1、第1章操作系統弓I論 1.1什么是操作系統 1.2操作系統的發展歷史 1. 3操作系統的特征和服務 1. 4操作系統的功能 1.5操作系統的分類 1. 6硬件保護1. 1什么操作系統操作系統operating system (OS)是配置 在計算機硬件上的第一層軟件，是對硬 件系統的首次擴充。操作系統是一組控制和管理計算機硬件 和軟件資源，合理地對各類作業進行調 度，以及方便用戶使用的程序的集合。111操作系統的地位和目標計算機系統的組成:緊貼系統硬件之上，所有其他軟件之下(是其他軟件的共同環境)1. 1. 2操作系統的作用幾種觀點(1) OS是計算機硬件、軟件資源的管理者。(2) OS是用戶

2、使用系統的接口(3) OS是擴展機(extended machine) /虛擬機 (virtual machine)o-在裸機上添加：設備管理.文件管理、存旃管理(針對內存和外存).處理機管理1. 1. 3 操作系統的層次結構（OS的組成）操作系統的組成： （1）管理模塊：針對不同管理對象的程序模塊（通常稱為操作系統核心） （2） 用戶接口：如外殼（shell）.窗口 系統-在shell中，通過運行其他程序來完 成各種功能1 - 2操作系統的發展歷史1.2.1早期的手工操作時間1946 一 50年代（電子管），集中計算（計算中心）， 計算機資源昂貴； 需求二戰對武器設計的需要，美國、英國和德國

3、等國家開始 了電子數字計算機的研究工作。哈佛大學的Howard Aiken普林斯頓高等研究院的John Neumann （馮諾依曼）賓夕 法尼亞大學的J. Presper Eckert和William Mauchley 德國電話公司的Konraad Zuse以及其他一些人都使用真空 管成功地建造了運算機器。ENIAC計算機運算速度：1000次/每秒，數萬個真空管，占地100平方米沒有程序設計語言（ 甚至沒有匯編），更談 不上操作系統。程序員提前預約一段 時間，然后到機房將他的 插件板插到計算機里。期盼著在接下來的時 間中幾萬個真空管不會 燒斷從而可以計算自己 的題目。1. 2. 2 單道批處理

4、系統（simple batch processing） 50年代末 60年代中（晶體管）：利用磁 帶把若干個作業分類編成作業執行序列， 每個批作業由一個專門的監督程序（Monitor ）自動依次處理。可使用匯編語 言開發。批處理中的作業的組成：-包括用戶程序、數據和作業說明書（作 業控制語言）“批”：供一次加載的磁帶或磁盤，通常由若干 個作業組裝成，在處理中使用一組相同 的系統軟件(系統帶)兩種批處理方式-(1) 聯機批處理-慢速的輸入輸出處理仍直接由主機來完成； -用戶提交作業：以紙帶或卡片為介質； -操作員合成批作業：結果為磁帶介質； -批作業處理：對批作業中的每個作業進行 相同的處理：從

5、磁帶讀入用戶作業和編譯鏈 接程序，編譯鏈接用戶作業，生成可執行程 序；啟動執行；執行結桌輸出。這時的問題：輸入輸出時，CPU處于等待狀態。應用帶系統帶卡片輸入機主機打印機早期聯機批處理 (2)脫機批處理(緩沖技術的一種)-利用衛星機完成輸入輸出功能。主機 與衛星機可并行工作。-衛星機:完成面向用戶的輸入輸出(紙帶或卡片)，中間結果暫存在磁 帶或磁盤上。-作業控制命令由監督程序(monitor)來執行，完成如裝入程序、編譯.運行等操作卡片輸入機系統帶應用帶輸入帶00脫機批處理優點：同一批內各作業的自動依次更替, 改善了主機CPU和I /0設備的使用效率， 提高了吞吐量缺點：磁帶或磁盤需要人工裝卸

6、，作業 需要人工分類，監督程序易遭到用戶程 序的破壞（由人工干預才可恢復）單道批處理的主要問題：-CPU和I/0設備使用忙閑不均（取決于 當前作業的特性）。對計算為主的作 業，外設空閑；對I/O為主的作業， CPU空閑；1 2. 3 多處理系統（multiprogramming system） 60年代中一 70年代中（集成電路）,利 用多道批處理提高資源的利用率。多道批處理的運行特點：-多道：內存中同時存放幾個作業；-宏觀：并行運行，都處于運行狀態。-微觀：串行運行，各作業交替使用 CPU。使用cpu使用I/Ojob】job2調度程序job2讀數據jog打卬job】再次運行time多道批處理

7、系統的特征：-優點：資源利用率高：CPU和內存利用率較高；作業吞吐量大：單位時間內完成的工作總量 大；一缺點:用戶交互性差：整個作業完成后或中間出錯 時，才與用戶交互，不利于調試和修改；作業平均周轉時間長：短作業的周轉時間顯 著增長；批處理小結批處理：交互性差，但提高了對CPU利用 率；分時處理：用戶與應用程序隨時交互， 控制程序運行，適于商業和辦公事務處 理- -縮短響應時間1 2. 4 分時系統（time-sharing system 70年代中期至今 “分時”的含義多個用戶分享使用同一臺計算機。每 個用戶給一定的時間運行，然后切換到 另一個用戶，一個輪轉周期在宏觀上相 當短，用戶感覺不到

8、。通常按時間片(time slice)分配：-時間片是各個程序在CPU上執行的輪 換時間搶先式和非搶先式(preemptive & nonpreempt ive) 操作系統：-搶先式：OS強迫作業出讓CPU;-非搶先式：程序主動出讓CPU;分時系統的特點-人機交互性好。在調試和運行程 序時由用戶自己操作。-(2)共享主機：多個用戶同時使用。-(3)用戶獨立性：對每個用戶而言好 象獨占主機現在的許多操作系統都具有分時處理的 功能，在分時系統的基礎上，操作系統 的發展開始分化，如實時系統.通用系 統.個人系統等。1. 2. 5實時系統(real-time system)用于工業過程控制.軍

9、事實時控制.金 融等領域，包括實時控扁h實時信息處 理要求：響應時間短，在一定范圍之內；系統可靠性高任務的類型：-周期性實時任務:溫度控制-非周期性實時任務：截止時間 (deadline),開始截止時間(最晚開始 時間)和完成栽止時間(最晚完成時間)-硬實時任務嚴軟實時任務(hard and soft real-time task)目前的操作系統，通常具有分時.實時和 批處理功能，又稱作通用操作系統。可適 用于計算.事務處理等多種領域，能運行 在多種硬件平臺上，如UNIX系統. Windows NT尊。- -通用化.小型化1.2.6多處理機操作系統(Multi- processor Opera

10、ting System)多處理機操作系統的出現是為了提高計算機系 統性能和可靠性。提高性能有兩條途徑：提高 各個組成部分的速度、增大處理的并行程度。 75年前后，出現多處理機系統(multiprocessor) o多處理機系統的優點： (1) 增加系統的吞吐量。但N個處理器加速比達不到N倍(額外的 調度開銷，算法的并行化)-(2) 提高系統可靠性：故障時系統降級 運行多處理機系統的類型： (1) 緊密耦合(tightly-coupled)并行(parallel)系統：各處理機之間通過快速總 線或開關陣列相連，共享內存，整體系統由一 個統一的OS管理(一個OS核心)。 (2)松散耦合(loose

11、ly-coupled)分布式系統：各處理機帶有各自的存儲器、I/O設備 和操作系統，通過通道或通信線路相連。每個 處理機上獨立運行OS。并行系統的類型 (1) 非對稱式多重處理(Asymmetric Multiprocessing, ASMP)：又稱主從模式 (Master-slave mode)»主處理器：只有一個，運行OS。管理整個系 統的資源，為從處理器分配任務；從處理器：可有多個，執行應用程序或I/O處 理。特點：不同性質任務的負載不均，可靠性不夠 高，不易移植(通常要求硬件也是“非對 稱”)。1. 2. 7 網絡操作系統(nos, Network Operating Sys

12、tem)網絡操作系統是在通常操作系統功能的 基礎上提供網絡通信和網絡服務功能的 操作系統。網絡操作系統為網上計算機 進行方便而有效的網絡資源共享，提供 網絡用戶所需各種服務的軟件和相關規 程的集合。1.2.8 分布式操作系統(Distributed Operating System)f 分布式系統：處理和控制是分散的(相 對于集中式系統)分布式系統是以計算機網絡為基礎的， 它的基本特征是處理上的分布，即功能 和任務的分布。分布式操作系統的所有 系統任務可在系統中任何處理機上運行, 自動實現全系統范圍內的任務分配并自 動調度各處理機的工作負載。1. 2. 9 個人計蘇機操作系統（PersonaC

13、omputer Operating System）針對單用戶使用的個人計算機進行優化 的操作系統。個人計算機操作系統的特征-應用領域：事務處理.個人娛樂，-系統要求：使用方便.支持多種硬件 和外部設備（多媒體設備、網絡.遠 程通信）.效率不必很高，但響應性 （交互性）要好。常用的個人計算機操作系統-單用戶單任務：MS DOS-單用戶多任務：OS/2, MS Windows 3. x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000 pro , Windows XP-多用戶多任務：UNIX (SCO UNIX,Solaris x86, Linux, FreeBSD),1

14、. 3操作系統的待征和服務1. 3. 1操作系統的特征1. 并發(concurrency) 多個事件在同一時間段內發生。在單處理機環境中，操作系統是一個并發系統。替翳尊礙冊并俎絵見上交并行(parallel)是指在同一時刻發生。是多處理機環境。程序的靜態實體是可執行文件，而動態實 體是進程（或稱作業），并發指的是進 程。1-3.1操作系統的特征（續） 2.共享（sharing）多個進程共享有限的計算機系統資源。操作 系統要對系統資源進行合理分配和使用。資 源在一個時間段內交替被多個進程所用。互斥共享（如音頻設備）：資源分配后到釋 放前，不能被其他進程所用。同時訪問（如可重入代碼，磁盤文件）資源

15、分配難以達到最優化 3.虛擬(virtual)個物理實體映射為若干個對應的邏輯 實體- -分時或分空間。虛擬是操作系 統管理系統資源的重要手段，可提高資 源利用率。-CPU - -每個用戶(進程)的“虛處理機力-存儲器- -每個進程都占有的地址空間(指令+數據+堆棧)-顯示設備- -多窗口或虛擬終端(virtual terminal) 4.異步性(asynchronism)也稱不確定性，指進程的執行順序和執行 時間的不確定性；-進程的運行速度不可預知-無論快慢，應該結果相同- -通過進程 互斥和同步手段來保證-難以重現系統在某個時刻的狀態(包括 重現運行中的錯誤)-性能保證1. 3. 2操作系

16、統的服務 1.服務類型程序執行和終止（包括分配和回收資源） I/O操作文件系統操作通信：本機內，計算機之間（通常通信 月艮務的使用者為進程，而不是籠統說“主機”）配置管理：硬件.OS本身.其他軟件差錯檢測 2.服務提供方式：系統命令和系統調用1. 4操作系統的功能存儲管理處理機管理設備管理文件管理用戶接口用戶接口目標：提供一個友好的用戶訪問操作系 統的接口。操作系統向上提供兩種接口: 1系統命令：供用戶用于組織和控制自 己的作業運行。命令行.菜單式或GUI.2編程接口：供用戶程序和其它系統程 序調用操作系統功能。系統調用和高級 語言庫函數；1.5 操作系統分類 1.批處理系統(單道批處理、多道批處理) 2.分時系統 3.實時系統 4多處理機操作系統(Multi-processor Operating Sys tern)5網絡操作系統(NOS, Network Operating System)6分布式操作系統(Distributed Operating System) 7 個人計