1信息學院軟件工程系李先鋒2014-2015學年第2學期操作系統E-mail:lixf@：134017743672計算機操作系統湯小丹主編

西安電子科技大學出版社3課程說明課程性質及要求：專業基礎課考試課：期末閉卷考試學分：4分學時：64學時=理論課48+實驗課16作業：約60題，一個作業本，按時交納41.1操作系統的概念1.2操作系統的發展過程1.3操作系統的類型1.4操作系統的特征1.5操作系統的功能1.6操作系統結構設計第一章操作系統引論51.1操作系統的概念

一、操作系統的地位

裸機（BareMachine）:沒有任何的軟機支持的計算機。它僅僅構成了計算機系統的物質基礎。一個完整的計算機系統由兩大部分組成：

計算機硬件和計算機軟件。

6(一)計算機的硬件1.硬件的概念

指計算機系統中由電子、機械和光電元件等組成的各種計算機部件和計算機設備。2.計算機硬件系統的基本組成①運算器②控制器③存儲器中央處理器④輸入設備⑤輸出設備7(二)計算機的軟件1.軟件的概念

軟件是由計算機硬件執行以完成一定任務的所有程序及其數據。2.軟件的分類分為系統軟件和應用軟件其中,系統軟件由操作系統、程序設計語言、語言處理程序、數據庫管理系統、網絡系統和常用服務系統等組成。

應用軟件是指專門為某一應用目的而用系統軟件編制的軟件系統。8計算機系統的層次結構用戶應用軟件其他系統軟件裸機操作系統操作系統---系統軟件的核心將文件存到磁盤上

遵命！遵命文件正確保存將文件存盤報告長官：文件保存完成11操作系統的目標1.方便性（用戶的觀點）提供良好的、一致的用戶接口，彌補硬件系統的類型和數量差別。2.有效性（系統管理員的觀點）管理和分配硬件、軟件資源，合理地組織計算機的工作流程。3.可擴充性適應計算機技術的迅速發展，對OS提出了更高的功能和性能要求（OS層次化）。4.開放性：出自不同廠家的計算機硬件系統，要能在網絡環境下協調工作，要求具有統一的開放環境。12操作系統的功能：處理機管理、存儲器管理、設備管理、文件管理、用戶接口。系統需要為word處理程序進行存儲資源的分配＝》進程的管理＝》將結果輸出到外部設備

例如：打開一個word處理程序，OS需要作什么？系統還需要有極強的容錯性和穩定性，能夠避免由于某個程序的不穩定，而影響整個應用程序的不穩定。OS的五大管理功能：13操作系統的定義操作系統是合理組織計算機的工作流程，有效控制和管理計算機系統的各類資源，并方便用戶使用計算機的程序集合。補充：OS是用戶和計算機的接口OS是最重要的系統軟件141.2操作系統的發展過程“需求推動發展”(1)提高資源的利用率和系統性能；(2)方便用戶：用戶上機、調試程序；(3)

分散計算時的事務處理和非專業用戶；(4)器件的發展。15

如果把在計算機上操作的人比作一個部隊的“司令員”，那么組成計算機各部件的顯示器、主機、鍵盤、鼠標等就像打仗時使用的槍支、炮彈、飛機、坦克等武器，面對這么多武器，司令員不可能十八般武器樣樣精通，更不可能每一支槍、每一發炮彈親自去使用，這就需要有指揮使用每一種武器部隊的指戰員，這些指戰員構成了調動并控制各種武器的指揮作戰的系統，這個作戰系統就相當于計算機的操作系統。一個比喻16＝》1946年到50年代第一代電子管計算機

工作方式：用戶既是程序員，又是操作員；編程語言：為機器語言；

輸入輸出：紙帶或卡片；

工作特點：用戶獨占全機,資源不共享CPU利用率低主要矛盾：計算機處理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪費）；提高效率的途徑：專門的操作員，批處理17＝》50年代末～60年代中單道批處理系統

（晶體管計算機）

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。

存在問題：CPU和I/O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。人機矛盾仍然存在。18＝》操作系統的完善通道技術和中斷技術的出現使監督程序在負責作業運行的同時提供I/O控制功能。通道：專用的I/O處理器，可與CPU并行工作，使I/O聯機處理。

中斷：是指CPU在收到外部中斷信號后，停止原來工作，轉去處理該中斷事件，完畢后回到原來斷點繼續工作。1960年代中多道程序批處理系統為進一步提高資源的利用率和系統的吞吐量，引入多道程序批處理系統操作系統終于代替人工成了計算機系統的“管家”，其發展進入了成熟期，UNIX是這個時期的典型代表。20＝》操作系統的發展從1980年至今建立在大規模集成電路基礎上的第四代計算機蓬勃發展。從個人計算機到并行機，再到網絡，計算機體系結構也不斷發展變化。微機操作系統、并行操作系統、分布式操作系統、網絡操作系統和嵌入式操作系統等相繼產生。操作系統的使用界面也從字符界面變成了圖形界面。操作系統的結構除了有序分層的模塊化結構外，還出現了客戶/服務器加微內核結構等。DOS、OS/2、Windows和Linux等是這一時期的典型代表。211.3操作系統的基本類型*

批處理操作系統(BatchProcessingOperatingSystem)分時操作系統

(Time-sharingOperatingSystem)實時操作系統(Real-TimeOperatingSystem)22一、批處理操作系統單道批處理(simpleBatch)系統多道批處理(multiprogrammedBatch)系統1.運行方式：宏觀上并行運行：都處于運行狀態，但都未運行完；微觀上串行運行：各作業交替使用CPU；多道：內存中同時存放幾個作業232.多道批處理系統的特征

優點：（1）資源利用率高

（2）作業吞吐量大（3）系統開銷小缺點：（1）用戶交互性差（2）作業平均周轉時間長24二、分時操作系統主機終端終端終端………分時系統示意圖251．分時的概念與實現

分時：指若干并發程序對CPU時間的共享，通過系統軟件實現。指多個用戶分享使用同一臺計算機。兩個或多個事件按時間劃分輪流使用計算機系統中的某一資源。實現分時的基本方法是設立一個時間分享單位——時間片(timeslice)。它是系統規定進程一次使用處理機的最長時間。時間片的長短可以因不同系統而異，通常100ms左右。26實現思想如下：每個用戶在各自的終端上以問答方式控制程序運行，系統把中央處理器的時間劃分成時間片，輪流分配給各個聯機終端用戶，每個用戶只能在極短時間內執行，若時間片用完，而程序還未做完，則掛起等待下次分得時間片。272．分時系統的引入

分時系統的產生則是為了滿足用戶的需求在批處理系統中，用戶不能干預自己程序的運行，無法得知程序運行情況，對程序的調試和排錯不利。

CTSS是最早的分時操作系統，Unix是目前廣泛使用的一個分時操作系統283．分時系統的特征

（1）交互性有人把分時系統稱為交互系統。（2）及時性終端用戶的請求能在很短的時間內獲得響應，通常為2～3秒鐘。（3）獨占性每個用戶各占一個終端，彼此獨立操作，互不干擾，感覺好象自己獨占主機一樣。（4）同時性（也叫多路性）提高了系統資源利用率，節省了開支。29三、實時操作系統實時系統則是指系統對特定輸入做出反應的速度足以控制發出實時信號的對象，或者說計算機能夠實時地響應外部事件的請求，在規定的短時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時設備和實時任務協調一致地運行。301．實時系統的類型

實時控制系統和實時信息處理系統(信息查詢系統和事務處理系統)。導彈制導系統，飛機自動駕駛系統，火炮自動控制系統？？？氣象預報系統、飛機訂票系統和股票交易系統

情報檢索系統？？312．實時系統的特征

除了多路性，獨占性外，還有下面的特征（1）稍弱的交互性

它僅允許操作人員訪問系統中某些特定的專用服務程序，一般不許寫入或修改現有程序，不象分時系統那樣能向終端用戶提供數據處理和資源共享等服務。（2）實時性

對及時性的要求高，常以控制對象所能接受的延遲時間來確定，可以是秒級、毫秒級，甚至是微秒級。（3）可靠性

常采用多級容錯措施，以保證系統的安全可靠。

32四、單用戶操作系統

單用戶單任務操作系統：單用戶多任務操作系統：只允許一個用戶上機，但允許將一個用戶程序分為若干任務，使他們并發執行。Windows9x就是圖形用戶界面的單用戶多任務操作系統的典型代表。

在同一段時間內僅為一個用戶提供服務。由于一個用戶獨占整個計算機系統，操作系統資源管理的任務變得不重要，為用戶提供良好的工作環境成了這類操作系統最主要的目標。如MS-DOS、CP/M等。33五、網絡操作系統將地理上分散的自主計算機通過通信系統的線路互連而成計算機網絡。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。三大陣營：UNIX、WindowsNT、Netware

等34

六、分布式操作系統*

分布式計算機系統

指由多臺分散的計算機，經互連網絡連接而成的系統。每臺計算機高度自治，又相互協同，能在系統范圍內實現資源管理，任務分配、能并行地運行分布式程序。集中式計算機系統以往的計算機系統中，其處理和控制功能都高度地集中在一臺計算機上，所有的任務都由它完成35分布式系統的主要優缺點

優點：性價比高、可靠性高、可擴展性強、適合分布式的應用等。缺點：需要復雜的軟件、存在潛在的通信瓶頸、數據安全性較弱等。真正實用的分布式操作系統：荷蘭Virije大學研制的Amoeba和美國CarnegieMello研制的Mach、X樹系統、Plan9

等361.4操作系統的特征

一、并發性二、共享性三、虛擬性四、異步性

37一、并發與并行并發：Concurrence是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。并行：Parallel是指兩個或多個事件在同一時刻發生。單處理機系統中采用多道程序技術后，可以實現硬件之間的并行操作和程序之間的并發執行。38程序A請求I/O程序B請求I/O程序C請求I/O

C完成I/OB完成I/OA完成I/OC再次被調度

A再次被調度

A完成

程序A程序C程序B調度程序

時間軸t多道程序并發執行示意圖單線表示程序占用cpu，雙線表示外設在執行相應程序的I/O請求39小注：兩道程序分別在兩個處理機（多CPU）或兩套處理部件中獨立運行，可以實現并行。并發程序要達到“在同一時間間隔內進行”，也需要相應的硬件或軟件支持。例如，兩道程序分別在一個處理機或一套處理部件上運行，由于每一時刻僅能執行一道程序，所以微機上這兩道程序是交替和順序執行的，但從宏觀上看，在一段時間間隔內這兩道程序同時運行。所以，并發和并行都需要多道程序技術的支持。40二、共享性

共享：是指計算機系統中的各種硬、軟件資源都可以為多個用戶同時使用。共享可分互斥共享和同時共享兩種方式。互斥共享也叫順序共享：是指多個進程（進程的定義在第二章）互斥地或者排他性地使用某個資源。同時共享又叫并發共享：是指在一段時間內，多個程序可以同時使用系統中的某個資源。這里的“同時”是個宏觀概念，微觀上，這多個進程是交替使用該資源41小注：并發與共享是現代操作系統的兩個最基本特征，它們之間是相輔相成、互為依存的。一方面，資源共享是以程序（進程）并發執行為條件的，如果系統不允許并發執行，自然不存在資源共享問題；另一方面，程序并發執行以資源共享為基礎，如果系統不能對資源共享實施有效管理，則也必將影響到程序的并發執行，甚至根本無法并發執行。只有系統能夠高度并發，資源才能充分共享；也只有資源被充分共享，系統才能更好地并發。42三、虛擬性

在操作系統中所謂的虛擬：是通過某種技術物理上的一個實體映射為邏輯上的多個對應物。前者是實際存在的，后者是虛的，是感覺性的存在。如WINDOWS操作系統使用了虛擬存儲技術，它把外部存儲器映射為用戶自由使用的“無限大”的內存空間，即虛擬內存，這樣保證了需要內存空間比實際內存空間大的程序能正常運行。43四、異步性所謂異步是指內存中的多個進程都按照各自獨立的、不可預知的速度向前推進。這是由于它們共享資源、并發執行的緣故。內存中的每個進程什么時候執行，向前推進速度快慢，共需多少時間都是由執行的現場所決定。很有可能先進入內存的作業后完成，后進入內存的作業先完成。但同一程序在相同的初始數據下，無論何時運行都應獲得同樣的結果。44操作系統是一個十分復雜的大型軟件。為了控制該軟件的復雜性，在開發OS時，先后引入了分解、模塊化、抽象和隱蔽等軟件工程方法方法。開發方法的不斷發展，促進了OS結構的更新換代。一般地，

傳統的OS結構：第一代至第三代的OS結構現代OS結構：微內核的OS結構。1.6操作系統結構設計1.6.1傳統的操作系統結構45在早期開發操作系統時，設計者是基于過程的方法設計，各過程之間可以相互調用，在操作系統內部不存在任何結構，因此，這種OS是無結構(整體系統結構)的。基于過程的設計方法，只注重如何編制緊湊的程序，以便于有效地利用內存、對GOTO語句的使用不加任何限制，所設計出的操作系統既龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結構。這一方面會使所編制出的程序錯誤很多，給調試工作帶來很多困難；另一方面也使程序難以閱讀和理解，增加了維護人員的負擔。1.無結構操作系統461)模塊化結構模塊化程序設計技術是基于“分解”和“模塊化”原則來控制大型軟件的復雜度的。為使OS具有較清晰的結構，將OS按其功能劃分為若干個具有一定獨立性和大小的模塊。每個模塊具有某方面的管理功能，如進程管理模塊、存儲器管理模塊……等，并規定好各模塊間的接口，使各模塊之間能通過該接口實現交互，然后再進一步將各模塊細分為若干個具有一定管理功能的子模塊。

2.模塊化OS結構47圖1-5模塊化操作系統結構48(1)提高了OS設計的正確性、可理解性和可維護性。(2)增強了OS的可適應性。(3)加速了OS的開發過程。

模塊化結構設計的缺點有二。首先，在開始設計OS時，對模塊的劃分及對接口的規定并不精確，而且還可能存在錯誤，因而很難保證按此規定所設計出的模塊會完全正確，這將使在把這些模塊裝配成OS時發生困難；其次，從功能觀點來劃分模塊時，未能將共享資源和獨占資源加以區別；由于管理上的差異，又會使模塊間存在著復雜的依賴關系使OS結構變得不清晰。2)模塊化OS的優缺點493.分層式OS結構

1)有序分層的基本概念從改進設計方式上說，應使我們的每一步設計都是建立在可靠的基礎上。我們可以從物理機器開始，在其上面先添加一層具有一定功能的軟件A1,由于A1是建立在完全確定的物理機器上的，在經過精心設計和幾乎是窮盡無遺的測試后，可以認為A1是正確的；然后再在A1上添加一層新軟件A2，……，如此一層一層地自底向上增添軟件層，每一層都實現若干功能，最后總能構成一個能滿足需要的OS。50分層式結構設計的基本原則是：每一層都僅使用其底層所提供的功能和服務，這樣可使系統的調試和驗證都變得容易，例如，在調試第一層軟件A1時，由于它只使用了物理機器提供的功能，因此它將與其所有的高層軟件A2，……，An無關；同樣在調試A2時，它也只使用了A1和物理機器所提供的功能，而與其高層軟件A3,……，An無關，這樣，一旦發現Ai出現錯誤時，通常該錯誤只會局限于Ai，因為它與所有其高層的軟件無關，而Ai層以下的各層軟件，又都經過仔細的調試。51

2)層次的設置(1)程序嵌套。通常OS的每個功能的實現，并非是只用一個程序便能完成的，而是要經由若干個軟件層才有可能完成。因此在劃分OS層次時，首先要考慮在實現OS的每個功能時所形成的程序嵌套。例如，作業調度模塊須調用進程控制模塊；在為某作業創建一進程時，進程控制模塊又須調用內存管理模塊為新進程分配內存空間，可見，進程控制模塊應在內存管理模塊之上；而作業調度模塊又應在更高層。52(2)運行頻率。在分層結構中，各層次軟件的運行速度是不同的，因為A1層軟件能直接在物理機器上運行，故它有最高的運行速度。隨著層次的增高，其相應軟件的運行速度就隨之下降，因而An層軟件的運行速度最低。為了提高OS的運行效率，應該將那些經常活躍的模塊放在最接近硬件的A1層，如時鐘管理、進程調度，通常都放在A1層。53(3)公用模塊。應把供多種資源管程程序調用的公用模塊，設置在最低層，不然，會使比它低的層次模塊由于無法調用它而須另外配置相應功能的模塊。例如，用于對信號量進行操作的原語Signal和Wait。(4)用戶接口。為方便用戶(程序)，OS向用戶提供了“用戶與OS的接口”，如命令接口、程序接口以及圖形用戶接口。這些接口應設置在OS的最高層，直接提供給用戶使用。541.6.2微內核OS結構1)基本概念

為了提高OS的靈活性和可擴充性而將OS劃分為兩部分.一部分是用于提供各種服務的一組服務器(進程)，所有這些服務器(進程)都運行在用戶態。當有一客戶進程要求讀文件的一個盤塊時，該進程便向文件服務器(進程)發出一個請求；當服務器完成了該客戶的請求后，便給該客戶回送一個響應。另一部分是內核，用來處理客戶和服務器之間的通信，即由內核來接收客戶的請求，再將該請求送至相應的服務器；同時它也接收服務器的應答，并將此應答回送給請求客戶。此外，在內核中還應具有其它一些機構，用于實現與硬件緊密相關的和一些較基本的功能。

1.客戶/服務器模式(Client-ServerModel)55圖1-6單機環境下的客戶/服務器模式(1)提高了系統的靈活性和可擴充性。(2)提高了OS的可靠性。(3)可運行于分布式系統中。2)客戶/服務器模式的優點56微內核技術的引入所謂微內核技術，是指精心設計的、能實現現代OS核心功能的小型內核，它與一般的OS(程序)不同，它更小更精煉，它不僅運行在核心態，而且開機后常駐內存，它不會因內存緊張而被換出內存。微內核并非是一個完整的OS，而只是為構建通用OS提供一個重要基礎。由于在微內核OS結構中，通常都采用了客戶/服務器模式，因此OS的大部分功能和服務，都是由若干服務器來提供的，如文件服務器、作業服務器和網絡服務器等。3.微內核技術57微內核所提供的功能，通常都是一些最基本的功能，如進程管理、存儲器管理、進程間通信、低級I/O功能。(1)進程管理。(2)存儲器管理。(3)進程通信管理。(4)I/O設備管理。2)微內核的基本功能58第一章練習題1、以下給出的操作系統中交互性最強的是（）A.批量處理系統B.實時系統C.分時系統D.網絡操作系統2、OS的主要功能是管理計算機系統中的()

A.程序B.數據C.文件D.資源3、多道程序技術能提高CPU的使用效率，這是因為發揮了（）與（）之間的并行工作能力。593、下列作業類型中，適合在分時系統中運行的有（）和（）；適合在批處理系統中運行的有（）和（）。

A.學習編程B.數據統計

C.發送電子郵件D.整理磁盤4、以下（）不是設計實時操作系統主要的追求目標。

A.安全可靠B.資源利用率

C.及時響應D.快速處理5、判斷：多道程序技術的實現需要多處理機支持。606、操作系統的基本類型主要有（）、（）、和（）。7、雖然不同的操作系統具有各自的特點，但它們都具有以下4個基本特征（）、（）、（）、和（）。8、簡述并發和并行的區別；分時和實時的區別9、名詞解釋：操作系統10、什么是多道程序設計技術？其主要優點是什么？為什么說直到中斷和通道技術后，多道程序概念才變為有用的？611.7流行操作系統簡介

7.1

DOS操作系統7.2Windows操作系統

7.3UNIX操作系統(*)

7.4自由軟件和Linux操作系統(*)621974年，“TheUNIXTime-SharingSystem”一文在美國權威雜志CACM上發表，引起廣泛注意。最早外界可獲得的UNIX是1975年的UNIX第6版；1978年的UNIX第7版，可以看作當今UNIX的先驅，該版為今天UNIX的繁榮奠定了基礎，UNIX也步入了成型階段。UNIX操作