《《操作系统原理及应用（Linux）（第二版）》-王红-电子教案 第1章 操作系统概论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《操作系统原理及应用（Linux）（第二版）》-王红-电子教案 第1章 操作系统概论（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第1章 操作系统概论,本章学习目标 本章主要讲解操作系统的基本知识。 通过本章学习，读者应该掌握以下内容： 操作系统的功能和地位 操作系统的发展过程 操作系统的特征 操作系统的结构,第1章 操作系统概论,1,1.1 操作系统的地位 1.2 操作系统的功能 1.3 操作系统的发展过程 1.4 操作系统的特性 1.5 操作系统的体系结构 1.6 LINUX 介绍 本章小结,教学内容,1.1 操作系统的地位,计算机系统是分层次的，最低层是未配置任何软件的硬件裸机，硬件之上是软件，软件又分为若干层次，最低层是操作系统。操作系统是覆盖在裸机之上的第一层软件，它直接控制、管理各种硬件资源。所以操作系统是整
2、个计算机系统的控制管理中心。,第1章 操作系统概论,3,1.2 操作系统的功能,操作系统是计算机系统中具有一定功能的软件系统。操作系统的目标是方便用户使用计算机系统和提高计算机系统资源利用率。,第1章 操作系统概论,4,1.2.1 提供人机接口,1作业控制级接口 作业：用户上机所作的一系列顺序相关的工作。一道作业由若干顺序相关的作业步构成。例如，我们上机编程要经历如下步骤：,第1章 操作系统概论,5,第1章 操作系统概论,6,编 辑,编 译,连 接,运 行,源程序,目标程序,可执行程序,以上作业的工作流程要由用户按自己的需求进行控制，因此要提供给用户控制作业工作流程的手段，这是由操作系统提供的
3、，称为作业级接口。作业级接口由一组用户可直接使用控制作业运行的命令和命令解释器构成。该接口又可进一步分为联机用户接口和脱机用户接口。,第1章 操作系统概论,7,（1）联机用户接口,由一组键盘字符命令（或鼠标命令）和命令解释器组成，使用户可以联机交互方式使用计算机。用户每次键入一个合法命令（解释器能执行的命令），启动一个作业步；一个作业步运行完毕后，再键入下一个命令名，启动下一个作业步。在一个作业步结束后，若发现错误，可以由用户修正错误，然后重新启动该作业步。用户可根据作业运行情况随时进行作业步的调整。,第1章 操作系统概论,8,（2）脱机用户接口,操作命令的形式为作业控制语言，用户以脱机批处理
4、方式使用计算机。用户对作业流程的控制意图是利用作业控制语言书写成一份作业说明书来表达的。上机时，用户将作业控制说明书交给系统，系统逐条解释执行说明书中的命令。在这种方式下，用户一旦提交了作业，作业流程就由操作系统根据作业控制说明书自动控制，用户无法干预该作业的运行。因此，用户必须事先设计好作业流程，还要预测作业运行过程中可能出现的错误，并给出发生错误时的处理方法。,第1章 操作系统概论,9,2程序级接口,操作系统提供的程序级接口由一组系统功能调用命令以及完成这些命令的程序模块组成。为方便用户编程，提高编程效率，规范编程，操作系统提供了完成某些通用功能的程序提供用户在开发应用程序时调用。不同的操
5、作系统提供了不同的系统功能调用以及调用方式。如DOS的系统功能调用主要是进行硬件驱动，以软中断INT 21H的方式提供。,第1章 操作系统概论,10,Windows中的系统功能调用要比DOS丰富，且层次要高，不只局限于硬件驱动，以用户可在编程语言中使用的应用编程接口函数的方式提供，称为APIApplication Programming Interface 。使用Windows的API函数，可以提高编程效率，并规范Windows环境下的编程，如可开发具有统一风格的应用程序窗口界面，这会使得软件用户能很快熟悉该软件的窗口界面而不必重新学习。,第1章 操作系统概论,11,1.2.2 管理计算机资源
6、,计算机系统中的资源包括硬件资源和软件资源。 硬件资源有：处理机、存储器、外部设备； 软件资源有：程序和数据。,第1章 操作系统概论,12,1. 处理机管理,处理机的任务是运行程序，我们把程序在某个数据对象上的一次运行过程称为进程，处理机管理又称为进程管理。 在单处理机系统中，程序有两种运行方式：单道程序顺序执行，多道程序并发执行。,第1章 操作系统概论,13,单道程序顺序执行：要执行的多个程序按一定次序依次执行，一个程序运行完毕才能运行下一个程序，即在一个程序运行期间不插入运行其他程序。这种运行方式的优点是实现简单，不需要在多个进程之间进行转换；缺点是资源利用率低。 多道程序并发执行：在内存
7、中同时存放多道程序，按一定策略调度多道程序交叉运行，形成“微观上串行、宏观上并行”的情况。这使得处理机和设备可以并行工作，当某个进程在进行输入输出操作时，可以同时有另一个进程在处理机上进行计算。,第1章 操作系统概论,14,2. 存储管理,计算机系统采用了冯诺依曼提出的存储程序原理，即把要运行的程序先一次性存放在存储器中，然后由处理机自动从存储器中依次取出程序指令运行，处理机的运行过程就是不断地取指令、执行指令循环往复的过程，每次取一条指令，执行一条指令。则存储器是计算机系统中的重要资源与处理机一起称为计算机系统中的主机。因此，程序的运行机构不只是处理机，而是由处理机和存储器构成的主机。,第1
8、章 操作系统概论,15,在多道程序环境中，要在内存中同时存放多道程序，则必须对内存进行合理管理以保证程序的顺利运行，并提高内存的利用率。 操作系统提供如下存储管理功能： （1）内存分配 （2）地址转换 （3）内存保护 （4）内存扩充,第1章 操作系统概论,16,3. 设备管理,设备管理的任务是：接受用户程序提出的I/O请求，为用户程序分配I/O设备；使CPU和I/O设备并行操作，提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户程序使用I/O设备。为完成以上任务，操作系统的设备管理子系统应该具有设备分配、缓冲管理、设备驱动、设备无关性等功能。,第1章 操作系统概论,17,设备无关性又称设
9、备独立性。即用户编写的应用程序与实际使用的物理设备无关。用户编写的应用程序中不直接指定使用哪台具体的物理设备，而是使用操作系统提供的逻辑设备，然后由操作系统把用户程序中使用的逻辑设备映射到具体的物理设备，实施具体的I/O操作。这样做的一个明显好处是用户应用进程的运行不取决于某台具体物理设备的状态，而由操作系统为其分配一台合适的设备完成I/O操作。这样会避免出现有设备可用但进程却无法运行的情况。,第1章 操作系统概论,18,4. 文件管理,计算机系统中的软件资源（程序和数据的集合）不是一次性用品，用了一次后就再也不用了，而是要反复利用的，因此要永久保存（相对于内存的暂时存储而言）起来，如银行中的
10、存贷款数据、学校的学籍管理软件和学籍数据等等。软件资源以文件的形式存放在外部存储介质中，供用户反复使用。,第1章 操作系统概论,19,操作系统中对文件进行管理的子系统称为文件系统，文件系统的任务是：为用户提供一种简便的、统一的存取和管理文件的方法，对用户而言，按名存取是一种简便的存取文件的手段；实现文件的共享；维护文件的秘密和安全。,第1章 操作系统概论,20,文件管理具体有如下功能： （1）文件存储空间的管理 （2）目录管理 （3）文件操作 （4）文件的存取权限控制 根据以上所述操作系统的功能，我们可以给操作系统下一个描述性的定义： 操作系统是一个软件系统，它控制和管理计算机系统内各种硬件和
11、软件资源，提供用户与计算机系统之间的接口。,第1章 操作系统概论,21,1.3 操作系统的发展过程,1.3.1 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的需要 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,第1章 操作系统概论,22,1.3.2 无操作系统的计算机系统,此时，人们采用手工方式使用计算机，用户一个挨一个地轮流使用计算机。每个用户的工作过程大致是：先把程序纸带（或卡片）装到输入机上，然后启动输入机把程序和数据输入计算机存储器，接着利用控制台开关启动程序开始执行。计算结束，用户取走打印出来的结果，并卸下纸带.,第1章 操作系统概论,23,在这个过
12、程中，需要人工装卸纸带、人工控制程序运行。手工操作速度相对于计算机的运行速度而言是很慢的，因此在使用计算机完成某一工作的整个过程中，手工操作时间占了很大的比例，而计算机运行时间所占比例较小，这就形成了明显的人机矛盾，致使计算机资源利用率很低，从而使计算机工作效率很低。在早期计算机运行速度较慢的时候，这种状况还是可以容忍的。,第1章 操作系统概论,24,1.3.3 单道批处理系统,单道批处理系统在当时称为监督程序，是操作系统的雏形。监督程序常驻内存，在它的控制下，实现了作业的自动过渡，从而去掉了原先的作业过渡时的手工操作。此时，出现了汇编语言、高级语言编程工具，每一种语言编译程序（如汇编语言或某
13、种高级语言的编译程序）、实用程序（如连接程序）都作为监督程序的子例程，当需要用到它们时由监督程序进行调用。,第1章 操作系统概论,25,早期的批处理分为联机批处理和脱机批处理两种。 1. 联机批处理 操作员把一批作业装到输入设备上（纸带输入机/卡片阅读机），然后由监督程序控制把这批作业输入到磁带上，之后在监督程序的控制下，使这批作业一个接一个的连续执行，直至磁带上的所有作业运行完毕。,第1章 操作系统概论,26,第1章 操作系统概论,27,脱机批处理,输入带,卡片,1.3.4 多道批处理系统,为了进一步提高资源利用率，从而最终提高系统吞吐量（系统在单位时间内完成的总工作量），在60年代中期引入
14、了多道程序并发执行技术，从而形成了多道批处理系统。多道程序并发执行的基本思想是：在内存中同时存放多道程序，在操作系统的控制下交替执行。在多道批处理系统中，用户提交的作业都先存放在外存中并排成一个队列，称为后备队列，然后由作业调度程序按一定的策略从后备队列中选择若干作业调入内存，使它们并发运行，从而共享系统中的各种资源，提高资源利用率，最终提高系统吞吐量。,第1章 操作系统概论,28,多道程序并发执行系统的特征： （1）多道性 （2）调度性 （3）宏观上并行，微观上串行 （4）异步性,第1章 操作系统概论,29,1.3.5 分时系统,在分时系统中，虽然若干用户通过各自的终端共享一台主机，但是在操
15、作系统的管理下，每个用户都感觉自己在独占一台主机。分时系统采用的策略是：基于主机的高速运行，分时为终端用户服务。即主机按一定次序轮流为各终端用户服务，每个用户一次仅使用主机很短的一段时间（称为时间片，毫秒级），在分得的时间片内若用户没有完成工作则暂时中断，将处理机分配给下一个用户。虽然在一个用户使用主机时其他用户处于等待状态，但是等待的时间很短，用户感觉不到，从而每个用户的各次请求都能得到快速响应，给每个用户的印象是：他独占一台计算机。,第1章 操作系统概论,30,分时系统具有以下特征： （1）多个用户同时联机操作 （2）各用户独立 （3）交互性,第1章 操作系统概论,31,1.3.6 实时系
16、统,1. 实时控制 当把计算机用于生产过程的控制，以形成以计算机为中心的控制系统时，系统要求能实时采集现场数据，并对所采集的数据进行及时处理，进而自动地控制相应的执行机构，使某些（个）参数（如温度、压力、方位等）能按预定的规律变化。类似地，也可将计算机用于武器的控制，如火炮自动控制系统、飞机的自动驾驶系统，以及导弹的制导系统等。通常把要求进行实时控制的系统称为实时控制系统。,第1章 操作系统概论,32,2. 实时信息处理,通常，我们把要求对信息进行实时处理的系统，称为实时信息处理系统。该系统由一台或多台主机通过通信线路连接成百上千个远程终端，计算机接收从远程终端发来的服务请求，对数据进行检索和处理，并及时将结果反馈给用户。典型的实时信息处理系统有：飞机订票系统、情报检索实时系统的特征： （1）及时性 （2）可靠性,第1章 操作系统概论,33,1.3.7 微机操作系统,1. 单用户单任务操作系统 单用户单任务是指，只允许一个用户上机，用户要运行的多个程序要按一定次序依次执行，不能交替执行。这是最简单的微机操作系统，代表性产品是：CP/M和MS-DOS。,第1章 操
