第一章操作系统引论.ppt

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第一章第一章操作系统引论操作系统引论张张琦琦1前言前言由于操作系统（由于操作系统（OS）是计算机最重要）是计算机最重要的系统软件，同时的系统软件，同时OS也是计算机领域中最也是计算机领域中最活跃的学科之一，其更新、发展的速度十活跃的学科之一，其更新、发展的速度十分迅速。

分迅速。

本课程不是讨论某一个特定的操作系统，本课程不是讨论某一个特定的操作系统，而是就一般情况，从功能及应用的角度，而是就一般情况，从功能及应用的角度，讨论操作系统的组成、原理及各种不同的讨论操作系统的组成、原理及各种不同的实现的机制。

实现的机制。

2为什么学习操作系统为什么学习操作系统v加深对使用的操作系统的理解，有利于深入编程；加深对使用的操作系统的理解，有利于深入编程；用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道v编程时借鉴操作系统的设计思想和算法（比如插件编程时借鉴操作系统的设计思想和算法（比如插件开发、微内核）开发、微内核）v操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他领域其他领域v存在人们意识不到的大量存在人们意识不到的大量“操作系统操作系统”（如（如:

嵌入式嵌入式系统家电、手机）系统家电、手机）v设计操作系统或者修改现有的系统设计操作系统或者修改现有的系统v选择购买操作系统：

因为我们并不总使用选择购买操作系统：

因为我们并不总使用Windows2000/XP3操作系统涉及到计算机科学很多领域操作系统涉及到计算机科学很多领域计算机体系结构计算机体系结构/硬件硬件软件设计软件设计程序设计语言程序设计语言数据结构数据结构算法算法网络网络学习核心技术并能在其他地方应用学习核心技术并能在其他地方应用操作系统是目前最复杂的软件系统操作系统是目前最复杂的软件系统4如何学好本课程如何学好本课程v1、理论学习、理论学习v2、实验、实习、实验、实习v3、源代码分析、参与（、源代码分析、参与（Linux）5内容内容1.1操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用1.2操作系统的发展过程操作系统的发展过程1.3操作系统的基本特性操作系统的基本特性1.4操作系统的主要功能操作系统的主要功能1.5OS结构设计结构设计61.1操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用v1.1.1操作系统的目标操作系统的目标目前存在着多种类型的目前存在着多种类型的OS，不同类型的不同类型的OS，其目标各有所侧重。

通常在计算机硬件上配置其目标各有所侧重。

通常在计算机硬件上配置的的OS，其目标有以下几点：

其目标有以下几点：

1.方便性方便性2.有效性有效性3.可扩充性可扩充性4.开放性开放性71.1操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用v1.1.2操作系统的作用操作系统的作用n1.OS作为作为用户用户与与计算机硬件系统计算机硬件系统之间的接口之间的接口含义含义是：

是：

OS处于用户与计算机硬件系统之间，处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过用户通过OS来使用计算机系统。

或者说，用户来使用计算机系统。

或者说，用户在在OS帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。

操纵计算机硬件和运行自己的程序。

应注意，应注意，OS是一个系统软件，因而这种接口是是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。

软件接口。

81.1操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用图图1-1OS作为接口的示意图作为接口的示意图91.1操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用

（1）命命令令方方式式。

这这是是指指由由OS提提供供了了一一组组联联机机命命令令（语语言言），用用户户可可通通过过键键盘盘输输入入有有关关命命令令，来来直直接接操操纵计算机系统。

纵计算机系统。

（2）系系统统调调用用方方式式。

OS提提供供了了一一组组系系统统调调用用，用用户户可可在在自自己己的的应应用用程程序序中中通通过过相相应应的的系系统统调调用用，来来操纵计算机。

操纵计算机。

（3）图图形形、窗窗口口方方式式。

用用户户通通过过屏屏幕幕上上的的窗窗口口和和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。

101.1操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用n2.OS作为计算机系统资源的管理者作为计算机系统资源的管理者归归纳纳起起来来可可将将计计算算机机资资源源分分为为四四类类：

处处理理器器、存存储储器器、I/O设备以及信息设备以及信息（数据和程序数据和程序）。

OS的的主主要要功功能能是是：

处处理理机机管管理理，用用于于分分配配和和控控制制处处理理机机；存存储储器器管管理理，主主要要负负责责内内存存的的分分配配与与回回收收；I/O设设备备管管理理，负负责责I/O设设备备的的分分配配与与操操纵纵；文文件件管管理理，负负责责文文件件的存取、共享和保护。

的存取、共享和保护。

可可见见，OS确确是是计计算算机机系系统统资资源源的的管管理理者者。

事事实实上上，当当今今世世界界上上广广为为流流行行的的一一个个关关于于OS作作用用的的观观点点，正正是是把把OS作为计算机系统的资源管理者。

作为计算机系统的资源管理者。

111.1操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用n3.OS实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资源的抽象对对于于一一台台完完全全无无软软件件的的计计算算机机系系统统（即即裸裸机机），即即使使其其功功能再强，也必定是难于使用的。

能再强，也必定是难于使用的。

通常把覆盖了软件的机器称为通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器扩充机器或虚机器。

如如果果我我们们又又在在第第一一层层软软件件上上再再覆覆盖盖上上一一层层文文件件管管理理软软件件，则则用用户户可可利利用用该该软软件件提提供供的的文文件件存存取取命命令令，来来进进行行文文件件的的存存取取。

此此时时，用用户户所所看看到到的的是是台台功功能能更更强强的的虚虚机机器。

器。

OS是铺设在计算机硬件上的多层系统软件。

是铺设在计算机硬件上的多层系统软件。

121.1操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用v1.1.3推动操作系统发展的主要动力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不断提高计算机资源利用率2.2.方便用户方便用户3.3.器件的不断更新换代器件的不断更新换代4.4.计算机体系结构的不断发计算机体系结构的不断发展展131.2操作系统的发展过程操作系统的发展过程v1.2.1无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统n1.人工操作方式人工操作方式从从第第一一台台计计算算机机诞诞生生（1945年年）到到50年年代代中中期期的的计计算算机机，属属于于第第一一代代，这这时时还还未未出出现现OS。

这这时时的的计计算算机机操操作作是是由由用用户户（即即程程序序员员）采采用用人人工工操操作作方方式式直直接接使使用用计计算算机机硬硬件件系系统。

这种人工操作方式有以下两方面的缺点：

统。

这种人工操作方式有以下两方面的缺点：

（1）用户独占全机。

用户独占全机。

（2）CPU等待人工操作。

等待人工操作。

141.2操作系统的发展过程操作系统的发展过程n2.脱机输入脱机输入/输出输出（Off-LineI/O）方式方式这种脱机这种脱机I/O方式的主要优点如下：

方式的主要优点如下：

（1）减少了减少了CPU的空闲时间。

的空闲时间。

（2）提高提高I/O速度。

速度。

脱机脱机I/O示意图示意图151.2操作系统的发展过程操作系统的发展过程v1.2.2单道批处理系统单道批处理系统n1.单道批处理系统的处理过程单道批处理系统的处理过程（SimpleBatchProcessingSystem）单道批处理系统的处理流程单道批处理系统的处理流程161.2操作系统的发展过程操作系统的发展过程n2.单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征单道批处理系统是最早出现的一种单道批处理系统是最早出现的一种OS，严，严格地说，它只能算作是格地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在的前身而并非是现在人们所理解的人们所理解的OS。

尽管如此，该系统比起人工。

尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。

操作方式的系统已有很大进步。

该系统的主要该系统的主要特征如下：

特征如下：

（1）自动性。

自动性。

（2）顺序性。

顺序性。

（3）单道性。

单道性。

171.2操作系统的发展过程操作系统的发展过程v1.2.3多道批处理系统多道批处理系统（MultiprogrammedBatchProcessingSystem）n1.多道程序设计的基本概念多道程序设计的基本概念为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序设计技术，由此而形成了多年代中期又引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统。

道批处理系统。

在该系统中，在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为并排成一个队列，称为“后备队列后备队列”；然后，由；然后，由作业调作业调度程序度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。

和系统中的各种资源。

181.2操作系统的发展过程操作系统的发展过程程序程序A程序程序B程序程序C程序程序D调度程序调度程序程序程序AI/O请求请求程序程序BI/O请求请求程序程序CI/O请求请求程序程序DI/O请求请求程序程序AI/O完成完成程序程序BI/O完成完成程序程序A再次被调度再次被调度程序程序CI/O完成完成tv观察下面多道程序系统的工作情况：

观察下面多道程序系统的工作情况：

多道程序系统的工作情况多道程序系统的工作情况191.2操作系统的发展过程操作系统的发展过程v单道与多道程序系统对比单道与多道程序系统对比用户程序用户程序监督程序监督程序I/O操作操作I/O中断请求中断请求启动启动I/OI/O完成完成结束中断结束中断I/O中断请求中断请求启动启动I/OI/O完成完成结束中断结束中断t1t2t3t4t5t6t7t8程序程序A程序程序B程序程序C程序程序D调度程序调度程序程序程序AI/O请求请求程序程序BI/O请求请求程序程序CI/O请求请求程序程序DI/O请求请求程序程序AI/O完成完成程序程序BI/O完成完成程序程序A再次被调度再次被调度程序程序CI/O完成完成t多道程序系统多道程序系统单道程序系统单道程序系统201.2操作系统的发展过程操作系统的发展过程n2.多道批处理系统的特征多道批处理系统的特征n3.多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点

（1）多道性。

多道性。

（2）无序性。

无序性。

（3）调度性。

调度性。

（1）资源利用率高。

资源利用率高。

（2）

（2）系统吞吐量大。

系统吞吐量大。

（3）（3）平均周转时间长。

平均周转时间长。

（4）（4）无交互能力。

无交互能力。

211.2操作系统的发展过程操作系统的发展过程n4.多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统需要解决的问题

（1）处理机管理问题。

处理机管理问题。

（2）

（2）内存管理问题。

内存管理问题。

（3）（3）I/O设备管理问题。

设备管理问题。

（4）（4）文件管理问题。

文件管理问题。

（5）（5）作业管理问题。

作业管理问题。

221.2操作系统的发展过程操作系统的发展过程v1.2.4分时系统（分时系统（TimeSharingSystem）所谓所谓“分时分时”是指多个用户对系统资源进行时间上的分享。

是是指多个用户对系统资源进行时间上的分享。

是通过分配通过分配“时间片时间片”（TimeSliceTimeSlice）来实现的。

来实现的。

n1.1.主要特点主要特点多路性多路性一台主机同时连接多台终端，系统支持多一台主机同时连接多台终端，系统支持多个终端用户同时工作，按照分时原