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1、高等学校计算机类 十二五 规划教材 部级优秀教材 计算机操作系统 第四版 1 目 录 第一章 操作系统引论 第二章 进程的描述与控制 第三章 处理机调度与死锁 第四章 存储器管理 第五章 虚拟存储器 第六章 输入输出系统 第七章 文件管理 第八章 磁盘存储器的管理 第九章 操作系统接口 第十章 多处理机操作系统 第十一章 多媒体操作系统 第十二章 保护和安全 2 3 第一章 操作系统引论 第一章 操作系统引论 1 1 操作系统的目标和作用 1 2 操作系统的发展过程 1 3 操作系统的基本特性 1 4 操作系统的主要功能 1 5 OS结构设计 习题 4 第一章 操作系统引论 1 1 操作系统的
2、目标和作用 操作系统的目标与应用环境有关 例如在查询系统中所 用的OS 希望能提供良好的人 机交互性 对于应用于工 业控制 武器控制以及多媒体环境下的OS 要求其具有实 时性 而对于微机上配置的OS 则更看重的是其使用的方 便性 5 第一章 操作系统引论 1 1 1 操作系统的目标 1 方便性 2 有效性 3 可扩充性 4 开放性 6 第一章 操作系统引论 1 1 2 操作系统的作用 1 OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是 OS 处于用户与计算机硬件系统之间 用户通过OS来使用计算机 系统 或者说 用户在OS帮助下能够方便 快捷 可靠地操 纵计
3、算机硬件和运行自己的程序 图1 1是OS作为接口的示 意图 7 第一章 操作系统引论 图1 1 OS作为接口的示意图 8 第一章 操作系统引论 2 OS作为计算机系统资源的管理者 在一个计算机系统中 通常都含有多种硬件和软件资 源 归纳起来可将这些资源分为四类 处理机 存储器 I O设备以及文件 数据和程序 相应地 OS的主要功能也正 是对这四类资源进行有效的管理 处理机管理是用于分配和 控制处理机 存储器管理主要负责内存的分配与回收 I O 设备管理是负责I O设备的分配 回收 与操纵 文件管理是用 于实现对文件的存取 共享和保护 可见 OS的确是计算机 系统资源的管理者 9 第一章 操作系
4、统引论 3 OS实现了对计算机资源的抽象 对于一台完全无软件的计算机系统 即裸机 由于它向 用户提供的仅是硬件接口 物理接口 因此 用户必须对物 理接口的实现细节有充分的了解 这就致使该物理机器难于 广泛使用 为了方便用户使用I O设备 人们在裸机上覆盖 上一层I O设备管理软件 如图1 2所示 由它来实现对I O设 备操作的细节 并向上将I O设备抽象为一组数据结构以及 一组I O操作命令 如read和write命令 这样用户即可利用这 些数据结构及操作命令来进行数据输入或输出 而无需关心 I O是如何具体实现的 10 第一章 操作系统引论 图1 2 I O软件隐藏了I O操作实现的细节 1
5、1 第一章 操作系统引论 1 1 3 推动操作系统发展的主要动力 1 不断提高计算机资源利用率 2 方便用户 3 器件的不断更新换代 4 计算机体系结构的不断发展 5 不断提出新的应用需求 12 第一章 操作系统引论 1 2 操作系统的发展过程 在20世纪50年代中期 出现了第一个简单的批处理OS 60年代中期开发出多道程序批处理系统 不久又推出分时系 统 与此同时 用于工业和武器控制的实时OS也相继问世 20世纪70到90年代 是VLSI和计算机体系结构大发展的年代 导致了微型机 多处理机和计算机网络的诞生和发展 与 此相应地 也相继开发出了微机OS 多处理机OS和网络OS 并得到极为迅猛的
6、发展 13 第一章 操作系统引论 1 2 1 未配置操作系统的计算机系统 1 人工操作方式 早期的操作方式是由程序员将事先已穿孔的纸带 或卡 片 装入纸带输入机 或卡片输入机 再启动它们将纸带 或卡片 上的程序和数据输入计算机 然后启动计算机运 行 仅当程序运行完毕并取走计算结果后 才允许下一个用 户上机 这种人工操作方式有以下两方面的缺点 1 用户独占全机 即一台计算机的全部资源由上机用 户所独占 2 CPU等待人工操作 当用户进行装带 卡 卸带 卡 等人工操作时 CPU及内存等资源是空闲的 14 第一章 操作系统引论 2 脱机输入 输出 Off Line I O 方式 为了解决人机矛盾及C
7、PU和I O设备之间速度不匹配的矛 盾 20世纪50年代末出现了脱机I O技术 该技术是事先将 装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机 在一台外围机 的控制下 把纸带 卡片 上的数据 程序 输入到磁带上 当 CPU需要这些程序和数据时 再从磁带上高速地调入内存 15 第一章 操作系统引论 图1 3 脱机I O示意图 16 第一章 操作系统引论 1 2 2 单道批处理系统 1 单道批处理系统 Simple Batch Processing System 的处理过程 为实现对作业的连续处理 需要先把一批作业以脱机方 式输入到磁带上 并在系统中配上监督程序 Monitor 在它 的控制下 使这批作业
8、能一个接一个地连续处理 17 第一章 操作系统引论 图1 4 单道批处理系统的处理流程 18 第一章 操作系统引论 2 单道批处理系统的缺点 单道批处理系统最主要的缺点是 系统中的资源得不到 充分的利用 这是因为在内存中仅有一道程序 每逢该程序 在运行中发出I O请求后 CPU便处于等待状态 必须在其 I O完成后才继续运行 又因I O设备的低速性 更使CPU的 利用率显著降低 图1 5示出了单道程序的运行情况 从图 可以看出 在t2 t3 t6 t7时间间隔内CPU空闲 19 第一章 操作系统引论 图1 5 单道程序的运行情况 20 第一章 操作系统引论 1 2 3 多道批处理系统 Mult
9、iprogrammed Batch Processing System 1 多道程序设计的基本概念 为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量 在20世纪 60年代中期引入了多道程序设计技术 由此形成了多道批处 理系统 图1 6示出了四道程序时的运行情况 21 第一章 操作系统引论 图1 6 多道程序的运行情况 22 第一章 操作系统引论 2 多道批处理系统的优缺点 多道批处理系统的优缺点如下 1 资源利用率高 引入多道批处理能使多道程序交替 运行 以保持CPU处于忙碌状态 在内存中装入多道程序可 提高内存的利用率 此外还可以提高I O设备的利用率 2 系统吞吐量大 能提高系统吞吐量的主要原因可归
10、 结为 CPU和其它资源保持 忙碌 状态 仅当作业完 成时或运行不下去时才进行切换 系统开销小 23 第一章 操作系统引论 3 平均周转时间长 由于作业要排队依次进行处理 因而作业的周转时间较长 通常需几个小时 甚至几天 4 无交互能力 用户一旦把作业提交给系统后 直至 作业完成 用户都不能与自己的作业进行交互 修改和调试 程序极不方便 24 第一章 操作系统引论 3 多道批处理系统需要解决的问题 多道批处理系统是一种十分有效 但又非常复杂的系统 为使系统中的多道程序间能协调地运行 系统必须解决下 述一系列问题 1 处理机争用问题 既要能满足各道程序运行的需要 又要能提高处理机的利用率 2 内
11、存分配和保护问题 系统应能为每道程序分配必 要的内存空间 使它们 各得其所 且不会因某道程序出现 异常情况而破坏其它程序 3 I O设备分配问题 系统应采取适当的策略来分配系 统中的I O设备 以达到既能方便用户对设备的使用 又能 提高设备利用率的目的 25 第一章 操作系统引论 4 文件的组织和管理问题 系统应能有效地组织存放 在系统中的大量的程序和数据 使它们既便于用户使用 又 能保证数据的安全性 5 作业管理问题 系统中存在着各种作业 应用程序 系统应能对系统中所有的作业进行合理的组织 以满足这些 作业用户的不同要求 6 用户与系统的接口问题 为使用户能方便的使用操 作系统 OS还应提供
12、用户与OS之间的接口 26 第一章 操作系统引论 1 2 4 分时系统 Time Sharing System 1 分时系统的引入 如果说推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提 高资源利用率和系统吞吐量 那么 推动分时系统形成和发 展的主要动力 则是为了满足用户对人 机交互的需求 由 此形成了一种新型OS 用户的需求具体表现在以下几个方面 1 人 机交互 2 共享主机 27 第一章 操作系统引论 2 分时系统实现中的关键问题 在多道批处理系统中 用户无法与自己的作业进行交互 的主要原因是 作业都先驻留在外存上 即使以后被调入内 存 也要经过较长时间的等待后方能运行 用户无法与自己 的作业进
13、行交互 1 及时接收 2 及时处理 28 第一章 操作系统引论 3 分时系统的特征 分时系统与多道批处理系统相比 具有非常明显的不同 特性 可以归纳成以下四个方面 1 多路性 2 独立性 3 及时性 4 交互性 29 第一章 操作系统引论 1 2 5 实时系统 Real Time System 1 实时系统的类型 随着计算机应用的普及 实时系统的类型也相应增多 下面列出当前常见的几种 1 工业 武器 控制系统 2 信息查询系统 3 多媒体系统 4 嵌入式系统 30 第一章 操作系统引论 2 实时任务的类型 1 周期性实时任务和非周期性实时任务 2 硬实时任务和软实时任务 31 第一章 操作系统
14、引论 3 实时系统与分时系统特征的比较 1 多路性 2 独立性 3 及时性 4 交互性 5 可靠性 32 第一章 操作系统引论 1 2 6 微机操作系统的发展 1 单用户单任务操作系统 1 CP M 2 MS DOS 33 第一章 操作系统引论 2 单用户多任务操作系统 单用户多任务操作系统的含义是 只允许一个用户上机 但允许用户把程序分为若干个任务 使它们并发执行 从 而有效地改善了系统的性能 34 第一章 操作系统引论 3 多用户多任务操作系统 多用户多任务操作系统的含义是 允许多个用户通过各 自的终端 使用同一台机器 共享主机系统中的各种资源 而每个用户程序又可进一步分为几个任务 使它们
15、能并发执 行 从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量 在大 中 和小型机中所配置的大多是多用户多任务操作系统 而在32 位微机上 也有不少配置的是多用户多任务操作系统 其中 最有代表性的是UNIX OS 35 第一章 操作系统引论 1 3 操作系统的基本特性 前面所介绍的多道批处理系统 分时系统和实时系统这 三种基本操作系统都具有各自不同的特征 如批处理系统有 着高的资源利用率和系统吞吐量 分时系统能获得及时响应 实时系统具有实时特征 除此之外 它们还共同具有并 发 共享 虚拟和异步四个基本特征 36 第一章 操作系统引论 1 3 1 并发 Concurrence 正是系统中的程序能并发执行这
16、一特征 才使得OS能有 效地提高系统中的资源利用率 增加系统的吞吐量 1 并行与并发 并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念 并行性 是指两个或多个事件在同一时刻发生 而并发性是指两个或 多个事件在同一时间间隔内发生 37 第一章 操作系统引论 2 引入进程 在一个未引入进程的系统中 在属于同一个应用程序的 计算程序和I O程序之间只能是顺序执行 即只有在计算程 序执行告一段落后 才允许I O程序执行 反之 在程序执 行I O操作时 计算程序也不能执行 但在为计算程序和I O 程序分别建立一个进程 Process 后 这两个进程便可并发执 行 若对内存中的多个程序都分别建立一个进程 它们就可 以并发执行 这样便能极大地提高系统资源的利用率 增加 系统的吞吐量 38 第一章 操作系统引论 1 3 2 共享 Sharing 一般情况下的共享与操作系统环境下的共享其含义并不 完全相同 1 互斥共享方式 系统中的某些资源 如打印机 磁带机等 虽然可以提 供给多个进程 线程 使用 但应规定在一段时间内 只允许 一个进程访问该资源 为此 在系统中应建立一种机制 以 保证多个进程对这类资源的互斥访
