1、操作系統原理 Principle of Operating System 主講： 馬宏琳 信息學院 計算機系E-mail: TEL程類型：必修課程類型：必修學時安排：學時安排：64學時學時 56學時授課學時授課 8學時上機學時上機學分：學分：3.5學分學分考試形式：閉卷考試考試形式：閉卷考試成績：卷面成績成績：卷面成績70 + 平時成績平時成績30 (實驗實驗10%+作業作業10%+考勤考勤10%)課程安排教材：教材：計算機操作系統(第四版) 湯小丹等編著湯小丹等編著 2014年版年版 西安電子科技大學出版社西安電子科技大學出版社1、計算機操作系統計算機操作系統學習指

2、導與題解學習指導與題解（第二版）（第二版）梁紅兵梁紅兵,湯小丹湯小丹 西安電子西安電子科技大學出版社科技大學出版社課程內容課程內容第一章、操作系統引論第一章、操作系統引論第二章、進程的描述與控制第二章、進程的描述與控制第三章、處理機死鎖與調度第三章、處理機死鎖與調度第四章、存儲器管理（內存管理）第四章、存儲器管理（內存管理）第五章、虛擬存儲器第五章、虛擬存儲器（內存管理）（內存管理）第六章、輸入輸出系統（設備管理）第六章、輸入輸出系統（設備管理）第七章、文件管理第七章、文件管理第八章、磁盤存儲器的管理第八章、磁盤存儲器的管理第九章、操作系統接口第九章、操作系統接口第一章第一章 操作系統引論操作

3、系統引論第一節第一節 操作系統的目標和作用操作系統的目標和作用第二節第二節 操作系統的發展過程操作系統的發展過程第三節第三節 操作系統的基本特征操作系統的基本特征第四節第四節 操作系統的主要功能操作系統的主要功能第五節第五節 操作系統的結構設計操作系統的結構設計第一節 操作系統的目標和作用什么是操作系統什么是操作系統操作系統的目標操作系統的目標操作系統的作用操作系統的作用推動操作系統發展的主要動力推動操作系統發展的主要動力什么是操作系統（1）回顧）回顧“計算機系統計算機系統”（2）對操作系統的）對操作系統的描述描述（3）操作系統的定義操作系統的定義計算機系統硬件(裸機)：中央處理機（CPU）、

4、內存、 外存、外部設備。軟件應用軟件：為多種應用而編制的程序，如：辦公自動化軟件、財務管理軟件、即時通信軟件等系統軟件操作系統（DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX）語言處理系統（命令解釋器、窗口系統、編譯、匯編程序）常用的例行程序（庫連接程序、 診斷排錯程序）一般用戶一般用戶程序員程序員OS開發人員開發人員（2）對操作系統的）對操作系統的描述描述：l是配置在計算機硬件上的第一層軟件，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。是對硬件系統的首次擴充。l用戶（應用程序）與計算機硬件之間的用戶（應用程序）與計算機硬件之間的接口接口。（3）操作系統的定義）操作系統的定義操作系

5、統是一組操作系統是一組控制和管理計算機控制和管理計算機硬件和軟件資源，合理的對各類作硬件和軟件資源，合理的對各類作業進行調度，以及方便用戶使用的業進行調度，以及方便用戶使用的程序集合程序集合。 操作系統是操作系統是系統軟硬資源的管理控系統軟硬資源的管理控制中心，它以盡量合理有效的方法制中心，它以盡量合理有效的方法組織多個用戶（進程）共享計算機組織多個用戶（進程）共享計算機的各種資源并提供使用接口。的各種資源并提供使用接口。本書定義：本書定義：其他：其他：1.1.1、操作系統的目標OS的目標的目標l方便性：使計算機易學易用方便性：使計算機易學易用l有效性：提高系統資源的利用率和吞吐量有效性：提高

6、系統資源的利用率和吞吐量l可擴充性：能適應硬件的發展，容易升級可擴充性：能適應硬件的發展，容易升級l開放性：遵循世界標準規范所開發的軟硬件，開放性：遵循世界標準規范所開發的軟硬件，彼此兼容，方便互聯。使應用程序具有可移植彼此兼容，方便互聯。使應用程序具有可移植性和互操作性。性和互操作性。1.1.2、操作系統的作用、操作系統的作用(1)OS作為用戶與計算機硬件之間的接口作為用戶與計算機硬件之間的接口(2)OS作為作為計算機四類資源的管理者計算機四類資源的管理者(3)OS實現了對計算機資源的抽象（虛實現了對計算機資源的抽象（虛機器）機器）(1)OS作為用戶與計算機硬件之間的接作為用戶與計算機硬件之

7、間的接口口計算機硬件計算機硬件系統調用系統調用 命令命令 圖標圖標-窗口窗口操作系統操作系統應用程序應用程序用戶用戶軟件接口，給用戶提供軟件接口，給用戶提供3種方式種方式(2) OS作為作為計算機系統四類資源的管理者計算機系統四類資源的管理者處理機管理處理機管理對處理機進行分配對處理機進行分配進程管理和調度進程管理和調度存儲器管理存儲器管理對內存進行分配、回收對內存進行分配、回收I/O設備管理設備管理負責負責I/O設備的分配、回收、操控（如啟動設備）設備的分配、回收、操控（如啟動設備）文件管理文件管理文件的存取、共享、保護文件的存取、共享、保護(3)OS實現了對計算機資源的抽象實現了對計算機資

8、源的抽象l裸機裸機完全無軟件的計算機系統完全無軟件的計算機系統l擴充機器擴充機器覆蓋了軟件的機器。也稱虛覆蓋了軟件的機器。也稱虛機器。機器。用戶用戶物理接口物理接口硬件硬件機器指令用戶用戶物理接口物理接口硬件硬件I/O軟件軟件I/O操作命令Read Write虛機器虛機器1.1.3、推動操作系統發展的主要動力、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）不斷提高計算機資源利用率（2）方便用戶）方便用戶（3）器件的不斷更新換代）器件的不斷更新換代（4）計算機體系結構的不斷發展）計算機體系結構的不斷發展（5）不斷提出新的應用需求）不斷提出新的應用需求第二節第二節 操作系統的發展過程操

9、作系統的發展過程1.2.1 未配置未配置操作系統的計算機系統操作系統的計算機系統1.2.2 單道批處理系統單道批處理系統1.2.3 多道批處理系統多道批處理系統1.2.4 分時系統分時系統1.2.5 實時系統實時系統1.2.6微機操作系統的發展微機操作系統的發展1945-ENIAC 電子數字積分計算機電子數字積分計算機 （194550年代中期）年代中期）.1、為配置操作系統的計算機系統、為配置操作系統的計算機系統人工操作方式（人工操作方式（194519455050年代中期）年代中期）1 1、工作方式、工作方式紙帶（卡片）紙帶（卡片）輸入機輸入機計算機計算機打印結果打印結果取走紙

10、帶取走紙帶早期早期-紙帶穿孔卡（機器語言）紙帶穿孔卡（機器語言） 0000,0000,000000000001 代表代表 LOAD A, 1 0001,0001,000000001000 代表代表 STORE B, 16 2 2、特點：、特點：用戶獨占全機、用戶獨占全機、CPUCPU等待人工操作等待人工操作（串行性串行性），），聯機輸入輸出方式聯機輸入輸出方式（輸入輸出都由主機控制）。）。3 3、問題、問題: :人機矛盾，人機矛盾，CPU和和I/O設備間不匹配設備間不匹配 。脫機輸入輸出脫機輸入輸出（Off-Line I/OOff-Line I/O）方式方式 關鍵設備：外圍機、磁帶關鍵設備：外

11、圍機、磁帶 優點：減少優點：減少CPUCPU的空閑時間、提高的空閑時間、提高I/OI/O速度速度 輸入設備輸入設備外圍機外圍機磁盤磁盤磁盤磁盤磁盤磁盤磁盤磁盤外圍機外圍機主機主機輸出設備輸出設備脫機脫機I/O示意圖示意圖1.2.2、單道批處理系統單道批處理系統1、50年代中期年代中期出現第二代晶體管計算機出現第二代晶體管計算機2、過程：、過程：在在監督程序（監督程序（Monitor, OS的雛形）的雛形）的控制下，把一批作業脫機輸入到磁帶上，的控制下，把一批作業脫機輸入到磁帶上，使這批作業能一個接一個的連續得到處理。使這批作業能一個接一個的連續得到處理。磁帶磁帶內存內存MonitorJob1C

12、PU2 2、定義：定義：系統對作業的處理是成批進行的，系統對作業的處理是成批進行的，且在內存中始終只保持一道作業，故稱為且在內存中始終只保持一道作業，故稱為單道批處理系統單道批處理系統。3 3、特征：、特征：(1)(1)自動性自動性無人工干預無人工干預(2)(2)順序性順序性按進入內存的先后執行按進入內存的先后執行(3)(3)單道性單道性內存中只保持一道作業內存中只保持一道作業單道程序的工作情況單道程序的工作情況CPU程序程序A運行運行I/O操作操作程序程序A運行運行外設外設1.2.3 多道批處理系統多道批處理系統1 1、多道：、多道：內存中同時存在多個相互獨立程序。內存中同時存在多個相互獨立

13、程序。多道技術是多道技術是共享的共享的基礎。（基礎。（6060年代中期）年代中期）磁帶磁帶內存內存OSJob1CPUJob2CPUI/O設備設備程序程序B程序程序A程序程序A程序程序B輸入輸入輸入輸入輸出輸出輸出輸出I/O設備設備等等CPUt1t2t3 t4 t5程序程序A：計算：計算輸入輸入計算計算輸出輸出程序程序B：計算：計算輸入輸入計算計算輸出輸出2 2、多道批處理系統的特征：、多道批處理系統的特征：(1)多道性：多道性：內存中有多道程序，可并發執行內存中有多道程序，可并發執行(2)無序性：無序性：完成時間與進入內存先后無關完成時間與進入內存先后無關(3)調度性：調度性：作業從提交到完成

14、經兩次調度作業從提交到完成經兩次調度作業調度：作業調度：外存外存內存（選多個）內存（選多個）進程調度：進程調度：分配處理機（選分配處理機（選1個）個）問：多道程序需要什么技術作為支持？問：多道程序需要什么技術作為支持？ 必須有必須有中斷中斷和和通道通道技術支持。技術支持。 通道通道是一種控制一臺或多臺外設的硬件是一種控制一臺或多臺外設的硬件機構，能做到輸入輸出操作與機構，能做到輸入輸出操作與CPU并行工作。并行工作。 中斷中斷是輸入輸出結束時，向是輸入輸出結束時，向CPU發出中發出中斷信號，斷信號，CPU響應中斷請求，處理完后繼續響應中斷請求，處理完后繼續原來工作。原來工作。3 3、優點：、優

15、點：(1)(1)資源利用率高資源利用率高(2)(2)系統吞吐量大系統吞吐量大原因原因(1)(1)資源忙資源忙 (2)(2)完成或運行不下去時才切換完成或運行不下去時才切換缺點：缺點： (1)(1)無交互能力無交互能力- -修改和調試極不方便修改和調試極不方便 (2)(2)作業平均周轉時間較長作業平均周轉時間較長操作系統的定義：操作系統的定義： 操作系統是一組控制和管理計算機硬件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和軟件資源，合理的對各類作業進行調度，以及方便用戶使用的程序集合。度，以及方便用戶使用的程序集合。多道批處理系統需要解決的問題：多道批處理系統需要解決的

16、問題：（1）處理機管理問題）處理機管理問題（2）內存管理問題）內存管理問題（3）I/O設備管理問題設備管理問題（4）文件管理問題）文件管理問題（5）作業管理問題）作業管理問題1.2.4 分時系統分時系統1 1、分時系統的引入、分時系統的引入(1)(1)人機交互能力的需求（邊運行邊調試）人機交互能力的需求（邊運行邊調試）(2)(2)共享主機（設備昂貴）共享主機（設備昂貴）(3)(3)方便用戶上機（在終端上輸入、控制）方便用戶上機（在終端上輸入、控制）2 2、定義：、定義：一臺主機上連接了多個終端（顯示器和一臺主機上連接了多個終端（顯示器和鍵盤）組成的系統，同時允許多個用戶通過自鍵盤）組成的系統，

17、同時允許多個用戶通過自己的終端，以交互方式使用計算機，共享主機己的終端，以交互方式使用計算機，共享主機中的資源。中的資源。主機主機終端終端 1終端終端 2終端終端 n3 3、分時系統實現中的關鍵問題、分時系統實現中的關鍵問題及時接收及時接收多路卡（多個多路卡（多個I/O端口）端口）及時處理及時處理作業直接進內存作業直接進內存 時間片輪轉（分時技術）時間片輪轉（分時技術）5 5、分時系統的特征、分時系統的特征(1)(1)多路性多路性 即同時性，宏觀上同時，微觀上輪流即同時性，宏觀上同時，微觀上輪流(2)(2)獨占性獨占性 每個用戶感覺獨占主機每個用戶感覺獨占主機(3)(3)及時性及時性 較短時間

18、響應較短時間響應(1-3(1-3秒秒) )(4)(4)交互性交互性4 4、分時技術：、分時技術：把處理機時間劃分成很短的把處理機時間劃分成很短的時間片時間片(如如30毫秒毫秒)輪流地分配給各個聯機作業使用，如果未輪流地分配給各個聯機作業使用，如果未完成，則中斷，等待下一輪繼續計算。完成，則中斷，等待下一輪繼續計算。Fernando J. Corbato（費爾南多費爾南多考巴脫考巴脫）分時操作系統分時操作系統CTSS和和Multics系統的領導者系統的領導者 Corbato是第一個分時操作系統是第一個分時操作系統CTSS和和Multics系統的領導者。系統的領導者。其貢獻直接導致和影響了后來的其

19、貢獻直接導致和影響了后來的UNIX操作系統的誕生。操作系統的誕生。1990年年被授予圖靈獎。被授予圖靈獎。 MIT CTSS(Compatible Time-Sharing System)是第一個分時系是第一個分時系統。統。CTSS是在是在1961年完成開發的。年完成開發的。CTSS的后續項目就是著名的后續項目就是著名的的Multics項目。項目。 Multics項目直接導致和影響了項目直接導致和影響了Ken Thompson和和Dennis Ritchie(他倆是他倆是1983年圖靈獎得主年圖靈獎得主)，開發了，開發了UNIX操作系統。操作系統。1.2.5 實時系統實時系統1 1、實時：、實

20、時：及時響應外部事件請求，在規定的時間完及時響應外部事件請求，在規定的時間完成對該事件的處理，控制所有實時任務協調一致成對該事件的處理，控制所有實時任務協調一致運行。運行。2 2、最主要的特征：、最主要的特征：將時間作為關鍵參數將時間作為關鍵參數3 3、應用需求：、應用需求：（1）工業武器控制系統：生產過程控制、作戰指揮）工業武器控制系統：生產過程控制、作戰指揮（2）信息查詢系統：訂購機票、情報檢索）信息查詢系統：訂購機票、情報檢索（3）多媒體系統：數字電影播放（音頻視頻文字）多媒體系統：數字電影播放（音頻視頻文字）（4）嵌入式系統：）嵌入式系統：1.2.5 實時系統實時系統4、實時系統的特點

21、：、實時系統的特點：l多路性、獨占性、及時性、交互性、可靠性多路性、獨占性、及時性、交互性、可靠性5、實時任務的類型：、實時任務的類型：l周期性實時任務、非周期性實時任務周期性實時任務、非周期性實時任務 開始截至時間、完成截至時間開始截至時間、完成截至時間l硬實時任務、軟實時任務硬實時任務、軟實時任務硬實時任務：系統必須滿足任務對截至時間的要求硬實時任務：系統必須滿足任務對截至時間的要求軟實時任務：軟實時任務：對截至時間的要求不太嚴格對截至時間的要求不太嚴格4 4、幾種操作系統的比較、幾種操作系統的比較批處理、分時系統、實時系統是三種批處理、分時系統、實時系統是三種基本基本的的操作系統。操作系

22、統。OS的進一步發展：的進一步發展：微機微機OS、嵌入式、嵌入式OS、網、網絡絡OS、分布式、分布式OS、移動、移動OS、智能化、智能化OS1.2.6、微機操作系統的發展、微機操作系統的發展單用戶單任務單用戶單任務OSl1) CP/Ml2) MS-DOS單用戶多任務單用戶多任務OSlWindows多用戶多任務多用戶多任務OSlSolaris 、 Linux 、 UNIXCP/M操作系統界面操作系統界面CP/M系統由系統由Digital Research公司（公司（1991年被年被Novell兼并）在兼并）在1974年開發。在年開發。在70年代，它成為被年代，它成為被廣泛應用的操作系統。通過它的

23、命令行選項，人廣泛應用的操作系統。通過它的命令行選項，人們開始了解操作系統。微軟們開始了解操作系統。微軟20年后推出的年后推出的DOS系系統便是在它的基礎上開發的。統便是在它的基礎上開發的。MS-DOS界面界面DOS又稱磁盤操作系統。又稱磁盤操作系統。DOS命令行模式足足統治命令行模式足足統治了系統市場了系統市場15年（年（1981 到到 1995 ）。若是把部分以）。若是把部分以 DOS 為基礎的為基礎的 微軟微軟Windows 版本，如版本，如 Windows 95、98 和和 Me 等都算進去的話，那么其商業壽命可以算等都算進去的話，那么其商業壽命可以算到到 2000 年。年。Windo

24、ws 95操作系統界面操作系統界面 Windows 95是微軟是微軟1995年推出的操作系統，它第一次拋棄了對年推出的操作系統，它第一次拋棄了對16位位x86的支持。同時，的支持。同時，Windows 95首次加入了開始菜單和任務欄首次加入了開始菜單和任務欄兩項功能兩項功能對于微軟而言，對于微軟而言，Windows 95具有劃時代的意義。具有劃時代的意義。Windows 95以強以強大的攻勢進行發布，包括了商業性質的滾石樂隊的歌曲大的攻勢進行發布，包括了商業性質的滾石樂隊的歌曲“Start Me Up”。很多沒有電腦的顧客受到宣傳的影響而排隊購買軟件，。很多沒有電腦的顧客受到宣傳的影響而排隊購

25、買軟件，但他們甚至根本不知道但他們甚至根本不知道Windows 95是什么。是什么。LinuxLinux操作系統的構成操作系統的構成內核（內核（kernel）外殼（外殼（Shell）X-Window應用程序應用程序文件系統文件系統Linux操作系統的發展操作系統的發展 Linux的原型的原型MinixMinix的名稱取自英語的名稱取自英語Mini UNIX, (約約300MB) Andrew S. Tanenbaum 全部的程序碼共約全部的程序碼共約12,000行行全套全套Minix除了啟動的部分以匯編語言編寫以外，其他大部除了啟動的部分以匯編語言編寫以外，其他大部份都是純粹用份都是純粹用C語

26、言編寫。分為：內核、內存管理及檔案管語言編寫。分為：內核、內存管理及檔案管理三部分理三部分 Andrew S. TanenbaumLinux的誕生：的誕生：Minix最有名的學生用戶是最有名的學生用戶是Linus Torvalds，他在芬蘭的赫，他在芬蘭的赫爾辛基大學用爾辛基大學用Minix操作平臺建立了一個新的操作系統的內操作平臺建立了一個新的操作系統的內核，他把它叫做核，他把它叫做Linux 1990年秋天， Linus開發了第一個程序，包括兩個進程，開發了第一個程序，包括兩個進程，向屏幕上寫字母向屏幕上寫字母A和和B，定時器切換。此外，從，定時器切換。此外，從modem上上接發信息的程序

27、以及顯示器、鍵盤、接發信息的程序以及顯示器、鍵盤、modem的驅動程序，的驅動程序，文件系統文件系統有了進程切換、文件系統、驅動程序，有了進程切換、文件系統、驅動程序，OS原型出現了。原型出現了。Linux內核的發展內核的發展l19911991年年1010月月, ,芬蘭赫爾辛基大學的學生芬蘭赫爾辛基大學的學生Linus TorvaldsLinus Torvalds為改進為改進MINIXMINIX操作系統開發了一種類似操作系統開發了一種類似UnixUnix的操作系統，的操作系統，叫叫linux,linux,最初發布的版本是最初發布的版本是0.020.02版版l19941994年，發布正式的年，發

28、布正式的1.01.0版本，版本，linuxlinux開始成為一個比開始成為一個比較完善的操作系統，并逐漸為世人所知較完善的操作系統，并逐漸為世人所知l一些軟件公司相繼開發出自己的一些軟件公司相繼開發出自己的linuxlinux系統系統, ,如如RedHat RedHat linuxlinux、RedFlag linuxRedFlag linux等等l大量的軟件專家和大量的軟件專家和linuxlinux愛好者不斷地提高和改進愛好者不斷地提高和改進linuxlinux內核功能內核功能l應用軟件廠商開發出大量基于應用軟件廠商開發出大量基于LinuxLinux的應用軟件的應用軟件l目前最新內核穩定版本

29、是目前最新內核穩定版本是2.6.x(2.6.x(如如2.6.29)2.6.29)Linus Torvalds - Linux創始人創始人今天，許多基于今天，許多基于Linus Torvalds(李納斯李納斯托沃茲托沃茲)開發的開發的Linux內核的內核的GNU系統的變種被廣泛使用。據估計現今由一千萬的用戶在使用系統的變種被廣泛使用。據估計現今由一千萬的用戶在使用GNU/Linux系系統。統。Linux已經得到了已經得到了IBM、HP、Compaq、Sun、SGI、Dell、Oracle、Informix、SAP、Sybase、CA、Intel、SCO等除微軟之外的幾乎所有計等除微軟之外的幾乎所

30、有計算機大公司的支持。算機大公司的支持。一臺郵件服務器成年累月運行，卻從不需要重新啟動；一臺網絡服務器面一臺郵件服務器成年累月運行，卻從不需要重新啟動；一臺網絡服務器面對海量訪問，卻從不崩潰；一個操作系統還帶源代碼，可以自由地無限制對海量訪問，卻從不崩潰；一個操作系統還帶源代碼，可以自由地無限制地修改。這一切，聽起來可望不可及。但實際上，數以千百計的公司真的地修改。這一切，聽起來可望不可及。但實際上，數以千百計的公司真的找到了實現了網絡零故障的秘訣。而且它不是找到了實現了網絡零故障的秘訣。而且它不是Windows，而是，而是Linux。UNIX的誕生的誕生 1965年年Multics項目啟動。

31、項目啟動。MIT、貝爾實驗室、貝爾實驗室、通用電氣公司參與。通用電氣公司參與。1969年貝爾實驗室退出。年貝爾實驗室退出。 Dennis與與Ken Thompson在在PDP-7機上運行為機上運行為Multics設計的設計的“空間旅行空間旅行”游戲。開發了浮點運算軟件包、顯游戲。開發了浮點運算軟件包、顯示驅動、文件系統、實用程序、示驅動、文件系統、實用程序、shell、匯編程、匯編程序序1970年年Unix誕生。誕生。Dennis用用C重寫。重寫。 DennisKen ThompsonDennis于1967年加入貝爾實驗室。加入貝爾實驗室不久，Dennis參與了Multics項目。Multic

32、s項目為后來UNIX的產生打下了許多技術基礎。 Dennis除了與Ken Thompson發明與實現了UNIX操作系統之外，還是著名C語言的發明人。 C語言來源于Thompson實現的B語言。 C語言發明后，UNIX被用C來重寫，從而使得UNIX的可移植性極大的提高。1983年Dennis Ritchie和Ken Thompson一同被授予圖靈獎Dennis M. Ritchie-UnixDennis M. Ritchie-Unix之父之父第三節 操作系統的特征并發并發（Concurrence）共享共享（Sharing）虛擬虛擬（Virtual）異步性異步性（Asynchronism）1、并發

33、（并發（ConcurrenceConcurrence）并行與并發：并行與并發：l并行性：多個事件在同一時刻同時發生并行性：多個事件在同一時刻同時發生l并發性：宏觀上在同一時間段內同時運行并發性：宏觀上在同一時間段內同時運行 微觀上交替執行微觀上交替執行單處理機系統：宏觀上并發，微觀上交替執行。單處理機系統：宏觀上并發，微觀上交替執行。多處理機系統：可能有并行。多處理機系統：可能有并行。2、共享（共享（SharingSharing）共享：共享：是指系統中的資源可供內存中多個并發執是指系統中的資源可供內存中多個并發執行的進程共同使用。行的進程共同使用。互斥共享方式互斥共享方式l互斥就是排他性互斥就

34、是排他性l臨界資源（獨占資源）：在一段時間內只允許一個進程臨界資源（獨占資源）：在一段時間內只允許一個進程訪問的資源（如打印機等硬件；棧、變量、表格等）訪問的資源（如打印機等硬件；棧、變量、表格等）同時訪問方式同時訪問方式l宏觀上在一段時間內允許多個進程宏觀上在一段時間內允許多個進程“同時同時”訪問某些資訪問某些資源源l微觀上微觀上“輪流輪流”（交替訪問）（交替訪問）l處理機、內存、磁盤、可重入代碼處理機、內存、磁盤、可重入代碼3、虛擬（虛擬（VirtualVirtual）虛擬：虛擬：是指通過某種技術把一個物理設備實體是指通過某種技術把一個物理設備實體變為若干個邏輯上的對應物。變為若干個邏輯上

35、的對應物。虛擬對象類型：虛擬對象類型：l虛擬處理機技術虛擬處理機技術l虛擬設備技術虛擬設備技術l虛擬存儲器技術虛擬存儲器技術l虛擬磁盤技術虛擬磁盤技術時分復用技術時分復用技術空分復用技術空分復用技術4、異步性（異步性（AsynchronismAsynchronism）異步性：進程是以人們不可預知的速度向前推異步性：進程是以人們不可預知的速度向前推進的。進的。導致的原因：導致的原因：l多道環境的復雜性多道環境的復雜性l進程的動態性進程的動態性l每個進程的運行過程是不可預測的每個進程的運行過程是不可預測的第四節第四節 操作系統的主要功能操作系統的主要功能從資源管理和用戶接口兩方面說明從資源管理和用

36、戶接口兩方面說明OS的功的功能：能： 資源管理資源管理 硬件資源硬件資源(處理機、內存、外設處理機、內存、外設) 軟件資源軟件資源(信息、數據信息、數據) 用戶接口用戶接口處理機管理處理機管理l對處理機進行分配對處理機進行分配進程管理和調度進程管理和調度存儲器管理存儲器管理l對內存進行分配、保護和擴充對內存進行分配、保護和擴充設備管理設備管理l緩沖管理、設備分配、設備處理緩沖管理、設備分配、設備處理文件管理文件管理l文件存儲空間的管理、目錄管理、文件的文件存儲空間的管理、目錄管理、文件的讀寫管理和保護讀寫管理和保護OS與用戶之間的接口與用戶之間的接口 1、用戶接口、用戶接口l聯機用戶接口聯機用

37、戶接口l脫機用戶接口脫機用戶接口l圖形用戶接口圖形用戶接口 2、程序接口、程序接口 應用程序與應用程序與OS的接口，在應用程序的接口，在應用程序中使用系統調用。中使用系統調用。命令接口命令接口聯機用戶接口聯機用戶接口1、適用：、適用：幾乎所有計算機的操作系統中。幾乎所有計算機的操作系統中。2、組成：、組成：命令命令+終端處理程序終端處理程序+命令解釋程序命令解釋程序3、過程：、過程：用戶在鍵盤上輸入命令；用戶在鍵盤上輸入命令； 終端處理程序接收命令并顯示在屏幕上；終端處理程序接收命令并顯示在屏幕上； 命令解釋程序解釋并執行該命令。命令解釋程序解釋并執行該命令。4、聯機命令舉例：、聯機命令舉例：

38、 UNIX：login；logout； DOS：copy；format；5、命令解釋程序：、命令解釋程序：操作系統的最高層操作系統的最高層 MS-DOS：COMMAND.COM UNIX：Shell脫機用戶接口脫機用戶接口1、適用：、適用：批處理系統。批處理系統。2、組成：、組成：JCL+作業說明書作業說明書+命令解釋程序命令解釋程序3、過程：、過程：用戶把對作業的控制用用戶把對作業的控制用JCL寫在寫在作業說明書上，命令解釋程序按照作業說作業說明書上，命令解釋程序按照作業說明書解釋并執行。明書解釋并執行。作業控制語言作業控制語言程序接口程序接口1、目的：、目的：為用戶程序訪問系統資源而設置。

39、為用戶程序訪問系統資源而設置。2、組成：、組成：一組系統調用一組系統調用3、系統調用：、系統調用：一個系統調用是一個能完成特定功一個系統調用是一個能完成特定功能的子程序。能的子程序。用戶程序用戶程序系統調用系統調用命令命令系統功能系統功能調用調用返回返回對截至時間的要求對截至時間的要求1.4.6現代操作系統的心功能現代操作系統的心功能1、系統安全、系統安全 認證技術、密碼技術、訪問控制技術、反認證技術、密碼技術、訪問控制技術、反病毒技術病毒技術2、網絡的功能和服務、網絡的功能和服務 3、支持多媒體、支持多媒體 接納控制功能、實時調度、多媒體文件的接納控制功能、實時調度、多媒體文件的存儲存儲第五

40、節 操作系統的結構設計無結構無結構OS模塊化模塊化OS結構結構分層式分層式OS結構結構C/S模式及微內核模式及微內核OS結構結構v1、無結構無結構OSOS無結構無結構OS設計重點：功能的實現和高效率設計重點：功能的實現和高效率缺點：缺乏清晰的程序結構缺點：缺乏清晰的程序結構 錯誤多、難以維護錯誤多、難以維護OS進程管理進程管理存儲器管理存儲器管理文件管理文件管理進程控制進程控制進程調度進程調度內存分配內存分配內存保護內存保護磁盤管理磁盤管理目錄管理目錄管理2、模塊化、模塊化OS結構結構原理：功能分解、模塊劃分原理：功能分解、模塊劃分優點：優點： 提高了設計的正確性、可維護性；提高了設計的正確性

41、、可維護性； 增強了增強了OS的可適應性；的可適應性； 加速了加速了OS的開發過程；的開發過程；缺點：缺點： 對模塊的劃分不精確，易存在錯誤；對模塊的劃分不精確，易存在錯誤； 未將資源加以區別；未將資源加以區別； 模塊間存在著復雜的依賴關系，使模塊間存在著復雜的依賴關系，使OS結結構不清。構不清。v3、分層式、分層式OS結構結構原理原理從從資源管理觀點資源管理觀點出發，出發，劃分層次劃分層次。各。各層模塊間只能是單向調用關系，使模塊間的調層模塊間只能是單向調用關系，使模塊間的調用變為用變為有序性有序性。用戶態核心態操作命令解釋操作命令解釋虛空間分配虛空間分配作業調度作業調度存儲管理存儲管理文件

42、管理文件管理I/O控制控制進程通信進程通信進程控制進程控制低級調度低級調度輸入輸入/輸出啟動輸出啟動中斷管理中斷管理硬件硬件外層外層中層中層內層內層左圖是荷蘭科學家左圖是荷蘭科學家Dijkstra于于1968年建年建造的第一個層次結構：造的第一個層次結構：SUE OS層次的設置大致原則層次的設置大致原則分層結構的特點分層結構的特點優點：優點：l功能明確，功能明確，調用關系清晰調用關系清晰（高層對低層單向（高層對低層單向依賴），有利于保證設計和實現的正確性依賴），有利于保證設計和實現的正確性l低層和高層可分別實現（低層和高層可分別實現（便于擴充便于擴充）；高層）；高層錯誤不會影響到低層；避免遞歸

43、調用錯誤不會影響到低層；避免遞歸調用缺點：各系統對具體劃分缺點：各系統對具體劃分多少層次多少層次有有不同的看不同的看法法。4 4、C/SC/S模式及微內核模式及微內核OSOS結構結構2、客戶、客戶/服務器模式的組成服務器模式的組成（1 1）客戶機（）客戶機（2 2）服務器（）服務器（3 3）網絡系統）網絡系統3 3、客戶、客戶/ /服務器之間的交互服務器之間的交互（1 1）客戶發送請求消息（）客戶發送請求消息（2 2）服務器接收消息）服務器接收消息（3 3）服務器回送消息（）服務器回送消息（4 4）客戶機接收消息）客戶機接收消息1、設計基礎：、設計基礎： 把操作系統分成若干分別完成一組特定功能

44、的把操作系統分成若干分別完成一組特定功能的服服務進程務進程，等待客戶提出請求；而，等待客戶提出請求；而系統內核只實現操作系統內核只實現操作系統的基本功能系統的基本功能(如：虛擬存儲、消息傳遞如：虛擬存儲、消息傳遞)。微內核微內核(micro-kernel) ： 解釋一：把操作系統結構中的內存管理、設備管理、文解釋一：把操作系統結構中的內存管理、設備管理、文件系統等高級服務功能盡可能的從內核中分離出來，變件系統等高級服務功能盡可能的從內核中分離出來，變成幾個獨立的非內核模塊，內核中只保留少量最基本的成幾個獨立的非內核模塊，內核中只保留少量最基本的功能，使內核簡潔可靠。功能，使內核簡潔可靠。 解釋

45、二：將更多操作系統功能放在核心之外，作為獨立解釋二：將更多操作系統功能放在核心之外，作為獨立的服務進程運行。的服務進程運行。l服務進程服務進程（或稱作（或稱作“保護子系統保護子系統”）l客戶進程客戶進程（系統客戶和應用客戶）需支持多進程（系統客戶和應用客戶）需支持多進程微內核 + C/S模式發起調用，發起調用，送出請求消息送出請求消息請求消息到達請求消息到達并進行處理并進行處理送出回答消息送出回答消息整理回答消整理回答消息，返回結果息，返回結果本地過程調用本地過程調用 (LPC, Local Procedure Call)：一種一種進程之間請求進程之間請求-應答式的應答式的消息消息（Messa

46、ge）傳遞機）傳遞機制。制。消息：消息：是一定格式的數據結構。是一定格式的數據結構。優點：優點：充分模塊化、減少系統的內存需求、高充分模塊化、減少系統的內存需求、高可移植性可移植性 缺點：缺點：各模塊與微內核間通過通信機制交互，各模塊與微內核間通過通信機制交互，系統運行效率較低。系統運行效率較低。Windows采用改進的微內核機制。采用改進的微內核機制。Windows Server 2003體系結構圖體系結構圖系統支持系統支持進程進程服務進程服務進程用戶用戶應用程序應用程序環境環境子系統子系統子系統動態鏈接庫子系統動態鏈接庫圖形引擎圖形引擎用戶態用戶態核心態核心態執行體執行體核心核心設備驅動程

47、序設備驅動程序硬件抽象層硬件抽象層HAL處理機也具有兩種狀態：處理機也具有兩種狀態：核心態核心態(系統態、管態系統態、管態)：OS的管理程序執行時處理機的管理程序執行時處理機所處狀態。所處狀態。用戶態：用戶程序執行時處理機所處狀態。用戶態：用戶程序執行時處理機所處狀態。(1)運行在核心態的內核運行在核心態的內核 它提供所有它提供所有OS基本都具有的那些操作，如線程調度、基本都具有的那些操作，如線程調度、虛擬存儲、設備驅動、中斷處理等。這部分通常采用層虛擬存儲、設備驅動、中斷處理等。這部分通常采用層次結構并構成基本次結構并構成基本OS。(2)運行在用戶態的并以客戶運行在用戶態的并以客戶/服務器方

48、式活動的進程層服務器方式活動的進程層 除內核外，除內核外，OS所有其它部分被分成若干個相對獨立的所有其它部分被分成若干個相對獨立的進程，每個進程實現一組服務，成為服務進程（服務器）。進程，每個進程實現一組服務，成為服務進程（服務器）。補充、補充、LinuxLinux內核結構內核結構Linux采用單內核機制。采用單內核機制。單內核：單內核：也叫集中式操作系統。整個系統是一個大模也叫集中式操作系統。整個系統是一個大模塊，可被分為幾個邏輯模塊：處理器管理、存儲器管塊，可被分為幾個邏輯模塊：處理器管理、存儲器管理、設備管理、文件管理等。模塊間的交互式通過直理、設備管理、文件管理等。模塊間的交互式通過直

49、接調用其他模塊中的函數實現的。接調用其他模塊中的函數實現的。優點：優點：內部調用效率很高內部調用效率很高缺點：缺點：“牽一發而動全身牽一發而動全身”，難于維護。，難于維護。系統調用接口系統調用接口內核子系統內核子系統硬件硬件進程進程1進程進程2進程進程3Linux內核內核Linux內核在整個系統中的位置內核在整個系統中的位置用戶進程用戶進程第一章第一章 總結總結操作系統定義，設計目標，3個作用，3種基本類型，操作系統的4個特征本章作業1、操作系統的作用是什么？、操作系統的作用是什么？2、早期監督程序（、早期監督程序（Monitor）的功能是什么？）的功能是什么？3、什么是作業控制語言？什么是系

50、統調用？、什么是作業控制語言？什么是系統調用？4、試述多道程序設計技術的基本思想。為什么、試述多道程序設計技術的基本思想。為什么采用多道程序設計技術可以提高資源利用率？采用多道程序設計技術可以提高資源利用率？5、什么是分時系統？其主要特征是什么？適用、什么是分時系統？其主要特征是什么？適用于哪些應用？于哪些應用？ 補充 常用的操作系統MS DOSMS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000UNIXMS DOS1981年：年：PC-DOS 1.1：IBM PC，只支持軟盤只支持軟盤的個人操作系的個人操作系統；統；1983年：年：DOS2

51、.0：PC XT，支持，支持硬盤硬盤和和目錄的層次結構目錄的層次結構，并提供并提供豐富的系統命令豐富的系統命令；1984年：年：DOS3.0：PC AT (Intel 80286 CPU)，它把它把286作作為一個快速的為一個快速的8086使用；使用；1987年：年：DOS3.3：提供：提供對對IBM PS/2的支持的支持（如（如3.5軟驅），軟驅），提供了提供了更多的應用更多的應用；1988年：年：DOS4.0：支持：支持大于大于32M的硬盤的硬盤；1991年：年：DOS5.0：改進對擴展內存的支持改進對擴展內存的支持；IBM PC, CPU 8088/8086, BIOS單用戶單任務單用戶

52、單任務，簡單分層簡單分層結構，結構，16位位MS DOS的歷史的歷史MS DOS的結構DOS BIOS(Basic Input/Output System)：由一組與由一組與硬件相關的設備硬件相關的設備驅動程序驅動程序組成，實現基本的輸入組成，實現基本的輸入/輸出輸出功能；功能；DOS核心：核心：提供一套獨立于硬件的提供一套獨立于硬件的系統功能系統功能：內存管：內存管理、文件管理、字符設備和輸入理、文件管理、字符設備和輸入/輸出、實時時鐘等；輸出、實時時鐘等；命令處理程序：命令處理程序：對用戶對用戶命令進行分析和執行命令進行分析和執行；BIOS(基本輸入/輸出系統)DOS核心命令處理程序BIO

53、S(基本輸入/輸出系統)DOS核心命令處理程序MS DOS的特點字符用戶界面字符用戶界面。作業管理：命令行，批處理程序（。作業管理：命令行，批處理程序（BAT文件），菜單式。文件），菜單式。編程時通過編程時通過軟中斷調用軟中斷調用(int 21h)來使用系統功能。來使用系統功能。不區分用戶不區分用戶。準多任務準多任務：通過內存駐留程序通過內存駐留程序TSR(Terminated and Stay Resident)來實現，通過時鐘中斷或鍵盤中斷來實現，通過時鐘中斷或鍵盤中斷熱鍵熱鍵hotkey來激活其他任務。來激活其他任務。不支持虛擬存儲，沒有存儲保護不支持虛擬存儲，沒有存儲保護。采用段式分配

54、。采用段式分配(內存塊內存塊)，可直接訪問的，可直接訪問的最大地址空間為最大地址空間為1MB。其余的內存只能通過作為擴展內存。其余的內存只能通過作為擴展內存(XMS)或擴充或擴充內存內存(EMS)來使用。來使用。lXMS是是段式段式分配，通過內存數據分配，通過內存數據搬移搬移來使用來使用XMS區域區域lEMS是是頁式頁式分配，通過分配，通過頁面的映射頁面的映射來使用來使用EMS區域區域l或者用支持或者用支持保護方式保護方式的編程工具的編程工具文件系統文件系統為為FAT(File Allocation Table)格式（磁盤卷，多級目錄，文件格式（磁盤卷，多級目錄，文件名名 8+3 個字符；分區

55、容量最大為個字符；分區容量最大為2GB）；有文件屬性，沒有區分用戶的）；有文件屬性，沒有區分用戶的訪問權限保護。訪問權限保護。設備驅動程序在系統起動時加載。設備驅動程序在系統起動時加載。分為分為字符設備字符設備和和塊設備塊設備。MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 20001990年：年：Windows 3.0（成功版本），（成功版本），16位位OS，借見借見Apple Macintosh給出友好的用戶界面；給出友好的用戶界面；1993年：年：Windows NT 3.1, 32位位OS，支持支持DOS和和Windows應用程序應用程序；1999年年12月：月：Windows 2000(Professional, Server, Advanced Server)，32位位OS；CPU 80386單用戶多任務單用戶多任務（分時系統），（分時系統），16位位/16和和32位