计算机操作系统教程ppt

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1、计算机操作系统第一章操作系统概述用户观点下的操作系统 第1章 操作系统概述 1.1 操作系统的概念 1.1.1 什么是操作系统 1用户观点 从用户的观点看，操作系统应该提供一个人与计算机打交 道的接口，也就是人机接口。用户可以通过操作系统提供 的这个接口使用和控制计算机，从而达到计算机为用户服 务的目的。 接口的方式有：图形界面的接口（Graphical User Interface，GUI）；命令行（Command Line，CL）接 口；软件编程的接口 系统观点下的操作系统 2系统观点 操作系统就是资源的分配者。 操作系统要对I/O设备和用户程序加以控制，保证设备的正常运行，防止非法操作，

2、及时诊断设备的故障等。从这个意义上讲，操作系统又是工作流程的调度者。操作系统计算机硬件组成1.1.2 计算机系统概述CPU实现CPU两种模式 除了用在嵌入式系统中的非常简单的CPU之外，多数CPU都 有两种模式，即核心态（管态）和用户态（目态），在 PSW中有一个二进制控制位控制这两种模式。当CPU执行操 作系统的代码时，CPU处于核心态，CPU可以执行指令集中 的每一条指令，并且使用硬件的每一种功能，访问整个硬 件。 相反，当CPU执行用户程序的代码时，CPU处于用户态，仅 允许执行整个指令集的一个子集和访问所有功能的一个子 集。一般而言，在用户态中有关I/0和内存保护的所有指 令是禁止的。

3、当然，将PSW中的模式位设置成核心态也是 禁止的。存贮器层次结构磁盘驱动器基址和界限寄存器存贮器相关概念 由程序所生成的地址被称为虚拟地址（Virtual Address），而由存储器使用的地址称为物理地址（Physical Address）。完成检查和映射工作的装置被称为内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）。它位于CPU芯片上或者CPU附近，在逻辑上MMU位于CPU和存储器之间。中断总线操作系统的主要功能1.1.3 操作系统主要功能进程管理 1. 进程管理 一个任务从输入、处理、再到输出的完整过程称为作业（ Job）；进程是分配资源和在处理机上运行的基本单位。

4、 因而，进程管理的功能包括：作业和进程调度、进程控制 、进程通信、进程同步。 （1）作业和进程调度 一个作业通常经过两级调度才得以在CPU上执行。首先是 作业调度，它把选中的一批作业放入内存，并分配其他必 要的资源，为这些作业建立相应的进程。然后进程调度按 一定的算法从就绪进程中选出一个合适的进程，使之在 CPU上运行。进程管理 （2）进程控制 进程是系统中活动的实体。进程控制包括进程的创建、进程的撤销、进程的阻塞、进程的唤醒等。 （3）进程通信 相互合作的进程之间往往需要交换信息，为此，操作系统要提供通信的机制。 （4）进程同步内存管理 2. 内存管理 （1）内存分配 内存分配的主要任务是为

5、每道程序分配一定的内存空间。 为此，操作系统必须记录整个内存的使用情况，处理用户 提出的申请，按照某种策略实施分配，接收系统或用户释 放的内存空间。 （2）地址映射 在多道程序环境下，用户程序中所涉及的相对地址与装入 内存后实际占用的物理地址就不一样。CPU执行用户程序 的时候，要从内存中取出指令或数据，为此就必须把所有 的相对地址（或称为逻辑地址）转换成内存的实际物理地 址。这就是操作系统的地址映射功能（需要有硬件的支持 ）。内存管理 （3）内存保护 不同用户的程序都放在同一内存中，就必须保证它们在各 自的内存空间中活动，不能相互干扰，更不能侵占操作系 统的空间。另外，还要允许不同用户程序共

6、享一些系统的 或用户的程序。 （4）内存扩充 把一个程序当前正在使用的部分（不是全体）放在内存， 而其余部分放在磁盘上。在这种“程序部分装入内存”的情 况下，就启动并执行它。以后根据程序执行时的要求和内 存当时的使用情况，随机地将所需部分调入内存；必要时 还要把已经分配出去的内存回收给系统，供其他程序使用 （即内存置换）。设备管理 3. 设备管理 设备管理的主要功能包括：缓冲区管理、设备分配、设备 驱动和设备无关性。 （1）缓冲区管理 缓冲区管理的目的是解决CPU和外设速度不匹配的矛盾，使它们充分并行工作，提高各自的利用率。 （2）设备分配 根据用户的I/0请求和相应的分配策略，为该用户分配外

7、部设备、通道和控制器等。设备管理 （3）设备驱动 实现CPU与通道及外设之间的通信。由CPU向通道发出I/0 指令，后者驱动相应设备进行I/0操作。当I/0任务完成后， 通道向CPU发出中断信号，由相应的中断处理程序进行处理。 （4）设备无关性 设备无关性又称为设备独立性，即用户编写的程序与实际 使用的物理设备无关，由操作系统把用户程序中使用的逻 辑设备映射到物理设备上。文件管理 4. 文件管理 文件管理功能包括：文件存储空间的管理、文件操作的一般管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制。 （1）文件存储空间的管理 系统文件和用户文件都要存放在磁盘上。为此，需要由文件系统对所有文件以及文件的存

8、储空间进行统一管理：为新文件分配必要的外存空间，回收释放的文件空间，提高外存的利用率。文件管理 （2）文件操作的一般管理 包括文件的创建、删除、打开、关闭等。 （3）目录管理 目录管理包括目录文件的组织、实现用户对文件的“按名 存取”，以及目录的快速查询和文件的共享等。 （4）文件的读写管理和存取控制 根据用户的请求，从外存中读取数据或将数据写入外存中 。为了保证文件信息的安全性，防止未授权用户的存取或 破坏，对各种文件（包括目录文件）进行存取控制。用户接口 5. 用户接口 （1）命令行接口 在提示符之后用户从键盘上输入命令，命令解释程序接收 并解释这些命令，然后把它们传递给操作系统内部的程序

9、 ，执行相应的功能。这是操作系统与用户的交互界面。 （2）程序接口 也称为系统调用接口。系统调用是操作系统内核与用户程 序、应用程序连接的接口。在Unix系统上，系统调用以C 函数的形式出现，在Windows系统中，系统调用以API函 数的形式出现。所以内核之外的程序都必须经由系统调用 才能获得操作系统的服务。用户接口 内核之外的程序都必须经由系统调用才能获得操作系统的 服务。系统调用只能在程序中使用，不能直接作为命令在 终端上输入和执行。由于系统调用能够改变CPU的执行状 态，从用户态变为核心态，直接进入内核执行，所以其执 行效率高，并且功能强大。用户在自己的程序中使用系统 调用，从而获取系

10、统提供的众多基层服务。 （3）图形接口 也称为GUI接口。用户利用鼠标、窗口、菜单、图标等图 形用户界面工具，可以直观、方便、有效地使用系统服务 和各种应用程序及实用工具。操作系统的地位1.1.4 操作系统的地位操作系统的地位 由此可见，操作系统是裸机之上的第一层软件，它只在核心态模式下运行，受硬件保护，与硬件关系密切。它不仅对硬件资源直接实施控制、管理，而且它的很多功能的完成是与硬件动作配合起来实现的，如中断系统。操作系统的运行要有良好的硬件环境，这种硬件配置环境往往称做计算机的硬件平台。操作系统的地位 操作系统是整个计算机系统的控制管理中心，其他所有软件都建立在操作系统之上，操作系统对它们

11、既有支配权力，又为其运行建造必备的环境。因此，在裸机之上每加一层软件后，用户看到的就是一台功能更强的机器，通常把经过软件扩充功能后的机器称为“虚拟机”。在裸机安装操作系统之后，就为其他软件和用户提供了工作环境，往往把这种工作环境称为软件平台。并发性1.1.5 操作系统的主要特性1并发性（Concurrence） 并发性是指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生。操作系统是一个并发系统，并发性是它的重要特征，操作系统的并发性指它应该具有处理和调度多个程序 同时执行的能力。多个I/O 设备同时在输入输出；设备I/O 和CPU计算同时进行；内存中同时有多个系统和用户程序被启动并交替、穿插地执

12、行，这些都是并发性的例子。多任务系统与并行性 采用了并发技术的系统又称为多任务系统（Multitasking System）。在计算机系统中，并发实际上是一个物理 CPU 在若干道程序之间多路复用，这样就可以实现运行 程序之间的并发，以及CPU 与I/O 设备、I/O 设备与I/O 设 备之间的并行，并发性的实质就是对有限物理资源进行强 制性多用户共享，以提高效率。在多处理器系统中，程序 的并发性不仅体现在宏观上，而且体现在微观上（即在多 个CPU 上）也是并发的，又称并行的。并行性（ Parallelism）是指两个或两个以上事件或活动在同一时 刻发生。在多道程序环境下，并行性使多个程序同一

13、时刻 可在不同CPU 上同时执行。共享性 2共享性(Sharing) 共享性是操作系统的另一个重要特性。共享指操作系统中 的资源（包括硬件资源和软件资源）可被多个并发执行的 进程共同使用，而不是被一个进程所独占。 资源共享的方式可以分成两种： 第一种是互斥访问。系统中的某些资源如打印机、磁带机 、卡片机，虽然它们可提供给多个进程使用，但在同一时 间内却只允许一个进程访问这些资源，即要求互相排斥地 使用这些资源。当一个进程正在使用该资源时，其他欲访 问该资源的进程必须等待，仅当该进程访问完毕并释放资 源后，才允许另一进程对该资源访问。这种同一时间内只 允许一个进程访问的资源称临界资源，许多物理设

14、备，以 及某些数据和表格都是临界资源，它们只能互斥地被共享 。共享性 第二种是同时访问。系统中还有许多资源，允许同一时间 内多个进程对它们进行访问，这里“同时”是宏观上的说法 。典型的可供多进程同时访问的资源是磁盘，可重入程序 也可被同时访问。 与共享性有关的问题是资源分配、信息保护、存取控制等 ，必须要妥善解决好这些问题。 共享性和并发性是操作系统两个最基本的特性，它们互为 依存。一方面，资源的共享是因为程序的并发执行而引起 的，若系统不允许程序并发执行，自然也就不存在资源共 享问题。另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理 ，必然会影响到程序的并发执行，甚至程序无法并发执行 ，操作系统也

15、就失去了并发性，导致整个系统效率低下。异步性 3异步性(Asynchronism) 操作系统的第三个特性是异步性，或称随机性。在多道程 序环境中，允许多个进程并发执行，由于资源有限而进程 众多，多数情况，进程的执行不是一贯到底，而是“走走 停停”。例如，一个进程在CPU 上运行一段时间后，由于 等待资源满足或事件发生，它被暂停执行，CPU 转让给另一个进程执行。系统中的进程何时执行？何时暂停？以 什么样的速度向前推进？进程总共要花多少时间执行才能 完成？这些都是不可预知的，或者说该进程是以异步方式 运行的，其导致的直接后果是程序执行结果可能不唯一。 虚拟性 4虚拟性(Virtual) 虚拟性是

16、指操作系统中的一种管理技术，它是把物理上的 一个实体变成逻辑上的多个对应物，或把物理上的多个实 体变成逻辑上的一个对应物的技术。显然，前者是实际存 在的而后者是虚构假想的，采用虚拟技术的目的是为用户 提供易于使用、方便高效的操作环境。例如，在多道程序 系统中，物理CPU 可以只有一个，每次也仅能执行一道 程序，但通过多道程序和分时使用CPU 技术，宏观上有 多个程序在执行，就好像有多个CPU 在为各道程序工作 一样，物理上的一个CPU 变成了逻辑上的多个CPU。 无OS 1.2 操作系统的发展历史 1.2.1手工操作阶段（无OS）无OS 早期的计算机存在几个问题： （1）编程人员必须熟悉计算机的结构及所有外设。 （2）计算机的利用率低。 （3）程序员必须提前预约使用计算机。 （4）程序员独占使用计算机的全部资源。计算机的CPU 和其他设备都在等待用