操作系統（OS）專業基礎必修課總學時52、實驗學時8不遲到、早退，不曠課認真聽講，做有效率的學生第一章操作系統導論學習目標理解操作系統在計算機系統中所處的地位，熟練掌握操作系統的概念、功能和特性。

了解操作系統的發展歷史。掌握不同類型操作系統的設計目標、特點和適用場合。理解并掌握操作系統的體系結構。了解操作系統的人機界面。1.1操作系統概念指令系統微程序機器級數字邏輯級匯編語言級高級語言級操作系統機器級軟件硬件1.1.1計算機系統1.1操作系統概念CPU擴展槽寄存器組ARPCI/O橋主存儲器USB控制器圖形適配器磁盤控制器鼠標鍵盤顯示器磁盤IRDRCache圖1-1典型計算機系統硬件組成1.1操作系統概念1.處理器和幾種主要的寄存器（1）數據寄存器（DR）：用于暫存指令執行過程中需要或產生的數據。（2）地址寄存器（AR）：包含指令和數據的主存儲器地址。數據寄存器和地址寄存器可以是通用的，對程序員也是可見的，可通過編程引用，減少對主存儲器的訪問，提高執行速度。（3）程序計數器（PC）：保存下一條指令的地址，處理器每取指一次則自動遞增。（4）指令寄存器（IR）：保存處理器即將執行的指令的內容。（5）程序狀態字（PSW）寄存器組：包含條件碼和其他狀態信息。1.1操作系統概念2.主存儲器和高速緩沖存儲器高存取速度寄存器高速緩存主存儲器磁盤磁帶光盤…存儲容量大圖1-2存儲器層次結構圖1.1操作系統概念圖1-3處理器執行指令過程不允許中斷允許中斷開始取下一條指令執行指令檢查并初始化中斷處理機構結束3.指令執行過程1.1操作系統概念圖1-4完整的計算機系統構成操作系統裸機語言處理數據庫網絡軟件應用軟件鏈接裝配編程環境用戶

操作系統（OperatingSystem）是控制和管理計算機系統硬件資源和軟件資源的系統軟件，它合理地組織計算機工作流程，是用戶與計算機之間的接口。1.1.2操作系統概念操作系統能做什么？1.1.2操作系統的含義操作系統是一個系統軟件操作系統管理和控制計算機系統的資源、合理地組織計算機工作流程操作系統給用戶提供了一個方便、友好的使用操作的平臺1.1.3操作系統的功能1.用戶和用戶程序與計算機之間的接口2.資源管理（1）處理器管理（2）存儲管理

（3）文件管理

（4）設備管理

3.控制和協調程序的運行第一章緒論處理機管理完成處理機資源的分配、調度和回收等功能。處理機調度的單位可為進程或線程。由于處理機調度策略不同，出現不同類型的操作系統，如批處理系統、分時系統、實時系統第一章緒論存儲管理管理目標：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。內存的分配、保護和擴充。存儲器分配與回收地址映射（變換）：邏輯地址到內存物理地址映射存儲保護：保證進程間互不干擾、相互保密內存擴充（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第一章緒論設備管理管理目標：方便設備的使用、提高CPU與I/O設備利用率設備操作：利用設備驅動程序完成對設備的操作設備獨立性(deviceindependence)：提供統一的I/O設備接口，使應用程序獨立于物理設備，提高可適應性；在同樣的接口和操作下完成不同的內容設備分配與回收：在多用戶間共享I/O設備資源緩沖區管理：匹配CPU和外設的速度，提高兩者的利用率。主機與外設并行第一章緒論信息管理管理目標：解決軟件資源的存儲、共享、保密和保護文件存儲空間管理：解決如何存放信息，以提高空間利用率和讀寫性能目錄管理：解決信息檢索問題。文件的屬性（如文件名）、單一副本賦予多文件名文件的讀寫管理和存取控制：解決信息安全問題。系統設口令“哪個用戶”、用戶分類“哪個用戶組”、文件權限“針對用戶或用戶組的讀寫權”第一章緒論用戶接口管理目標：提供一個友好的用戶訪問操作系統的接口。操作系統向上提供兩種接口系統命令：供用戶用于組織和控制自己的作業運行。命令行、菜單式或GUI“聯機”；命令腳本“脫機”編程接口：供用戶程序和系統程序調用操作系統功能。系統調用和高級語言庫函數通過這些命令和調用，向OS提出申請，由OS調用內部功能來完成1.1.4操作系統的特性1.并發性2.共享性3.不確定性4.虛擬性5.可擴展性第一章緒論1.1.4操作系統的特性并發性

指在計算機系統內同時存在有多個程序，宏觀上，這些程序是同時向前推進的。并發：指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。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。第一章緒論1.1.4操作系統的特性共享（sharing）

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（如磁盤文件）資源分配難以達到最優化第一章緒論1.1.4操作系統的特性虛擬（virtual）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）“虛擬存儲器”顯示設備——多窗口或虛擬終端（virtualterminal）獨享設備——假脫機技術（Spooling），虛設備第一章緒論1.1.4操作系統的特性異步性（asynchronism）也稱不確定性：指進程的執行順序和執行時間的不確定性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）因為不確定性，在設計OS時，要充分考慮各種可能性，以便穩定、安全、高效地達到并發和資源共享1.2.1手工操作階段（20世紀40年代）工作方式用戶：用戶既是程序員，又是操作員；用戶是計算機專業人員；編程語言：為機器語言；輸入輸出：紙帶或卡片；計算機的工作特點用戶獨占全機：不出現資源被其他用戶占用，資源利用率低；CPU等待用戶：計算前，手工裝入紙帶或卡片；計算完成后，手工卸取紙帶或卡片；CPU利用率低；1.2操作系統的歷史1.2.1手工操作階段ENIAC計算機沒有程序設計語言（甚至沒有匯編），更談不上操作系統，通過在一些插板上的硬連線來控制計算機的基本功能。程序員提前預約一段時間，然后到機房將他的插件板插到計算機里，期盼著在接下來的時間中,幾萬個真空管不會燒斷，從而可以計算自己的題目。1.2操作系統的歷史1.2.1手工操作階段50年代早期，出現了穿孔卡片。程序寫在卡片上然后讀入計算機，而不用插板，但計算過程則依然如舊。1.2操作系統的歷史1.2.1手工操作階段50年代早期，出現了穿孔卡片。程序寫在卡片上然后讀入計算機，而不用插板，但計算過程則依然如舊。問題：計算機處理能力的提高與手工操作的低效率（造成浪費）用戶獨占全機的所有資源解決：擺脫手工操作，實現作業的自動過渡1.2操作系統的歷史1.2.2早期批處理（20世紀50年代）聯機批處理：I/O設備與主機直接連接1.2操作系統的歷史輸入帶輸出設備輸入設備主機紙帶機卡片機打印機系統帶圖1-5聯機批處理系統模型圖1.2.2早期批處理（20世紀50年代）聯機批處理：I/O設備與主機直接連接用戶將程序寫在紙上（用高級語言或匯編語言）將作業穿孔成卡片，再將卡片盒交給操作員操作員有選擇地把若干作業合成一批，通過輸入設備（紙帶輸入機或讀卡機）輸入監督程序讀入一個作業從輸入設備調入，編譯、連接、運行程序返回4，再讀入一個作業，直到一批作業完成返回3，處理下一批1.2操作系統的歷史1.2.2早期批處理1.聯機批處理優點：解決了作業的自動轉接，減少了人工操作時間問題：作業輸入和結果輸出過程中，CPU處于等待狀態1.2操作系統的歷史2.脫機批處理：增加一臺不與主機直接相連而專門與I/O設備交換信息的衛星機1.2操作系統的歷史作業5作業6衛星機作業1作業2打印/輸出輸入作業3主計算機作業4作業5作業4作業3作業2輸入帶輸出帶圖1-6脫機批處理系統模型圖1.2操作系統的歷史脫機批處理系統的發展中，還有兩項重要的硬件技術起到了重要的作用。（1）中斷技術（2）通道技術無論是聯機批處理還是脫機批處理，作業都是一一有序排隊，一道作業全部處理完才會處理下一道作業。1.2操作系統的歷史1.2.3多道程序批處理系統兩道程序并行的時序程序1的運行時間為t8-t1程序2的運行時間為t7-t2串行運行時，總運行時間需t8-t1+t7-t2若采用并發方式運行，則總運行時間僅為t8-t1，顯然可以縮短作業總的周轉時間。

1.2操作系統的歷史1.2操作系統的歷史1.2.3多道程序批處理系統例：兩個相同的作業，依次要執行15秒計算、10秒輸入、15秒計算、10秒輸出這4個環節圖1-7給出了這兩個作業分別在串行執行和并行執行時的時序圖，并將執行過程中相關數據作了統計對比。10070計算J1輸入計算輸出J2J2輸入輸出計算J1輸入計算計算J1作業時間CPUJ1J2計算輸出J2J2輸出計算J1輸入計算CPUJ1J2并行串行完成完成圖1-7兩個作業的串行與并行時序對比圖1.2操作系統的歷史單道串行方式多道并行方式總運行時間10070CPU工作時間6060CPU利用率60%85%平均周轉時間7562.5多道批處理：CPU利用率高、系統吞吐量大

在處理大量的計算作業時最給力！串行與并行執行的數據對比1.2操作系統的歷史1.2.4分時系統交互性強的作業你有多快？CPU有多快？所謂分時技術，是指多個用戶可以共享一個主機的CPU時間。在分時系統中，一個主機同時連接多個終端。主機時間被劃分成很小的時間片，每一個時間片為一個終端服務，依次輪轉。1.2操作系統的歷史1.2.4分時操作系統（20世紀70年代）含義：分時是指多個用戶分享使用同一臺計算機，分時共享硬件和軟件資源。多個用戶分時：單個用戶使用計算機的效率低，因而允許多個應用程序同時在內存中，分別服務于不同的用戶；前臺和后臺程序分時：后臺程序不占用終端輸入輸出，不與用戶交互——現在的圖形用戶界面(GUI)，除當前交互的程序(輸入焦點)之外，其他程序均作為后臺；通常按時間片分配：各個程序在CPU上執行的輪換時間。把處理器的運行時間分成很短的時間片，按時間片輪流把處理機分配給各作業使用。1.2操作系統的歷史1.2.4分時操作系統人機交互性好：在調試和運行程序時由用戶自己操作共享主機：多個用戶同時使用用戶獨立性：對每個用戶而言好象獨占主機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操作系統的歷史1.2.5實時操作系統用于工業過程控制、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。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，如UNIX系統、WindowsNT等。——通用化、小型化1.2操作系統的歷史操作系統的進一步發展個人計算機上的操作系統嵌入式操作系統網絡操作系統分布式操作系統智能化操作系統第一章緒論1.3操作系統的基本類型批處理操作系統（batchprocessingoperatingsystem）分時操作系統（timesharingoperatingsystem）實時操作系統（realtimeoperatingsystem）個人計算機操作系統（personalcomputeroperatingsystem）網絡操作系統（networkoperatingsystem）分布式操作系統（distributedoperatingsystem）第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.1批處理操作系統特征用戶脫機使用計算機成批處理多道程序運行提交收容運行就緒等待完成作業錄入作業調度作業調度用戶第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.1批處理操作系統優點資源利用率高（CPU、內存、I/O）系統吞吐量大缺點平均周轉時間長無交互能力注意多道程序系統（multiprogramming）與多重處理系統（multiprocessing）第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.2分時系統分時的定義：把計算機的系統資源（尤其是CPU時間）進行時間上的分割，每個時間段稱為一個時間片（timeslice），每個用戶依次輪流使用時間片。時間片CPU時間ABCABCB…第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.2分時系統分時系統追求的目標：及時響應（依據指標：響應時間）響應時間：從終端發出命令到系統給予回答所經歷的時間第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.2分時系統特征多路性：允許在一臺主機上同時連接多臺聯機終端，系統按分時原則為每個用戶服務獨立性：每個用戶各占一個終端，彼此獨立工作及時性：用戶的請求在很短的時間內能夠獲得響應交互性：用戶可以通過終端與系統進行廣泛的對話分時操作系統是一個聯機（on-line）、多用戶（multi-user）、交互式（interactive）的操作系統第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.3實時系統

實時操作系統主要用于過程控制、事務處理等有實時要求的領域，其主要特征是實時性和可靠性。分類實時過程控制，工業控制，軍事控制，...實時通信（信息）處理，電訊（自動交換），銀行，飛機訂票，股市行情第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.3實時系統控制過程數據采集：收集、接收和錄入系統工作必須的信息加工處理：對進入系統的信息進行加工處理控制操作：根據加工的結果采取適當的措施或動作反饋處理：監督執行機構的執行結果實時時鐘管理多個實時任務通過“隊列驅動”或“事件驅動”開始工作第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.3實時系統實時系統與分時系統特征的比較設計目標：分時系統為給多用戶提供通用的交互型開發運行環境，實時系統為特殊用途提供專用系統交互性：分時系統交互性強，實時系統較弱響應時間：分時系統以用戶能夠接受的響應時間為準，實時系統與受控對象及應用場合有關第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.4通用操作系統如果一個操作系統兼有批處理、分時或實時處理的全部或兩種功能，該操作系統為通用操作系統1.3.5微機操作系統開放性：支持不同系統互聯、分布式處理多CPU系統通用性：支持應用程序的獨立性和在不同平臺上的可移植性高性能：支持虛擬存儲器、多線程、對稱處理器采用微內核結構：提供基本支持功能的內核很小，大部分功能由內核之外的服務程序完成第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.6網絡操作系統能夠控制計算機在網絡中方便地傳送信息和共享資源，并能為網絡用戶提供各種所需的服務功能網絡通信：在源計算機和目標計算機之間實現無差錯的數據傳送資源管理：對網絡中的硬、軟件資源實施管理網絡管理：安全控制、性能監測、維護功能網絡服務：如e-mail、文件傳輸、共享設備服務、遠程作業錄入等第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.6網絡操作系統特征網絡是一個互連的計算機系統群體其中的計算機是自治的，每臺計算機均有自己的操作系統，各自獨立工作，在網絡協議控制下協同工作系統互連要通過通信設施實現系統通過通信設施執行信息交換、資源共享、互操作和協作處理，實現多種應用要求第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.7分布式操作系統集中式計算機系統：處理和控制能力都高度集中在一臺計算機上，所有任務均由它完成。分布式計算機系統：由多臺分散的計算機經互聯網絡連接而成的系統。管理分布式計算機系統的操作系統稱為分布式操作系統。分布式計算機系統與單機集中式操作系統區別進程通信：集中式簡單，分布式涉及機構、規程和路徑算法資源管理：集中式，一類資源由一個管理程序管理；分布式，一類資源由多個管理程序管理，這些程序必須協調一致工作系統結構：分布式，有若干相對獨立的部分，分布在各臺計算機上第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.7分布式操作系統分布式操作系統與網絡操作系統的比較耦合程度分布式系統是緊密耦合系統：分布式OS是在各機上統一建立的“OS同質”，直接管理CPU、存儲器和外設；統一進行全系統的管理網絡通常容許異種OS互連，各機上各種服務程序需按相同網絡協議“協議同質”并行性分布式OS可以將一個進程分散在各機上并行執行“進程遷移”網絡則各機上的進程獨立第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.7分布式操作系統分布式操作系統與網絡操作系統的比較透明性：用戶是否知道或指定資源在哪個機器上（如CPU、內存或外設）分布式系統的網絡資源調度對用戶透明，用戶不了解所占有資源的位置網絡操作系統中對網絡資源的使用要由用戶明確指定健壯性：分布式系統要求更強的容錯能力第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.8嵌入式操作系統需求：計算機嵌入式應用嵌入式（計算機）硬件不再以物理上獨立的裝置或設備出現，而是部分或全部隱藏和嵌入到應用系統中對嵌入式（計算機）系統的軟件、即嵌入式軟件（embeddedsoftware）的需求嵌入式操作系統：運行在嵌入式（計算機）環境中、對整個系統及所有操作的各種部件、裝置等資源進行統一協調、處理、指揮和控制的系統軟件。第一章緒論1.3操作系統的基本類型1.3.8嵌入式操作系統特點微型化：內存少（1M以內