計算機操作系統(tǒng)-引論

系統(tǒng)

★內(nèi)容概要

操作系統(tǒng)是計算機專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)

課。本課程重點講述操作系統(tǒng)對計算機資

源（處理器、主存儲器、輸入輸出設(shè)備、文

件）進行管理的基本原理、基本技術(shù)和實現(xiàn)

方法，引入現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一些新概念、

新技術(shù)和新發(fā)展，并對主流操作系統(tǒng)

Windows,UNIX和Linux等實例作簡"單介紹。

★先修課程

，計算機原理、程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

課程要求

★課前請做好預(yù)習(xí)

★保持課堂安靜，頭腦清醒，思維活躍

★認(rèn)真、獨立、按時完成并提交作業(yè)

★重視上機實踐，有效利用寶貴的上機時間

什么是操作系統(tǒng)

?操作系統(tǒng)的虛擬機觀點

?操作系統(tǒng)的資源管理觀點

?操作系統(tǒng)的用戶服務(wù)觀點

操作系統(tǒng)的虛擬機觀點

OS的虛擬機觀點

這種觀點認(rèn)為，操作系統(tǒng)是添加在硬件上的第

一層軟件，是對硬件功能的首次擴充和直接延伸，

又是其他系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運行的基礎(chǔ)。

裸機的組成

裸機是未配置任何軟件的裸露的硬件機器，它

又可分為物理器件、微程序與機器語言三個層次。

虛擬機

人們不斷在裸機上添加軟件，延伸裸機功能，

構(gòu)造基于裸機，但又比裸機更易于用戶理解和編程

的計算機系統(tǒng)，稱為虛擬機(virtualmachine)o

操作系統(tǒng)的資源管理觀點

?OS的資源管理者觀點

這種觀點認(rèn)為，操作系統(tǒng)是管理計算機系統(tǒng)資源的

軟件，它負(fù)責(zé)控制和管理計算機系統(tǒng)中的全部資源，確保

這些資源能被高效合理的使用，確保系統(tǒng)能婚有條不紊的

運彳亍。

?五大資源管理

從資源管理觀點出發(fā)，把整個操作系統(tǒng)分為處理機管

理、存儲器管理、設(shè)備管理、文件管理和用戶接口五大部

分。處理機管理負(fù)責(zé)CPU的運行和分配；存儲器管理負(fù)責(zé)

主存儲器的分配、回收、保護與擴充；設(shè)備管理負(fù)責(zé)輸入

輸出設(shè)備的分配、回收與控制；文件管理負(fù)責(zé)文件存儲空

間和文件信息的管理；用戶接口是對作業(yè)進行管理。

操作系統(tǒng)的用戶服務(wù)觀點

?OS的用戶服務(wù)觀點

這種觀點認(rèn)為，操作系統(tǒng)是一個為用戶服務(wù)

的大型程序。從用戶角度看，當(dāng)計算機配置了操

作系統(tǒng)之后，用戶就不再直接使用計算機硬件，

而是利用操作系統(tǒng)所提供的命令和服務(wù)去使用計

算機。

?操作系統(tǒng)定義

操作系統(tǒng)是控制和管理計算機硬件和軟件資

源，合理組織計算機工作流程以及方便用戶的程

序-臺*Q

第一章操作系統(tǒng)引論

§1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)、作用和模型

§1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

§1.3操作系統(tǒng)的基本特性

§1.4操作系統(tǒng)的主要功能

§1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用

★操作系統(tǒng)是我們使用計算機的一種手

段或接口，拉近了人與計算機之間的

距離，清除了對“CT、“1”的陌生感；

★通過這個接口，我們可以操縱計算機,

但實際上都是由OS指揮各個軟硬件協(xié)

調(diào)工作，即管理和控制；

★它是一個系統(tǒng)軟件的集合。

1.1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)

★目前存在著多種類型的OS,不同類型

的OS,其目標(biāo)各有所側(cè)重。通常在計

算機硬件上配置的OS,其目標(biāo)有以下

幾點：

?1.方便性

?2.有效性

?3.可擴充性

?4.開放性

1.1.2操作系統(tǒng)的作用

★OS作為用戶與計算機硬件系

統(tǒng)之間的接口

OS處于用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間,

用戶通過OS來使用計算機系統(tǒng)?；蛘?/p>

說，用戶在OS幫助下，能夠方便、快

捷、安全、可靠地操縱計算機硬件和

運行自己的程序。應(yīng)注意，OS是一個

系統(tǒng)軟件，因而這種接口是軟件接口。

1.1.2操作系統(tǒng)的作用

★os作為計算機系統(tǒng)資源的管理者

在一個計算機系統(tǒng)中，通常都含有各種各

樣的硬件和軟件資源。歸納起來可將資源分

為02類：處理器、存儲器、I/O設(shè)備以及信息

（數(shù)據(jù)和程序）。相應(yīng)地，OS的主要功能也正

是針對這類資源進行有效的管理，即：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。

1.1.2操作系統(tǒng)的作用

★os用作擴充機器

對于一臺完全無軟件的計算機系統(tǒng)（即裸機），即使

其功能再強，也必定是難于使用的。如果我們在裸機

上覆蓋上一層I/O設(shè)備管理軟件，用戶便可利用它所提

供的I/O命令，來進行數(shù)據(jù)輸入和打印輸出。此時用戶

所看到的機器，將是一臺比裸機功能更強、使用更方

便的機器。通常把覆蓋了軟件的機器稱為擴充機器或

虛機器。如果我們又在第一層軟件上再覆蓋上一層文

件管理軟件，則用戶可利用該軟件提供的文件存隼命

令，來進行文件的存隼。此時，用戶所看到的是臺功

能更強的虛機器。如果我們又在文件管理軟件上再覆

蓋一層面向用戶的窗口軟件，則用戶便可在窗口環(huán)境

下方便地使用計算機，形成一臺功能更強的虛機器。

1.1.3操作系統(tǒng)的層次模型

★對象

。處理機、存儲器、設(shè)備、文件等

★對對象操縱和管理的軟件集合

類對象管理軟件

★用戶接口

。命令接口、程序接口、圖形用戶接口

1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

1、人工操作階段

*含義

在50年代以前的第一代計算機中是沒有配置操作系統(tǒng)的，

計算機只是由控制臺控制的一個龐大的物理機器。

?人們使用計算機的過程

人們使用計算機的過程可大致描述為：

1）由程序員將其編好的程序從紙帶或卡片機上裝入內(nèi)存。

2）再通過控制臺上的按鈕或開關(guān)啟動程序執(zhí)行。

3）當(dāng)程序運行完畢時，隼下紙帶和運算結(jié)果，開始下一個

用戶程序。

依次重復(fù)上述過程。

?存在的主要問題

(1)資源獨占當(dāng)一個用戶開始操作后，計算機

中的全部資源都?xì)w該用戶所有，直到程序運行結(jié)

束或出現(xiàn)錯誤時才會把資源轉(zhuǎn)讓給下一個用戶。

(2)串行工作人的手工操作與計算機的運行以

及CPU與I/O設(shè)備之間都是按串行方式工作的。

(3)人工干預(yù)計算機是在人的直接聯(lián)機干預(yù)下

進行工作的。

人工操作方式嚴(yán)重降低了計算機資源的利用率。

2、單道批處理階段

一批程序逐個自動被裝入主存運行，并且在運

行時程序員不能手工干預(yù)，它又可分為早期批量

處理和脫機批量處理兩個階段。

?早期批量處理方式

1)把若干個用戶作業(yè)集中起來組成一批作業(yè)。

2)在內(nèi)存中放置一個監(jiān)督程序，由監(jiān)督程序來

負(fù)責(zé)實現(xiàn)對這批作業(yè)的處理和從一個作業(yè)過渡到

另外一個作業(yè)的自動轉(zhuǎn)換。

?缺點

雖然這種處理方式提高了系統(tǒng)的處理能力，但

作業(yè)的輸入輸出和CPU的計算仍然是串行的，大大

降低了程序的執(zhí)行速度。

?脫機批量處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

它在早期批量處理的基礎(chǔ)上增加了一臺功能較

差的處理機。原來的那臺處理機稱為主處理機(jwr

稱主機)，它專門負(fù)責(zé)計算工作，不直接與輸入輸

出設(shè)備打交道。新增加的這臺處理機稱為衛(wèi)星機，

專門負(fù)責(zé)用戶意見，作業(yè)信息和結(jié)果信息的輸入輸

出工作。

?缺點

(1)雖然批處理方式提高了系統(tǒng)的處理能力，

但卻帶來了必須解決的保護問題。

(2)更為嚴(yán)重的是它無法防止用戶程序破壞監(jiān)督

程序的問題，潛伏著搞亂系統(tǒng)的危險。

3、多道程序系統(tǒng)階段

?多道程序的目的和思想

為解決執(zhí)行系統(tǒng)所存在的問題，提高

CPU的利用率，又引入了多道程序技術(shù)。多

道程序技術(shù)的主要思想是在內(nèi)存中同時放

入若干道用戶作業(yè)或者說若干道用戶程序

,并允許他們交替執(zhí)行，共享系統(tǒng)中的各

種硬、軟件資源。

?多道程序的優(yōu)點

多道程序系統(tǒng)不僅使CPU得到了充分利用，

同時還改善了I/O設(shè)備和內(nèi)存的利用率。

?要解決的問題

雖然多道程序系統(tǒng)有效地提高了系統(tǒng)資源利用率，但實

現(xiàn)多道程序則需要妥善解決下述一系列問題:

(1)內(nèi)存的分配和保護。應(yīng)為每道程序分配自己的內(nèi)存

空間，使它們既不因相互重疊而丟失信息，又不因某道程序

出現(xiàn)異常而破壞其它程序。

(2)處理機的管理和分配。多道程序引起各道程序?qū)χ?/p>

央處理機的爭奪，系統(tǒng)要協(xié)調(diào)它們之間的關(guān)系，既能使那些

緊急的程序優(yōu)先獲得處理機，又能使各道程序都有得到處理

機的機會。

(3)I/O設(shè)備的管理和分配。多道程序必將引起各道程

序?qū)/O設(shè)備的爭奪。系統(tǒng)應(yīng)該能婚進行協(xié)調(diào)，并能為各道程

序分配相應(yīng)的I/O設(shè)備。

(4)文件存儲空間的組織和管理。為提高文件存儲空間

的利用率，加速對信息的檢索速度，系統(tǒng)應(yīng)對它們進行組織

和管理。同時，為方便用戶使用文件，系統(tǒng)還應(yīng)該提供存儲

和檢索文件信息的手段。

操作系統(tǒng)的類型

操作系統(tǒng)的主要類型有：批處理

操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、實時操

作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操

作系統(tǒng)。其中批處理操作系統(tǒng)、分

時操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)是基本

的操作系統(tǒng)。

一、多道批處理OS

把用戶要求計算機系統(tǒng)進行處理的一個計

算問題稱為一個“作業(yè)”。用戶為作業(yè)準(zhǔn)備

好程序和數(shù)據(jù)后，再寫一份控制作業(yè)執(zhí)行的

說明書。然后將之一起交給操作員。操作員

將收到的一批作業(yè)的有關(guān)信息輸入到計算機

系統(tǒng)中等待處理,由操作系統(tǒng)選擇作業(yè)并按

其作業(yè)說明書的要求自動控制作業(yè)的執(zhí)行。

采用這種批量化處理作業(yè)的操作系統(tǒng)稱為

“批處理操作系統(tǒng)”o

一、多道批處理OS

★類型：單道批處理系統(tǒng)和多道批處理系統(tǒng)。

★特征：多道性，無序性，調(diào)度性

★優(yōu)點：系統(tǒng)吞吐量大，資源利用率高，自

動調(diào)度，提高CPU利用率

★缺點：無交互性，作業(yè)調(diào)度周轉(zhuǎn)時間長

二、分時OS

★允許多個終端用戶同時與計算機系統(tǒng)進行一

系列交互，并使得每個用戶感到好象自己有

一臺獨立的支持自己請求服務(wù)的計算機系統(tǒng)，

具有這種功能的操作系統(tǒng)稱“分時操作系

統(tǒng)”，茴稱“分時系統(tǒng)”o

★在分時系統(tǒng)中，為了使一個計算機系統(tǒng)能同

時為多個終端用戶服務(wù)，系統(tǒng)采用了分時技

術(shù)。該技術(shù)把CPU時間劃分成許多時間片，每

個終端用戶依次輪流使用時間片。

二、分時OS

★特征：

多路性，交互性，獨占性，及時性

★優(yōu)點:

共享資源，響應(yīng)及時，CPU利用率

在批處理系統(tǒng)中，主要考慮如何提高

機器的利用率；而在分時系統(tǒng)中，必須

注意響應(yīng)時間。

三、實時OS

★能使計算機系統(tǒng)接到外部信號后及時進行處

理，并在嚴(yán)格的規(guī)定時間內(nèi)處理結(jié)束，再給

出反饋信號的操作系統(tǒng)稱為實時操作系統(tǒng)，

茴稱實時系統(tǒng)。

★類型：實時控制系統(tǒng)

實時信息處理系統(tǒng)

★特征：專用系統(tǒng),任務(wù)目定高可靠性,

實時系統(tǒng)、批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)的區(qū)別

(1)專用系統(tǒng)：許多實時系統(tǒng)是專用系統(tǒng)，而批處理與分時

系統(tǒng)通常是通用系統(tǒng)。

(2)交互能力：實時系統(tǒng)是較少有人為干預(yù)的監(jiān)督和控制系

統(tǒng)，因此交互能力較弱；而分時系統(tǒng)交互能力強。

(3)及時響應(yīng)：實時系統(tǒng)的及時響應(yīng)要求響應(yīng)時間是強制性

的嚴(yán)格規(guī)定的，僅當(dāng)在限定時間內(nèi)響應(yīng)、處理笄返回一個

正確結(jié)果時，才能認(rèn)為系統(tǒng)的功能是正確的。而分時操作

系統(tǒng)的及時響應(yīng)只要保證用戶滿意就行，即使超過一些時

間也只影響到用戶的滿意程度，并不影響用戶程序的計算

結(jié)果的正確性。

(4)可靠性和資源利用率：實時系統(tǒng)對可靠性和安全性要求

極高，不強求系統(tǒng)資源的利用率；批處理系統(tǒng)側(cè)重于資源

的使用效率。

絡(luò)操作系統(tǒng)

為計算機網(wǎng)絡(luò)配置的操作系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)操

作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)把計算機網(wǎng)絡(luò)中的

各臺計算機有機地聯(lián)合起來，實現(xiàn)各臺計

算機之間的通信及網(wǎng)絡(luò)中各種資源的共享o

用戶可以借助通信系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)中其它計

算機的資源、實現(xiàn)相互間的信息交換，從

而大大擴展了計算機的應(yīng)用范圍。

功能：網(wǎng)絡(luò)通信資源管理提供多

種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)接口

五、分布式OS

★為分布式計算機系統(tǒng)配置的操作系統(tǒng)稱為

分布式操作系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)是以計算機網(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)的分布。分布式操作系統(tǒng)的所

有系統(tǒng)任務(wù)可在系統(tǒng)中任何處理機上運行，

自動實現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的任務(wù)分配并自動調(diào)

度各處理機的工作負(fù)載。

★功能：資源管理任務(wù)分配分布式進程同

步和通信管理程序浮動

1.3操作系統(tǒng)的基本特性

一、并發(fā)性

并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的

兩個概念，并行性是指兩個或多個事件

在同一時刻發(fā)生；而并發(fā)性是指兩個或

多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。在多

道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間

內(nèi)，宏觀上有多個程序在同時運行，但

在單處理機系統(tǒng)中，每一時刻卻僅能有

一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能

是分時地交替執(zhí)行。

操作系統(tǒng)的基本特性

倘若在計算機系統(tǒng)中有多個處理

機，則這些可以并發(fā)執(zhí)行的程序便

可被分配到多個處理機上，實現(xiàn)并

行執(zhí)行，即利用每個處理機來處理

一個可并發(fā)執(zhí)行的程序，這樣，多

個程序便可同時執(zhí)行。

操作系統(tǒng)的基本特性

二、共享性

在操作系統(tǒng)環(huán)境下，所謂共享是指

系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)

行的進程（線程）共同使用。由于資源屬

性的不同，進程對資源共享的方式也

不同，目前主要有以下兩種資源共享

方式。

分為：互斥共享同時訪問

操作系統(tǒng)的基本特性

三、虛擬

操作系統(tǒng)中的所謂“虛擬”，是指通過某種技術(shù)把一

個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。物理實體

（前者）是實的，即實際存在的；而后者是虛的，是

用戶感覺上的東西。相應(yīng)地，用于實現(xiàn)虛擬的技術(shù),

稱為虛擬技術(shù)。在OS中利用了多種虛擬技術(shù)，分

別用來實現(xiàn)虛擬處理機、虛擬內(nèi)存、虛擬外部設(shè)備

和虛擬信道等。

操作系統(tǒng)的基本特性

四、異步性

在多道程序環(huán)境下，允許多個進程并發(fā)執(zhí)行，但只

有進程在獲得所需的資源后方能執(zhí)行。在單處理機環(huán)境下,

由于系統(tǒng)中只有一個處理機，因而每次只允許一個進程執(zhí)

行，其余進程只能等待。當(dāng)正在執(zhí)行的進程提出某種資源

要求時，如打印請求，而此時打印機正在為其它某進程打

印，由于打印機屬于臨界資源，因此正在執(zhí)行的進程必須

等待，且放棄處理機，直到打印機空閑，并再次把處理機

分配給該進程時，該進程方能繼續(xù)執(zhí)行?？梢姡捎谫Y源

等因素的限制，使進程的執(zhí)行通常都不是“一氣呵成”，

而是以“停停走走”的方式運行。

1.4操作系統(tǒng)的主要功能

一、處理器管理

★主要任務(wù)是對處理機的分配和運行實施有效

管理。在多道程序環(huán)境下，處理機的分配和運

行又都是以進程為單位的，如某進程因某事件

而無法繼續(xù)執(zhí)行時，應(yīng)引起對處理機的重新分

酉己，因此，對處理機的管理可歸結(jié)為對進程的

管理。

★主要功能：進程控制進程同步

進程通信進程調(diào)度

操作系統(tǒng)的功能

二、存儲器管理

★主要任務(wù)是為多道程序的并發(fā)運行提供良

好的環(huán)境；便于用戶使用存儲器；提高存儲

器的利用率；為盡量多的用戶提供足夠大的

存儲空間。

★主要功能：內(nèi)存分配內(nèi)存保護

地址映射內(nèi)存擴充

操作系統(tǒng)的功能

三、設(shè)備管理

★主要任務(wù)是：為用戶程序分配I/O設(shè)備；完

成用戶程序請求的I/O操作；提高CPU和I/O

設(shè)備的利用率；改善人機界面。

★主要功能：緩沖管理設(shè)備分配

設(shè)備處理虛擬設(shè)備

操作系統(tǒng)的功能

四、文件系統(tǒng)管理

★在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，總是把大量信息以文件

形式存放在外存中，以供所有的或指定的用戶

使用。系統(tǒng)也允許用戶把處理結(jié)果保存在系統(tǒng)

中，供以后使用。這樣，操作系統(tǒng)中又必須配

置文件系統(tǒng)，作為信息管理機構(gòu)。

★主要功能：文件存儲空間管理目錄管理

文件的存月又文件共享

文件保護

操作系統(tǒng)的功能

五、用戶接口

。命令接口

。不呈后^接口

。圖形接口

1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1整體式系統(tǒng)（無結(jié)構(gòu)os）

西碗蕩等凝戔義

結(jié)束后，由核心態(tài)切換為用戶態(tài)，控制返回到

用戶程序。

2.模塊化結(jié)構(gòu)

§基于“分解”和“模塊化”原則來

控制大型軟件，將os按其功能劃分

為若干個具有一定獨立性和大小的

模塊。每個模塊具有某方面的管理

功能,

3.分層式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

層次式系統(tǒng)是按照操作系統(tǒng)中模塊

的功能和相互依存關(guān)系把它們劃分

為若干個層次，除最底層模塊外，

任一層模塊都只能調(diào)用它的下層模

塊來得到服務(wù)，而不能調(diào)用其上層

模塊。

應(yīng)用程序應(yīng)用程序用戶態(tài)

系統(tǒng)服務(wù)核心態(tài)

I

文件系統(tǒng)

I

內(nèi)存和I/O設(shè)備管理

I/

處理器管文

硬件

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

c/s工作方式

(1)當(dāng)客戶進程需要請求某個服務(wù)時，有

客戶進程向所需的服務(wù)器進程發(fā)送一個請求。

(2)運行在核心態(tài)的操作系統(tǒng)內(nèi)核會把客

戶進程的這一請求傳遞給相應(yīng)的服務(wù)器進程。

(3)服務(wù)器進程接到請求后進行工作，工

作完成后再把結(jié)果經(jīng)內(nèi)核返回給客戶進程。

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

主要優(yōu)點

客戶/服務(wù)器系統(tǒng)的主要優(yōu)點有以下兩

個方面:

(1)提高了系統(tǒng)的可靠性。由于每個服

務(wù)器都以獨立的用戶態(tài)進程方式運行，

因此，當(dāng)單個服務(wù)器出現(xiàn)故障(或重新

啟動)時，不會引起操作系統(tǒng)其它部分

的崩潰O

(2)適合于分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用。

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

§微內(nèi)核結(jié)構(gòu)：

★微內(nèi)核技術(shù)是指精心設(shè)計的、能實現(xiàn)現(xiàn)代OS核

心功能的小型內(nèi)核、它與一般的OS不同，它更

小更精煉，不僅運行在核心態(tài)，而且開機后常

駐內(nèi)存，它不會因內(nèi)存緊張而被換出內(nèi)存。

★把進程管理、存儲器管理、進程通信和基本調(diào)

度等本質(zhì)功能放入微內(nèi)核，其它的OS功能由運

行在用戶態(tài)的進程提供。

★分別開發(fā)，獨立性增強，靈活性提高，簡化了

OS的實現(xiàn)，適合于分布式應(yīng)用環(huán)境。

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

★線程機制：

O一個進程細(xì)分為幾個線程，將線程作為基本的

調(diào)度單位。

。便于開發(fā)，線程間地址空間相同，減小開銷。

★對稱多處理器(SMP)機制：

。兩個以上的處理器執(zhí)行同樣的功能，共享資源。

。提高性能，提高