1、第一章 操作系統引論1.1 1.1 操作系統的目標、作用和模型操作系統的目標、作用和模型1.2 1.2 操作系統的發展過程操作系統的發展過程 1.3 1.3 操作系統的特性和服務操作系統的特性和服務 1.4 1.4 操作系統的功能操作系統的功能 1.5 1.5 操作系統的進一步發展操作系統的進一步發展 1.6 1.6 操作系統的結構設計操作系統的結構設計 1.1 操作系統的目標、作用和模型1.1.計算機系統的組成計算機系統的組成硬件系統硬件系統（裸機）：CPU、存儲器（主存、輔存）、I/O、I/O控制系統軟件系統軟件系統：系統軟件、應用軟件 系統軟件系統軟件：管理計算機本身的操作。如操作系統、

2、編譯. 應用軟件應用軟件：提供給用戶進行解題。如，科學計算、事物管理 近年來，大型OS都是采用層次式結構。用一個層次式的OS模型來描述OS，該模型分為三個層次。用戶接口（命令接口、程序接口、圖形用戶接口）對OS對象操縱和管理的軟件集合（處理機管理軟件、存儲器管理軟件、設備管理軟件、文件管理軟件）OS對象（處理機、存儲器、設備、文件和作業）2.操作系統的層次模型圖 1.1 計算機系統的層次結構計算機系統的層次結構 目前存在著多種類型的OS，不同類型的OS，其目標各有所側重。通常在計算機硬件上配置的OS，其目標有以下幾點： 1. 方便性 2. 有效性 3. 可擴充性 4. 開放性 3.操作系統的目

3、標 計算機系統由硬件和軟件組成 操作系統在硬件基礎上的第一層軟件是其他軟件和硬件之間的接口4. 操作系統的地位游戲MIS。 。 。編譯器命令解釋器網絡，數據庫操作系統機器語言微程序物理設備操作系統設計者操作系統設計者應用軟件設計者應用軟件設計者應用軟件設計者應用軟件設計者 OS作為用戶與計算機硬件系統之間的接口 OS作為計算機系統資源的管理者 OS用作擴充機器5. 操作系統的作用1.2.1 1.2.1 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 不斷提高計算機資源利用率不斷提高計算機資源利用率 方便用戶方便用戶 器件的不斷更新換代器件的不斷更新換代 計算機體系結構的不斷發展計算機體系

4、結構的不斷發展 1.2 操作系統的發展過程1.2.2 無操作系統的計算機系統1. 1. 人工操作方式人工操作方式 從第一臺計算機誕生從第一臺計算機誕生(1945(1945年年) )到到5050年代中期年代中期的計算機，屬于第一代，這時還未出現的計算機，屬于第一代，這時還未出現OSOS。計。計算機操作是由用戶采用人工操作方式直接使用算機操作是由用戶采用人工操作方式直接使用計算機硬件系統，即由程序員將事先已穿孔計算機硬件系統，即由程序員將事先已穿孔( (對應于程序和數據對應于程序和數據) )的紙帶的紙帶( (或卡片或卡片) )裝入紙帶裝入紙帶輸入機輸入機( (或卡片輸入機或卡片輸入機) )，再啟動

5、它們將程序和，再啟動它們將程序和數據輸入計算機，數據輸入計算機， 然后啟動計算機運行。當然后啟動計算機運行。當程序運行完畢并取走計算結果后，程序運行完畢并取走計算結果后， 才讓下一才讓下一個用戶上機。個用戶上機。2.人工操作方式的特點特點特點: : 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 串行性串行性缺點缺點: : 計算機的有效機時嚴重浪費計算機的有效機時嚴重浪費 效率低效率低 在采用脫機輸入輸出方式時，程序和數據的輸入輸出都是在外圍計算機的控制下完成的，即它們是脫離主機進行的，故稱之為脫機輸入輸出操作。 脫機I/O方式的主要優點如下：（1）減少了CPU的空閑時間。 （

6、2) 提高I/O速度。圖 1-2 脫機I/O示意圖3. 脫機輸入/輸出方式脫機輸入技術 為解決低速輸入設備與為解決低速輸入設備與CPUCPU速度不匹配的速度不匹配的問題，可將用戶程序和數據，在一臺外圍計算問題，可將用戶程序和數據，在一臺外圍計算機的控制下，預先從低速輸入設備輸入到磁帶機的控制下，預先從低速輸入設備輸入到磁帶上，當上，當CPUCPU需要這些程序和數據時，再直接從需要這些程序和數據時，再直接從磁帶機高速輸入到內存，從而大大加快了程序磁帶機高速輸入到內存，從而大大加快了程序的輸入過程，減少了的輸入過程，減少了CPUCPU等待輸入的時間。等待輸入的時間。脫機輸出技術 當程序運行完畢或告

7、一段落，當程序運行完畢或告一段落，CPUCPU需要需要輸出時，無須直接把計算結果送至低速輸輸出時，無須直接把計算結果送至低速輸出設備，而是高速地把結果送到磁帶上，出設備，而是高速地把結果送到磁帶上，然后再另一臺外圍機地控制下，把磁帶上然后再另一臺外圍機地控制下，把磁帶上的計算結果由相應的輸出設備輸出，這就的計算結果由相應的輸出設備輸出，這就大大加快了程序的輸出過程。大大加快了程序的輸出過程。1. 單道批處理系統的處理過程單道批處理系統的處理過程 批處理是指計算機系統對一批作業自動批處理是指計算機系統對一批作業自動進行處理的一種技術。進行處理的一種技術。 單道批處理在單道批處理在內存中僅有一道作

8、業。內存中僅有一道作業。圖 1-3 單道批處理系統的處理流程 1.2.3 單道批處理系統 2. 單道批處理系統的特征 單道批處理系統是最早出現的一種單道批處理系統是最早出現的一種OSOS，嚴，嚴格地說，它只能算作是格地說，它只能算作是OSOS的前身而并非是現在的前身而并非是現在人們所理解的人們所理解的OSOS。 該系統的主要特征如下：該系統的主要特征如下： (1) (1) 自動性自動性 (2) (2) 順序性順序性 (3) (3) 單道性單道性 1.2.4 多道批處理系統1. 1. 多道程序設計的基本概念多道程序設計的基本概念 在計算機內存中同時存放若干道已開始運行尚未在計算機內存中同時存放若

9、干道已開始運行尚未結束的程序，它們交替運行，共享系統中的各種硬、結束的程序，它們交替運行，共享系統中的各種硬、軟件資源，從而使處理機得到充分利用。軟件資源，從而使處理機得到充分利用。 在該系統中，在該系統中， 用戶所提交的作業都先存放在外存用戶所提交的作業都先存放在外存上并排成一個隊列，稱為上并排成一個隊列，稱為“后備隊列后備隊列”；然后，由；然后，由作業調度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干作業調度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干個作業調入內存，使它們共享個作業調入內存，使它們共享CPUCPU和系統中的各種資和系統中的各種資源。源。圖 1-6 單道和多道程序運行情況 多道：多道： 多道

10、指某個作業占用多道指某個作業占用CPUCPU，若由于，若由于某種原因暫時不用某種原因暫時不用CPU CPU 則系統讓則系統讓第二個作業占用第二個作業占用CPUCPU 成批處理：成批處理： 用戶自己不能干預自己作業的運用戶自己不能干預自己作業的運行，一旦發現作業錯誤不能及時行，一旦發現作業錯誤不能及時改正，并延長開發軟件時間，所改正，并延長開發軟件時間，所以適用于成熟的程序。以適用于成熟的程序。 無序性無序性 調度性調度性 2.多道批處理系統的特點(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 (3)(3)可提高內存和可提高內存和I/OI/O設備利用率設備利用率

11、(4)(4)平均周轉時間長平均周轉時間長(5)(5)無交互能力。無交互能力。適合大型科學計算、數據處理。適合大型科學計算、數據處理。3.多道批處理系統的優缺點(1)(1) 處理機管理問題。處理機管理問題。 (2) (2) 內存管理問題。內存管理問題。 (3) I/O(3) I/O設備管理問題。設備管理問題。 (4) (4) 文件管理問題。文件管理問題。 (5) (5) 作業管理問題。作業管理問題。 4.多道批處理需要解決的問題 1. 分時系統(Time-Sharing System)的產生 分時系統是為了滿足用戶需求所形成的一種新型OS。它與多道批處理系統之間，有著截然不同的性能差別。用戶的需

12、求具體表現在以下幾個方面： (1) 人機交互 (2) 共享主機 (3) 便于用戶上機 1.2.5 分時系統主機主機終終端端圖 1-7 分時系統示意圖2.分時系統的思想 采用時間片輪的方法，同時為許多終端用戶服采用時間片輪的方法，同時為許多終端用戶服務，對每個用戶能保證足夠快的響應時間，并務，對每個用戶能保證足夠快的響應時間，并提供交互會話的功能。提供交互會話的功能。 時間片：將時間片：將CPUCPU的時間劃分成若干個片段的時間劃分成若干個片段, ,稱為稱為時間片，操作系統以時間片為單位時間片，操作系統以時間片為單位, ,輪流為每個輪流為每個終端用戶服務終端用戶服務 設計目標：對用戶的請求及時響

13、應，并在可能設計目標：對用戶的請求及時響應，并在可能條件下盡量提高系統資源的利用率。條件下盡量提高系統資源的利用率。 適合辦公自動化、教學及事務處理等要求人機適合辦公自動化、教學及事務處理等要求人機會話的場合。會話的場合。 3.分時操作系統工作方式 一臺主機連接了若干個終端一臺主機連接了若干個終端每個終端有一個用戶在使用每個終端有一個用戶在使用交互式的向系統提出命令請求交互式的向系統提出命令請求系統接受每個用戶的命令系統接受每個用戶的命令采用時間片輪轉方式處理服務請求采用時間片輪轉方式處理服務請求并通過交互方式在終端上向用戶顯示結果并通過交互方式在終端上向用戶顯示結果用戶根據上步結果發出下道命

14、令用戶根據上步結果發出下道命令分時操作系統工作方式（續）單道分時系統：內存中只駐留一道作業，其余的作業都單道分時系統：內存中只駐留一道作業，其余的作業都在外存上。當內存中的作業運行了一個時間片后，便被在外存上。當內存中的作業運行了一個時間片后，便被調出，再從外存上調入一個作業，并運行一個時間片，調出，再從外存上調入一個作業，并運行一個時間片，這樣便能使所有的用戶都和自己的作業交互。特點：內這樣便能使所有的用戶都和自己的作業交互。特點：內存中只有一道作業，頻繁的調出調入，系統開銷大，性存中只有一道作業，頻繁的調出調入，系統開銷大，性能差。能差。具有具有“前臺前臺”和和“后臺后臺”的分時系統：內存

15、被固定的分的分時系統：內存被固定的分為前臺區和后臺區。前臺區存放按時間片調出和調入的為前臺區和后臺區。前臺區存放按時間片調出和調入的作業流，后臺區存放批處理作業。僅當前臺區調入或調作業流，后臺區存放批處理作業。僅當前臺區調入或調出、或無作業運行時，方才運行后臺區中的作業。出、或無作業運行時，方才運行后臺區中的作業。多道分時系統：內存中駐留多道作業，每道作業無固定多道分時系統：內存中駐留多道作業，每道作業無固定位置，由系統將已具備運行條件的所有作業排成隊列，位置，由系統將已具備運行條件的所有作業排成隊列，使他們輪流地獲得一個時間片來運行。特點：內存中有使他們輪流地獲得一個時間片來運行。特點：內存

16、中有多道作業，切換都在內存中，系統開銷小，性能較好。多道作業，切換都在內存中，系統開銷小，性能較好。 為實現分時系統，其中，最關鍵的問題為實現分時系統，其中，最關鍵的問題是如何使用戶能與自己的作業進行交互，即當用是如何使用戶能與自己的作業進行交互，即當用戶在自己的終端上鍵入命令時，戶在自己的終端上鍵入命令時， 系統應能及時系統應能及時接收并及時處理該命令，再將結果返回給用戶。接收并及時處理該命令，再將結果返回給用戶。 此后，此后， 用戶可繼續鍵入下一條命令，此即人用戶可繼續鍵入下一條命令，此即人機交互。即使有多個用戶同時通過自己的鍵盤鍵機交互。即使有多個用戶同時通過自己的鍵盤鍵入命令，系統也應

17、能全部地及時接收并處理入命令，系統也應能全部地及時接收并處理: : (1) (1) 及時接收。及時接收。 (2) (2) 及時處理。及時處理。 4.分時系統實現中的關鍵問題5.分時操作系統特點 多路性 交互性 “獨占”性 及時性同時有多個用戶使用一臺計算機同時有多個用戶使用一臺計算機宏觀上：是多個人同時使用一個宏觀上：是多個人同時使用一個CPUCPU微觀上：多個人在不同時刻輪流使用微觀上：多個人在不同時刻輪流使用CPUCPU用戶根據系統響應結果進一步用戶根據系統響應結果進一步提出新請求提出新請求( (用戶直接干預每一步用戶直接干預每一步) )用戶感覺不到計算機為其他人服務用戶感覺不到計算機為其

18、他人服務（OSOS提供虛機器，各個用戶的虛提供虛機器，各個用戶的虛機器互不干擾）機器互不干擾）系統對用戶提出的請求及時響應系統對用戶提出的請求及時響應6.影響響應時間的因素 終端數目多少終端數目多少 調度算法（時間片的選取）調度算法（時間片的選取） 信息交換量和信息交換速度信息交換量和信息交換速度 機器處理能力機器處理能力 請求服務的時間長短及服務請求的分布請求服務的時間長短及服務請求的分布 “實時實時”，是表示，是表示“及時及時”，而實時系統，而實時系統(Real-Time System)(Real-Time System)是指系統能及時響應外是指系統能及時響應外部事件的請求，在規定的時間內

19、完成對該事部事件的請求，在規定的時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協調一致地件的處理，并控制所有實時任務協調一致地運行。運行。 特點：及時性要求高，系統可靠性高。特點：及時性要求高，系統可靠性高。 1.2.6 實時系統1.實時操作系統的分類 實時控制系統：通常是指以計算機為中心的實時控制系統：通常是指以計算機為中心的生產過程控制系統，又稱計算機控制系統。生產過程控制系統，又稱計算機控制系統。 如：鋼鐵冶煉和鋼板軋制的自動控制、煉油、如：鋼鐵冶煉和鋼板軋制的自動控制、煉油、化工生產過程的自動控制化工生產過程的自動控制, ,軍事控制等。軍事控制等。 實時信息處理系統：計算機及時接收從遠程

20、實時信息處理系統：計算機及時接收從遠程終端發來的服務請求，根據用戶提出的問題終端發來的服務請求，根據用戶提出的問題對信息進行檢索和處理，并在很短時間內對對信息進行檢索和處理，并在很短時間內對用戶做出正確回答。例如：銀行，機票訂購用戶做出正確回答。例如：銀行，機票訂購系統、股市行情實時信息處理系統等。系統、股市行情實時信息處理系統等。 2. 實時操作系統主要追求目標 對外部請求在嚴格時間范圍內作出反應對外部請求在嚴格時間范圍內作出反應 高可靠性高可靠性 安全性安全性 完整性完整性實時系統必須和先進的技術裝備相結合實時系統必須和先進的技術裝備相結合 3. 實時操作系統的類型1 1、按任務執行是否呈

21、現周期性來劃分、按任務執行是否呈現周期性來劃分（1 1）周期性實時任務）周期性實時任務（2 2）非周期性實時任務）非周期性實時任務 1 1）開始截止時間）開始截止時間 2 2）完成截止時間）完成截止時間2 2、根據對截止時間的要求來劃分、根據對截止時間的要求來劃分（1 1）硬實施任務）硬實施任務（2 2）軟實時任務）軟實時任務（1 1）多路性）多路性 （2 2）獨立性）獨立性 （3 3）及時性）及時性 （4 4）交互性）交互性 （5 5）可靠性）可靠性 4.實時系統與分時系統特征的比較1.1.操作系統的定義操作系統的定義操作系統（操作系統（Operating SystemOperating S

22、ystem，簡稱，簡稱OSOS）是控）是控制和管理計算機硬件和軟件資源的一個系統軟制和管理計算機硬件和軟件資源的一個系統軟件件, ,是一些程序模塊的集合。是一些程序模塊的集合。它能以盡量它能以盡量有效、合理有效、合理的方式組織和管理計算的方式組織和管理計算機的軟硬件資源，合理的組織計算機的工作流機的軟硬件資源，合理的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，使得用戶能夠能，使得用戶能夠靈活、方便、有效靈活、方便、有效的使用計的使用計算機，使整個計算機系統能高效地運行。算機，使整個計算機系統能高效地運行。它是系統軟件的核心，是計算機處理

23、時必不可它是系統軟件的核心，是計算機處理時必不可少的非常重要的軟件。少的非常重要的軟件。1.3 操作系統的特性和服務2.操作系統的特征 并發性并發性 共享性（互斥共享和同時訪問）共享性（互斥共享和同時訪問） 虛擬性虛擬性 異步性異步性3.并發性 并發性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內并發性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。發生。 并行性是指兩個或多個事件在同一時間發生。并行性是指兩個或多個事件在同一時間發生。 ( (與并發相似，但多指硬件支持）與并發相似，但多指硬件支持） 程序的并發執行，有效地改善了系統資源的利程序的并發執行，有效地改善了系統資源的利用率和提高了系統的吞吐量，但它使系

24、統復雜用率和提高了系統的吞吐量，但它使系統復雜化，操作系統必須具有控制和管理各種并發活化，操作系統必須具有控制和管理各種并發活動的能力。動的能力。 4.共享性 操作系統與多個用戶的程序共同使用計算機系統中的操作系統與多個用戶的程序共同使用計算機系統中的資源資源 資源共享是指系統中的硬件和軟件資源不再為某個程資源共享是指系統中的硬件和軟件資源不再為某個程序所獨占，而是供多個用戶共同使用。序所獨占，而是供多個用戶共同使用。 并發和共享是操作系統兩個最基本的特征，這兩者之并發和共享是操作系統兩個最基本的特征，這兩者之間又是互為存在條件的。間又是互為存在條件的。 資源共享是以程序的并發為條件的，若系統

25、不允許程資源共享是以程序的并發為條件的，若系統不允許程序并發執行，自然不存在資源共享問題。序并發執行，自然不存在資源共享問題。 若系統不能對資源共享實施有效的管理，也必將影響若系統不能對資源共享實施有效的管理，也必將影響到程序的并發執行，甚至根本無法并發執行。到程序的并發執行，甚至根本無法并發執行。 5.虛擬性 在操作系統中，所謂虛擬，是指把一在操作系統中，所謂虛擬，是指把一個物理上的實體，變為若干個邏輯上的對個物理上的實體，變為若干個邏輯上的對應物。應物。物理實體物理實體( (前者前者) )是實的，是實的， 而后者而后者是虛的，相應地，用于實現虛擬的技術，是虛的，相應地，用于實現虛擬的技術，

26、稱為虛擬技術。在稱為虛擬技術。在OSOS中利用了多種虛擬技中利用了多種虛擬技術，分別用來實現虛擬處理機、虛擬內存、術，分別用來實現虛擬處理機、虛擬內存、 虛擬外部設備和虛擬信道等。虛擬外部設備和虛擬信道等。6.6.異步異步性性(Asynchronism(Asynchronism) ) 在多道程序環境下，允許多個進程并發執行，在多道程序環境下，允許多個進程并發執行， 但由于競爭資源等因素的限制，使進程的執行不但由于競爭資源等因素的限制，使進程的執行不是是“一氣呵成，而是以一氣呵成，而是以“走走走走停停停停”的方式運行。的方式運行。 多道程序環境下程序的執行，是以異步方式進行多道程序環境下程序的執

27、行，是以異步方式進行的；每個程序在何時執行，多個程序間的執行順的；每個程序在何時執行，多個程序間的執行順序以及完成每道程序所需的時間都是不確定和不序以及完成每道程序所需的時間都是不確定和不可預知的。可預知的。進程是以人們不可預知的速度向前推進程是以人們不可預知的速度向前推進，此即進程的異步性。進，此即進程的異步性。7、操作系統的服務一、一、OSOS的公共服務類型的公共服務類型程序執行、程序執行、I/OI/O操作、文件系統操縱、通信、差操作、文件系統操縱、通信、差錯檢測錯檢測二、系統調用的作用二、系統調用的作用三、系統調用的類型三、系統調用的類型進程控制類、文件操縱、設備管理、通信、信息進程控制

28、類、文件操縱、設備管理、通信、信息維護維護1.4 操作系統的功能 從資源管理觀點看，從資源管理觀點看，操作系統具有五大功能：操作系統具有五大功能： 存儲器管理存儲器管理 處理機管理處理機管理 設備管理設備管理 文件管理文件管理 作業管理作業管理1.存儲器管理存儲器管理的主要任務存儲器管理的主要任務: : 為多道程序的并發運行提供良好環境；為多道程序的并發運行提供良好環境； 便于用戶使用存儲器；便于用戶使用存儲器； 提高存儲器的利用率；提高存儲器的利用率； 為盡量多的用戶提供足夠大的存儲空間。為盡量多的用戶提供足夠大的存儲空間。存儲器管理的功能 內存分配：內存分配：多道程序能并發執行的首要多道程

29、序能并發執行的首要條件是，各道程序都有自己的內存空間，條件是，各道程序都有自己的內存空間，因此，為每道程序分配內存是存儲器管因此，為每道程序分配內存是存儲器管理的最基本功能。理的最基本功能。 內存保護：內存保護：為保證各道程序都能在自己為保證各道程序都能在自己的內存空間運行而互不干擾，要求每道的內存空間運行而互不干擾，要求每道程序在執行時能隨時檢查對內存的所有程序在執行時能隨時檢查對內存的所有訪問是否合法。必須防止因一道程序的訪問是否合法。必須防止因一道程序的錯誤而擾亂了其它程序，尤其應防止用錯誤而擾亂了其它程序，尤其應防止用戶程序侵犯操作系統的內存區。戶程序侵犯操作系統的內存區。存儲器管理的

30、功能（續） 地址映射：地址映射：在多道程序的系統中，操作系統必須在多道程序的系統中，操作系統必須提供把程序地址空間中的邏輯地址轉換為內存空提供把程序地址空間中的邏輯地址轉換為內存空間對應的物理地址的功能。地址映射功能可使用間對應的物理地址的功能。地址映射功能可使用戶不必過問物理存儲空間的分配細節，從而為用戶不必過問物理存儲空間的分配細節，從而為用戶編程提供了方便。戶編程提供了方便。 內存擴充：內存擴充：由于物理內存的大小可能限制了大型由于物理內存的大小可能限制了大型作業或多個作業的并發執行，為了滿足用戶的要作業或多個作業的并發執行，為了滿足用戶的要求并改善系統性能，必須對內存加以擴充。但我求并

31、改善系統性能，必須對內存加以擴充。但我們無須去真正地增加內存空間，而只須借助于虛們無須去真正地增加內存空間，而只須借助于虛擬存貯技術，便可獲得這樣地效果，使系統能運擬存貯技術，便可獲得這樣地效果，使系統能運行內存要求量遠比物理內存大得多得作業，或讓行內存要求量遠比物理內存大得多得作業，或讓更多得作業并發執行。更多得作業并發執行。 2.處理機管理 主要任務：是對處理機的分主要任務：是對處理機的分配和運行實施有效管理。對處配和運行實施有效管理。對處理機管理，可歸結為對進程的理機管理，可歸結為對進程的管理。管理。進程管理的主要功能 進程控制進程控制：當用戶作業要運行時，應為之：當用戶作業要運行時，應

32、為之建立一個或多個進程，并為它分配除處理建立一個或多個進程，并為它分配除處理機以外的所有資源，將它放入進程就緒隊機以外的所有資源，將它放入進程就緒隊列。當進程運行完成時，立即撤消該進程，列。當進程運行完成時，立即撤消該進程，以便及時釋放其所占有的資源。進程控制以便及時釋放其所占有的資源。進程控制的基本功能就是創建和撤消進程以及控制的基本功能就是創建和撤消進程以及控制進程的狀態轉換。進程的狀態轉換。 進程同步進程同步：所謂進程同步是指系統對并發：所謂進程同步是指系統對并發執行的進程進行協調。最基本的進程同步執行的進程進行協調。最基本的進程同步方式是使諸進程以互斥方式訪問臨界資源。方式是使諸進程以

33、互斥方式訪問臨界資源。進程管理的主要功能（續） 此外，對于彼此相互合作、去完成共同任務的諸進此外，對于彼此相互合作、去完成共同任務的諸進程，則應由系統對它們的運行速度加以協調。程，則應由系統對它們的運行速度加以協調。 進程通信進程通信：對于相互合作的進程，在它們運行時，：對于相互合作的進程，在它們運行時，相互之間往往要交換一定的信息，這種進程間所進相互之間往往要交換一定的信息，這種進程間所進行的信息交換稱為進程通信。行的信息交換稱為進程通信。 進程調度進程調度：當一個正在執行的進程已經完成，或因：當一個正在執行的進程已經完成，或因某事件而無法繼續執行時，系統應進行進程調度，某事件而無法繼續執行

34、時，系統應進行進程調度，重新分配處理機。進程調度是指按一定算法，如最重新分配處理機。進程調度是指按一定算法，如最高優先算法，從進程就緒隊列中選出一進程，把處高優先算法，從進程就緒隊列中選出一進程，把處理機分配給它，為該進程設置運行現場，并使之投理機分配給它，為該進程設置運行現場，并使之投入運行。入運行。 3.設備管理1)1)設備管理的主要任務設備管理的主要任務: : 為用戶程序分配為用戶程序分配I/OI/O設備；設備； 完成用戶程序請求的完成用戶程序請求的I/OI/O操作；操作； 提高提高CPUCPU和和I/OI/O設備的利用率；設備的利用率； 改善人機界面改善人機界面。2)設備管理程序應具有

35、的功能 緩沖管理：緩沖管理：幾乎所有的外圍設備于處理機幾乎所有的外圍設備于處理機交換信息時，都要利用緩沖來緩和交換信息時，都要利用緩沖來緩和CPUCPU和和I/OI/O設備間速度不匹配的矛盾，和提高設備間速度不匹配的矛盾，和提高CPUCPU與設備、設備與設備間操作的并行程度，與設備、設備與設備間操作的并行程度，以提高以提高CPUCPU和和I/OI/O設備的利用率。設備的利用率。 設備分配：設備分配：系統根據用戶所請求的設備類系統根據用戶所請求的設備類型和所采用的分配算法對設備進行分配，型和所采用的分配算法對設備進行分配，并將未獲得所需設備的進程放進相應設備并將未獲得所需設備的進程放進相應設備的

36、等待隊列的等待隊列。 設備管理程序應具有功能(續） 設備處理：設備處理：啟動指定的啟動指定的I/OI/O設備，完成用戶規設備，完成用戶規定的定的I/OI/O操作，并對由設備發來的中斷請求進操作，并對由設備發來的中斷請求進行及時響應，根據中斷類型進行相應的處理。行及時響應，根據中斷類型進行相應的處理。 設備獨立性和虛擬設備：設備獨立性和虛擬設備：設備獨立性是指應用設備獨立性是指應用程序獨立于物理設備，以使用戶編制的程序與程序獨立于物理設備，以使用戶編制的程序與實際使用的物理設備無關。實際使用的物理設備無關。 通常，把一次僅允許一個進程使用的設備稱為通常，把一次僅允許一個進程使用的設備稱為獨占設備

37、。系統可通過某種技術使該設備成為獨占設備。系統可通過某種技術使該設備成為能被多個用戶共享的設備，以提高設備利用率能被多個用戶共享的設備，以提高設備利用率及加速程序的執行過程。可使每個用戶都感覺及加速程序的執行過程。可使每個用戶都感覺到自己在獨占該設備。到自己在獨占該設備。 4.文件管理 文件存儲空間的管理文件存儲空間的管理 目錄管理目錄管理 文件讀、寫管理文件讀、寫管理 文件保護文件保護 向用戶提供接口向用戶提供接口5.作業管理1 1）作業管理的主要任務）作業管理的主要任務: :是根據系統條件和用戶是根據系統條件和用戶需要，對作業的運行進行合理的組織、調度及需要，對作業的運行進行合理的組織、調

38、度及相應的控制。相應的控制。2 2）作業調度：）作業調度：作業調度是指根據系統的能力和當作業調度是指根據系統的能力和當前作業的運行情況，按一定策略，從后備作業前作業的運行情況，按一定策略，從后備作業隊列中選出一批作業，為它們分配所需的隊列中選出一批作業，為它們分配所需的I/OI/O設設備和存儲空間，將它們調入內存并為之建立相備和存儲空間，將它們調入內存并為之建立相應的進程，使之成為具有獲得處理機資格的侯應的進程，使之成為具有獲得處理機資格的侯選進程。選進程。3 3）作業控制：）作業控制：作業控制是指作業從進入系統開始，作業控制是指作業從進入系統開始，直到運行完成的整個過程中，用戶可通過某種直到

39、運行完成的整個過程中，用戶可通過某種形式向系統發出各種命令，以對自己的作業進形式向系統發出各種命令，以對自己的作業進行控制和管理。行控制和管理。1.5 操作系統的進一步發展 操作系統（包括其前身）成為獨立的程操作系統（包括其前身）成為獨立的程序，已有序，已有4040年的歷史，它經過年的歷史，它經過6060和和7070年代的年代的大發展時期，到大發展時期，到8080年代雖已趨于成熟，但它年代雖已趨于成熟，但它仍繼續沿著兩個方向繼續向前發展，一個是仍繼續沿著兩個方向繼續向前發展，一個是隨著計算機系統結構的發展，形成多處理機隨著計算機系統結構的發展，形成多處理機操作系統、網絡操作系統和分布式操作系統

40、；操作系統、網絡操作系統和分布式操作系統；另一個則是把操作系統應用于微機，形成微另一個則是把操作系統應用于微機，形成微機操作系統。機操作系統。1.多處理機操作系統 在在19751975年前后，打破了以單處理機年前后，打破了以單處理機體系結構為主的局面，形成了由多臺處體系結構為主的局面，形成了由多臺處理機通過互連網絡連接在一起的計算機理機通過互連網絡連接在一起的計算機系統。近年來所推出的大、中、小型機，系統。近年來所推出的大、中、小型機，大多數都在采用多處理機體系結構，甚大多數都在采用多處理機體系結構，甚至在高檔微機中也出現了這種趨勢。至在高檔微機中也出現了這種趨勢。多處理機結構 緊密耦合緊密耦

41、合(Tightly Coupled)(Tightly Coupled)多處理機結多處理機結構構 松散耦合松散耦合(Loosely Coupled)(Loosely Coupled)多處理機結多處理機結構構多處理機類型 對稱多處理模式對稱多處理模式 非對稱多處理模式非對稱多處理模式2. 網絡操作系統 網絡操作系統是建立在主機操作系網絡操作系統是建立在主機操作系統基礎上，用于管理網絡通信和共享資統基礎上，用于管理網絡通信和共享資源，協調各主機上任務地運行，并向用源，協調各主機上任務地運行，并向用戶提供統一的、有效的網絡接口的軟件戶提供統一的、有效的網絡接口的軟件集合。集合。 按網絡所覆蓋的地理范圍

42、和互連計按網絡所覆蓋的地理范圍和互連計算機之間的距離的不同，可把計算機網算機之間的距離的不同，可把計算機網絡分為兩種：絡分為兩種： 廣域廣域網網WAN(Wide Area Network) WAN(Wide Area Network) 局域網局域網LAN(Local Area Network) LAN(Local Area Network) 網絡操作系統的基本功能 網絡通信網絡通信 資源管理資源管理 提供多種網絡服務提供多種網絡服務 提供網絡接口提供網絡接口網絡操作系統網絡操作系統網絡服務網絡服務應用程序應用程序 通信軟件通信軟件（協議支持）（協議支持）單機單機操作系統操作系統用戶應用程序用戶

43、應用程序圖圖18 局域網操作系統的結構局域網操作系統的結構 通信軟件通信軟件（協議支持）（協議支持）3. 分布式操作系統1)1)分布式操作系統的功能分布式操作系統的功能 資源管理資源管理 任務分配任務分配 分布式進程同步和通信分布式進程同步和通信2) 要解決的關鍵問題 分布式分布式OSOS設計過程中要解決的設計過程中要解決的關鍵問題關鍵問題: : （1 1）通信原語的設計）通信原語的設計（2 2）資源管理）資源管理（3 3）系統容錯）系統容錯 3)分布式操作系統特征1.1.系統內只有一個全局操作系統，采用分布式控制系統內只有一個全局操作系統，采用分布式控制的辦法，負責全系統的資源管理和運行控制

44、。的辦法，負責全系統的資源管理和運行控制。2.2.資源進一步共享資源進一步共享: :系統內包含有多個物理資源和邏系統內包含有多個物理資源和邏輯資源，它們可以動態地分配給各個任務輯資源，它們可以動態地分配給各個任務3.3.透明性透明性: : 資源共享，分布。系統對用戶提供一個資源共享，分布。系統對用戶提供一個透明的、一體化的用戶界面。透明的、一體化的用戶界面。4.4.自治性自治性: : 處于分布式系統的多個主機處于平等地處于分布式系統的多個主機處于平等地位，無主從關系所有資源都必須高度自治而相互位，無主從關系所有資源都必須高度自治而相互配合地工作，它們之間不存在層次控制或主從控配合地工作，它們之

45、間不存在層次控制或主從控制的關系。制的關系。5.5.處理能力增強、速度更快、可靠性增強處理能力增強、速度更快、可靠性增強 4) 網絡和分布式的區別 (1) (1) 分布具有各個計算機間相互通訊，分布具有各個計算機間相互通訊， 無主從關系；網絡有主從關系無主從關系；網絡有主從關系(2) (2) 分布式系統資源為所有用戶共享；分布式系統資源為所有用戶共享； 而網絡有限制地共享而網絡有限制地共享(3) (3) 分布式系統中若干個計算機可相互分布式系統中若干個計算機可相互 協作共同完成一項任務協作共同完成一項任務4.微型機(個人）操作系統計算機在某一時間內為單用戶服務計算機在某一時間內為單用戶服務,

46、,其追求目標是界面友好，使用方便，其追求目標是界面友好，使用方便，豐富的應用軟件。豐富的應用軟件。（1 1） MS-DOSMS-DOS（2 2）微機多任務操作系統）微機多任務操作系統微機多任務操作系統的分類微機多任務操作系統的分類按系統結構分：按系統結構分： 內在式（內在式（built-inbuilt-in）貼附式（貼附式（bolt-on bolt-on ）按任務調度方式分：先決式（按任務調度方式分：先決式（preemptivepreemptive）協作式（協作式（cooperativecooperative）微型機操作系統（續）1)1)內在式是指操作系統開始設計就把多任內在式是指操作系統開始

47、設計就把多任務功能構筑務功能構筑. . 其中，如其中，如 OS/2OS/2和和UNIXUNIX操作操作系統。系統。2)2)貼附式是指把多任務功能附加到一個單貼附式是指把多任務功能附加到一個單任務操作系統中而形任務操作系統中而形 成，如成，如MicrosoftMicrosoft的的WindowsWindows就是在就是在DOSDOS基礎上加入多任務基礎上加入多任務功能而構成的多任務操作系統。功能而構成的多任務操作系統。微型機操作系統（續）3)3)先決式是指由系統內部時鐘來決定先決式是指由系統內部時鐘來決定CPUCPU由一個任由一個任務轉移去執行另一個任務的時刻，轉移時刻是系務轉移去執行另一個任務

48、的時刻，轉移時刻是系統以某種分配策略預先確定的，應用程序無權干統以某種分配策略預先確定的，應用程序無權干預。如預。如OS/2OS/2和和UNIXUNIX都是先決式多任務操作系統。都是先決式多任務操作系統。4)4)協作式是指幾個應用程序聯合動作，通過某種通協作式是指幾個應用程序聯合動作，通過某種通信方式來分享信方式來分享CPUCPU。WindowsWindows和和NovellNovell公司的公司的NetwareNetware網絡操作系統是以協作式來工作的。網絡操作系統是以協作式來工作的。 5. 嵌入式操作系統1)1)什么是嵌入式系統：什么是嵌入式系統： 在各種設備、裝置或系統中，完成特定功在

49、各種設備、裝置或系統中，完成特定功能的軟硬件系統能的軟硬件系統 它們是一個大設備、裝置或系統中的一部分，它們是一個大設備、裝置或系統中的一部分，這個大設備、裝置或系統可以不是這個大設備、裝置或系統可以不是“計算機計算機” 通常工作在反應式或對處理時間有較嚴格要通常工作在反應式或對處理時間有較嚴格要求環境中求環境中 由于它們被嵌入在各種設備、裝置或系統中，由于它們被嵌入在各種設備、裝置或系統中，因此稱為嵌入式系統因此稱為嵌入式系統軟件：用于提供系統所需的功能和靈活性軟件：用于提供系統所需的功能和靈活性硬件硬件 = = （處理器、（處理器、ASIC(ASIC(專用集成電路專用集成電路) )、存、存

50、儲器儲器）用于提供所需的性能以及部分安全機制用于提供所需的性能以及部分安全機制專用門陣列專用門陣列模擬模擬I/O處理器核處理器核存儲器存儲器 2）嵌入式系統 3) 嵌入式操作系統 在嵌入式系統中的在嵌入式系統中的OSOS，稱為嵌入式操作，稱為嵌入式操作系統。系統。 嵌入式操作系統，是運行在嵌入式智能嵌入式操作系統，是運行在嵌入式智能芯片環境中，對整個智能芯片以及它所芯片環境中，對整個智能芯片以及它所操作、控制的各種部件裝置等等資源進操作、控制的各種部件裝置等等資源進行統一協調、調度、指揮和控制的系統行統一協調、調度、指揮和控制的系統軟件。軟件。 完成某一項或有限項功能；不是通用型的完成某一項或

51、有限項功能；不是通用型的 在性能和實時性方面有嚴格的限制在性能和實時性方面有嚴格的限制 能源、成本和可靠性通常是影響設計的重要能源、成本和可靠性通常是影響設計的重要 因素因素 占有資源少、易于連接占有資源少、易于連接 系統功能可針對需求進行裁剪、調整和生成系統功能可針對需求進行裁剪、調整和生成 以便滿足最終產品的設計要求以便滿足最終產品的設計要求 4 4）典型嵌入式操作系統的特性 通常配有源碼級可配置的系統模塊設計 豐富的同步原語 可選擇的調度算法 可選擇內存分配策略 定時器與計數器 多方式中斷處理支持 多種異常處理選擇 多種通信方式支持 標準語言庫 數學運算庫和開放式應用程序接口5）嵌入式操

52、作系統開發環境 6.操作系統領域中新的操作系統 有線電視機頂盒領域，有線電視機頂盒領域，PowerTVPowerTV 移動通信領域，移動通信領域，EPOCEPOC 掌上計算機領域，掌上計算機領域，Palm OSPalm OS 數字影像領域，數字影像領域， DigitaDigita1.6.1 1.6.1 軟件工程的基本概念軟件工程的基本概念 1. 1. 軟件的含義軟件的含義 軟件是指當計算機運行時，能提供所要求的功能和性能的指令和程序的集合，該程序能夠正確地處理信息的數據結構；作為規范軟件，還應具有描述程序功能需求以及程序如何操作使用的文檔。2. 2. 軟件工程的含義軟件工程的含義 軟件工程是指運用系統的、規范的和可定量的方法，來開發、運行和維護軟件。其目的是為了解決在軟件開發中所出現的編程隨意、軟件質量不可保證以及維護困難等問題。 1.6 操作系統的結構設計 無結構OS 模塊化