操作系统(第三版)+刘振鹏 第1章 引论

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1、操作系统(第三版),第1章 引论,第一章引论,1-1操作系统的概念 1-2操作系统的形成与发展 1-3研究操作系统的几种观点 1-4操作系统的功能与特征 1-5操作系统的硬件环境,1.1操作系统的概念,1-1-1 计算机系统 计算机系统由硬件(子)系统和软件(子)系统组成。 -硬件(子)系统 计算机硬件是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种计算机部件和计算机设备。这些部件和设备依据计算机系统结构的要求构成的有机整体，称为计算机硬件系统。计算机硬件系统主要由运算器、主存储器、控制器、输入输出控制系统、辅助存储设备等功能部件组成。 -软件(子)系统 软件是计算机系统中的程序和有关的文件

2、。程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述；文件是为了便于了解程序所需的资料说明 。,1.1操作系统的概念,按照应用的观点，软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件三类 系统软件 位于计算机系统中最靠近硬件的一层，其他软件一般都通过系统软件发挥作用 。如编译程序和操作系统等。 支撑软件 即支撑其他软件的编制和维护的软件 。主要包括各种接口软件和工具组 。 应用软件 特定应用领域专用的软件，例如字处理程序。,1.1操作系统的概念,计算机系统的层次结构 最下面是硬件系统；最上面是使用计算机的人，即各种各样的用户；人与硬件系统之间是软件系统。系统软件是最靠近硬件的一层，其次是支撑软件和应用软件。,1.

3、1操作系统的概念,1-1-2 什么是操作系统 操作系统的地位 操作系统实际上是一个计算机系统中硬、软件资源的总指挥部。 操作系统定义 是计算机系统中的一个系统软件，是能有效地组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效地运行的一组程序模块的集合。,1.1操作系统的概念,操作系统主要有两方面的主要作用 管理系统中的各种资源 ，包括硬件资源和软件资源 为用户提供良好的界面 1-1-3 操作系统的目标 方便性 有效性 可扩充性 开放性,1.2操作系统的形成与发展,1-2-

4、1 操作系统形成 无操作系统时的计算机系统 人工操作方式 由用户(即程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统缺点：用户独占全机、CPU等待人工操作 脱机输入输出方式 程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下完成 优点：减少了CPU的空闲时间、提高I/O速度,1.2操作系统的形成与发展,单道批处理系统 系统对作业的处理都是成批地进行的、且在内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理系统 。 特征： 自动性 顺序性 单道性,1.2操作系统的形成与发展,多道批处理系统 多道程序设计的基本概念 把一个以上的作业(程序)存放在主存中，并且同时处于运行状态，共享处理机时间和外部设备等其他资源的方法。

5、 优点：提高了CPU的利用率 提高了内存和I/O设备的利用率 增加系统吞吐量,1.2操作系统的形成与发展,多道批处理系统的特征 多道性 无序性 调度性:作业调度和进程调度 多道批处理系统的优缺点 优点：资源利用率高、系统吞吐量大 缺点：平均周转时间长、无交互能力 多道批处理系统需要解决的问题 处理机管理问题 内存管理问题 I/O设备管理问题 文件管理问题 作业管理问题,1.2操作系统的形成与发展,分时系统 分时系统的产生 人机交互、共享主机、便于用户上机 分时系统实现中的关键问题 及时接收、及时处理 分时系统的实现方法 作业直接进入内存 规定每个程序只运行一个时间片的时间 具体方法有以下几种：

6、单道分时系统、具有“前台”和“后台”的分时系统、多道分时系统,1.2操作系统的形成与发展,分时系统的特征 - 多路性 - 独立性 - 及时性 - 交互性 实时系统 实时系统的引入 实时控制、实时信息处理 实时系统定义 实时：所谓“实时”，是表示“及时”、“即时” 实时系统：实时系统是指系统能及时（或即时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行,1.2操作系统的形成与发展,实时任务的类型 按任务执行时是否呈现周期性来划分：周期性实时任务、非周期性实时任务 根据对截止时间的要求来划分 ：强实时任务 、弱实时任务 实时系统与分时系统的比较 多路性 独立性

7、 及时性 交互性 可靠性,1.2操作系统的形成与发展,1-2-2 操作系统的进一步发展 微机操作系统 配置在微机上的操作系统称为微机操作系统 单用户单任务操作系统 只允许一个用户上机、且只允许用户程序作为一个任务运行 例如：CP/M、MS-DOS 单用户多任务操作系统 只允许一个用户上机，但允许将一个用户程序分成若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善系统的性能 例如：OS/2、MS Windows、Linux,1.2操作系统的形成与发展,多用户多任务操作系统 允许多个用户通过各自的终端，使用同一台主机，共享主机系统中的各类资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们并发执行 例如：U

8、NIX 多处理机操作系统 多处理机系统的引入 增加系统的吞吐量 节省投资 提高系统的可靠性 多处理的类型 紧密耦合MPS、松散耦合MPS 多处理机操作系统的类型 非对称多处理机模式（主-从模式）、对称多处理机模式,1.2操作系统的形成与发展,网络操作系统 计算机网络可以定义为一些互连的自主计算机系统的集合 计算机网络的类型 按网络拓扑结构分：星型网络、树型网络、总线型网络 环型网络、网状型网络 按网络地理范围分：广域网WAN、局域网LAN 网络操作系统模式 客户机/服务器(C/S)模式 、对等模式 网络操作系统的功能 网络通信、资源管理、网络服务、网络管理、互操作能力,1.2操作系统的形成与发

9、展,分布式操作系统 分布式系统 集中式处理系统：处理和控制功能都高度地集中在一台主机上，所有的任务都有主机处理 分布式处理系统：由多个分散的处理单元经互连网络的连接而形成的系统，每个处理单元既具有高度的自治性，又相互协同 ，并行地运行分布式程序 分布式操作系统与网络操作系统的比较 分布性、并行性、透明性、共享性、健壮行,1.2操作系统的形成与发展,嵌入式操作系统 概念 嵌入式系统在用来控制设备的计算机中运行，这种设备不是一般意义上的计算机，并且不允许用户安装软件。 特点 可装卸性。 强实时性。 统一的接口。 操作方便、简单、提供友好的图形GUI，图形界面，追求易学易用。 提供强大的网络功能，

10、强稳定性，弱交互性。 固化代码 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。,1.2操作系统的形成与发展,1-2-3 推动操作系统发展的主要动力 -不断提高计算机资源利用率的需要 -方便用户 -器件的不断更新换代 -计算机体系结构的不断发展,1.3研究操作系统的几种观点,1-3-1 软件的观点 从软件的观点来看，操作系统有其作为软件的外在特性和内在特性 1-3-2 计算机系统资源管理的观点 操作系统的主要功能是针对处理机、存储器、I/O设备、文件这四类资源进行有效的管理 1-3-3 进程的观点 把操作系统看作由若干进程和一个对进程进行协调的核心所组成。每个进程都完成某一特定任务，而操作系统的核心则控

11、制和协调这些进程的运行，解决进程之间的通信,1.3研究操作系统的几种观点,1-3-4 用户与计算机硬件系统之间接口的观点 操作系统处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过操作系统来使用计算机。 用户可以通过以下两种方式来使用计算机 ：命令方式、系统调用方式 1-3-5 虚机器观点 操作系统为用户使用计算机提供了许多服务功能和良好的工作环境，把计算机扩充为功能更强、使用更加方便的计算机系统,1.3研究操作系统的几种观点,1-3-5 服务提供者观点 操作系统提供了程序执行的环境，也为程序和用户提供了一系列的操作系统服务。 操作系统提供公共服务类型包括 ： 程序执行 I/O操作 文件系统操纵 通信 差

12、错检测,1.4操作系统的功能与特点,通用操作系统 一个系统兼有批量处理、分时处理和实时处理三者或其中两者的功能，而形成通用操作系统 1-4-1 操作系统的功能 处理机管理功能 进程控制、进程同步、进程通信、调度 存储器管理的功能 内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充 设备管理功能 缓冲管理、设备分配、设备处理、设备独立性和虚拟设备,1.4操作系统的功能与特点,文件管理功能 文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制 用户接口 命令接口 包括联机用户接口和脱机用户接口 程序接口 图形接口 1-4-2 操作系统的特征 并发 并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生 并发性是指两个或多个

13、事件在同一时间间隔内发生 共享 互斥共享方式、同时访问方式,1.4操作系统的功能与特点,虚拟 通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物 异步性,1.5 操作系统结构设计,1-5-1 传统的操作系统结构 模块化结构操作系统 采用模块化程序设计技术 模块化结构设计方法较之无结构的操作系统具有以下明显的优点： 提高了操作系统设计的正确性、可理解性和可维护性。 增强了操作系统的可适应性。 加速了操作系统的开发过程。,1.5 操作系统结构设计,结构化设计方法的仍存在着下述问题： 对模块的划分及对接口的规定要精确描述很困难。 从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别。,1.5 操

14、作系统结构设计,层次结构操作系统 方法 将操作系统分成若干层；每一层实现一组基本概念以及与其相关的基本属性。层与层之间的相互关系要满足：所有各层的实现不依赖其以上各层所提供的概念及其属性，只依赖其直接下层所提供的概念及属性；每一层均对其上各层隐藏其下各层的存在。 优点： 易保证系统的正确性。 易扩充性和易维护性。 层次结构的主要缺点就是系统效率低。,1.5 操作系统结构设计,1-5-2 现代操作系统结构 微内核 特点： 足够小的内核。 基于客户/服务器模式。 应用机制和策略分离的技术。 采用面向对象的技术。 微内核虽然带来了诸多的优点，但不可否认微内核较早期的操作系统而言，运行效率有所降低。,

15、1.5 操作系统结构设计,1.5 操作系统结构设计,微内核 一个微内核思想的略微变体是将进程划分为两类：服务器，每个服务器提供某种服务；客户端，使用这些服务。这个模式就是所谓的客户机-服务器模式。 通常，在系统最底层是微内核，但并不是必须这样的。 这个模式的本质是存在客户端进程和服务器进程。,1.6 操作系统的硬件环境,任何系统软件都是硬件功能的延伸，并且都是建立在硬件基础上的，离不开硬件设施的支持。而操作系统更是直接依赖于硬件条件，与硬件的关系尤为密切 1-6-1 中央处理机（CPU） CPU的构成与基本工作方式 一般的处理机由运算器、控制器、一系列的寄存器以及高速缓存构成。 处理机中的寄存

16、器 寄存器为处理机本身提供了一定的存储能力，它们的速度比主存储器快得多，但是因为造价很高，存储容量一般都很小。 处理器一般包括两类寄存器：用户可见寄存器、控制和状态寄存器（如PC、IR、PSW）,1.6操作系统的硬件环境,指令执行的基本过程 特权指令和非特权指令 特权指令 在指令系统中那些只能由操作系统使用的指令 非特权指令 允许一般的用户使用的指令,1.6操作系统的硬件环境,处理机的状态 管态（特权态、特态、系统态） 指操作系统管理程序运行的状态。可以执行全部指令，使用所有资源，具有改变处理机状态的能力 目态（普通态、普态、用户态） 指用户程序运行时的状态。只能执行非特权指令 有些系统分为核心状态、管理状态和用户程序状态 程序状态字PSW 用来指示处理器状态，通常包括以下状态代码： CPU的工作状态代码 条件码 中断屏蔽码,1.6操作系统的硬件环境,1-6-2 存储系统 存储器的类型 读写型存储