自考 操作系统教案 第1章 引论.docx
《自考 操作系统教案 第1章 引论.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自考 操作系统教案 第1章 引论.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
自考操作系统教案第1章引论
操作系统
杨秀华
ysirweb@
目录
•第1章引论
•第2章计算机系统结构简介
•第3章处理器管理
•第4章存储管理
•第5章文件管理
•第6章设备管理
•第7章进程同步与进程通信
•第8章死锁
•第9章实验
内容提要
•本课程从操作系统实现资源管理的观点出发，阐述如何对计算机系统中的硬、软件资源进行管理，使计算机系统协调一致的、有效的为用户服务，充分发挥资源的使用效率，提高计算机系统的可靠性和服务质量。
第1章引论
•学习目的与要求：
•了解什么是操作系统，操作系统在计算机系统中的作用，操作系统做些什么，以及各类操系统的特点和UNIX操作系统概况。
•重点：
操作系统在计算机中的作用和各类操作系统的特点。
•考核知识点与考核要求
•1、计算机系统的组成，硬件资源和软件资源（识记）。
•2、操作系统的定义，在计算机系统中的作用和操作系统的设计目标（识记）。
•3、操作系统的基本类型及基本类型的特点（领会）。
•4、操作系统的形成和发展及嵌入式操作系统的特点（领会）。
•5、UNIX操作系统的特点（识记）。
•6、操作系统的功能（识记）。
•教学内容
•第一节什么是操作系统
•操作系统（OperatingSystem，简称OS）是计算机系统的一个重要软件，其他系统软件和应用软件都需要操作系统的支撑。
它在计算机用户与计算机硬件之间起着中介作用。
但是，操作系统到底是什么？
它要做哪些工作？
是一个初学者必然提出的问题。
我们将根据操作系统在计算机系统中的地位和作用阐述操作系统的概念。
•一、计算机系统
•一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
硬件（hardware）是由元器件构成的，是计算机赖以工作的实体。
软件（software）是各种程序和技术资料的总和，是保证计算机系统按用户指定的要求协调地工作。
硬件是计算机系统的躯体，而软件则是计算机系统的灵魂。
•
（一）计算机硬件系统
•计算机硬件系统主要由5个部分组成：
•1. 运算器：
直接完成各种算术运算和逻辑运算。
在控制器的指挥下对数据进行加工处理，所需的运算数据从存储器中取出，运算结果一般也送回存储器单元中。
•2. 存储器：
存放数据和程序。
在计算机内不论是数据或指令都是用二进制表示的代码。
存储器的基本功能是把二进制代码存进去（“写入”）或者取出来（“读出”）。
对存储器进行读或写操作，叫做访问存储器。
•存储器又可细分为内存储器（也称内存或主存）和外存储器（外存或辅存）两类。
•内存又分为只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）和随机存储器RAM（RandomAccessMemory）两种。
•3. 控制器：
其功能是根据存储的程序，指挥计算机各部件进行各种操作，以确保计算机系统协调、自动运行。
•4.输入设备：
是人与计算机交往的入口。
如键盘、鼠标器、光笔、扫描仪等。
•5.输出设备：
是计算机与人交往的入口。
如显示器、打印机、绘图仪等。
•一般地，将运算器和控制器合称为中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU）；CPU和内存一起称为计算机的主机；而输入设备、输出设备及外存储器统称为外部设备。
•
（二）计算机软件系统
•计算机软件通常分为系统软件和应用软件两大类。
系统软件又可分为操作系统、语言处理系统、数据库管理系统、软件工具等。
应用软件包括：
应用软件包和用户程序。
•1.系统软件：
系统软件是计算机的基本软件。
为方便使用和管理计算机资源，充分发挥计算机的功能的软件，统称为系统软件。
•两个特点：
•1） 通用性：
无论是哪个应用领域的计算机用户都要用到它们；
•2） 基础性：
应用软件要在系统软件的支持下编写和运行。
•四类系统软件：
•1） 操作系统；2）语言处理系统；
•3） 数据库管理系统；4） 软件工具。
•2. 应用软件：
为解决计算机各类应用问题而编写的程序成为应用软件。
应用软件又可分为应用软件包和用户程序。
•二、操作系统
•
（一）定义
•我们知道，在命令行方式下，当系统出现提示符之后，你在键盘上输入一个命令，按键后，屏幕上就会显示出该命令执行的结果。
例如，在UNIX环境下，输入下列命令行：
$date
FriAug2716：
58：
30CST1999
其中，$是UNIX系统的提示符。
第一行是用户输入的命令，第二行显示出当天的日期和时间，这是date命令执行的结果。
你可能会联想到这样的问题：
用户输入的命令是怎样解释执行的？
谁负责分配CPU时间和内存空间？
用户的文件是如何在磁盘上存放和管理的？
•谁控制和管理终端、打印机等设备？
等等。
其实，这些工作都是由称做操作系统的软件来完成的。
人们常说的DOS、WindowsNT、UNIX以及Linux等，都是得到广泛使用的操作系统。
怎样理解操作系统的定义呢？
我们要注意以下几点：
•第一，操作系统是软件，而且是系统软件，就是说，它由一整套程序组成。
例如，UNIX系统就是一个很大的程序，它由上千个模块组成，有的模块负责内存分配，有的模块实现CPU管理，还有的做读文件工作，等等。
程序中还使用了大量的表格、队列等数据结构。
·第二，它的基本职能是控制和管理系统内各种资源，有效地组织多道程序的运行。
想象一下你编写的程序在计算机上执行的大致过程：
程序以文件形式存放在磁盘上，运行之前计算机把它调入内存，然后在CPU上运行，产生的结果在屏幕上显示出来。
这些工作都由操作系统完成。
·第三，它提供众多服务，方便用户使用，扩充硬件功能。
例如，用户可以使用操作系统提供的上百条命令或者图形界面完成对文件、输入/输出、程序运行等许多方面的控制、管理工作；可以在一台机器上完成多项任务；甚至可以多个人同时使用一台机器.
•定义：
操作系统是一种管理计算机系统资源、控制程序执行、改善人机界面和为其他软件提供支持的系统软件。
•说明：
•1、操作系统是一种资源管理程序；
•2、操作系统也是一种控制其他程序执行的控制程序；
•3、操作系统作为一种系统程序，其目的是提供其他程序执行的良好环境。
•操作系统的设计目标：
•1、能使得计算机系统使用方便；即：
为用户创造良好的工作环境，使得计算机系统使用方便。
•2、能使得计算机系统高效的工作，即：
使系统资源得到高效利用。
•“方便”和“效率”，有时会发生矛盾，根据计算机的功能和服务对象，权衡做出决策。
•第二节操作系统的形成
•早期的计算机是没有操作系统的，程序的装入与执行以及对外设的操作都是通过控制台进行的。
在这期间，整个计算机都被一个程序员所占有。
直到计算机发展到第二代，才出现初级的操作系统，即监督程序。
计算机发展到第三代，硬件和软件都有了很大发展，监督程序才发展成一个重要的软件分支——操作系统。
•早期的计算机是没有操作系统的，程序员往往直接使用机器指令编写程序。
程序的装入与执行以及对外设的操作都是通过控制台上的开关来实现的。
在这期间，整个计算机都被一个程序员所占有。
•随着计算机的发展，硬件增加了读卡机、行式打印机和磁带机。
为了是程序设计变得容易，产生了原始汇编系统。
汇编语言的每个语句都与一条机器指令相对应。
用汇编语言编写的程序称为源程序，它不能直接在机器上执行，只有通过汇编语言解释程序转换为目标程序后才能在计算机上运行。
•当把程序和数据记录到卡片上后，可按如下步骤进行操作：
•⑴启动读卡机，把汇编语言解释程序装入计算机；
•⑵执行汇编语言解释程序，从读卡机上读入源程序，并将其转换成目标程序，把产生的目标程序记录到卡片上或磁带上；
•⑶启动读卡机或磁带机把目标程序装入计算机；
•⑷运行目标程序，目标程序从读卡机上读入需处理的数据，经处理后把产生的结果从打印机上打印出来。
•为了启动读卡机、磁带机、打印机等设备等工作，对每一种设备都需要编写专门的例行子程序—设备驱动程序，供用户需要时调用。
这些设备驱动程序可以看做最原始的操作系统。
•20世纪50年代末至60年代初，计算机进入第二代，计算机的计算速度和存储容量都大幅度增长，先后出现了FORTRAN、ALGOL和COBOL等程序设计语言和相应的编译程序。
（手工操作：
花费时间，操作复杂，容易出错）
•迫切需要一种能对计算机硬件和软件进行管理和调度的程序----当时在美国的IBM360系列计算机系统和英国的1900系列计算机系统上都配置了这种程序，称为管理程序。
•操作员只要从控制台输入命令，然后由管理程序来识别和执行，管理程序还管理计算机的部分资源---这种管理程序可以被看做初级的操作系统。
•计算机进入第三代后，硬件有了很大的发展，特别是主存储器容量的增大和大容量磁盘的出现；软件上各种软件的出现，也要求进一步发展和扩大管理程序。
这样，管理程序就迅速发展成为----操作系统。
•在操作系统的控制下,对计算机系统的资源管理水平又提高了一步;采用SPOOLING技术,对若干计算问题可以成批处理,使计算机系统的效率有了进一步的提高,----出现了批处理操作系统.
•第三节操作系统的类型
•依操作系统提供的服务观点，可大致将操作系统分为：
•1） 批处理操作系统（BatchProcessingOperatingSystem）；
•2） 分时操作系统（Time-sharingOperatingSystem）；
•3） 实时操作系统（Real-timeOperatingSystem）
•4） 网络操作系统（NetworkOperatingSystem）；
•5） 分布式操作系统（DistributedOperatingSystem）。
•把用户要求计算机系统进行处理的一个计算问题称为一个“作业”。
用户为作业准备好程序和数据后，再写一份控制作业执行的说明书。
然后把作业说明书、相应的程序和数据一起交给操作员。
操作员将收到的一批作业的有关信息输入到计算机系统中等待处理；
•一、批处理操作系统：
所谓批处理是指系统对源源不断地作业的连续处理。
采用批量化处理作业技术的操作系统称为批处理操作系统，简称批处理系统。
•
（一）单道批处理系统：
其特征是自动性（无需人工干预）；顺序性（各作业完成的顺序与它们进入内存的顺序完全相同）；单道性（内存中仅有一道程序在运行）。
•
（二）多道批处理系统：
第三代计算机为操作系统提供了充分的硬件支持，尤其是“中断”和“通道”技术的出现，使得输入输出设备与中央处理器可以并行工作。
多道批处理系统基于多道程序技术的应用，即内存中可以同时存放多个用户作业，允许这些作业在系统中交替运行。
• 多道批处理系统的特征是：
•
（1）多道性（内存中可以同时驻留多道程序）；
•
（2）无序性（多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间，并无严格的对应关系）；
•（3）调度性（作业从提交给系统开始直到完成，需要经过两次调度：
作业调度和进程调度，即从外存的后备作业队列中选取若干作业调入内存和从已在内存中的作业选择一个作业，将CPU分配给它使之执行）。
• 早在20世纪60年代就出现的多道批处理系统：
•它的优点是：
资源利用率高和系统吞吐量大。
•它的缺点是：
平均周转时间长、无交换能力。
•批处理操作系统提高了计算机系统的工作效率，但在作业执行时用户不能直接干预作业的执行。
•二、分时操作系统：
分时操作系统简称分时系统，是指在一台主机（Mainframe）上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，使计算机为一组终端用户服务，虽然物理上只有一台计算机，但每个用户都可以得到及时的服务响应都感到好像有一台支持自己请求服务的计算机在专门为他服务。
•在分时系统下，各个用户从终端直接输入各种命令请求系统服务，而系统采用时间片的方式轮流地为各个终端上的用户服务，及时地对用户的请求予以响应，最后系统将处理的结果也通过终端报告给用户。
•分时系统的特征：
•
（1）同时性（若干用户通过各自的终端同时使用一台计算机。
从宏观上看，所有用户在同时并行工作；从微观上看，各个用户轮流使用计算机）；
•
（2）独立性（虽然多个用户通过终端同时使用一台计算机，但用户之间相互独立，互不干扰，由分时系统保证各个用户程序执行的完整性）；
•（3）及时性（系统保证对每个用户的请求作出及时响应，使用户感到是他自己在使用和控制计算机）；
•（4）交互性（用户能进行人机对话，交互操作和联机调试程序）；
• 分时系统也称为交互系统。
• 现今优秀的分时系统首推UNIX。
•三、实时操作系统：
实时操作系统简称实时系统，主要用于需要对外部事件进行及时响应并处理的领域，包括实时控制系统（如生产过程的自动控制）和实时信息处理系统（如订票系统、信息查询系统等）。
•设计实时系统时，首先要考虑响应及时，其次才考虑资源的利用率。
•实时系统的特征：
• 多路性（对多路的现场信息进行采集及对多个执行机构进行控制）；
•及时性（对用户的响应时间要求秒级或毫秒级或微秒级）；
• 交互性（实时系统允许用户使用终端，提供简单的联机服务，具有简单的交互能力）；
• 可靠性（实时系统要高度可靠，任何疏忽将导致灾难性后果，常常设置容错机制以保证系统的安全可靠或信息的完整性）。
•实时系统是较少有人为干预的监督和控制系统，仅当计算机系统识别到了违反系统规定的限制或本身发生故障时，才需要人为干预。
•设计实时操作系统时，有两点必须特别注意：
•第一：
要及时响应，快速处理；
•第二：
要有高可靠性和安全性，不强求系统资源的利用率。
•四、网络操作系统：
提供网络通信和资源共享功能的操作系统称为网络操作系统。
• 所谓计算机网络是指将地理上分散的具有独立功能的计算机系统和外围设备，通过各种媒体和通信手段，按不同的拓扑结构连接起来的集合体。
•计算机技术和通信技术的结合产生了计算机网络，使资源共享成为可能。
•网络操作系统最突出的功能就是网络管理和网络服务功能。
•五、分布式操作系统：
用于管理分布式系统资源的操作系统就是分布式操作系统。
分布式操作系统是当今发展的一个重要方向，其特点是：
•网络中各台计算机没有主次之分；
•任意两台计算机可以通过通信来交换信息；
•网络中的资源为所有用户所共享
• 一个用户程序可以分布于几台计算机上并运行
•第四节操作系统的发展
•1、单用户微机操作系统
•20世纪70年代，微处理技术的发展推动了微型计算机的发展，当时微型计算机多数是个人使用的计算机。
用户要求提供的服务有两类：
一类、建立和命名文件；另一类、执行程序；
•通过键盘或鼠标输入命令请求操作系统服务；OS的主要功能：
实现文件管理，输入、输出控制管理和命令的解释。
•2、网络操作系统
•为了满足较大规模的应用，可以把若干台地理上分散的并具有自治功能的计算机系统用通信线路连接起来构成计算机网络。
相互间传送数据，通信，资源共享。
•3、分布式操作系统
•并行计算
•分布式计算机系统是由多台计算机组成的一种特殊的计算机网络。
•~能使系统中若干台计算机相互协作完成一个共同的任务，或者说把一个计算问题可以分成若干个子计算，并行执行。
•4、多机操作系统
•多处理器结构：
多处理器多主存储器和I/O通道、多处理器单主存储器和外设。
•5、嵌入式操作系统
•计算机的硬件大部分或全部都隐藏和嵌入到各种应用系统中，称为嵌入式系统；
•嵌入式操作系统是指运行在嵌入式系统中对各种部件、装置等资源进行统一协调、处理和控制的系统软件。
•特点：
微型化和实时性
•第五节UNIX操作系统简介
•UNIX是一个交互式的分时操作系统。
•1969Version1
•1978Version7
•19834.2BSDUNIX实现了不同网络之间的通信
•19934.4BSDUNIX崭新的文件系统组织。
•UNIX系统的源代码在它诞生后的初期阶段一直是公开的。
•第六节操作系统的功能
•操作系统的4大功能：
•1）处理器管理；2）存储管理；3） 文件管理；4）设备管理；
•操作系统这些部分相互配合，协调工作，实现对计算机系统的资源管理，控制程序的执行、扩充系统功能、为用户提供方便的使用接口和良好的运行环境。
•1. 处理器管理：
主要工作就是CPU调度，尤其是多道程序或多用户的情况下。
• 处理器管理的基本任务是：
采用合理的调度策略进行CPU的分配与回收，使CPU充分发挥效率，并能满足各种程序的任务需求。
•一个计算机系统可以配备一个或多个处理器，我们主要讨论单处理器管理。
•2、存储器管理：
存储器分内存和外存两大类；
• 内存与CPU直接打交道，程序必须进驻内存方可被CPU执行；
• 外存中的信息仅当需要时才装入内存，CPU不能直接访问内存；
•存储管理主要是对主存的管理
•（内存的分配和回收； 进行内存中程序和数据的存储保护；以及进行内存的扩充等；
•l存储管理的目的是提高内存的利用率。
•
•3.文件管理：
面向用户实现按名存取，支持对文件的存储、检索，解决文件的共享、保护和保密。
•它的主要任务是：
•负责文件物理存储空间的组织、分配与回收；
•实现按名存取；提供文件的保护与保密。
•4.设备管理：
负责各种外围设备的分配与操纵。
•其基本任务是
•提供方便的用户使用接口；
•进行设备的分配与回收；
•对磁盘设备优化调度以及实现SPOOLing技术等
•此外，操作系统还为用户提供使用计算机系统的手段，两类使用接口：
程序员接口（系统调用）
•操作员接口：
操作控制命令。
本章小结
•计算机系统由硬件和软件两大部分组成。
•操作系统是计算机系统中的一种系统软件，它管理计算机系统资源，控制程序的执行、改善人机界面和为其他软件提供支持。
•操作系统管理计算机系统的硬件资源和软件资源，它的设计目标是：
使用户方便的使用计算机系统和使计算机系统高效的工作。
操作系统是裸机上的第一层软件。
它下管系统资源的使用，上管各应用程序的活动。
操作系统发展40年来，主要有两个目的：
第一，为程序开发和执行提供一个方便的环境；第二，为保证计算机的系统顺利执行，操作系统对各个计算机活动进行调度。
•操作系统的形成和发展是与计算机硬件发展密切相关的。
随着电子元器件的不断更新换代，操作系统的理论和技术也逐渐成熟和完善。
最初的手工操作即费力又浪费机时。
随着CPU的速度越来越快，它与机械设备在速度上越来越不匹配.由此推动了批处理系统的产生.以后出现了通道和中断机构，又推动了多道程序系统的产生。
以后相继出现了多道批处理系统、分时系统、实时系统、个人机系统、网络系统和分布式系统。
反过来操作系统的发展对硬件也提出了更高的要求。
分时系统之前的系统主要解决资源的合理利用问题，而分时系统出现后，着眼于为用户提供良好的工作环境，它大大推动了计算机的应用和普及。
实时系统适应某些应用领域对实时处理和高可靠性的专门要求。
网络系统和分布式系统将分散的计算机资源进行统一管理，方便远程用户的网络通信和资源共享，将计算机应用和信息处理技术推向更高的水平。
操作系统这类系统软件有自己的基本特征，这就是：
并发、共享和异步性。
在操作系统的统一调度、管理下，是各种实体充分并行，而且安全地共享资源，约束和协调彼此间的关系。
• 操作系统提供了大量的服务，在最低层系统调用，它允许正在运行的程序直接得到操作系统的服务：
在较高层，命令解释持续为用户提供请求服务的机制，而不必编写程序。
这些命令可来自卡片（批处理）或者直接来自终端（交互式或分时系统）。
系统程序提供了满足用户请求的另一种机制。
在高层是图形界面。
用户利用鼠标、窗口、菜单、图标等图形工具可方便有效的进行软件开发和系统管理等工作。
操作系统分为不同档次，同一档次也有不同产品。
它们各有特色，在进行着激烈的市场竞争。
•习题
•1.计算机系统由哪些部分组成？
•答：
一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
硬件（hardware）是由元器件构成的，是计算机赖以工作的实体。
软件（software）是各种程序和技术资料的总和，是保证计算机系统按用户指定的要求协调地工作。
硬件是计算机系统的躯体，而软件则是计算机系统的灵魂。
•硬件系统包括：
运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备；软件系统包括：
系统软件和应用软件。
•2.什么是计算机的操作系统？
•答：
操作系统是一种管理计算机系统资源、控制程序执行、改善人机界面和为其他软件提供支持的系统软件。
•3.操作系统管理计算机系统的哪些资源？
•答：
操作系统管理的计算机系统资源包括两大类：
硬件资源和软件资源。
硬件资源包括：
中央处理器、主存储器、辅助存储器以及各种输入设备和输出设备；软件资源包括：
各种程序及其文档。
•4.操作系统怎样为用户提供良好的运行环境？
•答：
操作系统是一种系统程序，其目的是提供一个供其他程序执行的良好环境。
•首先，操作系统要使得计算机系统使用方便，操作系统为用户提供方便的使用接口,用户按需要输入命令或从提供的菜单中选择命令,操作系统按命令去控制程序的执行;用户也可以请求操作系统的功能模块为其服务,而不必了解硬件的特征.
•其次,操作系统要使得计算机系统高效的工作:
操作系统扩充硬件功能,使硬件的功能发挥的更好;操作系统使用户合理共享资源,防止各用户间的相互干扰;操作系统以文件形式管理软件资源,保证信息的安全和快速存取.
•5、操作系统怎样提高系统效率？
•答：
操作系统是一种系统程序，其目的是提供一个供其他程序执行的良好环境。
配置操作系统可以使得计算机系统高效的工作:
操作系统扩充硬件功能,使硬件的功能发挥的更好;操作系统使用户合理共享资源,防止各用户间的相互干扰;操作系统以文件形式管理软件资源,保证信息的安全和快速存取.
•6、批处理操作系统怎样实现计算机操作的自动化？
•答：
用户把准备好的一批作业信息，包括程序、数据、作业控制说明书通过相应的输入设备传送到大容量的磁盘上等待处理。
操作系统中的作业调度程序按照某种原则从磁盘上选择若干作业装入主存，主存中的作业可以占用中央处理器。
当某个作业执行结束，启动打印机，输出计算结果。
然后又从磁盘上选择作业装入主存，让其运行。
这样，在作业控制说明书的控制下，无需人为干预，批处理操作系统实现了计算机操作的自动化
•7、分时操作系统的主要特点是什么？
•答：
（1）同时性（若干用户通过各自的终端同时使用一台计算机。
从宏观上看，所有用户在同时并行工作；从微观上看，各个用户轮流使用计算机）；
•
（2）独立性（虽然多个用户通过终端同时使用一台计算机，但用户之间相互独立，互不干扰，由分时系统保证各个用户程序执行的完整性）；
•（3）及
升级会员 