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1、机械工业出版社 第七章 操作系统引论 机械工业出版社 本章基本内容与要求 p基本内容 q操作系统做什么 q操作系统功能 q操作系统的分类 q操作系统的特征 q操作系统的性能评价 q操作系统的结构分析 2 机械工业出版社 p要求 q掌握操作系统的基本概念 q掌握操作系统的功能、分类、特征 q了解操作系统的性能、结构 本章基本内容与要求 3 机械工业出版社 计算机发展简史 冯.诺依曼 ENIAC 4 世界上第一台世界上第一台计计算机算机“ “ENIACENIAC” ” 机械工业出版社 基本结构：运算器、控制器、存储器、输入器和输出器。 运算器和控制器采用电子管，主存储器采用汞延迟线或磁 鼓，外存储
2、器采用磁鼓和磁带。 5 一、电子管计算机 1、主要特点：以电子管为主要逻辑元件 2、主要用途：进行复杂的科学运算 工作原理9+93=？ 大脑 脑神经元的思考 （用四则运算规则 和九九乘法口诀） 93=3 机械工业出版社 6 9+3=12 9+3=12 大脑大脑 9+3=12 收集信息 运算 控制输出 输出 93=3 9+3=12 输入器 输出器 存储器 运算器 控制器 中央处理器 机械工业出版社 7 二、晶体管计算机 第二代晶体管计算机进程中出现的知名人物：如布拉顿（ W. Brattain）、巴丁（J.Bardeen）、IBM公司小沃森、 麻省理工学院的博士肖克利（W.Shockley）、杰
3、弗雷斯 特、 DEC公司被誉为“小型机之父”肯.奥尔森 肖克利布拉顿巴丁奥尔森 机械工业出版社 8 第二代晶体管计算机(1956-1963） 1954年，美国贝尔实验室研制成 功第一台使用晶体管线路的计算 机，取名“催迪克”（TRADIC） 装有800个晶体管 机械工业出版社 9 晶体管计算机的优势 尺寸小、重量轻、寿命长、效率高、发热少、功耗低等 提高了计算机的计算能力，使数据的绝对值可达2的几 十次方或几百次方 伴随出现了打印机，磁带，磁盘，内存以及操作系统等。 而且开发了一些高级语言，软件产业也由此产生。 机械工业出版社 10 10 三、集成电路数字计算机 第三代集成电路数字计算机(19
4、641971) 价格较低 体积变小， 功耗更低 运算速度提 高 应用领域进 一步扩大 优点： 机械工业出版社 11 1964年，美国IBM公司研制成功第一个采用集 成电路的通用电子计算机系列IBM360系统 集成电路板 机械工业出版社 12 四、大规模集成电路计算机 60年代初期，美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路，引 发了电路设计革命。 大规模集成电路 (LSI) 可以在一个芯片上容纳几百个元件 。到了 80 年代，超大规模集成电路 (VLSI) 在芯片上容 纳了几十万个元件，后来的甚大规模集成电路(ULSI) 上将 数量扩充到百万个。 机械工业出版社 13 第四代大规模集成电路计算机（19
5、71-现在) 体积越来越小 功能越来越强大 开始运用鼠标进行可视化操作 价格越来越低 计算能力越来越强大 机械工业出版社 14 操作系统发展过程 手工操作阶段 o资源独占 o串行工作 o人工干预 机械工业出版社 15 联机批处理阶段 o在作业输入和结果输出时，主机的高速CPU仍处于空闲状 态，等待慢速的输入/输出设备完成工作： 主机处于“忙等 ”状态 机械工业出版社 16 脱机批处理阶段 o脱机批处理系统：克服与缓解高速主机与慢速外设的矛 盾，提高CPU的利用率。即输入/输出脱离主机控制。 机械工业出版社 17 多道程序系统阶段 宏观上并行，微观上串行 机械工业出版社 第一节 操作系统做什么？
6、 o 我们可以从两个角度来说明。 o 从一般用户角度来看，所谓计算机操作系统，是指控 制和管理计算机的软、硬件资源，合理组织计算机的 工作流程，方便用户使用计算机系统的程序集合。 o 另一方面，从程序员的角度看，操作系统就是一台能 够为用户提供高级编程接口、便于使用的虚拟机。 18 机械工业出版社 19 o操作系统是用户和计算机硬件之间的接口程序模块，是 计算机系统的核心控制软件，其职能是控制和管理系统内 的各种资源，有效的组织多道程序的运行，从而为用户提 供良好的工作环境，达到使用方便、资源分配合理、安全 可靠等目的。 o为什么需要操作系统？ 扩充机器功能 提供计算机系统的工作效率 机械工业
7、出版社 第二节 操作系统功能 p进程管理 p存储管理 p设备管理 p文件管理 p作业管理 20 机械工业出版社 21 o操作系统为程序运行提供一种环境，为程序和用户提供服务 ： 程序执行 I/O操作 文件系统管理 出错检测 资源分配 统计 保护 机械工业出版社 22 o系统调用是运行的程序和操作系统之间的接口，通过它 来处理更基层的服务 进程或作业控制 设备和文件管理 信息维护 机械工业出版社 23 进程或作业控制 进程程序的一次执行过程。 为进程终止（正常或非正常）分配错误级别，正常结束时 为0。 执行过程中需装入和执行另一个进程。 创建新的进程 文件管理和设备管理 文件的创建和删除，打开、
8、读、写、关闭等 设置文件属性 设备的申请和释放 信息维护 在用户程序和操作系统之间传送信息 机械工业出版社 24 o系统程序包：含有系统提供的大量程序，解决共性问题， 本身并不属于核心程序 文件管理 状态信息 文件修改 程序设计语言的支持 程序装入和执行 工具性软件 机械工业出版社 25 文件管理 对文件和目录进行创建、删除、复制、重命名、打印、 列表及一般性管理 状态信息 某些程序向操作系统提问，要求得到日期、时间、可用 内存和盘空间数量等状态信息 文件修改 正文编辑程序可对盘上的文件内容进行创建和修改 程序设计语言的支持 用于通用程序设计语言的编译程序、汇编程序和解释程 序(FORTRAN
9、CPASCALBASIC)通常随操作系统提供，反映操 作系统对程序设计环境的支持能力 机械工业出版社 26 程序装入和执行 操作系统提供绝对装入程序、相对装入程序、连接编辑 程序和覆盖装入程序 工具性软件 编译程序、正文格式化程序、绘图软件包、数据库系统 、统计分析软件包等 机械工业出版社 1. 进程管理 o进程管理又称“处理机管理”，其主要功能是对中央处理器（CPU） 进行管理。操作系统采用多道程序技术。多道程序设计的特点是多 个程序共享CPU资源，CPU的利用率较高。在多道环境下，程序之间 不再是孤立的，需要通过同步、互斥等通信手段协调它们之间的关 系。如果关系失调，则可能产生死锁，必须采
10、取各种手段预防、避 免、检测和解决死锁问题。 o在多道程序设计环境中，为了保证系统的安全，将指令分成特权指 令和非特权指令。只允许操作系统程序执行的指令称为特权指令， 一般用户不允许使用特权指令。指令集合中除特权指令之外的指令 称为非特权揩令。 o在多道程序设计环境中，中央处理器交替地执行操作系统程序和用 户程序。当CPU正在执行操作系统程序时，称 CPU处于系统态（又称 管态、核心态）；当 CPU正在执行用户程序时，称CPU处于用户态（ 又称目态）。 27 机械工业出版社 2.存储管理 o存储管理的主要功能是管理内存资源。当多道程序共享内存资源时 ，需要合理地为它们分配内存空间，将程序地址空
11、间快速正确地映 射到物理地址空间，并保证用户的程序和数据能够相互隔离、互不 干扰。随着用户程序的不断增大，内存资源常常捉襟见肘，所以需 要解决内存扩充的问题，即把内存和外存统一起来管理，只需将程 序的一部分调入内存，另一部分仍留在外存中，程序可以在内、外 存之间互换，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储器 ，以保证大程序的运行。 28 机械工业出版社 3.设备管理 o计算机外部设备的种类繁多、功能差异很大，管理困难。操作系统 设备管理的主要功能是按一定的策略为进程分配外部设备、启动外 部设备进行数据传送，使用户不必了解设备以及接口的技术细节就 可以方便地对设备进行操作。为了弥补CPU和
12、外部设备速度的差异 ，提高CPU和外设之间的并行能力，系统采用了中断技术、通道技 术、缓冲技术和虚拟设备技术等，为用户提供了功能强大、界面友 好的设备使用手段。 29 机械工业出版社 4. 文件管理 o计算机系统中大量信息总是以文件形式保存在外存储器上。操作系 统必须向用户提供能快速、有效、合理地存取这些数据的手段。文 件管理的主要任务是有效地管理文件的存储空间，合理组织和管理 文件系统的目录，支持对文件的存储、读写操作，解决文件信息的 共享、保护及访问控制等。 30 机械工业出版社 5. 作业管理 o作业是用户需要计算机完成任务的总和，它是完成用户任务所需要 的程序、数据以及如何对这些程序、
13、数据进行处理的命令的集合。 作业管理的主要任务是根据用户的要求对作业的实际运行进行合理 的组织和相应的控制，即作业的调度和控制。 31 机械工业出版社 第三节 操作系统的分类 p批处理系统 p分时系统 p实时系统 p网络操作系统 p分布式操作系统 32 机械工业出版社 33 分时系统阶段 分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时 间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。 多路性 交互性 独立性 及时性 机械工业出版社 34 实时系统阶段 实时系统可分成两类： （1）实时控制系统。飞机飞行、导弹发射、轧钢、石化等 （2）实时信息处理系统。预定飞机票、查询有关航班、航 线、票价等事宜、银行
14、系统、情报检索系统 实时操作系统的主要特点： （1）及时响应。 （2）高可靠性。 机械工业出版社 35 网络操作系统：在原来各自计算机操作系统上，按照网络 体系结构的各个协议标准增加网络管理模块，其中包括： 通信、资源共享、系统安全和各种网络应用服务。 分布式操作系统也是通过通信网络，将地理上分散的具有 自治功能的数据处理系统或计算机系统互连起来，实现信 息交换和资源共享，协作完成任务。 机械工业出版社 36 网络操作系统与分布式操作系统的区别： （1）分布式系统要求一个统一的操作系统。 （2）分布式操作系统管理分布式系统中的所有资源，它负 责全系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输和控制协
15、 调工作，并为用户提供一个统一的界面。 （3）用户通过这一界面，实现所需要的操作和使用系统资 源，至于操作定在哪一台计算机上执行，或使用哪台计算机 的资源，则是操作系统完成的，用户不必知道，此谓：系统 的透明性。 （4）分布式系统更强调分布式计算和处理，因此对于多机 合作和系统重构、坚强性和容错能力有更高的要求，希望系 统有：更短的响应时间、高吞吐量和高可靠性。 机械工业出版社 第四节 操作系统的特征 p并发性 p共享性 p不确定性 p虚拟性 37 机械工业出版社 一、并发性 o并发性又称为同时性，是指在操作系统中同时存在许多活动，这 些活动都已经开始但又没有结束。在操作系统中，并发性和并行
16、性是既相似又有区别的两个概念。其中并发性是指两个或多个事 件在同一时间段内发生；而并行性是指两个或多个事件在同一时 刻发生。在单处理机系统中，每一时刻仅能执行一道程序。故微 观上程序是交替运行的，而宏观上程序是并发运行的。 38 机械工业出版社 二、共享性 o由于操作系统的并发性，使整个系统的软、硬件资源不再为某个 程序所独占，而是由许多程序共同使用，即许多程序共享系统中 的各种资源。资源共享是由于并发而引起的，如果没有并发性， 系统中只允许一个程序运行，所有资源都由该程序独享，自然不 存在共享性的问题。但是，如果操作系统不对被共享的资源实施 有效的管理，并发程序也无法正常运行。可以说，并发性和共享 性是操作系统的两个最基本的特征。 39 机械工业出版社 三、不确定性 o在多道程序设计中，各个程序之间存在着直接或间接的联系，程 序的推进速度受它的运行环境的影响。同一程序和数据的多次运 行可能得到不同的结果，程序的运行时间、运行顺序也具有不确 定性；外部输入的请求、运行故障发生的时间不可预测，这些都 是不确定性的表现。 40 机械工业出版社 四、虚拟性 o操作
