(tǒng)的區(qū)別12:52:00271.3.2分時系統(tǒng)

分時系統(tǒng)一般采用時間片輪轉(zhuǎn)的方式，使一臺計(jì)算機(jī)為多個終端用戶服務(wù)。主要特征： （1）交互性。 （2）多用戶同時性。 （3）獨(dú)立性。分時操作系統(tǒng)是一個聯(lián)機(jī)的多用戶交互式的操作系統(tǒng)。UNIX是最典型最流行的分時系統(tǒng)。12:52:00281.3.3實(shí)時系統(tǒng)

它用于實(shí)時控制和實(shí)時信息處理領(lǐng)域中，主要特點(diǎn)是提供即時響應(yīng)和高可靠性。設(shè)計(jì)實(shí)時操作系統(tǒng)要考慮的因素： （1）實(shí)時時鐘管理 （2）連續(xù)的人—機(jī)對話 （3）過載保護(hù) （4）高可靠性和安全性

1.3.4

通用操作系統(tǒng)它是在批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實(shí)時系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，同時具備了批處理、分時、實(shí)時處理和多重處理的功能或其中兩種以上的功能。12:52:00291.3.5個人計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)

是一聯(lián)機(jī)的交互式的單用戶操作系統(tǒng)，它提供的聯(lián)機(jī)交互功能與通用分時系統(tǒng)所提供的很相似。多媒體技術(shù)

Windows系列

Linux系統(tǒng)12:52:00301.3.6網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是通過通信設(shè)施將物理上分散的具有自治功能的多個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連起來的，實(shí)現(xiàn)信息交換、資源共享、可互操作和協(xié)作處理的系統(tǒng)。特征:

（1）互連的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的群體（2）既獨(dú)立工作,又可在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制下協(xié)同工作（3）系統(tǒng)互連通過通訊設(shè)施（硬件、軟件）來實(shí)現(xiàn)（4）通過通訊設(shè)施執(zhí)行信息交換、資源共享、互操作和協(xié)作處理

Novell的NetWare、Microsoft的WindowsNT12:52:00311.3.7分布式操作系統(tǒng)

可定義為：通過通信網(wǎng)絡(luò)將物理上分布的具有自治功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連起來，實(shí)現(xiàn)信息交換和資源共享，協(xié)作完成任務(wù)。分布式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的區(qū)別：（1）網(wǎng)絡(luò)已制定了明確的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)及一系列協(xié)議族，而各種分布式系統(tǒng)并沒有制定標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。（2）分布式系統(tǒng)要求一個統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作的統(tǒng)一性。（3）分布式系統(tǒng)具有透明性，而網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不具備。（4）分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)。（5）分布式系統(tǒng)還處在研究階段，而網(wǎng)絡(luò)已得到廣泛應(yīng)用。

12:52:0032§1.4操作系統(tǒng)功能1.4.1處理機(jī)管理為用戶合理地分配處理機(jī)時間，盡可能地使處理機(jī)處于忙狀態(tài)，提高處理機(jī)的工作效率。1.4.2存儲管理實(shí)現(xiàn)對主存儲器的管理，為用戶分配主存空間，保護(hù)主存中的程序和數(shù)據(jù)不被破壞，提高主存空間的利用率以及內(nèi)存擴(kuò)充。1.4.3設(shè)備管理（1）通道、控制器、I/O設(shè)備的分配和管理。（2）設(shè)備獨(dú)立性。12:52:00331.4.4信息管理（文件管理）

程序和數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為信息或文件。面向用戶實(shí)現(xiàn)按文件名存取文件，管理用戶信息的存儲、檢索、共享和保護(hù)，合理地分配和使用文件的存儲空間。1.4.5用戶接口為用戶提供使用計(jì)算機(jī)方便靈活的手段。

程序級接口：用戶程序通過系統(tǒng)提供的系統(tǒng)功能調(diào)用完成數(shù)據(jù)傳輸、文件操作等功能。

作業(yè)控制級接口：提供一組控制操作命令，用戶編寫作業(yè)說明書。聯(lián)機(jī)和脫機(jī)量大類。12:52:0034§1.5計(jì)算機(jī)硬件簡介1.5.1計(jì)算機(jī)的基本硬件元素

四種：處理器、存儲器、I/O控制與總線、I/O設(shè)備。圖1.6計(jì)算機(jī)的基本硬件元素12:52:00351.5.2與操作系統(tǒng)相關(guān)的幾種主要寄存器

典型的用戶可編程寄存器：

1、數(shù)據(jù)寄存器

2、地址寄存器

3、條件碼寄存器典型的控制與狀態(tài)寄存器：

4、程序計(jì)數(shù)器PC5、指令寄存器IR6、程序狀態(tài)字PSW7、中斷現(xiàn)場保護(hù)寄存器

8、堆棧（過程調(diào)用）12:52:00361.5.3存儲器的訪問速度

寄存器、高速緩存、內(nèi)存、硬盤緩沖、硬盤、光盤、磁盤。圖1.7存儲介質(zhì)的訪問速度12:52:0037多級存儲層次速度高低容量低高位價格高低12:52:0038

用多級存儲器把要用的程序和數(shù)據(jù)，按其使用的急迫程度分段調(diào)入存儲容量不同、運(yùn)行速度不同的存儲器中，并由軟硬件系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度管理。具體方案：如果使CPU大部分時間訪問高速緩存CACHE，則速度最快；僅在從緩存中讀不到數(shù)據(jù)時才去讀主存，那么速度略慢但容量更大；當(dāng)從主存中還讀不到時才去成批量讀虛存，結(jié)果速度很慢，但是容量極大；這樣做就能很好地同時解決了對速度、容量、成本三個方面的需求。12:52:00391.5.4指令的執(zhí)行與中斷

執(zhí)行周期：一條指令的讀入和執(zhí)行過程稱為一個執(zhí)行周期圖1.8指令的執(zhí)行周期12:52:0040圖1.9中斷執(zhí)行過程圖1.10中斷處理時的指令執(zhí)行周期12:52:00411.5.5操作系統(tǒng)的啟動

加電后，CPU（Intelx86為例）所有的寄存器值為1，程序計(jì)數(shù)器為0，既CS=FFFF、PC=0000。這時CPU根據(jù)CS和PC的值執(zhí)行FFFF0H處的指令。由于FFFF0H已經(jīng)到了基本內(nèi)存的高地址頂端，所以，F(xiàn)FFF0H處的指令一般總是一個JMP指令，跳到位于ROMBIOS中的特定位置，執(zhí)行BIOS中的系統(tǒng)測試代碼，負(fù)責(zé)開機(jī)自檢。如檢查內(nèi)存，鍵盤等。如發(fā)現(xiàn)外部存儲設(shè)備（如啟動磁盤），控制權(quán)會轉(zhuǎn)移給ROM中的啟動程序(ROMbootstraproutine)，這個程序會將磁盤上的第0軌0扇區(qū)讀入內(nèi)存中（bootsector），并開始執(zhí)行，他負(fù)責(zé)裝載其他的系統(tǒng)程序，經(jīng)過一系列復(fù)雜操作（多次加載、執(zhí)行，完成初始化相關(guān)硬件和系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）后，最后將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給操作系統(tǒng)。12:52:0042§1.6算法的描述類Pascal語言過程的開頭和結(jié)尾：beginend直到條件成立結(jié)束“操作”：Repeat操作Until條件12:52:0043條件成立，就執(zhí)行“操作”：While條件

do

操作