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1、第1章 操作系统概述,教材：计算机操作系统编著：沈晓红、刘颖、杨明出版：电子工业出版社,本章目录,1.1 操作系统的概念 1.2 操作系统的发展历程 1.3 操作系统的基本特征 1.4 操作系统的主要功能 1.5 计算机硬件系统,1.1 操作系统的概念,操作系统是计算机系统的核心组成部分，具体体现在以下三个方面：1.操作系统是能够协调系统有条不紊运行的程序集合 从形式上来说，操作系统是存放在计算机中的能实现特定功能的程序。它们一部分存放在内存中，另一部分存放在硬盘上，系统在适当的时候调用这些程序，以实现系统的高效运行。但它又不同于一般的计算机程序，其主要区别是程序的意图。它控制处理机合理地使用
2、其他系统资源，加速其他程序的执行，与此同时，处理机必须停止执行操作系统程序。这样，操作系统就会为处理机而放弃控制，去做另外“有用”的工作，待到重新掌握控制权之后，再为处理机的下一步工作做准备。由此看来，操作系统可以被看作是一个控制部件，它频繁地放弃控制，又必须依靠处理机来重新获得控制。,2.操作系统是计算机系统资源的管理者 一个计算机系统，通常由CPU、主存储器、外存储器、终端设备、网络设备等硬件资源和一些软件资源组成。如图1-1中，是一些受操作系统控制的主要资源。操作系统通过许多的数据结构对系统信息进行记录，根据不同的系统要求，对系统数据进行修改，以实现对各种资源的高效控制。,1.1 操作系
3、统的概念,3.操作系统提供了方便用户使用计算机的用户界面 从用户的观点来看，引入操作系统是为了给用户使用计算机提供一个良好的界面，以使用户无需了解有关硬件和系统软件的细节，就能方便地使用计算机。综上所述，可以把操作系统定义为：一些程序模块的集合它们能控制和管理计算机系统内各种软硬件资源，合理、高效地组织计算机系统的工作，为用户提供一个使用方便、可扩充的工作环境，进而起到连接计算机和用户的作用。,1.1 操作系统的概念,1.2 存储管理的基本功能,1.2.1 人工操作阶段 1.2.2 单道程序批处理系统 1.2.3 多道程序批处理系统 1.2.4 分时系统 1.2.5 实时系统 1.2.6 通用
4、操作系统 1.2.7 操作系统的进一步发展,1.2.1 人工操作阶段,在第一代计算机时期，构成计算机的主要元器件是电子管，计算机运算速度非常慢（几千次秒），这一时期的计算机上还没有配置任何操作系统，甚至没有任何软件。这个时期上机完全是手工操作，用户（即程序员）需要直接与计算机硬件打交道。,1.2.1 人工操作阶段,这种早期系统存在以下三个问题：（1）上机安排的不确定性。（2）用户独占系统资源。计算机的全部资源（如CPU、主存、外部设备等）只能由一个用户程序独占。（3）CPU等待人工操作，即串行工作方式。当用户进行装纸带（或卡片）、卸纸带（或卡片）等人工操作时，CPU及主存等资源是空闲的。换句话
5、说，人的操作与计算机的运行以及计算机各个部件之间都是按照时间先后顺次工作的。手工操作的慢速度与计算机的高速度之间形成矛盾，此即所谓的人机矛盾。,1.2.2 单道程序批处理系统,人们设计了一个管理程序，称监督程序（Monitor），来实现作业的自动转换处理。首先，程序员将数据、程序以及用作业语言书写的作业说明书作为作业信息提交给操作员，操作员把用户提交的作业分类，把一批中的作业编成一个作业执行序列，并将这些作业信息“成批”地输入到计算机中，每一批作业将由监督程序自动依次处理，这种自动定序的处理方式称为“批处理”。,1.2.2 单道程序批处理系统,早期批处理方式又分为联机I/O批处理和脱机I/O批
6、处理两种类型。1.联机I/O批处理 所谓联机是指慢速的输入输出设备和主机直接相连打交道。用户不再通过控制台的开关和按钮来控制计算机的执行，而是通过作业说明书来描述对作业的加工和控制步骤。2.脱机I/O批处理 这种方式的显著特征是在主机之外另设一台小型外围机，它只与外部设备打交道，不与主机直接连接，从而使主机腾出更多的时间专门完成快速的计算任务。,1.2.2 单道程序批处理系统,单道程序批处理系统的主要特征有：（1）自动性：在顺利的情况下，在磁带上的一批作业能自动地逐个依次运行，而无须人工干预。（2）顺序性：磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序是一一对应的。（
7、3）单道性：内存中每次仅有一道程序运行。,1.2.3 多道程序批处理系统,1.多道程序设计的基本思想在单处理机系统中，多道程序设计的基本思想是在计算机内存中同时存放若干道程序，处理机在调用一道作业运行时，如果发现输入/输出时会产生等待，监督程序就会引导处理机去执行另外的程序，这样就使处理机总是处于工作状态。在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了多道程序批处理系统。要处理的许多作业存放在外存中，形成作业队列，等待运行。当需要调入作业时，将由操作系统中的作业调度程序对外存中的一批作业，根据其对资源的要求和一定的调度原则，调几个作业进入内存，让它们交替运行。当某个作业完成后，再调入一个或几个作
8、业。在这种处理方式下，内存中总是同时存在几道程序，系统资源能得到比较充分的利用。,1.2.3 多道程序批处理系统,2.多道程序批处理系统的特点（1）多道性：计算机内存中同时存放多道程序。（2）宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。（3）微观上串行：微观上，各道程序轮流地使用CPU，交替执行。（4）无序性：多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间无严格对应关系，即先进入内存的作业可能较后完成甚至是最后完成，而后进入内存的作业又有可能先完成。（5）调度性：作业从提交给系统开始直至完成，要经过两次调度：首先是作业调度，是指按一定的作业调
9、度算法，从外存的后备作业队列中，选择若干个作业调入内存，并为之创建进程；其次是进程调度，是指按一定的进程调度算法选择一个进程，将处理机分配给它，使之执行。,1.2.3 多道程序批处理系统,3.多道程序批处理系统的优缺点 多道批处理系统的主要优点如下：（1）系统资源的利用率提高。内存中驻留多道程序，它们共享资源，从而使各种资源得以充分利用。（2）系统吞吐量增大。系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。多道批处理系统也有其缺点：（1）平均周转时间长。作业周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。在多道批处理系统中，各道作业轮流使用CPU，且运行过程中可能因为某种
10、原因进行CPU的切换，所以周转时间较长。（2）缺乏交互性。交互性就是用户与系统直接进行人机“对话”。用户决定着系统的下一步操作。多道批处理系统不允许用户的干预，对程序的修改和调试带来极大的不便。,1.2.3 多道程序批处理系统,4.多道程序批处理系统存在的问题（1）并行运行的程序要共享计算机系统的硬件和软件资源，既有对资源的竞争，但又须相互同步。因此同步与互斥机制成为操作系统设计中的重要问题。（2）多道程序的增加，出现了内存不够用的问题，提高内存的使用效率也成为关键。因此出现了诸如覆盖技术、对换技术和虚拟存储技术等内存管理技术。（3）多道程序存在于内存，保证系统程序存储区和各用户程序存储区的安
11、全可靠，提出了内存保护的要求。多道程序系统是一种有效但又十分复杂的系统，为了解决上述问题，先后出现了作业调度管理、处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等功能，这些功能的出现标志着操作系统渐趋成熟。,1.2.4 分时系统,1.分时系统的产生 多道批处理系统的出现有效地提高了系统资源的利用率，但是却丢失了手工操作阶段的“交互性”的优点，所以会使用户在一定程度上感觉不方便。但对于普通用户来说，很多情况下是希望参与计算机资源的使用的。比如用户写了一段程序交与主机运行，中间如果有错误，主机会及时在用户的显示屏上显示。用户可以根据显示及时进行修改，这样就可以方便地编写程序和调试程序了。除此之外，“方
12、便性”也是操作系统追求实现的重要目标之一，所以随之出现了以多道程序设计技术为基础的交互式系统，即“分时系统”。,1.2.4 分时系统,2.分时系统的实现方法 利用时钟系统把CPU时间分成一个一个的时间片，操作系统轮流地把每个时间片分给各个并发程序，每道程序一次只可运行一个时间片。当时间片计数到时后，产生一个时钟中断，然后控制转向操作系统。这时操作系统再选择另一道程序并分给它一个时间片，使其投入运行。到时再发中断，重新选择程序运行，如此重复。由于相对于人的感觉来说，这个时间片很短，往往在几秒钟内便可对用户的请求作出响应，从而使系统中的各个用户都认为整个系统只为他自己服务，并未感觉到还有其他用户的
13、存在，尽管它事实上为许多用户所共享。,1.2.4 分时系统,3.分时系统的特征（1）同时性：若干用户可同时上机使用计算机资源。宏观上，是多个用户同时工作，共享系统资源；而微观上，则是每个用户作业轮流占用一个时间片。（2）独立性：系统中各用户可以彼此独立操作，互不干扰或破坏。因此，每个用户会感觉到就像是他自己独占主机。（3）及时性：由于时间片往往很短，所以用户能在很短时间内得到系统的响应。（4）交互性：用户可通过终端方便地与系统进行人机对话。,1.2.5 实时系统,虽然多道批处理系统和分时系统已经能获得令人较为满意的资源利用率和响应时间，但仍不能满足实时控制和实时信息处理的需求，例如，导弹的制导
14、系统、飞机订票系统、情报检索系统等，这就使实时系统应运而生。实时应用可分为两类：1.实时控制2.实时事务处理,1.2.6 通用操作系统,多道批处理系统和分时系统的不断改进、实时系统的出现及其应用日益广泛，致使操作系统日益完善。在此基础上出现了通用操作系统。它可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。,1.2.7 操作系统的进一步发展,（1）嵌入式操作系统。（2）并行操作系统。（3）网络操作系统和分布式操作系统。,1.3 操作系统的基本特征,1.3.1 并发性 1.3.2 共享性 1.3.3 虚拟性 1.3.4 异步性,1.3.1 并发性,所谓并发性（concurren
15、cy）是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。所谓并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。在多道程序环境中，程序并发性是指在计算机系统中同时存在有多个程序，从宏观上看，这些程序是同时向前推进的。在单CPU环境下，每一时刻只能有一道程序执行，所以微观上这些并发执行的程序是交替地在CPU上运行的。,1.3.2 共享性,由于操作系统有并发性，整个系统的软硬件资源不再为某个程序所独占，而是由许多程序共同使用，即许多程序共享系统的软硬件资源，也就是操作系统的共享性（sharing）。,1.3.3 虚拟性,操作系统的虚拟性（virtual），体现在它的方方面面，多道程序在单CPU的计算机上同时运行机制使得
16、多个程序好像独占一个CPU，若干终端用户分时使用一台主机，好像每人独占了一台计算机；虚拟存储器使得内存为1MB的计算机可以运行总容量为5MB以上的程序。这些都体现了操作系统的虚拟性。,1.3.4 异步性,异步性（asynchronism）也称不确定性。在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，每个进程在何时执行，何时暂停以及进程的推进速度都是不可预知的，也就是说并发进程所处的状态是不确定的。除此之外，它们在某一时刻的资源拥有情况和系统资源的共享情况也是不确定的。因此，我们说操作系统具有异步的特征。,1.4 操作系统的主要功能,1.4.1 处理机管理 1.4.2 存储管理 1.4.3 设备管理 1
17、.4.4 文件管理 1.4.5 用户接口,1.4.1 处理机管理,处理机管理的主要任务是对处理机进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行以进程为基本单位，因而对处理机管理可归纳为对进程的管理。进程管理包括进程控制、进程同步、进程通信和调度等。,1.4.2 存储管理,存储器分为内存和外存，因为程序和数据在运行和使用时都需要存在于内存中，所以存储管理主要是研究进程如何占用内存资源的。以达到方便用户使用，提高存储器的利用率的目的。,1.按照一定策略对内存进行分配,在内存中除了操作系统、其它系统软件外，还要有一个或多个用户程序。如何按照一定策略分配内存，以保证系统
18、及各用户程序的存储区互不冲突，这就是内存分配所要解决的问题。,2.内存保护,系统中有多个程序在运行，如何保证一道程序在执行过程中不会有意或无意地破坏另一道程序？如何保证用户程序不会破坏系统程序？这就是存储保护问题。,3.内存扩充,当用户作业所需要的内存超过计算机系统所提供的内存容量时，如何把内部存储器和外部存储器结合起来管理，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储器，而用户使用这个虚拟存储器和使用内存一样方便，这就是内存扩充所要完成的任务。,4.重定位,程序员在编写程序时，所用到的地址都是从“0”开始的，程序中的其他地址都是相对于“0”计算的，这些地址地址称为“逻辑地址”或“相对地址”。
19、而内存中的一系列单元所限定的地址称为“物理地址”。在多道程序环境下，每道程序装入内存时，不可能都从“0”地址开始装入，这就使得逻辑地址和内存中的物理地址不相一致。为了使程序能够正确运行，存储器管理必须提供地址重定位功能。即在硬件的支持下，实现将逻辑地址转换为与之对应的物理地址。,1.4.3 设备管理,操作系统的设备管理功能，是指操作系统中负责管理用户对外部设备使用的那部分功能模块。其主要任务是记录各输入/输出设备状态，管理并完成用户提出的输入/输出请求，按一定的策略为用户分配输入/输出设备。同时要提高CPU和输入/输出设备的利用率，提高输入/输出速度，方便用户使用输入/输出设备。1.通道、控制
20、器、输入/输出设备的分配和管理。2.设备独立性。,1.4.4 文件管理,文件管理是对系统的软件资源的管理。计算机系统的软件信息都以文件形式进行管理，操作系统中负责此任务的部分是文件系统，文件系统的任务是对用户文件和系统文件等软件资源进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性，为此文件系统管理应具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件共享和保护等功能。,1.4.5 用户接口,操作系统为用户提供方便、灵活的使用计算机的手段，即提供一个友好的用户接口。一般来说，操作系统提供两种方式的接口来和用户发生关系，为用户服务。一种用户接口是程序一级的接口，它提供一组系统调用供用户程序和其他系统程序调用。另一
21、种接口是作业一级的接口，提供一组控制操作命令（或称作业控制语言）供用户去组织和控制自己作业的运行。,1.5 计算机硬件系统,1.5.1 计算机硬件系统的组成 1.5.2 与操作系统相关的主要寄存器,1.5.1 计算机硬件系统的组成,控制器运算器存储器I/O设备系统总线,1.5.2 与操作系统相关的主要寄存器,典型的用户可编程寄存器：数据寄存器地址寄存器条件码寄存器,1.5.2 与操作系统相关的主要寄存器,典型的控制与状态寄存器：程序计数器指令寄存器中断现场保护寄存器堆栈,小结,本章首先从操作系统的目标开始，然后讲述如何从原始的手工操作阶段即无操作系统阶段发展到简单的批处理操作系统，以及如何又演变成高级的多任务、多用户系统。读者从中可以大致了解操作系统的原理、特征及功能。,
