计算机操作系统概述及练习资料课案.docx
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计算机操作系统概述及练习资料课案
计算机操作系统
一、操作系统概述
一、考试大纲
（一）操作系统的概念、特征、功能和提供的服务
（二）操作系统的发展与分类
（三）操作系统的运行环境
二、知识点归纳
（一）操作系统的概念、特征、功能和提供的服务
1．操作系统的概念、目标和作用
一个完整的计算机系统由两大部分组成：
计算机硬件和计算机软件。
硬件是所有软件运行的物质基础；软件能充分发挥硬件潜能和扩充硬件功能，完成各种系统及应用任务，两者互相促进、相辅相成、缺一不可。
计算机硬件是指计算机物理装置本身，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。
计算机软件是指由计算机硬件执行以完成一定任务的程序及其数据。
计算机软件包括系统软件和应用软件。
系统软件包括操作系统、编译程序、连接装入程序、数据库管理系统等；应用软件是为各种应用目的而编制的程序。
在计算机上配置操作系统的目的有以下几点：
①方便用户使用。
操作系统应该使计算机系统使用起来十分方便。
②有效性。
OS能够有效管理好系统中的各种硬件软件资源，并通过合理地组织计算机的工作流程，进一步改善资源的利用率及提高系统的吞吐量。
③可扩充性。
OS必须具有很好的可扩充性，应采用层次化结构，以便于增加新的功能层次和模块，并修改老的功能层次和模块。
④构筑开放环境。
OS应该构筑出一个开放环境，主要是指：
遵循有关国际标准；支持体系结构的可伸缩性和可扩展性；支持应用程序在不同平台上的可移植性和可互操作性。
操作系统主要由以下的作用：
①OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口：
为了使用户能灵活、方便地使用计算机和操作系统，操作系统提供了一组友好的用户接口，包括：
1）程序接口；2）命令接口；3）图形接口。
②OS作为计算机系统资源的管理者：
资源包括两大类：
硬件资源和软件资源。
归纳起来资源分为四类：
处理机、存储器、I/O设备以及信息（数据和程序），OS的主要功能是对这四类资源进行管理，即处理机管理、存储器管理、I/O设备管理、文件管理。
（资源管理观点）
③OS用作扩充机器：
在裸机上覆盖上OS后，便可获得一台功能显著增强、使用极为方便的多层扩充机器或多层虚机器。
（虚拟机观点）
操作系统可定义为：
操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。
2．操作系统的特征
虽然不同的操作系统具有各自的特点，但它们都具有以下4个基本特征：
（1）并发性
并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念，并发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事件在同一时间间隔内发生。
在多道程序环境下，并发性是指宏观上在一段时间内有多道程序在同时运行，但在单处理机系统中，每—时刻仅能执行—道程序，故微观上这些程序是交替执行的。
（2）共享性
资源共享是指系统中的硬件和软件资源不再为某个程序所独占，而是供多个用户程序共同使用。
并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，二者之间互为存在条件。
一方面，资源的共享是以程序的并发执行为条件的，若系统不允许程序的并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效的管理，也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。
（3）虚拟性
在操作系统中，虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物，前者是实际存在的，后备是虚的，只是用户的一种感觉。
（4）异步性（不确定性）
在操作系统中，不确定性有两种含义：
①程序执行结果是不确定的，即对同一程序，使用相同的输入，在相同的环境下运行却可能获得完全不同的结果。
亦即程序是不可再现的；
②多道程序环境下程序的执行是以异步方式进行的，换言之，每个程序何时执行，多个程序间的执行顺序以及完成每道程序所需要的时间都是不确定的，因而也是不可预知的。
3．操作系统的功能
操作系统的职能是负责系统中软硬件资源的管理，合理地组织计算机系统的工作流程，并为用户提供一个良好的工作环境和友好的使用界面。
下面从5个方面来说明操作系统的基本功能。
（1）处理机管理。
处理机管理的主要任务是对处理机的分配和运行实施有效的管理。
在多道程序环境下，处理机的分配和运行是以进程为基本单位的，因此对处理机的管理可归结为对进程的管理。
进程管理应实现下述主要功能：
①进程控制：
负责进程的创建、撤消及状态转换。
②进程同步：
对并发执行的进程进行协调。
③进程通信：
负责完成进程间的信息交换。
④进程调度：
按一定算法进行处理机分配。
（2）存储器管理。
存储器管理的主要任务是对内行进行分配、保护和扩充。
存储器管理应实现下述主要功能：
①内存分配：
按一定的策略为每道程序分配内存。
②内存保护：
保证各程序在自己的内存区域内运行而不相互干扰。
③地址映射：
将地址空间的逻辑地址转换为内存空间与之对应的物理地址。
④内存扩充：
为允许大型作业或多作业的运行，必须借助虚拟存储技术去获得增加内存的效果。
（3）设备管理：
计算机外部设备的管理是操作系统中最庞杂、琐碎的部分。
设备管理的主要任务是对计算机系统内的所有设备实施有效的管理。
设备管理应具有下述功能：
①设备分配：
根据一定的设备分配原则对设备进行分配。
为了使设备与主机并行工作，还需采用缓冲技术和虚拟技术。
②设备传输控制：
实现物理的输入输出操作，即启动设备、中断处现、结束处理等。
③设备独立性：
即用户向系统申请的设备与实际操作的设备无关。
（4）文件管理。
文件管理的主要任务是有效地支持文件的存储、检索和修改等操作，解决文件的共享、保密和保护问题。
文件管理应实现下述功能：
①文件存储空间的管理：
负责对文件存储空间进行管理，包括存储空间的分配与回收等功能。
②目录管理：
目录是用来管理文件的数据结构，它能提供按名存取的功能。
③文件操作管理：
实现文件的操作，负责完成数据的读写。
④文件保护：
提供文件保护功能，防止文件遭到破坏。
（5）用户接口。
为方便用户使用操作系统，操作系统提供了用户接口。
操作系统通常提供如下几种类型的用户接口。
①命令接口：
提供—组命令供用户直接或间接控制自己的作业。
②程序接口：
提供一组系统调用供用户程序和其他系统程序调用。
③图形接口：
图形用户接口采用了图形化的操作界面，用非常容易识别的各种图标将系统的各项功能、各种应用程序和文件直观、逼真地表示出来，用户可通过鼠标、菜单和对话框来完成各种应用程序和文件的操作。
4．操作系统提供的服务
操作系统为程序和用户提供了一系列的操作系统服务，这些服务可使程序员更容易地完成他的工作。
（1）操作系统的公共服务类型，主要有：
程序执行、I/O操作、文件系统操作、通信和差错检测等。
（2）系统调用中的作用，系统调用的类型是根据操作系统所提供服务的功能决定的，系统调用可分为进程管理、设备管理、文件管理、信息维护以及通信等。
（二）操作系统的发展与分类
操作系统的主要发展过程如下：
1．无操作系统时的计算机系统
（１）手工操作阶段
早期的计算机系统上没有配置操作系统，计算机的操作由程序员采用手工操作直接控制和使用计算机硬件。
程序员使用机器语言编程，并将事先准备好的程序和数据穿孔在纸带或卡片上，从纸带或卡片输入机将程序和数据输入计算机。
然后，启动计算机运行，程序员可以通过控制台上的按钮、开关和氖灯来操纵和控制程序，运行完毕，取走计算的结果，才轮到下一个用户上机。
这种手工操作方式具有用户独占计算机资源、资源利用率低及CPU等待人工操作的缺点。
随着CPU速度的大幅度提高，手工操作的慢速与CPU运算的高速之间出现了矛盾，这就是所谓的人机矛盾。
另一方面，CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾也日益突出。
（２）脱机输入/输出技术
为解决CPU与I/O设备之间速度不匹配的问题，将用户程序和数据在一台外围机（又称卫星机）的控制下，预先从低速输入设备输入到磁带上，当CPU需要这些程序和数据时，再直接从磁带机高速输入内存，从而大大加快程序的输入过程，减少CPU等待输入的时间，这就是脱机输入技术；类似地，当CPU需要输出时，无需直接把计算结果送至低速输出设备，而是高速地把结果送到磁带上，然后在外围机的控制下，把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出，这就是脱机输出技术。
若输入/输出操作在主机控制下进行则称之为联机输入/输出。
2．单道批处理操作系统
批处理技术是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。
早期的计算机系统非常昂贵，为了能充分地利用它，应尽量让系统连续地运行，以减少空闲时间。
为此通常把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上，并在系统中配置监督程序（是一个常驻内存的程序，它管理作业的运行，负责装入和运行各种系统处理程序来完成作业的自动过渡），在它的控制下，先把磁带上的第一个作业传送到内存，并把运行的控制权交给该作业，当该作业处理完后又把控制权交还给监督程序，由监督程序再把第二个作业装入内存。
计算机系统按这种方式对磁带上的作业自动地、一个接一个地进行处理，直至把磁带上的所有作业全部处理完毕，由于系统对作业的处理是成批进行的、且在内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理系统。
其主要特征是：
①自动性；②顺序性；③单道性。
3．多道批处理技术
多道程序设计的基本概念：
多道程序设计技术是将多个作业存放在内存中并允许它们交替执行，这些作业共享处理机时间和外围设备以及其他资源。
当一道程序因某种原因（如I/O请求）而暂停执行时，CPU立即转去执行另一道程序。
在操作系统中引入多道程序设计技术后，会使系统具有多道、宏观上并行、微观上串行的特点。
在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，使得系统中仍有较多的空闲资源，致使系统的性能较差，20世纪60年代引入多道程序设计技术后，形成了多道批处理技术，进一步提高了资源利用率和系统的吞吐量。
在多道批处理系统中，用户所提交的作业都先存放在外存并排成一个队列，该队列称为“后备队列”；然后，由作业调度程序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CPU和系统中的各种资源，以达到提高资源利用率和系统的吞吐量的目的。
其主要特征是：
①多道性；②无序性；③调度性。
4．分时操作系统
（1）分时系统的产生
如果说，推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提高资源利用率和系统吞吐率，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力，则是用户的需要。
体现在人-机交互、共享主机、便于用户上机等方面。
（2）分时系统的特征
分时系统与多道批处理系统相比，具有完全不同的特征：
①多路性。
指一台计算机与若干台终端相连接，系统按分时原则为每个用户服务。
宏观上，是多个用户同时工作，共享系统资源；微观上，则是每个用户作业轮流运行一个时间片。
多路性亦即同时性，它提高了资源利用率，从而促进了计算机更广泛地应用。
②独立性。
每个用户各占一个终端，彼此独立操作、互不干扰。
③及时性。
用户的请求能在很短时间内获得响应。
④交互性。
用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。
其广泛性表现在：
用户可以请求系统提供各方面的服务，如文件编辑、数据处理和资源共享等。
5．实时操作系统
（1）实时系统的引入
虽然多道批处理系统和分时系统已获得较为令人满意的资源利用率和响应时间，从而使计算机的应用范围日益扩大，但它们仍然不能满足以下两个领域的需要：
①实时控制：
实时控制系统通常是指以计算机为中心的生产过程控制系统，又称为计算机控制系统。
例如钢铁冶炼和钢板轧制的自动控制，化工、炼油生产过程的自动控制等。
②实时信息处理：
在实时信息处理系统中，计算机能及时接收从远程终端发来的服务请求，根据用户提出的问题对信息进行检索和处理，并在很短时间内对用户做出正确回答，如机票订购系统，情报检索系统等。
（2）实时任务的类型
①按任务执行时是否呈现周期性来划分：
分为周期性实时任务和非周期性实时任务。
②根据对截止时间的要求来划分：
分为硬实时任务和软实时任务。
（3）实时系统与分时系统的比较
①多路性；②独立性：
③及时性；④交互性；⑤可靠性
实时操作系统的主要特点是响应及时和可靠性高。
系统必须保证对实时信息的分析和处理的速度要快，而且系统本身要安全可靠，因为在生产过程的实时控制、航空订票等实时事务系统，信息处理的延误或丢失往往会带来不堪设想的后果。
随着计算机硬件及其应用的不断发展，操作系统的类型也逐渐多样化，如何对这些操作系统进行分类取决于分类的方法，即所依据的标准。
下面列出了三种分类方法。
（1）按用户数目分为单用户操作系统和多用户操作系统。
其中，单用户操作系统又分为单任务操作系统和多任务操作系统。
（2）按硬件结构分为单CPU操作系统、多CPU操作系统、网络操作系统、分布式操作系统和多媒体操作系统。
（3）按使用环境分为批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。
这是最常用的一种分类方法。
批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统是三种基本的操作系统类型。
如果一个操作系统兼有批处理、分时处理和实时处理系统三者或其中两者的功能，那就形成了通用操作系统。
（三）操作系统的运行环境
操作系统的运行环境主要包括计算机系统的硬件环境和由其它系统软件形成的软件环境，以及操作系统和使用它的人之间的关系。
硬件环境主要包括中央处理器（CPU）、存储系统、中断机制、I/O技术和时钟等方面。
下面主要说明CPU状态和中断机制。
特权指令：
只能由操作系统使用的指令。
如：
修改程序状态字、开关中断、置中断向量、启动设备执行I/O操作、设置硬件实时钟、停机等
非特权指令：
特权指令之外的指令，这些指令的执行不影响其它用户以及系统状态.如算术运算指令、逻辑运算指令、取数存数指令、访管指令等
1．CPU状态—管态和目态
计算机系统中，操作系统程序作为用户程序的管理者和控制者，享有用户程序所不能享有的某些特权，为避免错误地使用特权指令，将CPU的运行状态分为管态和目态。
由程序状态（PSW）寄存器内的标志触发器来进行标识。
管态又称为系统态或核心态，操作系统程序在管态下运行，能执行包括特权指令在内的所有指令。
目态又称为用户态或常态，外层用户程序在目态下运行，不可执行特权指令。
若出现特权指令、CPU能识别出程序非法使用指令，形成一个程序性中断事件，中止程序的执行。
目态--管态
其转换的唯一途径是通过中断
管态--目态
可用设置PSW（修改程序状态字）可实现
2．中断机制
（1）中断的定义：
所谓中断是指系统发生某一事件后，CPU暂停正在执行的程序转去执行处理该事件的程序过程，处理中断事件的程序称为中断处理程序，产生中断信号的那个部件称为中断源。
硬件的中断机构与处理这些中断的程序统称为中断系统。
（2）中断的类型
不同的计算机系统．其产生中断的原因及其处理方式均不同，通常将系统内的所有中断分为若干类。
①根据中断信号的含义和功能分为以下五类；
机器故障中断：
因机器发生错误（电源故障，内存读数错误等）而产生的中断，用以反映硬件故障，以便进入诊断程序。
I/O中断：
由输入/输出设备引起的中断，用以反映通道或外部设备工作状态。
外中断：
由各种外部事件引起的中断，用以反映外部的要求。
如时钟的定时中断，控制台发控制信息等。
程序性中断：
因程序中错误使用指令或数据引起的中断，用以反映程序执行过程中发生的例外情况。
如定点溢出，除数为0，地址越界等。
访管中断：
由于程序执行了“访管”指令（系统调用）而产生的中断，用于反映用户程序所请求操作系统为其完成某项工作。
②根据中断信号的来源分为两类；
中断，也称外中断，指来自CPU以外事件的中断，是与当前运行程序无关的暂停事件。
对它的处理不必完全依赖当前程序的运行现场，具有较低的中断优先级，可被临时屏蔽。
异常，也称内中断或陷入，指源自CPU内部事件的中断，是与当前运行程序相关的暂停事件，对其处理要依赖于当前程序的运行现场，均具有较高的优先级，一旦出现应立即处理。
③根据是否是当前程序期望的分为两类：
强迫性中断：
正在运行的程序所不期望的，由于某种硬件故障或外部请求引起的
♦输入/输出（I/O）中断：
主要来自外部设备通道
♦程序性中断：
运行程序中本身的中断
（如溢出,缺页中断,缺段中断,地址越界）
♦时钟中断
♦控制台中断
♦硬件故障
自愿性中断（访管中断）：
用户在程序中有意识安排的中断，是由于用户在编制程序时因为要求操作系统提供服务，有意使用“访管”指令（系统调用），使中断发生
♦执行I/O，创建进程，分配内存
♦信号量操作，发送/接收消息
3.中断优先级与中断向量
中断优先级指中断装置响应中断的次序，是由硬件设计时固定的规定级别高的中断优先响应。
一般情况下，优先级的高低顺序为：
机器故障中断，访管中断，程序性中断，外部中断，输入输出中断。
中断屏蔽即禁止中断出现或响应中断，可以改变中断响应的顺序。
三、经典例题解析
1．操作系统是对（）进行管理的软件。
A．软件B．硬件C．计算机资源D．应用程序
分析与解答
操作系统是一个系统软件，不但管理计算机系统的硬件资源，还管理软件资源，是整个计算机系统硬、软件资源的总指挥部。
答案是C
2．批处理操作系统的目的是（）。
A．提高系统与用户的交互性能B．提高系统资源利用率
C．降低用户作业的周转时间D．减少用户作业的等待时间
分析与解答
批处理系统的主要优点是系统吞吐量大、资源利用率高，主要缺点是交互能力差、作业周转时间长。
答案是B
3．试对分时系统和实时系统进行比较。
分析与解答
我们可以从以下几个方面对这两种操作系统进行比较。
（1）从多路性看，实时信息处理系统与分时系统—样都能为多个用户服务。
系统按分时原则为多个终端用户服务；而对实时控制系统，则表现为经常对多路现场信息进行采集以及对多个对象或多个执行机构进行控制。
（2）从独立性看，实时信息处理系统与分时系统—样，每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。
因此用户感觉就像他一人独占计算机；而实时控制系统中信息的采集和对对象的控制都是彼此互不干扰的。
（3）从及时性看，实时信息系统对响应时间的要求与分时系统类似，都是以人们所能接受的等待时间来确定；而实时控制系统的响应时间则是以控制对象所能接受的延时来确定的。
（4）从交互性看，分时系统是一种通用性系统，主要用于运行终端用户程序，因此它具有较强的交互能力；而实时系统虽然也有交互能力，但其交互能力不及前者。
（5）从可靠性看，分时系统也要求系统可靠，相比之下，实时系统则要求系统高度可靠。
4．一个分层结构操作系统由裸机，用户，CPU调度和P、V操作，文件管理，作业管理，内存管理，设备管理，命令管理等部分组成。
试按层次结构的原则从内到外将各部分重新排列。
分析与解答
采用分层结构方法可以将操作系统的各种功能分成不同的层次，即将整个操作系统看成是由若干层组成，每一层都提供一组功能，这些功能只依赖于该层以内的各层次，最内层部分是机器硬件本身提供的各种功能。
操作系统的这种层次结构如图1.1所示，同机器硬件紧挨着的是操作系统内核，它是操作系统的最里一层。
内核包括中断处理、设备驱动、处理机调度以及进程控制和通信等功能，其目的是提供一种进程可以存在和活动的环境。
内核以外各层依次是存储管理层、I/O管理层、文件管理层和作业管理层。
它们提供各种资源管理功能并为用户提供各种服务。
命令管理是操作系统提供给用户的接口层，因而在操作系统的最外层。
从上述分析可知，按层次结构原则从内到外依次为：
裸机，CPU调度和P、V操作，内存管理，设备管理，文件管理，作业管理，命令管理，用户。
5．操作系统具有哪些特征?
它们之间有何关系?
分析与解答
操作系统的特征有并发、共享、虚拟和异步性（不确定性）。
它们的关系如下：
（1）并发和共享是操作系统最基本的特征。
为了提高计算机资源的利用率，操作系统必然要采用多道程序设计技术，使多个程序共享系统的资源，并发的执行。
（2）并发和共享互为存在的条件。
一方面，资源的共享以程序（进程）的并发执行为条件，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源的共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好各个进程对共享资源的访问，也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。
（3）虚拟以并发和共享为前提条件。
为了使并发进程能更方便、更有效地共享资源，操作系统经常采用多种虚拟技术来在逻辑上增加CPU和设备的数量以及存储器的容量，从而解决众多并发进程对有限系统资源的竞争问题。
（4）异步性（不确定性）是并发和共享的必然结果。
操作系统允许多个并发进程共享资源、相互合作，使得每个进程的运行过程受到其他进程的制约，系统中的每个程序何时执行，多个程序间的执行顺序以及完成每道程序所需的时间是不确定的，因而也是不可预知的。
6.分时系统需要使用下面哪些成份:
①多道程序设计技术②作业说明书③终端命令解释程序④中断处理
⑤优先级调度⑥系统调用
分析与解答①③④⑥
7.系统调用和一般过程调用有何区别？
分析与解答：
教材P262
8.你认为下列哪些指令在核心态下执行？
①屏蔽所有中断②读时钟日期③设置时钟④改变存储映像图
⑤存取某地址单元的内容⑥停机
分析与解答：
操作系统程序在核心态下运行，发生系统调用时都转入核心态运行，系统调用大致分为如下几类：
（1）文件操作：
打开/删除文件，读写文件，建立文件；
（2）资源申请：
申请/释放存储空间，申请/释放外围设备；（3）控制：
正常/异常结束，返回断点/指定点；（4）信息维护：
设置、获取日期时间、设置获取文件属性等。
所以应在核心态下执行的指令是①②③④⑥
9.如果有多个中断同时发生，系统将根据中断优先级响应优先级最高的中断请求，若要调整中断事件的响应次序，可以利用（）。
A.中断向量B.中断嵌套C.中断响应D.中断屏蔽
分析与解答：
中断优先级指中断装置响应中断的次序，是由硬件设计时固定的规定级别高的中断优先响应。
中断屏蔽即禁止中断出现或响应中断，可以改变中断响应的顺序。
所以应选D.
10.为什么说直到中断和通道技术出现，多道程序概念才变为有用？
分析与解答：
通道是一种专业I/O处理机，它一旦被启动就独立于CPU运行，故做到了输入输出与CPU并行工作，但早期CPU向通道发询问指令来了解通道工作是否完成，若未完成，则循环询问，无法做到CPU与I/O设备真正并行工作。
中断是在输入输出结束或硬件发生某种故障时，由相应硬件（即中断机构）向CPU发出信号，CPU立即停止手头的工作而转向处理中断请求，待处理完中断后再继续原来手头的工作。
CPU启动通道，通道工作结束时，通过中断机构向CPU发中断请求。
所以说，直到中断和通道技术出现，多道程序概念才变为有用。
四、题型练习
（一）单项选择题
1．操作系统的（）管理部分负责对进程进行调度。
A．主存储器B．运算器C．控制器D．处理机
2．从用户的观点看，操作系统是（）
A．用户与计算机之间的接口
B．控制和管理计算机资源的软件
C．合理地组织计算机工作流程的软件
D．由若干层次的程序按一定的结构组成的有机体
3．操作系统是一种（）。
A．通用软件B．系统软件C．应用软件D．软件包
4．一般用户更喜欢使用的系统是（）。
A.手工操作B.单道批处理
C.多道批处理D.多用户分时系统
5．与计算机硬件关系最密切的软件是（）。
A.编译程序B.数据库管理系统
C.游戏程序D.OS
6．操作系统的基本类型主要有（）。
A.批处理系统、分时系统及多任务系统
B.实时系统、批处理系统及分时操作系统
C.单用户系统、多用户系统及批处理系统
D.实时系统、分时系统和多用户系统
7．多道批处理系统的硬件支持是20
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