第1章操作系统72p

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1、第1章 引 论 第1章 引 论 1.1 操作系统的基本概念1.2 操作系统的发展1.3 操作系统的特征与功能1.4 操作系统的结构设计第1章 引 论 1.1 操作系统的基本概念 我们将未配置任何软件的计算机称为裸机，即由中央处理器 （CPU）、存储器、输入/输出（I/O）设备等硬件组成的计算机。 裸机是无法充分发挥硬件性能的，不适合一般的用户使用，只有 配备了软件以后，计算机才可以更好地完成对信息的存储、检索 和处理等一系列工作。所以我们可以把计算机系统划分为两大部 分：硬件和软件。硬件是计算机系统的物质基础，它包括多种多 样的物理设备。而软件可以分为应用软件和系统软件。应用软件 ，例如字处理

2、软件Word、图像处理软件Photoshop、Web浏览器 IE 、编译软件等，可以为用户解决具体的问题。而系统软件是指使 计算机能够工作的一些基础软件，只有在系统软件的支持下，应 用软件才能够正常的运行。我们将要研究的操作系统（Operating System）就是系统软件的典型代表。 1.1.1 操作系统的定义 第1章 引 论 图1-1 计算机系统组成第1章 引 论 从操作系统在计算机系统中所处的位置，我们可以看到，操作系统处在硬件与其它软件之间的一个特殊位置上，引入操作系统主 要可完成以下两个方面的工作：(1) 方便用户使用。操作系统应该提供给用户一个良好的界面，用户不必了解硬件和其它软

3、件的细节，就可以方便地使用计算机 。(2) 充分利用资源。操作系统应该最大限度地发挥计算机系统资源的使用效率，合理地组织工作流程，使得计算机资源能为多用 户共享。据此，我们可以给出操作系统的定义：操作系统是为了方便用户和提高计算机的利用率，而对计算机资源进行组织和管理的程序 集合。其中，用户是一个广义的概念，包括一般用户和软件开发人 员等；资源包括处理器、存储器、输入/输出设备等硬件资源和程序与数据等软件资源。第1章 引 论 1.1.2 操作系统在计算机系统中的作用1对外职能用户与计算机之间的接口操作系统作为用户与计算机之间的接口，必须为用户提供良好的界面，使用户能够感觉计算机是可用而且易用的

4、。这是一个最主要的职能。早期的计算机没有操作系统，使用计算机时只能使用机器语言，既繁琐又费时，没有计算机专业知识的人使用计算机时会感到困难重重。有了操作系统，用户通过操作系统提供的操作命令和系统调用命令就可以方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机，运行自己的程序。这些命令对于用户来说要容易掌握得多。而随着图形用户接口的出现，使用户尤其是普通用户操作计算机变得更为简单。第1章 引 论 2对内职能组织和管理计算机资源，充分发挥资源的效能，提高利用率在一个计算机系统中，通常包含了多种硬件与软件资源，为了实现某种功能需要使用相应的资源，在分配资源 时首先不能“张冠李戴”，比如某用户程序要求打印一篇文档，系

5、统就不应该为其分配一台扫描仪。另外，系统的资源数目是有限的，因此在一些环境下用户程序在执行过程中会发生资源竞争的现象，引起冲突，造成系统的一些工作无法继续进行，这就需要一个仲裁者在相互竞争资源的程序间有序地控制资源的分配，操作系统就起这样的作用。操作系统可以跟踪资源的使用情况，满足用户资源请求，做到合理分配，尽可能使得系统中的各类资源 处于“忙”状态，缩短任务完成时间，提高资源利用率。第1章 引 论 1.1.3 研究操作系统的几种观点操作系统本身是一个相当复杂的系统，为了彻底了解它，我们可以从不同的角度研究操作系统。1用户观点用户是计算机的使用主体，软件开发的主要目的就是让用户能够方便地使用计

6、算机。用户观点是指站在用户立场上对计算机提出要求。用户对操作系统的内部结构没有太大兴趣，他们主要从功能要求、服务质量、使用维护及安装价格等方面提出要求。作为使用者，最关心的是如何利用操作系统提供的服务有效地使用计算机，即操作系统提供什么样的用户界面。第1章 引 论 2资源管理的观点资源管理的观点是从系统资源的角度刻画整个操作系统的组成及其功能。通常把计算机系统资源按性质归纳为四类：CPU、内存、外部设备以及信息文件，这些资源是操作系统和用户程序赖以活动的物质基础和工作环境。用户使用计算机的过程就是通过使用这些资源达到解决问题的一个过程。资源管理是指对上述硬、软件资源进行管理。一般说来，一个计算

7、机系统中常常同时运行多个程序，操作系统的任务就是在相互竞争资源的程序之间有序地控制资源的分配。对于操作系统来说，资源管理要做如下工作：第1章 引 论 (1) 对资源使用情况进行登记，这是资源管理的依据。(2) 决定分配策略。根据资源使用情况分析分配的可行性，并决定分配所应采取的策略。(3) 提供分配与回收算法。通过资源分配的具体程序达到资源分配的目的，为了保证资源的后续利用，在当前使用完该资源后应该立即释放，即执行资源回收程序。第1章 引 论 如图1-2所示，系统中存在两个不同的队列，分别为请求分配资源队列和请求释放资源队列。这两个队列按照某种原则形成，系统首先根据它们不同的请求方式加以判断。

8、如果是请求分配资源方式，系统将进一步判断所需资源是否可用，如果资源可用并且够用，就进行资源分配并修改资源分配状态表，否则这次请求就没有被成功响应，该请求将被插入到请求分配资源队列，等待下一次系统响应。如果不是请求分配资源方式，那么就有两种可能：一种是请求释放资源方式，这时系统正常回收资源；另一种是异常方式，系统将调用出错处理程序进行相应的处理。第1章 引 论 图1-2 资源分配与释放过程第1章 引 论 3进程观点 通过以前的学习，我们了解到计算机是通过运行程序来满足用户要求的，但是我们并不清楚程序在计算机内运行的基本过程和一些规则，只是“知其然而不知其所以然”，操作系统将会解决一些存在于我们思

9、想中的疑问。在澄清这些疑问的过程中，有一个非常重要的动态对象进程，它是分析计算机操作系统在处理过程中的基本对象，是系统中的活动实体。我们在后面的章节中会详细描述并经常用到它来研究系统的工作状况。第1章 引 论 1.2 操作系统的发展1.2.1 问题的提出1速度问题20世纪40年代出现的第一台计算机由电子真空管和插板组成。这种机器运算速度很低。在计算机出现的早期，每台计算机都有一个小组专门进行设计、编程和维护。所有的程序都采用机器语言，计算机上没有操作系统，更没有其它软件。机器的使用方式是程序员提前预约机时，上机时用手工方式启动设备。将记录程序的卡片或纸带用输入机送入计算机，接着在控制台上用按钮

10、启动程序运行。在程序运行的几个小时里用户独占计算机，他既是程序员又是操作员。第1章 引 论 20世纪60年代，晶体管的发明改变了计算机的状况，使处理机的速度提高了几十倍。当时计算机的价格十分昂贵，大学或研究所的机房已经配有专门的操作员。程序员要使用计算机时，将程序写在纸上，利用穿孔机制成卡片，称为一个作业，然后交给操作员。由于在计算机的使用过程中操作员需要手工操作的工作很多，例如取一个作业，操作运行，打印输出，再取下一个作业等，造成机器长时间空闲，人工操作的速度和处理机的计算速度严重不匹配。由此可见，减少人工干预对提高机器利用率有着重要意义，人们开始希望有专门的监督程序或管理程序来进行作业的自

11、动依次处理。第1章 引 论 2作业差异除了速度问题之外，由于每个作业使用的语言不同，也给操作员带来了很大的麻烦。因为不同语言的作业在进行处理前，首先必须将相应的编译系统装入计算机并置换旧的程序，这样就使计算机的大量时间耗费在输入/输出上。例如，为了完成一道也许计算机处理只需要两分钟的程序，而将相应的编译系统装入也许会花费两个小时，且在这两个小时中，宝贵的CPU资源却一直处于空闲状态，白白浪费，另外也使操作员不胜其烦。因此设计使用专门程序进行作业自动转换和处理的想法被提了出来。第1章 引 论 另外，作业也有I/O繁忙型与CPU繁忙型之分。对于I/O繁忙型作业，在完成过程中大部分时间利用外部设备进

12、行I/O操作，在这些时间内，宝贵的CPU资源却处于空闲状态，成为一种严重的资源浪费。对于CPU繁忙型作业，虽然CPU利用率比较高，但是外部设备却经常处于空闲状态，仍然属于一种资源浪费。也就是说，对于不同应用的作业来说，计算机系统给予了“一视同仁”的对待。虽然在控制上比较简单，却付出了宝贵的时间代价。第1章 引 论 1.2.2 解决办法1减少人工干预（没有减少时间？）为了尽量减少多个作业交接时的人工负担，批处理技术应运而生。操作员把用户提交的作业分类，把一批作业编成一个作业执行序列，成批地提交给计算机进行输入、运行和输出，同时也专门编制了监督程序或管理程序，对它们进行自动地依次处理，实现作业的自

13、动转换。在早期的批处理中，操作员通过输入设备将多个作业一次存入磁带，然后监督程序先从磁带上读入一个作业，接着又调入编译程序来将用户作业翻译成目标代码，经连接和装配后执行并输出结果。紧接着又调入下一个作业，不断地循环反复操作。这样大大减少了人工操作的时间，这种处理方式被称为联机批处理方式。第1章 引 论 2改善速度匹配（相对联机批处理而言）批处理方式解决了作业的自动转接，但其缺点是无论成批输 入还是作业的转接执行都是在主机CPU控制下完成的。在系统进 行慢速的输入/输出工作的时候，CPU只好停止工作，处于等待状 态。为了改善速度匹配问题，产生了脱机批处理技术。该技术是 增加不与主机相连而专门用于

14、输入/输出的外围计算机，由外围输 入计算机负责将作业送入磁带，由主机和磁带机配合读入作业， 主机完成程序的执行后将输出结果送到磁带，再由外围输出计算 机将结果送到输出设备并显示给用户。这样，主机不是直接与慢速的输入/输出设备打交道，而是与 速度相对快得多的磁带机发生联系。主机和外围计算机分工明确 ，在监督程序的管理下，充分发挥了主机的高速度处理能力，大 大减少了因手工操作而带来的主机机时浪费，提高了主机的使用 效率，比较明显地缓解了高速主机和低速输入/输出设备之间的矛 盾。第1章 引 论 3实现多道程序系统20世纪60年代中期，处理机速度进一步提高，主存容量加大，出现了大容量的辅助存储器。计算

15、机的系统结构从以中央处理机为中心改变为以主存为中心。其中最重要的是中断技术和通道技术的出现和发展，使操作系统有了进一步发展。借助通道和中 断技术，主机可以在中断的时刻向I/O通道中的缓冲区进行读/写操作，更迅速地完成输入/输出任务。但是包括CPU和I/O设备在内的各种资源不能并行工作仍然是造成系统性能低效的主要原因 ，所以在硬件系统的支持下，通过软件技术使得系统中的CPU和其它的I/O设备并行工作，推出了多道程序系统。我们从图1-3中可以了解CPU与I/O并行的大致协调过程。第1章 引 论 所谓多道程序系统，是指允许多个相互独立的程序同时存在于内存中，而且处于同时运行的过程中。各道程序轮流占用

16、CPU，交替执行。这里需要解决一些技术问题，例如，如何共享硬件、软件资源，怎样解决同步和互斥的问题，如何提高内存的使用效率，如何保证程序的安全等，这些将是操作系统这门课程要介绍的重要内容。第1章 引 论 图1-3 CPU与I/O并行图第1章 引 论 1.2.3 基本操作系统类型1批处理系统批处理系统中，用户的作业分批提交并处理，即系统将作业成批地输入系统并暂存在外存中，组成后备作业队列，每次按一定的调度原则从后备作业中选择一个或多个装入主存进行处理，作业完成后退出。这些操作由系统自动实现，大大缩短了两个作业之间的转接时间，在系统中形成了一个自动转接的作业流，当一批作业运行完毕，输出结果后，系统便接收下一批作业。第1章 引 论 在批处理系统中，用户不能直接干预作业的运行过程，而是将其对作业的控制意图在作业提交之前用作业控制语言编制成作业说明书或作业控制卡，这些控制意图可以是作业运行