第1章 操作系統(tǒng)概述

21世紀(jì)高職高專新概念教材

操作系統(tǒng)原理教程

連衛(wèi)民徐保民等編著中國(guó)水利水電出版社第1章操作系統(tǒng)概述1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)、作用和模型1.3操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.4操作系統(tǒng)的特征與功能本章結(jié)束！1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.1.1計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件是指組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備或機(jī)器，它是組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)硬件一般包括中央處理器（CPU）、主存儲(chǔ)器、外存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，其中CPU與主存儲(chǔ)器合稱為主機(jī)，外存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備合稱為外部設(shè)備。第1章操作系統(tǒng)概述1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.1.1計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件之間的關(guān)系如圖1-1所示。第1章操作系統(tǒng)概述1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.1.2計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件是指組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序、數(shù)據(jù)和文檔。程序是指令的有序集合，是根據(jù)一定的算法，采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用某種計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行的描述；數(shù)據(jù)是信息在計(jì)算機(jī)中的表示，是計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象；文檔是各種說明文本，是軟件操作的輔助性資源。計(jì)算機(jī)的所有工作都必須在軟件的控制下才能進(jìn)行，沒有軟件的計(jì)算機(jī)稱為“裸機(jī)”，是任何工作都做不了的。根據(jù)軟件的作用可以把軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件是支持和管理計(jì)算機(jī)硬件的軟件，是服務(wù)于硬件的，它創(chuàng)立的是一個(gè)平臺(tái)；應(yīng)用軟件是完成用戶某項(xiàng)要求的軟件，是服務(wù)于特定用戶的，它滿足某一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。第1章操作系統(tǒng)概述1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.1.2計(jì)算機(jī)軟件軟件的作用如圖1-2所示。計(jì)算機(jī)用戶通過應(yīng)用軟件讓計(jì)算機(jī)為自己服務(wù)，而應(yīng)用軟件又是通過系統(tǒng)軟件來管理和使用計(jì)算機(jī)硬件。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)編譯語言和各種系統(tǒng)服務(wù)性程序。應(yīng)用軟件包括計(jì)算機(jī)源程序和應(yīng)用軟件包。所有這些軟件，操作系統(tǒng)是基礎(chǔ)，它是其他軟件的平臺(tái)。沒有操作系統(tǒng)，其他軟件就無法工作。第1章操作系統(tǒng)概述返回1.2操作系統(tǒng)的作用、目標(biāo)與模型1.2.1操作系統(tǒng)的作用

1.作用：操作系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)硬件上加載的第一層軟件，是對(duì)計(jì)算機(jī)硬件功能的首次擴(kuò)充。其他軟件只有在操作系統(tǒng)的支持下，才能對(duì)計(jì)算機(jī)硬件工作。操作系統(tǒng)的作用如圖1-4所示。第1章操作系統(tǒng)概述1.2操作系統(tǒng)的作用、目標(biāo)與模型1.2.1操作系統(tǒng)的作用2.四種作用形式：用戶通過編寫的源程序，在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）或編譯系統(tǒng)的作用下，由操作系統(tǒng)控制和解釋給硬件去執(zhí)行；用戶通過服務(wù)性程序（也稱工具軟件），經(jīng)操作系統(tǒng)的作用，來完成對(duì)計(jì)算機(jī)的操作；用戶通過可執(zhí)行程序，經(jīng)操作系統(tǒng)的作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操作；用戶通過操作系統(tǒng)提供的命令來實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操作。第1章操作系統(tǒng)概述1.2操作系統(tǒng)的作用、目標(biāo)與模型1.2.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)1.方便性：操作系統(tǒng)最終是要為用戶服務(wù)的。所以，設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)時(shí)必須考慮用戶能否方便地操作計(jì)算機(jī)。用戶的操作包括直接使用命令完成各種操作，也包括通過設(shè)計(jì)程序讓計(jì)算機(jī)完成各種操作。

2.有效性：操作系統(tǒng)的主要工作是要支持和管理計(jì)算機(jī)硬件的，如何有效地利用計(jì)算機(jī)的硬件資源，充分發(fā)揮它們的使用效率是操作系統(tǒng)解決的主要問題。3.可擴(kuò)充性：操作系統(tǒng)是為應(yīng)用服務(wù)的，隨著應(yīng)用環(huán)境的變化，操作系統(tǒng)自身的功能也必須不斷增加和完善。在設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)時(shí)，要采用合理的結(jié)構(gòu)使其能夠不斷地?cái)U(kuò)充和完善。4.開放性：操作系統(tǒng)的主要功能是管理計(jì)算機(jī)硬件，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，為了使這些硬件能夠正確、有效地協(xié)同工作，就必須實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的可移植性和互操作性，因而要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有統(tǒng)一的開放環(huán)境。

第1章操作系統(tǒng)概述1.2操作系統(tǒng)的作用、目標(biāo)與模型1.2.3操作系統(tǒng)的層次模型操作系統(tǒng)可以看成是一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，其最底層為操作系統(tǒng)的操作對(duì)象，中間層為管理操作對(duì)象的軟件集合，最高層為提供給用戶的系統(tǒng)接口，如圖1-5所示。第1章操作系統(tǒng)概述1.2操作系統(tǒng)的作用、目標(biāo)與模型1.2.3操作系統(tǒng)的層次模型

1.操作對(duì)象：主要是指操作系統(tǒng)所管理的各種軟硬件資源，包括處理器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備、文件和作業(yè)。

2.管理軟件：管理軟件是操作系統(tǒng)的核心，它集中了操作系統(tǒng)的主要功能。這些功能包括處理器管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理、文件管理和作業(yè)管理。3.系統(tǒng)接口：系統(tǒng)接口是操作系統(tǒng)為方便用戶的使用提供給用戶的各種功能和服務(wù)，這些接口包括命令接口和程序接口。第1章操作系統(tǒng)概述返回1.3操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.3.1推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的動(dòng)力

1．不斷提高資源利用率的需要

：人們必須千方百計(jì)地提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種資源的利用率。2．方便用戶操作：人們想方設(shè)法改善用戶的上機(jī)和調(diào)試程序的環(huán)境。

3．硬件的不斷更新?lián)Q代：計(jì)算機(jī)硬件的更新?lián)Q代，使得計(jì)算機(jī)的性能不斷提高，從而推動(dòng)了操作系統(tǒng)的性能和功能也不斷發(fā)展。

4．計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展也不斷地推動(dòng)著操作系統(tǒng)的發(fā)展，并且產(chǎn)生了新的操作系統(tǒng)。當(dāng)計(jì)算機(jī)由單處理器系統(tǒng)發(fā)展為多處理器系統(tǒng)時(shí)，操作系統(tǒng)也從單處理器操作系統(tǒng)發(fā)展為多處理器操作系統(tǒng)。當(dāng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)后，也就產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。第1章操作系統(tǒng)概述1.3操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.3.2操作系統(tǒng)的發(fā)展

1．無操作系統(tǒng)：其資源管理和控制由人工負(fù)責(zé)，它采用兩種方式：人工操作方式和脫機(jī)輸入輸出方式。（1）人工操作方式：計(jì)算機(jī)資源的管理是由操作員采用人工方式直接控制的。其特點(diǎn)是：一個(gè)用戶獨(dú)占計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部資源，計(jì)算機(jī)主機(jī)要等待人工操作，系統(tǒng)資源的利用率低。（2）脫機(jī)輸入輸出方式：是指程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出是在外圍機(jī)的控制下，而不是在主機(jī)的控制下完成的。其特點(diǎn)是：它減少了計(jì)算機(jī)主機(jī)的空閑等待時(shí)間，提高了I/O設(shè)備的處理速度。

第1章操作系統(tǒng)概述1.3操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.3.2操作系統(tǒng)的發(fā)展

2．批處理系統(tǒng)：其資源管理和控制由人工負(fù)責(zé)，它采用兩種方式：人工操作方式和脫機(jī)輸入輸出方式。（1）人工操作方式：計(jì)算機(jī)資源的管理是由操作員采用人工方式直接控制的。其特點(diǎn)是：一個(gè)用戶獨(dú)占計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部資源，計(jì)算機(jī)主機(jī)要等待人工操作，系統(tǒng)資源的利用率低。（2）脫機(jī)輸入輸出方式：是指程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出是在外圍機(jī)的控制下，而不是在主機(jī)的控制下完成的。其特點(diǎn)是：它減少了計(jì)算機(jī)主機(jī)的空閑等待時(shí)間，提高了I/O設(shè)備的處理速度。第1章操作系統(tǒng)概述1.3操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.3.2操作系統(tǒng)的發(fā)展

3．分時(shí)操作系統(tǒng)：其資源管理和控制由人工負(fù)責(zé)，它采用兩種方式：人工操作方式和脫機(jī)輸入輸出方式。（1）人工操作方式：計(jì)算機(jī)資源的管理是由操作員采用人工方式直接控制的。其特點(diǎn)是：一個(gè)用戶獨(dú)占計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部資源，計(jì)算機(jī)主機(jī)要等待人工操作，系統(tǒng)資源的利用率低。（2）脫機(jī)輸入輸出方式：是指程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出是在外圍機(jī)的控制下，而不是在主機(jī)的控制下完成的。其特點(diǎn)是：它減少了計(jì)算機(jī)主機(jī)的空閑等待時(shí)間，提高了I/O設(shè)備的處理速度。

第1章操作系統(tǒng)概述1.3操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.3.2操作系統(tǒng)的發(fā)展

4．實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：其資源管理和控制由人工負(fù)責(zé)，它采用兩種方式：人工操作方式和脫機(jī)輸入輸出方式。（1）人工操作方式：計(jì)算機(jī)資源的管理是由操作員采用人工方式直接控制的。其特點(diǎn)是：一個(gè)用戶獨(dú)占計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部資源，計(jì)算機(jī)主機(jī)要等待人工操作，系統(tǒng)資源的利用率低。（2）脫機(jī)輸入輸出方式：是指程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出是在外圍機(jī)的控制下，而不是在主機(jī)的控制下完成的。其特點(diǎn)是：它減少了計(jì)算機(jī)主機(jī)的空閑等待時(shí)間，提高了I/O設(shè)備的處理速度。

第1章操作系統(tǒng)概述1.3操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.3.2操作系統(tǒng)的發(fā)展

5．微機(jī)操作系統(tǒng)：其資源管理和控制由人工負(fù)責(zé)，它采用兩種方式：人工操作方式和脫機(jī)輸入輸出方式。（1）人工操作方式：計(jì)算機(jī)資源的管理是由操作員采用人工方式直接控制的。其特點(diǎn)是：一個(gè)用戶獨(dú)占計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部資源，計(jì)算機(jī)主機(jī)要等待人工操作，系統(tǒng)資源的利用率低。（2）脫機(jī)輸入輸出方式：是指程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出是在外圍機(jī)的控制下，而不是在主機(jī)的控制下完成的。其特點(diǎn)是：它減少了計(jì)算機(jī)主機(jī)的空閑等待時(shí)間，提高了I/O設(shè)備的處理速度。第1章操作系統(tǒng)概述1.3操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.3.2操作系統(tǒng)的發(fā)展

6．多處理器操作系統(tǒng)：其資源管理和控制由人工負(fù)責(zé)，它采用兩種方式：人工操作方式和脫機(jī)輸入輸出方式。（1）人工操作方式：計(jì)算機(jī)資源的管理是由操作員采用人工方式直接控制的。其特點(diǎn)是：一個(gè)用戶獨(dú)占計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部資源，計(jì)算機(jī)主機(jī)要等待人工操作，系統(tǒng)資源的利用率低。（2）脫機(jī)輸入輸出方式：是指程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出是在外圍機(jī)的控制下，而不是在主機(jī)的控制下完成的。其特點(diǎn)是：它減少了計(jì)算機(jī)主機(jī)的空閑等待時(shí)間，提高了I/O設(shè)備的處理速度。第1章操作系統(tǒng)概述1.3操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.3.2操作系統(tǒng)的發(fā)展

7．網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：其資源管理和控制由人工負(fù)責(zé)，它采用兩種方式：人工操作方式和脫機(jī)輸入輸出方式。（1）人工操作方式：計(jì)算機(jī)資源的管理是由操作員采用人工方式直接控制的。其特點(diǎn)是：一個(gè)用戶獨(dú)占計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部資源，計(jì)算機(jī)主機(jī)要等待人工操作，系統(tǒng)資源的利用率低。（2）脫機(jī)輸入輸出方式：是指程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出是在外圍機(jī)的控制下，而不是在主機(jī)的控制下完成的。其特點(diǎn)是：它減少了計(jì)算機(jī)主機(jī)的空閑等待時(shí)間，提高了I/O設(shè)備的處理速度。第1章操作系統(tǒng)概述1.3操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.3.2操作系統(tǒng)的發(fā)展

8．分布式操作系統(tǒng)：其資源管理和控制由人工負(fù)責(zé)，它采用兩種方式：人工操作方式和脫機(jī)輸入輸出方式。（1）人工操作方式：計(jì)算機(jī)資源的管理是由操作員采用人工方式直接控制的。其特點(diǎn)是：一個(gè)用戶獨(dú)占計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部資源，計(jì)算機(jī)主機(jī)要等待人工操作，系統(tǒng)資源的利用率低。（2）脫機(jī)輸入輸出方式：是指程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出是在外圍機(jī)的控制下，而不是在主機(jī)的控制下完成的。其特點(diǎn)是：它減少了計(jì)算機(jī)主機(jī)的空閑等待時(shí)間，提高了I/O設(shè)備的處理速度。第1章操作系統(tǒng)概述1.3操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展1.3.3操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

1.大型系統(tǒng)：大型系統(tǒng)的典型代表是分布式操作系統(tǒng)和機(jī)群操作系統(tǒng)。機(jī)群操作系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)的一種，一個(gè)機(jī)群通常由一群處理器密集構(gòu)成。它可以用低成本的微機(jī)和以太網(wǎng)設(shè)備構(gòu)造出性能相當(dāng)于超級(jí)計(jì)算機(jī)性能的計(jì)算機(jī)機(jī)群。

2.微型系統(tǒng)：微型系統(tǒng)的典型代表是嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中，對(duì)整個(gè)嵌入式系統(tǒng)以及它所操作的各種部件裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和控制的系統(tǒng)軟件。第1章操作系統(tǒng)概述返回1.4操作系統(tǒng)的特征與功能1.4.1操作系統(tǒng)的特征1．并發(fā)性：是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生，即宏觀上有多道程序同時(shí)執(zhí)行，而微觀上，在單處理器系統(tǒng)中每一個(gè)時(shí)刻僅能執(zhí)行一道程序。并發(fā)的目的是改善系統(tǒng)的利用率和提高系統(tǒng)的吞吐量。2．共享性：是指系統(tǒng)中的資源可以供多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程使用。3．虛擬性：是指通過某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變成若干個(gè)邏輯實(shí)體。即物理上雖然只有一個(gè)實(shí)體，但是，用戶使用時(shí)感覺有多個(gè)實(shí)體可以供使用。4．異步性：是指在多道程序環(huán)境下，允許多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行。由于資源的限制，進(jìn)程的執(zhí)行不是“一氣呵成”的，是“走走停?！钡?。但是，只要環(huán)境相同，一個(gè)作業(yè)經(jīng)過多次運(yùn)行，都會(huì)得到相同的結(jié)果。第1章操作系統(tǒng)概述1.4操作系統(tǒng)的特征與功能1.4.2操作系統(tǒng)的功能從資源管理角度而言，操作系統(tǒng)的功能主要：

1．處理器管理：主要任務(wù)是對(duì)處理器進(jìn)行分配，并且對(duì)其運(yùn)行進(jìn)行有效地控制和管理。處理器管理的主要功能：（1）進(jìn)程控制：為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程，撤消已結(jié)束的進(jìn)程，以及控制進(jìn)程在運(yùn)行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。（2）進(jìn)程同步：是對(duì)多個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)。（3）進(jìn)程通信：是為了實(shí)現(xiàn)相互合作進(jìn)程之間的通信。（4）進(jìn)程調(diào)度：是從進(jìn)程就緒隊(duì)列中，按照一定的算法選擇一個(gè)進(jìn)程，把處理器分配給它，并且為它設(shè)置運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，使進(jìn)程投入運(yùn)行。

第1章操作系統(tǒng)概述1.4操作系統(tǒng)的特征與功能1.4.2操作系統(tǒng)的功能從資源管理角度而言，操作系統(tǒng)的功能主要：2．存儲(chǔ)器管理：主要任務(wù)是對(duì)為多道程序的運(yùn)行提供良好的主存環(huán)境，方便用戶使用主存儲(chǔ)器，提高主存儲(chǔ)器的利用率，并且能從邏輯上擴(kuò)充主存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器管理的主要功能有：（1）主存分配：是為每道程序分配主存空間，提高主存空間的利用率。（2）主存保護(hù)：是確保每道用戶程序都在自己的主存空間中運(yùn)行，互不干擾。（3）地址映射：是將程序的邏輯地址轉(zhuǎn)換為主存的物理地址（4）主存擴(kuò)充：是讓小主存運(yùn)行大程序。

第1章操作系統(tǒng)概述1.4操作系統(tǒng)的特征與功能1.4.2操作系統(tǒng)的功能從資源管理角度而言，操作系統(tǒng)的功能主要：3．設(shè)備管理：主要任務(wù)是完成用戶提出的I/O請(qǐng)求，為用戶分配I/O設(shè)備，提高CPU與I/O設(shè)備的利用率，提高I/O設(shè)備的運(yùn)行速度，方便用戶使用I/O設(shè)備。設(shè)備管理的主要功能有：（1）緩沖管理：是管理好各種類型的緩沖區(qū)，提高系統(tǒng)的效率。（2）設(shè)備分配：是根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求，為之分配所需要的設(shè)備。（3）設(shè)備處理：是實(shí)現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信。（4）設(shè)備獨(dú)立性：是指應(yīng)用程序獨(dú)立于物理設(shè)備，以使用戶編制的程序與實(shí)際使用的物理設(shè)備無關(guān)，從而提高分配的效率。（5）虛擬設(shè)備：是指把每次允許一個(gè)進(jìn)程使用的物理設(shè)備，改造為能同時(shí)供多個(gè)進(jìn)程使用的設(shè)備，從而提高設(shè)備的利用率。第1章操作系統(tǒng)概述1.4操作系統(tǒng)的特征與功能1.4.2操作系統(tǒng)的功能從資源管理角度而言，操作系統(tǒng)的功能主要：4．文件管理：主要任務(wù)是對(duì)用戶文件和系統(tǒng)文件進(jìn)行管理，方便用戶使用，并且保證文件的安全性。文件管理的主要