第一章緒論1第一章緒論指令系統微程序機器級數字邏輯級匯編語言級高級語言級操作系統機器級軟件硬件1.1操作系統概念2第一章緒論1.1操作系統概念應用程序-----------------------

虛機器界面

操作系統-----------------------

物理機器界面

硬件操作系統能做什么？3第一章緒論1.1操作系統概念操作系統能做什么？哪些是操作系統？極品飛車WindowsTurboC++WordFoxProUNIX自己編寫的高級語言源程序Turbo-ASMVILinux游戲軟件操作系統操作系統操作系統編譯程序Windows系列操作系統下的編輯軟件數據庫管理程序數據匯編程序UNIX系列操作系統下的編輯軟件4第一章緒論1.1操作系統概念操作系統能做什么？用計算機做任何事，都需要先運行某個相應的程序；任何應用都經常需要進行文件復制、刪除、磁盤內容查看、建立文件夾等工作；進行I/O操作時，需要INT語句；在Windows中，可以同時運行多個程序。操作系統不直接解決具體的應用問題，也不負責編譯源程序。5第一章緒論1.1操作系統概念操作系統承擔與硬件相關、與應用無關的基本工作，并解決這些基本工作中的效率和安全問題，為使用戶能方便、高效、安全地使用計算機，而從最底層統一提供通用的幫助和管理。OS硬件操作系統能做什么？6第一章緒論1.1操作系統概念現代操作系統的客戶/服務器結構下，OS分為：運行在用戶態并以客戶/服務器方式活動的進程，運行在核心態的內核硬件操作系統能做什么？內核服務器進程內核是對硬件的首次擴充7第一章緒論1.1操作系統概念分層結構內核微內核操作系統能做什么？作業管理設備管理文件管理進程管理存儲管理硬件內核模式硬件微內核客戶進程安全服務虛存管理器文件服務器設備驅動程序用戶模式8第一章緒論1.1操作系統概念操作系統把用戶的高級操作轉換成一系列低級操作，所有低級操作對用戶都是透明的。操作系統把硬件全部隱藏起來，給用戶提供一個友好的、易于操作的界面。此外，操作系統還要進行大量的事務處理。操作系統能做什么？“由于計算機上裝有操作系統9第一章緒論1.1操作系統概念從5個方面考察科普觀點：操作系統是計算機系統的管理指揮機構和控制中心。功能觀點：操作系統是計算機資源的管理系統，負責對計算機的全部軟、硬件資源進行分配、控制、調度和回收。用戶觀點：操作系統是用戶使用計算機的一個界面。管理員觀點：操作系統是計算機工作流程得以自動高效運行的組織者，系統軟硬件資源合理協調的管理者。軟件觀點：操作系統是由程序和數據集合組成的大型系統軟件。10第一章緒論1.1操作系統概念定義：操作系統是計算機系統中的一個系統軟件，它是這樣一些程序模塊的集合——它們能以盡量有效、合理的方式組織和管理計算機的軟硬件資源，合理地組織計算機的工作流程，控制程序的執行并向用戶提供各種服務功能，使得用戶能夠靈活、方便、有效地使用計算機，使整個計算機系統能高效地運行。是計算機與用戶之間的接口。11第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.1手工操作階段（無操作系統）工作方式用戶：用戶既是程序員，又是操作員；用戶是計算機專業人員；編程語言：為機器語言；輸入輸出：紙帶或卡片；計算機的工作特點用戶獨占全機：不出現資源被其他用戶占用，資源利用率低；CPU等待用戶：計算前，手工裝入紙帶或卡片；計算完成后，手工卸取紙帶或卡片；CPU利用率低；12第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.1手工操作階段（無操作系統）ENIAC計算機沒有程序設計語言（甚至沒有匯編），更談不上操作系統，通過在一些插板上的硬連線來控制計算機的基本功能。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。13第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.1手工操作階段（無操作系統）50年代早期，出現了穿孔卡片。程序寫在卡片上然后讀入計算機，而不用插板，但計算過程則依然如舊。14第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.1手工操作階段（無操作系統）50年代早期，出現了穿孔卡片。程序寫在卡片上然后讀入計算機，而不用插板，但計算過程則依然如舊。問題：計算機處理能力的提高與手工操作的低效率（造成浪費）用戶獨占全機的所有資源解決：擺脫手工操作，實現作業的自動過渡15第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.2早期批處理聯機批處理：I/O設備與主機直接連接用戶將程序寫在紙上（用高級語言或匯編語言）將作業穿孔成卡片，再將卡片盒交給操作員操作員有選擇地把若干作業合成一批，通過輸入設備（紙帶輸入機或讀卡機）輸入監督程序讀入一個作業從輸入設備調入，編譯、連接、運行程序返回4，再讀入一個作業，直到一批作業完成返回3，處理下一批16第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.2早期批處理聯機批處理優點：解決了作業的自動轉接，減少了人工操作時間問題：作業輸入和結果輸出過程中，CPU處于等待狀態解決：增加一臺不與主機直接相連而專門于I/O設備交換信息的衛星機（脫機批處理）17第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.2早期批處理脫機批處理：增加一臺不與主機直接相連而專門于I/O設備交換信息的衛星機紙帶機卡片機打印機衛星機輸入帶輸出帶主機日志執行帶系統帶輸入設備通過它將作業輸入到輸入帶輸出帶通過它將結果輸出到輸出設備18第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.2早期批處理監督程序：管理作業的運行，完成作業的過渡。輸入用戶作業程序編譯后的用戶作業程序裝配好的用戶作業程序執行執行結果輸出結果轉到下一個作業輸入標準輸入程序監督程序編譯程序裝配程序調用一些子程序標準輸入和后處理程序問題：人工拆裝系統保護?解決：多道程序19第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.3多道程序系統單道運行：每次只調一個用戶作業程序進入內存并運行用戶程序監督程序輸入輸出操作計算請求輸入啟動輸入輸出結束中斷輸入輸出完成繼續計算20第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.3多道程序系統多道程序CPU程序A輸入輸出設備輸入輸出設備程序B請求輸入程序A程序B請求打印輸出輸入結束請求其它輸入輸出操作輸出結束等待CPU程序A程序B運行處理輸入數據運行處理其它輸入輸出操作運行處理打印輸出等待CPU運行處理特點：多道：同時存放多道相互獨立的程序宏觀上并行：進入系統的幾道程序均在運行微觀上串行：輪流使用CPU在當前運行的作業需作I/O處理時，CPU轉而執行另一個作業。21第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.3多道程序系統多道程序評價優點資源利用率高：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22第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.3多道程序系統單道批處理系統與多道批處理系統的特點比較單道批處理系統多道批處理系統內存中駐留程序數目一道多道占用CPU的情況獨占交替占用是否需要作業和進程調度不需要需要程序完成次序與其進入內存次序間的關系嚴格對應不嚴格對應23第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.3多道程序系統相關技術問題處理機管理問題：如何分配，使CPU滿足要求內存管理問題：為每道程序分配內存空間I/O設備管理問題：如何分配I/O設備文件管理問題：如何組織程序和數據作業管理問題：如何組織作業操作系統漸趨成熟，出現了作業管理、CPU管理、內存管理、設備管理、文件管理24第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.4分時操作系統含義：分時是指多個用戶分享使用同一臺計算機，分時共享硬件和軟件資源。多個用戶分時：單個用戶使用計算機的效率低，因而允許多個應用程序同時在內存中，分別服務于不同的用戶；前臺和后臺程序分時：后臺程序不占用終端輸入輸出，不與用戶交互——現在的圖形用戶界面(GUI)，除當前交互的程序(輸入焦點)之外，其他程序均作為后臺；通常按時間片分配：各個程序在CPU上執行的輪換時間。把處理器的運行時間分成很短的時間片，按時間片輪流把處理機分配給各作業使用。25第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.4分時操作系統人機交互性好：在調試和運行程序時由用戶自己操作共享主機：多個用戶同時使用用戶獨立性：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。26第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.5實時操作系統用于工業過程控制、軍事實時控制、金融等領域，包括實時控制、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?？蛇m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、WindowsNT等。——通用化、小型化27第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.5實時操作系統批處理系統、分時操作系統和實時操作系統的比較類型性質批處理系統分時系統實時系統單道多道獨立性無無有有（最強）同時性無有有（最強）有（很弱）交互性無無有（最強）有（很弱）及時性無無有有（最強）28第一章緒論1.2操作系統的歷史1.2.5操作系統的進一步發展個人計算機上的操作系統嵌入式操作系統網絡操作系統分布式操作系統智能化操作系統29第一章緒論1.3操作系統的基本類型批處理操作系統（batchprocessingoperatingsystem）分時操作系統（timesharingoperatingsystem）實時操作系統（realtimeoperatingsystem）個人計算機操作系統（personalcomputeroperatingsystem）網絡操作系統（networkoperatingsystem）分布式操作系統（distributedoperatingsystem）30第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.1批處理操作系統特征用戶脫機使用計算機成批處理多道程序運行提交收容運行就緒等待完成作業錄入作業調度作業調度用戶31第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.1批處理操作系統優點資源利用率高（CPU、內存、I/O）系統吞吐量大缺點平均周轉時間長無交互能力注意多道程序系統（multiprogramming）與多重處理系統（multiprocessing）32第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.2分時系統分時的定義：把計算機的系統資源（尤其是CPU時間）進行時間上的分割，每個時間段稱為一個時間片（timeslice），每個用戶依次輪流使用時間片。時間片CPU時間ABCABCB…33第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.2分時系統分時系統追求的目標：及時響應（依據指標：響應時間）響應時間：從終端發出命令到系統給予回答所經歷的時間34第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.2分時系統特征多路性：允許在一臺主機上同時連接多臺聯機終端，系統按分時原則為每個用戶服務獨立性：每個用戶各占一個終端，彼此獨立工作及時性：用戶的請求在很短的時間內能夠獲得響應交互性：用戶可以通過終端與系統進行廣泛的對話分時操作系統是一個聯機（on-line）、多用戶（multi-user）、交互式（interactive）的操作系統35第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.3實時系統

實時操作系統主要用于過程控制、事務處理等有實時要求的領域，其主要特征是實時性和可靠性。分類實時過程控制，工業控制，軍事控制，...實時通信（信息）處理，電訊（自動交換），銀行，飛機訂票，股市行情36第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.3實時系統控制過程數據采集：收集、接收和錄入系統工作必須的信息加工處理：對進入系統的信息進行加工處理控制操作：根據加工的結果采取適當的措施或動作反饋處理：監督執行機構的執行結果實時時鐘管理多個實時任務通過“隊列驅動”或“事件驅動”開始工作37第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.3實時系統實時系統與分時系統特征的比較設計目標：分時系統為給多用戶提供通用的交互型開發運行環境，實時系統為特殊用途提供專用系統交互性：分時系統交互性強，實時系統較弱響應時間：分時系統以用戶能夠接受的響應時間為準，實時系統與受控對象及應用場合有關38第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.4通用操作系統如果一個操作系統兼有批處理、分時或實時處理的全部過兩種功能，該操作系統為通用操作系統1.3.5微機操作系統開放性：支持不同系統互聯、分布式處理多CPU系統通用性：支持應用程序的獨立性和在不同平臺上的可移植性高性能：支持虛擬存儲器、多線程、對稱處理器采用微內核結構：提供基本支持功能的內核很小，大部分功能由內核之外的服務程序完成39第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.6網絡操作系統能夠控制計算機在網絡中方便地傳送信息和共享資源，并能為網絡用戶提供各種所需的服務功能網絡通信：在源計算機和目標計算機之間實現無差錯的數據傳送資源管理：對網絡中的硬、軟件資源實施管理網絡管理：安全控制、性能監測、維護功能網絡服務：如e-mail、文件傳輸、共享設備服務、遠程作業錄入等40第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.6網絡操作系統特征網絡是一個互連的計算機系統群體其中的計算機是自治的，每臺計算機均有自己的操作系統，各自獨立工作，在網絡協議控制下協同工作系統互連要通過通信設施實現系統通過通信設施執行信息交換、資源共享、互操作和協作處理，實現多種應用要求41第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.7分布式操作系統集中式計算機系統：處理和控制能力都高度集中在一臺計算機上，所有任務均由它完成。分布式計算機系統：由多臺分散的計算機經互聯網絡連接而成的系統。管理分布式計算機系統的操作系統稱為分布式操作系統。分布式計算機系統與單機集中式操作系統區別進程通信：集中式簡單，分布式涉及機構、規程和路徑算法資源管理：集中式，一類資源由一個管理程序管理；分布式，一類資源由多個管理程序管理，這些程序必須協調一致工作系統結構：分布式，有若干相對獨立的部分，分布在各臺計算機上42第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.7分布式操作系統分布式操作系統與網絡操作系統的比較耦合程度分布式系統是緊密耦合系統：分布式OS是在各機上統一建立的“OS同質”，直接管理CPU、存儲器和外設；統一進行全系統的管理網絡通常容許異種OS互連，各機上各種服務程序需按相同網絡協議“協議同質”并行性分布式OS可以將一個進程分散在各機上并行執行“進程遷移”網絡則各機上的進程獨立43第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.7分布式操作系統分布式操作系統與網絡操作系統的比較透明性：用戶是否知道或指定資源在哪個機器上（如CPU、內存或外設）分布式系統的網絡資源調度對用戶透明，用戶不了解所占有資源的位置網絡操作系統中對網絡資源的使用要由用戶明確指定健壯性：分布式系統要求更強的容錯能力44第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.8嵌入式操作系統需求：計算機嵌入式應用嵌入式（計算機）硬件不再以物理上獨立的裝置或設備出現，而是部分或全部隱藏和嵌入到應用系統中對嵌入式（計算機）系統的軟件、即嵌入式軟件（embeddedsoftware）的需求嵌入式操作系統：運行在嵌入式（計算機）環境中、對整個系統及所有操作的各種部件、裝置等資源進行統一協調、處理、指揮和控制的系統軟件。45第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.8嵌入式操作系統特點微型化：內存少（1M以內）、無外存、微處理器字長短（8b、16b）、運行速度有限、能提供的能源少、外設千變萬化可定制：能運行在不同微處理器平臺上，能針對硬件變化進行結構與功能上的配置實時性：硬實時、軟實時、非實時46第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.8嵌入式操作系統特點可靠性：可靠、容錯、防故障易移植性：硬件抽象層HAL提供與平臺無關的特性，向操作系統上層提供統一接口；板級支撐包BSP保證嵌入時操作系統可在新推出的微處理器硬件平臺上運行開發環境：通常提供代碼編輯器、編譯器和鏈接器、程序調試器、系統配置器和系統仿真器47第一章緒論1.4操作系統的功能1.4.1處理機管理完成處理機資源的分配、調度和回收等功能。處理機調度的單位可為進程或線程。由于處理機調度策略不同，出現不同類型的操作系統，如批處理系統、分時系統、實時系統48第一章緒論1.4操作系統的功能1.4.2存儲管理管理目標：提高利用率、方便用戶使用、提供足夠的存儲空間、方便進程并發運行。內存的分配、保護和擴充。存儲器分配與回收地址映射（變換）：邏輯地址到內存物理地址映射存儲保護：保證進程間互不干擾、相互保密內存擴充（覆蓋、交換和虛擬存儲）：提高內存利用率、擴大進程的內存空間49第一章緒論1.4操作系統的功能1.4.3設備管理管理目標：方便設備的使用、提高CPU與I/O設備利用率設備操作：利用設備驅動程序完成對設備的操作設備獨立性(deviceindependence)：提供統一的I/O設備接口，使應用程序獨立于物理設備，提高可適應性；在同樣的接口和操作下完成不同的內容設備分配與回收：在多用戶間共享I/O設備資源緩沖區管理：匹配CPU和外設的速度，提高兩者的利用率。主機與外設并行50第一章緒論1.4操作系統的功能1.4.4信息管理管理目標：解決軟件資源的存儲、共享、保密和保護文件存儲空間管理：解決如何存放信息，以提高空間利用率和讀寫性能目錄管理：解決信息檢索問題。文件的屬性（如文件名）、單一副本賦予多文件名文件的讀寫管理和存取控制：解決信息安全問題。系統設口令“哪個用戶”、用戶分類“哪個用戶組”、文件權限“針對用戶或用戶組的讀寫權”51第一章緒論1.4操作系統的功能1.4.5用戶接口管理目標：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“聯機”

；命令腳本“脫機”編程接口：供用戶程序和系統程序調用操作系統功能。系統調用和高級語言庫函數通過這些命令和調用，向OS提出申請，由OS調用內部功能來完成52第一章緒論1.5操作系統的特征1.5.1并發（concurrency）

并發性：指在計算機系統內同時存在有多個程序，宏觀上，這些程序是同時向前推進的并發：指多個事件在同一時間段內發生。操作系統是一個并發系統，各進程間的并發，系統與應用間的并發。操作系統要完成這些并發過程的管理。并行（parallel）:是指在同一時刻發生在多道程序處理時，宏觀上并發，微觀上交替執行（在單處理器情況下）程序的靜態實體是可執行文件，而動態實體是進程（或稱作任務），并發指的是進程53第一章緒論1.5操作系統的特征1.5.2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