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1、操作系统原理及应用（Windows Server 2008)课件,山东交通学院 沈祥玖 中国水利水电出版社,1.1.1 什么是操作系统 1.1.2 操作系统的地位 1.1.3 操作系统的功能,1.1 操作系统概述,返回上级目录,1.1.1 什么是操作系统,我们都知道，一个计算机系统由系统软件组成，系统硬件包括中央处理器（CPU）、内部存储器、输入/输出设备等，系统软件包括操作系统、各种语言处理程序、系统实用程序等。一台没有任何软件支持的计算机称之为裸机，用户直接使用裸机来编制和运行程序是相当困难的，几乎是不可能的。必须有计算机厂商提供的系统软件的支持，计算机系统才能为用户程序提供一个良好的编制
2、与运行环境。因此，实际呈现在用户面前的计算机系统已是经过若干层次软件改造的计算机。操作系统是直接控制和管理计算机硬件、软件资源的最基本的系统软件，用以方便用户充分、有效地利用资源并增强整个计算机的处理能力。,如图1.1所示，可把整个计算机系统，按功能上划分为四个层次，即硬件、系统实用软件和应用软件。这四个层次表现为一种单向服务关系，即外层可以使用内层提供的服务，反之则不行。,图1.1,1.1.2 操作系统的地位,系统硬件是计算机系统的基础，操作系统及其他软件最终还是要以机器指令来访问和控制各种硬件资源。硬件系统的组织结构也在不断地改进。目前大、中、小型计算机经常采用的一种硬件系统组织方式是以主
3、存为中心，CPU和I /O系统充分地并行工作，并且通过这个双端口的主存相互通信。I /O通道实际上是一台专用的I /O处理机，它接收CPU的委托，独立地执行自己的通道程序，以字节多路通道、组成多路通道和选择通道分别控制低速、中速和高速外围设备的工作。I /O通道使CPU摆脱了对各种I /O设备的繁杂控制，而且,还可使各种外围设备之间并行工作。即这种大、中、小型计算机系统是以CPU 和I /O系统之间以及各I /O设备之间尽可能地并行工作来组织硬件系统, 以换取更高的性能/价格比的。微型计算机系统普遍采用总线结构，以使扩充灵活、维护方便。CPU 通过系统总线（含地址、数据和控制信息）与存储器、/
4、O接口相连，各种外围设备通过/O接口挂接到系统总线上。例如，IBMPC和PC/XT微型计算机使用的标准PC总线（62引脚）支持8位数据传输和20位地址，IBMPC/AT微型计算机使用的扩展PC总线（6236引脚）支持16位数据传输和24位地址在IBMPC系统微机中，是将接口控制卡（适配器卡）插入机箱内的“/扩展槽”与系统总线连接，/扩展槽也称为/通道，但它实际上只是系统总线的延伸。,在计算机系统的层次结构中，包围着系统硬件的一层就是操作系统（Operating System,简写为）。它是最基本的系统软件，控制和管理着系统硬件（处理机、内存和外围设备），向上层的实用程序和用户应用程序提供一个屏
5、蔽硬件工作细节的良好使用环境。即正是操作系统把一个裸机变成了一个可“操作”的、方便灵活的计算机系统。另一方面，因为计算机中的程序数据大多以文件形式存放在外存储器中，而构成文件系统，接受操作系统的管理。所以，尽管操作系统处于系统软件的最低层，但却是其他所有软件的管理者。我们看到，操作系统层在计算机系统层次结构中是特殊的、极为重要的一层，它不仅接受硬件层提供的服务并向上层的系统实用软件层、应用软件层提供服务，而且还管理着全系统的硬件和软件资源。,系统实用软件层由一组系统实用程序(utility)组成，如语言编译程序(compiler)、文本编辑程序(text editor)、调试程序(debugg
6、ing utility)、连接程序(linker)和系统维护程序(maintenance program)等。系统实用程序的功能是为应用软件以及用户加工自己的程序和数据提供服务，并为管理员对系统进行日常维护提供手段。例如:Microsoft 32位Windows操作系统的基础是32位内核，由内核进行系统调度和内存管理。另外由于32位操作系统支持32位设备驱动器，因此操作系统和设备间的通信就更为迅速。32位Windows操作系统的其他许多,特性来源于它对Win32 API的支持。这个API集合只能由32位内核系统，如Windows NT和Windows95/98方能完全实现。使用Win32 AP
7、I的好处是支持长文件名，可安装32位文件系统，并能更好地管理系统资源。 应用软件层中的各类软件，如数据库管理系统、办公自动化系统、事务处理系统等等。,1.1.3 操作系统的功能,前面我们从计算机系统的层次结构的观点，讨论了操作系统这个最基本的系统软件与系统硬件以及上层的系统实用软件、应用软件的关系。现在再从资源管理的观点，进一步看看操作系统应具备哪些功能。 引入操作系统的目的有如下两方面: （1）操作系统要方便用户使用。一个好的操作系统应给用户使用计算机提供一个良好的界面,使用户不必了解硬件和系统软件的细节就可方便地使用计算机。这里的 “用户”是一个广义的概念,不仅包括系统的一般用户、系统管理
8、员，还应包括系统实用软件的设计者。,（2）操作系统应最大限度地发挥计算机系统资源的使用效率。这里的系统资源既包括CPU、内存、外围设备等硬件资源，也包括程序和数据等软件资源（亦称信息资源）。应合理地组织计算机的工作流程，使这些硬、软件资源为多个用户所共享。 为了实现上述目标，操作系统通常具备以下五个方面的功能。,1.进程管理 进程管理主要是对处理机进行管理。CPU是计算机系统中最宝贵的硬件资源。为了提高它的利用率，采用了多道程序技术。如果一个程序因等待某一条件而不能运行下去时，就把处理机占用权转交给另一个可运行的程序。或者出现了一个比当前运行的程序更重要的可运行的程序时，后者应能抢占CPU。为
9、了描述多道程序的并发执行，就要引入进程的概念。通过进程管理协调多道程序之间的关系，以使CPU资源得到最充分的利用。,2.存储管理 内存（又称主存）是另一宝贵的硬件资源。虽然RAM芯片的集成度不断地提高、价格不断地下降，但需求量大，内存整体的价格仍较昂贵，而且受CPU灵址能力的限制，内存的容量也有限。因此，当多个程序共享有限的内存资源时，如何为它们分配内存空间，使它们既彼此隔离、互不侵扰，又能保证在一定条件下调用，尤其是当内存不够用时，如何把当前未运行的程序及数据及时调出内存，要运行时再从外存调入内存等等，都是存储管理的任务。,3.设备管理 设备管理是指计算机系统中除了CPU和内存以外的所有输入
10、、输出设备的管理。除了进行实际/O操作的设备外，还包括诸如设备控制器、DMA控制器、通道等支持设备。外围设备的种类繁多。功能差异很大。这样，设备管理的首要任务是为这些设备提供驱动程序或控制程序，以使用户不必详细了解设备及接口的技术细节，就可方便地对这些设备进行操作。另一任务就是利用中断技术，DMA技术和通道技术，使外围设备尽可能与CPU并行工作，以提高设备的使用效率并提高整个系统的运行速度。,4.文件管理 程序和数据以文件形式存放在外存储器（如磁盘、光盘、磁带）中，需要时在把它们装入内存。文件包括的范围很广，例如用户作业、源程序、目标程序、初始数据、结果数据等等，而且各种系统软件甚至操作系统本
11、身也是文件。因此，文件是计算机系统中除CPU、内存，外围设备以外的另一类资源即软件资源。有效的组织、存储、保护文件，以使用户方便、安全地访问它们，是操作系统文件管理的任务。,对上述四种资源的管理，其彼此之间并非是完全独立的它们之间存在着相互依赖的关系。对每一种资源的管理，操作系统都要做到：记录资源的使用情况；以某种策略分配资源；回收资源。操作系统常借助于一些表、队列等数据结构来实施管理功能。 除了上述四功能之外，操作系统还应该向用户直接提供使用它自己的手段，这就是操作系统的作业管理功能。,5.作业管理 所谓作业,就是用户在一次算题过程中,或一次事物处理中,要求计算机系统所做工作的集合。例如，我
12、们用FORTRAN语言编制了一个算题程序，那么要经过下列步骤：把源程序读入系统，对源程序进行编译，运行目标程序，打印输出结果。上述每一步骤称为作业步，它们的总和完成了一个作业。用户应该如何向系统提交作业，操作系统应该如何组织和调度它们的运行来提高整个系统的运行效率？这就是作业管理的任务。,以系统层次结构和资源管理两个角度考察操作系统后，我们可以较完整地了解什么是操作系统了。 中和上述我们给出了操作系统的定义：操作系统是一种管理计算机系统资源（软、硬件），控制系统工作流程，方便用户使用计算机的系统软件。,1.2 操作系统分类,不同的硬件结构，尤其是不同的应用环境，应有不同类型的操作系统，以实现不
13、同的追求目标。通常，将操作系统分成如下三类： 批处理系统(Batch Processing System) 分时系统(Time-sharing System) 实时系统(Real-time System),1.2.1 批处理系统 1.2.2 分时系统 1.2.3 实时系统 1.2.4 网络操作系统 1.2.5 通用操作系统,1.2.1 批处理系统,批处理系统的设计目标是提高系统资源的使用效率和作业吞吐量(单位时间里处理作业的个数)。 这类操作系统要求用户使用系统提供的作业控制语言，来描述自己对作业运行的控制意图，并将这些控制信息连同自己的程序和数据一起作为一个作业提交给操作员。操作员启动有关程
14、序将一批作业输入到计算机外存，由操作系统去控制、调试各作业的运行并输出结果。由于作业进入计算机系统后，用户不再对作业的运行进行人工干预，从而提高了系统的运行效率。,早期的批处理系统是单道的，一个作业调入内存后要直到正常运行结束或因某种原因运行不下去而中途退出后，系统才去调入下一个作业。作业总是一个地顺序运行，当一个作业运行时它便独占了全机所有资源。显然，尽管这种单道批处理系统减少了作业交接时的机时浪费，但整个系统资源利用率和运行效率还是很低的。其主要原因是处理机和输入/输出设备的串行工作方式，当作业进行输入/输出操作时处理机在空闲着，等待输入/输出操作的完成，这就浪费了大量的处理机时间。为提高
15、处理机资源的利用率，应尽可能地使处理机与输入/输出设备并行工作，这样便相应地出了多道技术。多道（multiprpgramming）是指在内存中同时存放若干道用户作业允许这些作业在系统中交替地运行。如果这些作业搭配得合理，就能使处理机与输入/输出设备高度并行工作，当然，这还需要道和中断机构等硬件的支持。多道技术看似简单，实践起来并不容易，如何使内存中的多道作业有条不,地运行，如何为它们分配资源，这促进了操作系统的重大进步。将多道技术引入批处理系统，就成为一个多道批处理系统。现代计算机上的批处理系统，差不多是多道批处理系统。其工作流程大致如下：各用户使用操作系统提供的作业控制语言，描述作业运行时的
16、控制意图以及对资源的需求，然后将程序、数据以及这些信息一并交给操作员；操作员可随时把一批批作业交给系统。在外存中存放在量后备作业，系统根据一定的原则从后备作业中选择搭配合理的若干作业调入内存。搭配合理主要是指作业的选择既能充分利用系统各类资源又能满足不同用户的响应时间要求。在内存中的作业按多道方式组织它们的运行。,单道程序技术和多道程序系统的对比图,例如：某个作业因等待输入输出操作的完成而暂时不能继续运行下 去时，系统就使另一作业投入运行。这样，内存中的多个作业交替运行，某个作业运行完毕，系统输出它的运行结果并回收分配给它的资源，系统再从外存中调入另一个作业。作业不断地流入系统，形成一个不断的作业流。这样的系统，系统资源利用率高，作业吞吐量大。 批处理系统的主要缺点是用户使用不太方便。用户把作业提交给系统后，无法对作业运行中可能出现的意外情况进行干预，于是可能是程序中一个很小的错误就导致了它无法继续运行。这种情况特别不利于程序的调试。,1.2.2 分时系统,一台计算机连接多个终端，用户通过各自的终端把作业送入计算机，计算机又通过终端向各用户报告其作业的运
