操作系统2016.

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1、1 计算机操作系统 第1章 操作系统概述 2 目 录 l1.1 什么是操作系统 l1.2 操作系统发展历史 l1.3 操作系统主要功能 l1.4 操作系统结构 l1.5 操作系统的特征 l1.6 两大操作系统介绍 3 1.1 什么是操作系统 l操作系统，是计算机系统中最基本、最重要的系统软 件，是其它软件的支撑软件。它控制和管理计算机系 统的硬件和软件资源，合理的组织计算机工作流程， 并为用户使用计算机提供公共的和基本的服务。 l两个主要目标： l1.高效性：操作系统允许以更加高效的方式使用计算机系统 资源。 l2.方便性：操作系统使得用户使用计算机更加方便。 4 1.1.1 计算机系统组成

2、l目前，计算机采用的都是冯诺依曼体系结构，一台 计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出五大 部件组成。 l运算器（ALU，Arithmetic Logic Unit）：进行算术、逻辑运 算，并能暂存运算结果的部件。 l控制器（CU，Control Unit）：控制、指挥程序和数据的输 入、运行及处理运算结果的部件。 l存储器（Memory）：用于存放数据和程序。 l输入/输出设备（I/O）：用于实现将人们熟悉的信息形式与 机器能识别的信息形式之间的相互转换。 l系统总线（Bus）：连接计算机各模块并为其通信提供服务 。 5 1.1.1 计算机系统组成 6 1.1.1 计算机系统组成 l运算

3、器和控制器被合在一起统称为中央处理单 元（CPU，Central Process Unit）。 l存储器则由一系列存储单元组成，这些单元由 顺序编号的地址定义。 lCPU执行的程序是由一组保存在存储器中的指 令组成。 l指令的处理，简单来说包括两个步骤：取指令 和执行指令。 7 1.1.2 操作系统与计算机系统 l早期的计算机上配置的操作系统是单用户操作 系统，这样的操作系统只允许一个用户使用计 算机，用户独占计算机系统的各种资源，整个 系统为用户的程序运行提供服务。 l为了解决这一问题，提高系统资源利用率，人 们研究并实现了一系列新的软件技术，如多道 程序设计技术、分时技术、多任务控制和协调

4、 、资源分配策略和处理机调度策略等。 8 1.1.2 操作系统与计算机系统 l但由于计算机系统的计算模型仍然是顺序计算模型， 其特点是集中顺序过程控制，而操作系统的并行计算 模型需要支持多用户、多任务同时执行，这就产生了 一对矛盾，即硬件结构的顺序计算模型和操作系统的 并行计算模型之间的矛盾。 l为了解决这一矛盾，单处理机的操作系统被设计得越 来越复杂，且效果不一定很理想。在这种情况下，人 们开始研究与并行计算模型相一致的计算机系统结构 ，出现了多处理机系统、消息传递型多计算机、计算 机网络等具有并行能力的计算机系统结构，其中最为 常见的是多处理机系统中的多核计算模型。 9 1.1.2 操作系

5、统与计算机系统 l多核（multicore）是指将两个或多个处理器组 装在同一块芯片上，故又名单芯片多处理器（ chip multiprocessor）。 l一个典型的多核系统的例子是Intel的酷睿i7处 理器。 l四个x86处理器 l每个处理器都有其专用的L2高速缓存 l所有处理器共享一个L3高速缓存 10 1.2 操作系统发展历史 l操作系统是由客观的需要而产生的，随着计算 机技术的发展、计算机体系结构的变化和计算 机应用的日益广泛而不断的发展和完善。了解 这些年来操作系统的发展历史，有助于理解操 作系统的关键性设计需求，也有助于理解现代 操作系统的基本特征。 11 1.2.1 无操作系

6、统 l早期的计算机，20世纪40年代后期到50年代中期， 处于电子管时代，没有配备任何操作系统，程序员 是直接与计算机硬件打交道。 l程序员将事先已穿孔的纸带（卡片）装入纸带输入 机（卡片输入机），再启动输入机将程序和数据输 入计算机，然后启动计算机进行运算。 l容易出现CPU、内存等资源等待人工操作的现象， 造成资源的浪费，严重降低了计算机资源的利用率 ，这就是所谓的“人机矛盾”。 l为了缓和这些矛盾，提高系统资源的利用率，20世 纪50年代末期出现了脱机输入/输出（Off-Line I/O） 技术。 12 1.2.2 单道批处理系统 l20世纪50年代中期，人们开始用晶体管代替真 空管来制

7、造计算机。这使得计算机的体积大大 减小，功耗显著降低，同时可靠性和运算速度 也得到了提升，但造价仍十分昂贵。为了能够 充分发挥计算机的性能，通常是把一批作业以 脱机的方式输入到磁盘（磁带）上，并为其配 上监控程序（Monitor），在它的控制下使得 这批作业能够一个接一个的连续处理。 13 1.2.2 单道批处理系统 l第一个批处理操作系统，同时也是第一个操作系统， 是由GM（General Motors，通用）为IBM 701开发的 。 l用户不再直接和机器硬件打交道，而是把作业提交给 计算机操作员，由操作员按顺序把作业组织成一批， 并将整批作业放在输入设备上，供监控程序使用。 l单道批处理

8、系统具有自动性、顺序性和单道性的特点 ，对磁盘（磁带）上的作业能自动地逐个地依次执行 ，提高的系统资源的利用率和系统吞吐量 。 14 1.2.3 多道批处理系统 l20世纪60年代中期，人们开始利用小规模集成 电路来制造第三代计算机。 l多道程序设计技术的主要思想是在内存中同时 存放若干道用户作业，并允许它们交替执行， 共享系统中的各种软、硬件资源，当一道程序 因I/O请求而暂停执行时，CPU便转而执行另 外一道程序，由此形成了多道批处理系统 (Multiprogrammed Batch Processing System) 。 15 16 1.2.3 多道批处理系统 l多道批处理系统的特点如

9、下： l多道性：计算机的主存中同时存放有多道相互独立 的程序。 l宏观上的并行性：在同一时间段内，同时进入系统 的多道程序都处于运行状态。 l微观上的串行性：在某一时刻，CPU上只有一道程 序在执行，多道程序轮流或分时的占有CPU。 17 1.2.4 分时系统 l在分时系统中，多个用户可以通过终端同时访 问系统，由操作系统控制每个用户程序以很短 的时间（称之为“时间片”）为单位交替运行。 l最早的分时操作系统是由麻省理工学院（MIT ）在1961年为IBM 709开发的兼容分时系统（ Compatible Time-Sharing System， CTSS） ，后被移植到IBM 7094中。

10、18 1.2.4 分时系统 l分时系统与多道批处理系统相比，具有明显不同的特 点： l交互性：用户可以通过终端与系统直接进行对话。 l及时性：用户的请求能在人们所能接受的等待时间内得到响 应。 l独立性：每个用户独占一个终端，彼此独立，互不干扰，因 此用户感觉像是他一个人独占主机。 l多路性：允许在一台主机上同时联接多台终端。宏观上，多 个用户同时工作，共享系统资源；微观上，每个用户程序轮 流运行一个时间片。 l批处理操作系统、分时操作系统的出现标志着操作系 统的形成。 19 1.2.5 实时系统 l所谓实时，是指“立刻”、“马上”的意思。 l实时系统则要求系统对特定输入做出反应的速度足以 控

11、制发出实时信号的对象，或者说系统能及时响应外 部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理 ，并控制所有实时任务和设备协调一致的工作。 l按照实时系统应用领域的不同，可以将其分为两大类 ： l实时控制系统 l实时信息处理系统 20 1.2.5 实时系统 l实时系统具有以下特点： l及时性 l交互性 l独立性 l多路性 l高可靠性 21 1.2.6 操作系统的进一步发展 l 20世纪80年代以来，操作系统也得到了进一步的发 展，出现了具有图形用户界面、功能强大的个人计 算机操作系统；具有网络资源共享、远程通讯能力 的网络操作系统；能使用多台计算机来共同完成某 一工作的多处理机操作系统；具有单一

12、系统镜像、 分布处理能力的分布式操作系统以及分布式实时操 作系统等。 l随着计算机虚拟化技术的迅速发展和大数据时代的 到来，出现了一种构架于服务器、存储、网络等基 础硬件资源和单机操作系统、中间件、数据库等基 础软件之上，用以管理海量的基础硬件、软件资源 的云平台综合管理系统，称之为云操作系统。 22 1.3 操作系统主要功能 l 操作系统的主要任务是为多道程序提供良好 的运行环境，并能最大程度的提高系统中各种 资源的利用率和方便用户使用。为实现上述任 务，操作系统应具备：处理器管理、存储管理 、设备管理和文件管理的功能。为了方便用户 使用，操作系统还需向提供方便的用户接口。 23 1.3.1

13、 处理机管理 l进程控制 l进程控制的基本功能是创建进程和撤销进程，以及控制进 程状态之间的转换。 l进程同步 l进程同步是指系统对并发执行的进程进行协调，使它们能 有条不紊的运行。 l进程通信 l进程通信是指相关进程之间的信息交换。 l进程调度 l进程调度是指按照一定的调度算法在等待执行的进程中选 出其中一个，并为其分配CPU、设置运行环境，使其投入 运行。 24 1.3.2 存储管理 l内存分配 l内存分配是为每道程序分配必要的内存空间，提高存储器的利用 率，减少空间浪费。操作系统在实现内存分配时，可采取静态和 动态两种方式。 l内存保护 l内存保护的主要任务是确保每道程序都只在自己的内存

14、空间里运 行，防止因一道程序的错误而干扰其它程序，也绝不允许用户程 序随意访问操作系统的程序和数据。 l地址映射 l地址映射的功能是为了把目标程序中的逻辑地址转换成为内存空 间中的物理地址。 l内存扩充 l内存扩充是借助虚拟存储技术，在不增加物理内存空间的前提下 ，从逻辑上对内存进行扩充，使系统能够运行内存需求量比实际 内存更大的作业，或是让更多的作业能够并发执行。 25 1.3.3 设备管理 l缓冲管理 l缓冲是指在内存中划出来用作暂时存放信息的一部分区域。在 CPU和I/O设备之间设置缓冲区，则可以有效缓解速度不匹配的矛 盾，提高CPU的利用率，从而提高系统吞吐量。 l设备分配 l设备分配

15、是指根据用户所请求的设备类型、数量，按照一定的分 配算法对设备进行分配。 l设备处理 l设备处理程序又称为设备驱动程序，其基本任务是由CPU向设备 控制器发出I/O命令，启动指定的I/O设备、完成用户规定的I/O操 作，并对设备发来的中断请求进行及时响应和处理。 l虚拟设备管理 l虚拟设备也称逻辑设备，是指操作系统通过设备虚拟技术，把每 次仅供一个进程使用的独享设备改造成能被多个用户使用的设备 。 26 1.3.4 文件管理 l文件存储空间管理 l为了方便用户使用，对于一些当前需要使用的系统文件和用户文件，都必 须放在可随机存取的磁盘上。为此，必须由操作系统统一对文件的存储空 间进行管理，提高

16、存储空间的利用率，同时也提高文件系统的存取速度。 l目录管理 l目录又称文件目录，是用来描述系统中所有文件基本情况的一个表。为了 使用户能够方便的在外存上找到自己所需的文件，系统会为每个文件建立 一个目录项。在不同的系统中，目录有着不同的组织方式。 l文件读写管理 l对文件进行读写操作，是文件管理必须具备的最基本的操作。该功能可以 根据用户的请求，从外存指定区域把指定数量的信息读入到内存指定的用 户区或系统区，或将指定数量的信息从内存写入外存指定区域。 l文件保护 l为了防止系统中的文件被非法窃取和破坏，在文件系统中必须提供有效的 存取控制机制。 l文件系统的安全性 l文件系统的安全性是指文件系统避免因软件或硬件故障而造成信息破坏的 能力。 27 1.3.5 用户接口 l命令接口 l为了便于用户直接或间接控制自己的作业，操作系统向 用户提供了命令接口。用户可以通过该接口向作业