操作系統OperatingSystem

教師：馮翔辦公室：二教室304郵箱：課程郵箱：PW:feng123456教材《計算機操作系統》（第三版）湯小丹等，西安電子科技大學出版社，

2007.5

參考書：《計算機操作系統》

何炎祥，李飛，李寧，清華大學出版社2011學習目標

掌握計算機操作系統的基本原理及組成；計算機操作系統的基本概念和相關的新概念及術語；了解計算機操作系統的發展特點、設計技巧和方法；對常用計算機操作系統（如Linux）進行基本的操作使用及相關的程序設計。課程主要內容操作系統引論（第1章）進程管理（第2-3章）存儲器管理（第4章）設備管理（第5章）文件管理（第6章）操作系統接口（第7章）實驗部分為基于Linux操作系統的一些實驗本課程的安排理論（48學時）46學時的理論教學；2學時的復習課。實驗（16學時）實驗文檔上機時間：1-12周(雙周)：周一5-6節；13周：周一3-4節，周三5-6節地點：奉賢信息樓教學具體安排第一章操作系統引論（4學時+實驗2學時）第二章進程管理（10學時+實驗4學時）第三章處理機調度與死鎖（8學時+實驗4學時）第四章存儲管理（10學時+實驗3學時）第五章設備管理（6學時）第六章文件管理（8學時+實驗3學時）第七章操作系統接口（2學時）

總學時為64學時，學分為3.5，其中理論教學約需48個學時，實驗16個學時。教學具體安排如下：1、平時練習

2、實驗（提交實驗報告和代碼）

3、平時表現

4、期末考試(閉卷筆試

)

考試(60%)實驗(20%)平時(20%)

最后成績評定為什么要學習操作系統？（1）需要總體上掌握系統設計操作系統包括了所有軟件設計/實現問題資源共享/管理、安全和身份驗證、靈活性，健壯性、友好界面設計存在人們意識不到的大量“操作系統”嵌入式系統（PDA、手機-WP7，Android、機頂盒等）應用系統中的小操作系統（MINI-OS）日常生活中并不總是使用Windows系列的操作系統（Unix、Linux、AppleMacintosh、IBMOS/2等）2023/3/1410操作系統實例OSMS-DOS1-7、WIN3X、WIN95、WIN97、WIN98、WIN2000、WINME、WINXP、VISTA、WIN7MAC、ChroemNOSWINNT、WIN2000SERVER、WIN2003、WIN2008NETWARELINUX：redflag、redhat、fedora、Ubuntu、veketUNIX：2023/3/14111.CP/M(controlprogram/microprocessororputer)微型計算機的第一個操作系統加里·基爾代爾（開發PL/M語言）誕生于1974年的8位微型機操作系統主要功能：能夠進行文件管理具有磁盤驅動功能可以控制磁盤的輸入輸出可以控制顯示器的顯示以及打印機的輸出版本：CP/M-80/CP/M-86/CP/M-68K2023/3/14122.MS-DOS（MicrosoftDiskOperatingSystem）花2.5萬從蒂姆·佩特森QDOS購買改寫的1981年8月DOS1.0-2000年9月MS-DOS8.0fdisk、format、dir、cd、del、debug、copy……我國推出基于MS-DOS的漢字磁盤操作系統CC-DOS2023/3/14133.Win7Windows7的設計主要圍繞五個重點:針對筆記本電腦的特有設計基于應用服務的設計用戶的個性化視聽娛樂的優化用戶易用性的新引擎2023/3/14144.Win2008新的Web工具、虛擬化技術、安全性的強化以及管理公用程序，不僅可幫助您節省時間、降低成本，并可為IT基礎架構提供穩固的基礎2023/3/14155.MAC1976年，由斯蒂夫·喬布斯和斯蒂夫·沃茲尼亞克創立。世界上第一臺個人電腦是由蘋果公司是創建第一個開發了具有圖形界面及使用鼠標和菜單的操作系統，MacOSXv10.6"SnowLeopard"2023/3/14162023/3/14176.UNIX1969年KenThompson、DennisRitchie和DouglasMcllroy在AT&T的貝爾實驗室開發技術成熟、可靠性高、網絡和數據庫功能強、伸縮性和開放性好等特色，可滿足各行各業的實際需要很多公司開發了自己的UnixIBM的AIX，HP的HPUX，SUN的Solaris和SGI的IRIX，加州大學Berkeley分校的BSD產品：FreeBSD，OpenBSD和NetBSD2023/3/14187.LINUX1991年4月芬蘭赫爾辛基大學的學生LinusTorvalds想設計一個代替Unix的操作系統Linux的標志和吉祥物是一只名字叫做Tux的企鵝有的Linux版本通過CD或者USB就能使用，稱為LiveCDFedoraCore、RedHatLinux、UbuntuLinux、redflagLinux、veket……

2023/3/1419

2023/3/14208.VxWorks操作系統是美國WindRiverSystem推出的一個實時操作系統嵌入式Vxworks的主要應用領域：數據網絡：以太網交換機、路由器、遠程接入服務器等遠程通訊：電信用的專用分組交換機和自動呼叫分配器，蜂窩電話系統等醫療設備：放射理療設備消費電子：個人數字助理等交通運輸：導航系統、高速火車控制系統等工業：機器人航空航天：衛星跟蹤系統多媒體：電視會議設備計算機外圍設備：X終端、I/O系統等演示

為什么要學習操作系統？（2）涉及到計算機科學的很多領域:計算機體系結構/硬件軟件設計程序設計語言數據結構算法抽象操作系統具有一種魔力------

提供了無限的CPUs

無限的內存等等.為什么要學習操作系統？（3）大型、復雜系統的系統設計性能與方便使用性能與簡單性硬件與軟件折衷權衡操作系統是目前最復雜的軟件成分操作系統的規模（1）簡單的操作系統：

一次一個應用程序在運行例子：較早期的計算機早期的PC嵌入式控制器（電梯，汽車，……）等等操作系統的規模（2）復雜的操作系統：

多個應用程序共享計算機操作系統必須管理多個應用程序和多個用戶之間的交互

例子：CPU，內存，I/O設備:硬盤，打印機，…

操作系統管理所有這些資源，提供標準服務庫更復雜的操作系統：

多個CPU，多個計算機第1章操作系統引論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征操作系統的主要功能操作系統的結構設計UNIX操作系統簡介1.1操作系統的目標和作用一、操作系統目的/目標二、計算機系統組成

三、操作系統的作用一、操作系統目的/目標執行用戶程序并使用戶問題更易解決。以一種有效的方式使用資源（有效性--系統管理人員的觀點）。使計算機系統更易于使用（方便性--用戶的觀點）。采用新的OS結構,易于功能的增、刪、改（可擴充性）。要求統一開放的環境，各種類型的計算機硬件系統，出自不同的廠家，能通過網絡集成并能夠正確、有效地協同工作，實現應用程序的移植（開放性）。二、計算機系統組成

1.計算機系統的組成

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：系統軟件、應用軟件

系統軟件：管理計算機本身的操作。如操作系統、編譯系統

應用軟件：提供給用戶進行解題。如，科學計算、事務管理操作系統的地位：緊貼系統硬件之上，所有其他軟件之下（是其他軟件的共同環境）虛機器2.計算機系統的層次結構三、操作系統的作用（1）OS作為用戶與計算機硬件系統之間的接口命令方式系統調用方式圖形、窗口方式三、操作系統的作用（2）OS作為計算機系統資源的管理者管理對象包括：CPU、存儲器、外部設備、信息（數據和軟件）；管理的內容：資源的當前狀態（數量和使用情況）、資源的分配、回收和訪問操作，相應管理策略（包括用戶權限）……三、操作系統的作用（3）OS實現了對計算機資源的抽象在裸機上添加：設備管理、文件管理、存儲管理（針對內存和外存）、處理機管理（針對CPU）；即OS用作擴充機器(extendedmachine)/虛擬機(virtualmachine)。1.2操作系統的發展過程無操作系統的計算機系統

人工操作方式

脫機輸入輸出方式批處理系統單道批處理系統多道批處理系統分時系統實時系統微機操作系統多處理機操作系統網絡操作系統分布式操作系統嵌入式操作系統智能卡操作系統推動操作系統發展的主要動力

1.2.1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的需要方便用戶器件的不斷更新換代計算機體系結構的不斷發展1.2.2無操作系統的計算機系統（1）人工操作方式工作流程：（1）由程序員事先穿孔（對應程序和數據）（2）將穿孔的紙帶（卡片）裝入紙帶（卡片)輸入機（3）再啟動輸入機將程序和數據輸入計算機，（4）然后啟動計算機運行（5）運行完畢取走計算機結果（6）下一位用戶人工操作方式帶來的矛盾及解決方法缺點：（1）用戶獨占全機（資源浪費）（2）CPU等待人工操作：裝入、取走時CPU及內存等資源空閑。CPU既負責計算，又要負責傳輸。（屬于單控制方式）矛盾人機矛盾即人工操作方式與機器利用率的矛盾CPU與I/O設備之間速度不匹配的矛盾解決方法通道技術、緩沖技術脫機輸入輸出方式（2）脫機輸入/輸出方式（off-LineI/O）工作流程：（示意圖）優點：（1）減少了CPU的空閑時間。（2）提高了I/O速度（與高速的磁盤打交道）輸入設備外圍機外存輸出設備主機外存外存外存外圍機高速高速1.2.3單道批處理系統1、工作流程：

（1）作業合成一批輸入到外存上，同時在系統中配上監控程序。（2）monitor將作業逐個送入內存并運行。2、特征：（1）自動性（2）順序性（3）單道性3、優點：減少了人工操作的時間，提高機器的利用率和系統吞吐量。4、缺點：對某些作業來說，當它發出輸入/輸出請求后，CPU必須等待I/O的完成，特別因為I/O設備的低速性，從而使機器的利用率很低。用戶在一次解題或一個事務處理過程中要求計算機系統所做的全部工作。1.2.4多道批處理系統（1）多道程序設計技術（20世紀60年代中期引入）特征：（1）多道性（2）無序性（3）調度性優點：（1）資源（CPU、內存、I/O設備）的利用率高（2）系統吞吐量大缺點：（1）平均周轉周期長（2）無交互能力需解決問題

處理機管理、內存管理、I/O設備管理、文件及作業管理問題單道程序運行情況用戶程序監督程序I/O操作t1t2t3t4t5t6t7t8I/O中斷請求啟動I/OI/O完成結束中斷結束中斷I/O完成啟動I/OI/O中斷請求四道程序運行情況程序A程序B程序C程序D調度程序I/O請求I/O完成再被調度程序A完成I/O請求I/O請求I/O請求I/O完成I/O完成I/O完成再被調度1.2.4多道批處理系統（2）操作系統的形成

為解決上述問題，在計算機系統中增設一組軟件，對這些問題加以有效、妥善地解決，這組軟件應包括：控制和管理四大資源的軟件、合理地對各類作業進行調度的軟件，以及方便用戶使用計算機的軟件，這樣就形成了操作系統。操作系統：是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源，合理地對各類作業進行調度，以及方便用戶使用的程序的集合。卡片早期批處理系統IBM1401IBM7094IBM1401輸入磁帶磁帶機卡片閱讀機輸出磁帶打印機批處理操作系統優缺點優點：作業流程自動化效率高吞吐量高缺點：無交互手段調試程序困難1.2.5分時系統分時系統(TimeSharingSystem)的產生

人-機交互、共享主機、便于用戶上機分時系統的定義見圖實現中的關鍵問題

及時接收、及時處理分時系統的特征多路性、獨立性、及時性、交互性主機終端1.2.6實時系統(RealTimeSystem)（1）實時操作系統：指系統能及時（或即時）響應外部事件的請求，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運行。實時操作系統的應用領域

有實時要求（有嚴格確定的時間限制）的領域（過程控制及事務處理）--多道批處理系統和分時系統不能滿足1.2.6實時系統(RealTimeSystem)（2）實時系統分類：

（1）實時控制系統（2）實時信息處理系統實時任務：周期性/非周期性實時任務（截止時間）硬實時任務/軟實時任務實時系統與分時系統特征的比較：多路性、獨立性、及時性、交互性、可靠性三種基本的操作系統三種基本的操作系統批處理操作系統、分時操作系統和實時操作系統通用操作系統如果一個操作系統兼有批處理、分時和實時系統三者或二者的功能，則稱該操作系統為通用操作系統。1.2.7微機操作系統微機操作系統的特征應用領域：事務處理、個人娛樂，系統要求：使用方便、支持多種硬件和外部設備（多媒體設備、網絡、遠程通信）、效率不必很高。常用的微機操作系統單用戶單任務：CP/M，MS-DOS單用戶多任務：Windows多用戶多任務：SolarisOS,Linux。1.2.8多處理機操作系統多處理機系統引入原因增加系統的吞吐量規模經濟、節省投資（共享外設、存儲器等）提高系統的可靠性多處理機系統的類型緊密耦合MPS松散耦合MPS多處理機操作系統的類型非對稱多處理模式（每個處理器都有各自特定的任務）對稱多處理模式（每個處理器都運行同一個操作系統的拷貝）1.2.9網絡操作系統計算機網絡的類型（按拓撲結構分為：星型、樹型、總線型、環型、網狀型）網絡OS的模式客戶/服務器模式對等模式網絡OS的功能通信、資源管理、網絡服務、網絡管理、互操作能力1.2.10分布式操作系統分布式系統：能將任務處理和控制進行分散/分布的系統（相對于集中式）。分布式系統的兩種環境：多處理機系統；多計算機系統。分布式OS與網絡OS的比較

1.分布性2.并行性3.透明性

4.共享性5.健壯性

分布式系統基本特征---處理上的分布，即功能和任務的分布。嵌入式操作系統(EmbeddedOS）的應用智能卡移動通信計算機外設機頂盒零售設備印刷機復印機互聯網服務器電話交換設備1.3操作系統的基本特征并發(concurrence)共享(sharing)虛擬(virtual)異步性(asynchronism)并發(concurrence)(1)并發：指在計算機系統中同時存在著多道運行的程序（進程）宏觀上：多道程序同時在執行微觀上：任何時刻只有一道程序在執行，即微觀上多道程序在CPU上輪流（交替）執行（單機）并行(parallel)：與并發相似，指多道程序在同一時刻執行，但需多個硬件支持。并發(concurrence)(2)引入進程程序和進程：在多道程序系統中，程序不能獨立運行，更不能和其它程序并發執行。引入進程的目的，就是為了使多個程序并發執行。引入線程進程是OS中擁有資源并獨立運行的基本單位。引入線程后，把進程作為分配資源的基本單位，把線程作為獨立運行和獨立調度的基本單位，進一步提高系統的并發性。并發(concurrence)(3)

注：1、程序的并發執行能有效改善系統資源的利用率，但使系統復雜化，因此操作系統必須對并發活動進行控制和管理。

2、并發是操作系統最重要的特征，其它特征均以并發為前提。共享(sharing)并發和共享是操作系統的兩個最基本的特征，二者互為存在條件：資源的共享是以程序（進程）的并發執行為條件。程序的并發執行也以資源的共享為條件。指系統中的資源不再為某道程序所獨占，而是供多道程序共同使用。資源共享方式：互斥共享方式、同時訪問方式虛擬(virtual)通過某種技術把一個物理實體映射為若干個對應的邏輯實體——分時（時分復用技術）或分空間（空分復用技術）。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。如：虛擬處理機（分時）、虛擬設備（分時）、虛擬磁盤（分空間）、虛擬存儲器（分空間、分時）異步性(asynchronism)也稱不確定性，指進程在執行中，其執行時間、順序、向前推進的速度和完成的時間等都是不可預知的。只要在OS中配置有完善的進程同步機制，且運行環境相同，作業經多次運行都會獲得完全相同的結果。所以，異步運行方式是允許的，是OS的一個重要特征。1.4操作系統的功能處理機管理存儲器管理設備管理文件管理用戶接口一、處理機管理的功能處理機管理的主要任務：是對處理機進行分配對處理機運行進行有效的控制和管理注：處理機的分配和運行以進程為基本單位，因此對處理機的管理可歸結為對進程的管理處理機管理的功能進程控制進程同步進程通信調度二、存儲器管理的功能主要任務為多道程序的運行提供良好的環境方便用戶使用存儲器提高存儲器的利用率從邏輯上擴充內存功能內存分配（靜態分配、動態分配）內存保護地址映射內存擴充三、設備管理的功能主要任務完成用戶提出的I/O請求為用戶分配I/O設備提高I/O設備的利用率及速度方便用戶使用I/O設備功能緩沖管理設備分配設備處理虛擬設備四、文件管理的功能主要任務對用戶文件和系統文件進行管理方便用戶使用文件保證文件的安全性功能文件存儲空間的管理目錄管理文件的讀、寫管理和保護五、OS與用戶接口管理的功能主要任務方便用戶使用操作系統功能用戶接口（聯機用戶接口-命令方式、圖形用戶接口，脫機用戶接口）程序接口（系統調用）1.5操作系統的結構設計操作系統的結構設計經歷了以下幾代：傳統的操作系統結構無結構操作系統模塊化結構OS分層式結構OS客戶/服務器模式面向對象的程序設計微內核OS結構無結構操作系統OS是由眾多的過程直接構成，各過程之間可相互調用，但OS內部不存在任何結構，所以這種OS是無結構的，又稱為整體系統結構。缺點：既龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結構；程序錯誤多，調試難、閱讀難、理解難、維護難。模塊化結構操作系統（1）OS是采用“模塊化程序設計”技術，按其功能劃分為若干個獨立的模塊，管理相應的功能，同時規定好各模塊之間的接口，以實現它們的交互，對較大模塊又可按子功能進一步細分下去。所以這種OS稱為模塊化OS結構。模塊的獨立性關鍵：模塊的劃分和規定好模塊之間的接口衡量獨立性的兩個標準：內聚性：指模塊內部各部分間聯系的緊密程度耦合度：指模塊間相互聯系和相互影響的程度模塊化結構操作系統（2）優點提高了OS設計的正確性、可理解性和可維護性增強了OS的可適用性加速了OS的開發過程缺點：模塊及接口劃分較困難未區別共享資源和獨占資源由于管理上的差異，使OS結構變得不夠清晰分層式結構操作系統（1）分層式結構是對模塊化結構的一種改進，它按分層式結構設計的基本原則，將OS劃分為若干個層次，每一層都只能使用其底層所提供的功能和服務，從硬件開始，在其上面一層一層地自底向上增添相應功能的軟件，這種OS結構稱為分層式OS結構。特點：每一步設計都建立在可靠的基礎上，結構更清晰調試和驗證更容易，正確性更高分層式結構操作系統（2）分層式結構的優點：易保證系統的正確性易擴充和易維護缺點：系統效率降低：層次結構是分層單向依賴的，必須在相鄰層次之間建立層次間的通信機制，增加了系統開銷。客戶/服務器模式（1）客戶/服務器模式的組成客戶機：每臺客戶機都是一個自主計算機，客戶進程在運行服務器：一臺規模較大的機器，為網上所有的用戶提供一種或多種服務。網絡系統：用于連接所有客戶機和服務器，實現它們之間的通信和網絡資源共享。客戶/服務器之間的交互：客戶發送請求消息、服務器接收消息服務器回送消息、客戶機接收消息客戶/服務器模式（2）客戶/服務器模式的優點數據的分布處理和存儲。便于集中管理。靈活性和可靠性。易于改編應用軟件不足之處存在著不可靠性和瓶頸問題改進方法：在網絡中配置多個服務器，并采取相應的安全措施。面向對象的程序設計面向對象技術的基本概念對象類繼承面向對象技術的優點通過“重用”提高產品質量和生產率。使系統具有更好的易修改性和易擴展性。更易于保證“正確性”和“可靠性”微內核的OS結構（1）微內核技術的主要思想在OS內核中只留下一些最基本的功能，而將其他服務分離出去，由工作在用戶態下的進程來實現，形成“客戶/服務器”模式。客戶進程可通過內核向服務器進程發送請求，以取得OS的服務。微內核精心設計的，能實現現代OS核心功能的小型內核，它小而精煉，運行在核心態下，開機后常駐內存，不會因內存緊張而換出，它為構建通用OS提供了一個重要基礎。微內核的OS結構（2）微內核OS的基本概念在進行現代OS結構設計時，大多采用基于客戶/服務器模式的微內核結構，將OS分為兩部分：微內核和多個服務器。足夠小的內核基于客戶/服務器模式應用“機制與策略分離”原理采用面向對象技術微內核的基本功能進程（線程）管理低級存儲器管理中斷和陷入處理優點：微內核OS結構是建立在模塊化、層次化結構的基礎上的，并采用了C/S模式和OO的程序設計技術提高了系統的可擴展性增強了系統的可靠性提供了對分布式系統的支持融入了面向對象技術微內核的OS結構（3）微內核OS存在的問題與早期的OS相比，微內核OS的運行效率有所降低最主要的原因：P32微內核的OS結構（4）1.6UNIX系統簡介UNIX系統的發展UNIX系統的特性開放性（系統遵循國際標準規范）多用戶、多任務環境功能強大、實現高效提供豐富的網絡功能支持多處理機的功能UNIX系統的內核結構P356圖10-1UNIX系統的發展UNIX系統是美國貝爾實驗室的兩名程序員K.Thompson和D.M.Ritchie為PDP-7機器所設計和實現的一個分時操作系統。最初采用匯編語言編寫，后采用了C語言，并先后形成了第3、4、5、6、7版、UNIXSystemv2.0(UNIXSVR2)、UNIXSVR3、UNIXSVR4、UNIXSVR4.2版本以及BSDUNIX版本系列。UNIX是目前世界上最成功、最流行的OS之一。UNIX操作系統發展歷程圖（下頁）SVR41989IBMAIXSunSolaris第10版1988SystemIII1982Systemv1983SvR21984SVR319871BSD19772BSD19783BSD19784.0BSD19794.3BSD19864.4BSD1992第1版1969年第5版1973第6版1976第7版1978第8版1982第9版1986BellLabsUNIX版本發展歷史1.7自由軟件和Linux操作系統(1)商業軟件共享軟件自由軟件自由軟件是指遵循通用公共許可證GPL（GeneralPublicLicense）規則，保證使用上的自由、獲得源程序的自由，可以自己修改的自由，可以復制和推廣的自由，也可以有收費的自由的一種軟件。自由軟件出現的意義。自由軟件和Linux操作系統(2)

自由軟件與RichardStallman(1)七十年代后期很多軟件不再提供源碼，使用戶無法修改軟件中的錯誤，使用尤為不便。GNU的含義是GNUisNotUNIX（遞歸定義），是一個自由軟件工程項目，由自由軟件的倡導者RichardStallman先生指導并啟動的一個組織成立了自由軟件基金會(FSF)。目的是為了建立免費的UNIX系統。自由軟件和Linux操作系統(3)

自由軟件與Richardstallman(2)GNU寫出一套和UNIX兼容，但又是自由軟件的UNIX系統，GNU完成了大部分外圍工作，包括外圍命令gcc/gcc++,shell等，最終Linux內核為GNU工程劃上了一個完美句號。自由軟件和Linux操作系統(4)

自由軟件的經典之作：

C++編譯器、ObjectiveC、FORTRAN77、C庫、BSDemail、BIND、Perl、Apache、TCP/IP、IPaccounting、HTTPserver、LynxWeb、…Linux操作系統(1)Linux是由芬蘭藉科學家LinusTorvalds于1991年編寫完成的操作系統內核。許多人對Linux進行改進、擴充、完善，做出了關鍵性貢獻----Linux由最初一個人寫的原型變成在Internet上由無數志同道合的程序高手們參與的一場運動。Linux操作系統(2)

Linux技術特點(1)

(1)繼承了UNIX的優點，有許多改進，是集體智慧的結晶，能緊跟技術發展潮流，具有極強的生命力；

(2)通用操作系統，可