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計算機操作系統主講:四川大學計算機學院

劉

循liuxun@2

計算機由硬件和軟件兩部分組成，操作系統OS(Operatig-System)是配置在計算機硬件上的第一層軟件，是對硬件系統的第一次擴充。它在計算機系統中占據了特殊重要的地位，其它所有的軟件如匯編程序、編譯程序、數據庫管理系統等系統軟件以及大量的應用軟件，都將依賴于操作系統的支持，取得它的服務。操作系統已成為從大型機直至微機都必須配置的系統軟件。3

第1章

操作系統引論主要內容:操作系統的目標和作用；操作系統的發展過程；操作系統的基本特性；操作系統的主要功能；OS結構設計41.1操作系統的目標、作用1.1.1操作系統的目標(1)方便性:方便計算機使用。(2)有效性:有效利用計算機資源。(3)可擴充性:采用模塊化結構。(4)開放性:統一的開放的環境。51.1.2操作系統的作用(1)用戶與計算機硬件系統之間的接口。(見右圖)(2)計算機系統資源的管理者。(3)擴充計算機。

計算機硬件

系統調用

命令

操作系統

用戶應用程序1.1操作系統的目標、作用（續）6操作系統的層次模型(1)OS對象。(2)對對象操縱和管理的軟件的集合。(3)用戶接口:命令、程序、圖形。

用戶接口 (命令接口,程序接口,圖形用戶接口)

對對象操縱和管理的軟件集合(處理及管理軟件,存儲器管理軟件,設備管理軟件,文件管理軟件)

操作系統對象(處理機,存儲器,設備,文件和作業)1.1操作系統的目標、作用（續）71.1操作系統的目標、作用（續）1.1.3推動操作系統發展的主要動力1.不斷提高計算機資源利用率2.方便用戶3.器件的不斷更新換代4.計算機體系結構的不斷發展5.不斷提出新的應用需求81.2操作系統的發展過程1.2.1無操作系統時的計算機系統

人工操作方式，脫機輸入輸出方式。

1.2.2簡單的操作系統:單道批處理系統

自動性、順序性、單道性。

9用戶程序監督程序I/O操作I/O中斷請求啟動I/OI/O完成I/O中斷請求啟動I/OI/O完成t2t3t3t4單道程序運行情況CPU空閑1.2操作系統的發展過程(續)101.2.3多道批處理系統

特征:多道性

無序性

調度性。

主要優缺點:

優:資源利用率高，系統吞吐量大。

缺:平均周轉時間長(進入系統到完成)；

無交互能力。1.2操作系統的發展過程(續)11I/O中斷請求程序A調度程序I/O操作I/O中斷請求啟動I/OI/O過程I/O中斷請求I/O過程I/O完成四道程序運行情況程序B程序C程序DI/O中斷請求程序A再次被調度程序C再次被調度I/O過程啟動I/O啟動I/O啟動I/O沒有CPU空閑1.2操作系統的發展過程(續)12多道批處理系統要解決的問題:處理機爭用問題；

內存分配和保護問題；I/O設備分配問題；

文件的組織和管理問題；

作業管理問題；用戶與系統的接口問題。1.2操作系統的發展過程(續)13

單道(uniprogramming)和多道批處理的比較：

多道程序系統和多處理系統(multiprocessingsystem)的區別：

前者指多個程序同時在內存中交替運行，后者指多個處理器。14計算機操作系統:

操作系統是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源、合理的對各類作業進行調度,以及方便用戶的程序的集合.1.2操作系統的發展過程(續)151.2.4分時系統(time-sharingsystem)

為了滿足用戶需要：

人機交互、共享主機、便于上機。

分時系統實現中的關鍵：

及時接收：多路卡、每個終端配置緩沖區。

及時處理：所有用戶作業直接進入內存。

采用輪轉運行方式。1.2操作系統的發展過程(續)16

分時系統的實現方法：

單道分時系統；

具有前臺和后臺的分時系統；

多道分時系統。1.2操作系統的發展過程(續)17分時系統的特征：多路性；獨立性；及時性；交互性。

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操作系統的發展過程(續)18分時系統上世紀50年代,MIT最早提出,1962年開發出第一個分時操作系統CTSS(CompatibleTimeSharingSystem),成功運行在IBM360機器上，但是太慢，沒有用戶．１９６５年，美國國防部支持下，MIT,BELLGE公司開發出公用計算機服務系統,MULTICS(MULTiplexedInformationandcomputerService.)191.2.5實時系統(real-timesystem）

用于工業控制、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。

任務的類型：

周期性實時任務

非周期性實時任務：截止時間(deadline)，

硬實時任務

軟實時任務.1.2操作系統的發展過程(續)20實時系統與分時系統的比較：

多路性：都具備；

獨立性：都具備；

及時性：用戶能接收的等待時間；（實時系統以用戶截止時間或完成截止時間來確定）

交互性：都具有；

可靠性：實時系統要求可靠性高。1.2操作系統的發展過程(續)211.2.6微機操作系統的發展

1、單用戶單任務操作系統；

2、單用戶多任務操作系統；

3、多用戶多任務操作系統。1.2操作系統的發展過程(續)22

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。如UNIX系統、WindowsNT等。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。其特征是通用化、小型化、

模塊化。1.2操作系統的發展過程(續)231.3操作系統的基本特性操作系統的特征并發(concurrency)：并發、并行；共享(sharing)：互斥共享、同時訪問；虛擬(virtual)；異步性(asynchronism)。241.3.1并發(concurrency)

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。

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。1.3操作系統的基本特征(續)251.3.2共享(sharing)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）:

資源分配難以達到最優化

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。1.3操作系統的基本特征(續)261.3.3虛擬(virtual)CPU:每個用戶（進程）的“虛處理機”。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(virtualterminal)。

一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。1.3操作系統的基本特征(續)271.3.4異步(asynchronism)進程的運行速度不可預知：分時系統中，多個進程并發執行，“時走時停”，不可預知每個進程的運行推進快慢。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：實時系統與分時系統相似，但通過資源預留以保證性能。

也稱為不確定性，指進程的執行順序和執行時間的不確定性。1.3操作系統的基本特征(續)28操作系統的服務公共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（通常通信服務的使用者為進程，而不是籠統說“主機”）；配置管理：硬件、OS本身、其他軟件；差錯檢測為應用程序提供服務方式：系統調用。291.4操作系統的主要功能處理機管理存儲器管理設備管理文件管理操作系統與用戶之間的接口現代操作系統的新功能301.4.1處理機管理

完成處理機資源的分配調度等功能。處理機調度的單位可為進程或線程。

進程控制；

進程同步；

進程通信；

調度：作業調度和進程調度。1.4操作系統的主要功能(續)311.4.2存儲器管理

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。1.4操作系統的主要功能(續)32內存分配與回收:連續分配、離散分配;內存保護：保證進程間互不干擾、相互保密；如：

訪問合法性檢查、甚至要防止從“垃圾”中竊

取其他進程的信息；地址映射（變換）：進程邏輯地址到內存物理地址

的映射；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；1.4操作系統的主要功能(續)331.4.3設備管理

設備管理的目標是：方便的設備使用、提高CPU與I/O設備利用率。緩沖管理；設備分配；設備處理。1.4操作系統的主要功能(續)341.4.4文件管理

解決軟件資源的存儲、共享、保密和保護。文件存儲空間管理；目錄管理；文件的讀/寫管理和保護；1.4操作系統的主要功能(續)351.4.5操作系統與用戶之間的接口

目標：提供一個友好的用戶訪問操作系統的接口。操作系統向用戶提供三種接口：用戶接口：聯機用戶接口、脫機用戶接口、圖形用戶接口；程序接口。1.4操作系統的主要功能(續)361.4.6現代操作系統的新功能

除了具備傳統操作系統的功能外，還增加了面向安全、面向網絡和面向多媒體等功能。系統安全：認證技術、密碼技術、訪問控制技術、反病毒技術；網絡的功能和服務：網絡通信、資源管理、應用互操作；支持多媒體：接納控制功能、實時調度、多媒體文件的存儲。1.4操作系統的主要功能(續)371.5操作系統的結構設計1.5.1傳統的操作系統結構

1.無結構操作系統

在早期開發操作系統時，涉及這只是把主要的注意力放在了功能實現和獲得高效率上，缺乏首尾一致的設計思想。此時的OS是為數眾多的一組過程的集合，各過程之間可以相互調用，在OS內部不存在任何結構。

381.5操作系統的結構設計(續)2.模塊化結構操作系統進程管理存儲器管理文件管理進程控制進程調度內存分配內存保護磁盤管理目錄管理……模塊子模塊391.5操作系統的結構設計(續)模塊化結構

優點：提高OS設計的正確性

增強了OS的可適應性

加快了OS的開發過程

缺點：模塊的劃分和接口的規劃不精確；從功能劃分模塊，未能將共享資源和獨占資源加以區別；模塊之間存在復雜的依賴關系，使OS結構變得不清晰。403.分層式結構基本原則:每一層都僅使用其底層所提供的功能和服務.

層次設置應考慮:

程序嵌套

運行頻率

公用模塊

用戶接口1.5操作系統的結構設計(續)411.5.2客戶/服務器模式簡介

組成：客戶機、服務器和網絡系統。一次完整的交互過程分為四步：客戶發送請求消息；服務器接收消息；服務器回送消息；客戶機接受消息。1.5操作系統的結構設計(續)421.5.3面向對象的程序設計

該技術是基于“抽象”和“隱蔽”原則來控制大型軟件的復雜度的。1.5操作系統的結構設計(續)數據結構過程1過程2過程3一個對象的示意圖類名屬性操作類繼承部分

增加部分AB從A繼承類的繼承關系43

1.C-S結構優點:

提高系統的靈活性和可擴充性;

提高了OS的可靠性;

可運行于分布式系統中.2.面向對象優點:

可修改性和可擴充性;

繼承性;

正確性和可靠性.1.5操作系統的結構設計(續)441.5操作系統的結構設計(續)

1.5.4.微內核OS結構微內核:精心設計、能實現現代OS核心功能的小型內核,與一般的OS不同,它更小更精煉,運行在核心態,開機后常駐內存,不會因為內存緊張而被換出.基本功能:

進程（線程）管理;

低級存儲器管理;

中斷和陷入處理。451.5操作系統的結構設計(續)

微內核操作系統的優點:

提高了系統的可擴展性；

增強了系統的可靠性;

可移植性強；提供了對分布式系統的支持；融入了面向對象技術。微內核操作系統存在的問題：較早期的操作系統，微內核操作系統的運行效率有所降低。46OperatingSystemHistoryAtlas:1950-1960,wasdesignedattheUniversityofManchesterinEngland.Atlaswasabatchoperatingsystemwithspooling.XDS-940:1960-1970,wasdesignedattheUniversityofCaliforniaatBerkeley.Itwasatime-sharedsystem.THE:1965-1975,wasdesignedattheTechnischeHogeschoolatEindhovenintheNetherlands.CPU-schedulingalgorithm.RC4000:1970-1980,wasdesignedfortheDanishRC4000computer.47CTSS:1960-1970,CompatibleTime-SharingSystem,wasdesignedatMITonanIBM7090.OS/360:1960-1970,IBMOS/360triedtobe