操作系统第二版1绪论

《操作系统第二版1绪论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《操作系统第二版1绪论（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第1章 引论贺向东一、操作系统的定义与作用v地位v作用v定义1、操作系统在计算机系统中的地位v从计算机系统组成的角度看，一个完整的计 算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分 组成的v其中软件系统又分为系统软件和应用软件。操作系统（Operating System）就是系统软件中 的一种，是系统软件的核心计算机系统的层次结构用户应用软件系统（其他）软件 操作系统硬件描述v操作系统是最靠近硬件的一个层次，它控制 和管理着在它内层的硬件系统、也控制和管 理着在它外层的系统软件和用户应用软件， 为其它软件提供了良好的开发与运行环境， 并与各种系统软件协作，使各种应用软件得 以开发和正常、高效率地运行。

2、v从用户的角度讲，操作系统则是用户与计算 机之间的操作界面（接口）2. 操作系统的作用v操作系统的作用可以归纳为三点：提高效率扩展功能方便用户一句话v承“上”启“下”承“上”v目的 最大限度地满足用户的使用需要 启“下”v控制和利用各种硬件和软件资源，合理地组织系统的 工作流程v追求的目标 提高系统资源的利用率一般共识v操作系统提供软件的开发与运行环境，使计 算机系统的功能从最基本的硬件（即所谓“裸 机”）开始不断得到扩充v操作系统是开发和运行其它软件的一个平台 。在不同的操作系统上开发出来的软件，只 有在该操作系统环境下才能正常运行v提供了方便友好的用户操作界面，使用户可 以很容易地使用和操

3、控计算机3. 操作系统的定义v系统软件v控制和管理着计算机系统的所有硬、软件资 源v合理地组织计算机的工作流程v利用这些资源为用户服务，使用户有一个功能强大且可扩展的工作环境方便友好的操作界面二、 操作系统的形成与发展v操作系统并不是随着计算机的问世而同时出 现的，它是计算机技术发展的产物v操作系统的形成手工操作阶段监控程序阶段执行系统阶段手工操作阶段二十世纪五十年代末以前，人们是以手工操作的 方式来使用计算机的，也就是说那时还没有“操作 系统”这样的软件快速的CPU和慢速的外设、人工操作的矛盾，特 别是人机工作速度差异太大的矛盾，严重制约着 整个作业的速度监控程序阶段v在作业过程中避免人工干

4、预。在一个作业内的操作 和在作业之间的转换都实现了自动化，这是一种成 批处理的系统v监控程序对成批作业进行管理，这就是操作系统最 早的形式，为了区别于后来的批处理系统，可以称 之为“早期的批处理系统”或“单道批处理系统”v监控程序并不能完全解决高速的CPU和低速的外设 之间的矛盾执行系统阶段v进入二十世纪六十年代以后，在硬件方面出 现了“通道”和“中断”等技术，实现了主机CPU 和输入输出设备的并行（parallel）工作，使 操作系统进入了“执行系统”（Executive）阶 段，对操作系统的真正形成起了重要的推动 作用“多道程序”的主导思想v在计算机内存中同时存在着多个互相独立的 程序，它

5、们在宏观上都在运行着，但是由于 只有一个CPU（在单处理机系统中），所以 在微观上它们还是在轮流使用CPU执行各自 的指令序列，这称为多道程序的并发（ concurrence）操作系统的形成v在原先的批处理系统中采用多道程序设计技术就产 生了“多道批处理系统”，随后又出现了“分时系统”、 “实时系统”。二十世纪六十年代，上述三种系统先 后被研究出来，标志着“操作系统”正式形成v操作系统迅速完善、普及，直至进入了“通用操作系 统”的阶段v所谓通用操作系统是指同时具有多道批处理、分时 、实时等两种或三种处理能力的系统操作系统的发展v随着计算机科学技术的飞速发展，个人微型 计算机、多处理器计算机和计

6、算机网络的出 现，促使操作系统的理论和实践进一步发展 。从二十世纪七十年代后期开始，出现了微 机操作系统、网络操作系统、分布式操作系 统等两个标志节点v六十年代，多道批处理系统出现现代操作系统出现v七十年代后期，多种通用操作系统产品问世操作系统原理和实务研究百花齐放v一个前提计算机硬件的发展，带来的新的概念：通道和中 断，使得资源可以并行操作三、 操作系统的基本概念v操作系统理论的一个基本思想多道程序设计v操作系统最重要的概念进程资源v操作系统最基本的特征并发共享随机多道程序设计（multi-programming）v程序就是按照一定顺序排列的指令集合v基础概念程序的顺序执行v一个具有独立功能

7、的程序在独占了CPU后直到其运行 完毕得到最终结果的过程就称为程序的顺序执行v假设一个程序按照 输入（R）计算处理（X）输出结果（W）这样几大部分的次序编制和运行，如果有1、2、 3三个程序要运行，只能依次进行，每个程序在 执行时都独占CPU和其它所有系统资源，执行结 束后再把全部资源交给下一个程序R1X1W1R2X2W2 R3X3W3顺序执行v在一个处理机上多个程序的顺序执行具有如 下的特点顺序性封闭性可再现性（结果确定性）多道程序的并发执行v为了提高处理机的工作效率，引入了多道程 序的思想。仍以同时存在三个程序为例v不必等到第一个程序执行完，就可以开始第二个程 序的运行R1X1W1R2X2

8、W2R3X3W3v这叫多道程序的并发执行，即通过计算机不同硬件 部分并行工作，使几个程序运行时间有重叠，从宏 观上看好象在同时工作例v设有甲、乙两个程序甲程序在执行时将要用到的资源与时间顺序为： CPU-5秒，设备A-10秒，CPU-4秒，设备B-12秒 ，CPU-7秒乙程序则顺序为：CPU-3秒，设备A-12秒，CPU -6秒，设备B-5秒，CPU4秒如果按照顺序方式执行v甲程序的执行共需38秒，其中CPU工作时间 16秒，利用率为42%v乙程序的执行共需30秒，其中CPU工作时间 13秒，利用率为43%v无论哪个程序先执行，总共执行68秒，其中 CPU工作时间29秒，利用率为42.6%。C

9、PU DEV-A CPU DEV-B X CPU5 10 4 12 2 75 3 7 12 6 5 2 4 X CPU X DEV-A CPU DEV-B X CPU乙程序甲程序如果按照多道程序并发的方式v当甲程序先开始执行v总共执行44秒，其中CPU工作时间29秒，利 用率为66%。CPU DEV-A CPU DEV-B X CPU3 12 6 5 3 73 5 7 10 4 12 7 X CPU X DEV-A CPU DEV-B CPU甲程序乙程序v如果是乙程序先开始v共执行48秒，其中CPU工作时间29秒，利用 率为60%多道程序的执行方式v使得程序顺序执行方式下的封闭性和可再现 性不

10、复存在，而是出现了新的特点并发性（concurrence）共享性（sharing）随机性（randomness）操作系统基本概念v进程与资源v为了什么引入进程顺序执行的程序与并发执行的程序有着完全不同 的特点。并发程序失去了顺序程序的封闭性和可 再现性操作系统必须管理和控制并发程序的运行，消 除上述影响进程的定义v 一个进程，就是一个程序针对某个数据集合 （处理对象）的一次执行过程程序与进程v程序是个静态的事物，是若干指令的有序集合；而 进程是程序的一次运行活动，是一条条指令按顺序 执行的过程，是个动态的概念v程序存放在一定的存储介质上，一般（只要不删除 ）是长期存在的；而进程不但占用存储空间

11、还要占 有CPU ，只有一个很短的存在时间（生命期）v同一个程序可以被多个进程同时执行，而一个进程 也可以包括执行多个程序。资源v操作系统全面地管理计算机硬件、软件资源，把它们分配给 各个并发的进程v硬件资源处理器内存储器外部设备（包括外存）v软件资源主要是存放在外存储器（对于微机来讲主要是磁盘）上的信息v程序文件v数据文件特点v “共享资源”和“独享资源”。v “可抢占的资源”和“不可抢占的资源”。v “永久资源”和“临时资源”。v操作系统的基本特征之一就是“共享” 资源。v资源总是有限的，而并发的进程要竞争使用 它们，这就是操作系统要解决的基本矛盾。处理机运算器控制器寄存器外设外设控制器外

12、设外设控制器外设外设控制器总线主存储器操作系统依赖的硬件环境中央处理机（CPU）vCPU是执行指令的核心部件，它由控制器、运算器 和若干寄存器组成。控制器根据指令的内容产生指 挥运算器和其他部件协调工作的控制信号。运算器 完成二进制数码的各种运算。vCPU的基本功能是从内存储器中依次取出组成某程 序的一条条指令、解释该指令并执行该指令，整个 计算机的工作过程可以看成是CPU在重复一个个“取 指、译码、执行”周期。寄存器v在CPU内部为配合控制器、运算器工作而暂时存放一 些二进制数码的存储部件v从功能上看，这些寄存器可以分为两大类一类是用户可编程的寄存器，如通用数据寄存器、各种地 址指针寄存器等

13、另一类是状态和控制用寄存器，如PC、IR、“处理机状态字 寄存器”（PSW，它随时记录着CPU的工作状态，操作系统 通过读取和修改PSW的内容来控制系统的工作）等。指令v指令的结构、功能等等是与CPU的硬件结构 密切相关的v每种CPU都有它自己的一整套指令，称为其“ 指令系统”，也叫做它的“机器语言”存储器v它用于存储程序和数据，通常指的就是以电 子元器件组成的内存储器v内存由许多单元组成，每个单元存放一个字 节的二进制数码，所有单元按顺序编有地址 码，以便CPU访问外设v实现输入输出的I/O设备v辅助存储的外存设备v在计算机工作过程中，它们会频繁地与内存 、CPU交换二进制数码总线v它是在计

14、算机各个部件之间传送信息的一组 公共线路，包括实际的电线和电线两端相应 的电子电路v总线分为地址总线、数据总线和控制总线， 每种总线都由若干条平行的导线组成，与各 自传送的信息对应通道与中断v多道程序并发执行的前提条件，是计算机系 统的不同硬件部分能并行工作v为了实现CPU与外设之间、不同外设之间的“ 并行”工作，必须有相应的硬件支持，这里主 要就是通道与中断通道v通道是一种硬件，安装在总线与设备控制器之间， 每一个通道可以控制一台或几台外部设备v一个通道相当于一个专用处理机，它有自己的控制 运算部件和指令，它一旦启动起来就可以独立地控 制、管理着所属设备完成指定的输入输出操作，而 不再依赖于

15、主机CPUv正是由于通道与CPU可以并行工作、共享内存，所 以才有可能实现主机CPU和输入输出设备的并行工 作中断技术v通道本身还是要受主机CPU控制的，主机CPU赋给 通道输入输出任务、启动通道的工作、接受通道状 态信息，等等v通道在需要时向CPU发出中断请求，CPU收到该信 号后在适当时机暂时中止自己当前正在执行的程序 ，转去执行某一段专门的“中断处理程序”以便与通 道进行通信（这个过程称为“中断响应”）v处理完成后，CPU继续执行刚才被中止的那个程序 ，而通道则独立地开始自己的下一步工作中断概念的扩展v中断技术最初是为解决通道与CPU的通信而 出现的，但很快就发展成为各种硬件、软件 与主机CPU的一种通信手段v计算机系统中的中断可以分为两大类：外中 断与内中断。外中断v有时也就简称为“中断”，是由I/O系统、用户 操作信号等CPU以外的来源产生的，与当前 正在CPU中执行的程序无关，可能在任何时 候发生，其处理也不服务于当前进程内中断v有时又称为“异常”，与当前正在CPU中执行 的程序有关，是由该程序运行中的错误或程 序中专门的指令“自愿”（又称为“陷入”、“陷阱 ” ）产生