《计算机操作系统》课件第1章 (2).ppt

1、第1章引 论1.1 计算机系统与操作系统1.2 操作系统的形成1.3 操作系统的类型1.4 操作系统的功能习题第1章引 论1.1.1 计算机系统计算机系统计算机系统是一个整体概念，不论是大型机、小型机还是微型机，都是由两大部分组成的：计算机硬件部分和软件部分。硬件部分指的是组成计算机的任何机械的、磁性的、电子的装置或部件。它是由中央处理器、存储器、输入/输出设备等组成的。这些部件一般采用总线结构组织在一起。由这些硬件部件构成的机器称为裸机，它是计算机系统最基本的硬件环境，是计算机系统的物质基础。1.1 计算机系统与操作系统计算机系统与操作系统第1章引 论然而，用户不喜欢裸机这种工作环境，因为裸

2、机上没有任何一种可以协助他们解决问题的手段，只提供最低级的机器语言。为了对硬件的性能加以扩充和完善，为了方便用户上机，在裸机外添加了能实现各种功能的软件程序。例如，为了方便用户描述自己的算题任务，提供了程序设计语言以及相应的翻译程序。为了方便、有效地解决各类问题，提供了各种服务性程序和实用程序，如系统程序库、编辑程序、连接装配程序等。为了维护系统正常工作，提供有查错程序、诊断程序和引导程序。此外，还有用户应用程序、数据库管理系统等。这些系统程序或应用程序以及有关的数据形成了软件。第1章引 论在这些软件中有一个很重要的软件系统，即操作系统，它管理系统中所有的软、硬件设备，并组织整个计算机的工作流

3、程。软件一般可以分为以下几类：系统软件，如操作系统、编译系统、连接装配程序等。工具软件，如各种诊断程序、检查程序等。应用软件，如应用程序、软件包等。第1章引 论裸机是计算机系统的物质基础，没有硬件就不能执行指令和实施最原始、最简单的操作，软件也就失去了效用；而若只有硬件，没有配置相应的软件，计算机就不能发挥它潜在的能力，这样硬件也就没有活力。因此，硬件和软件这二者是相互依赖、相互促进的。只有软件和硬件有机地结合在一起的系统，才能称得上是一个计算机系统。操作系统将系统中的各种软、硬件资源有机地组合成一个整体，使计算机真正体现了系统的完整性和可利用性。第1章引 论计算机系统是由硬件和软件两大部分组

4、成的一个完整的系统。其中，裸机处于系统的最底层，裸机的外面是软件部分。软件部分按照它们的功能和使用特性分为系统软件和应用软件。应用软件是在系统软件的支持下完成各项工作的，它在系统软件的外层。系统软件中的操作系统处于核心地位，负责整个系统的管理和控制，与计算机硬件关系最为密切。计算机系统的组成如图1-1所示。第1章引 论图1-1 计算机系统的组成以及操作系统的地位第1章引 论1.1.2 操作系统的概念操作系统的概念在计算机系统中引入操作系统的目的可以从三个方面来考察。1)从用户的观点来看计算机是为用户提供服务的，计算机所完成的任何工作，都是为了满足用户的计算或处理需求。因此，引入操作系统是让计算

5、机为用户提供最好的服务，构建一个用户和计算机之间的和谐交互环境。第1章引 论2)从系统管理人员的观点来看引入操作系统是为了合理地组织计算机工作流程，管理和分配计算机系统硬件及软件资源，使之能为多个用户高效率地共享。3)从发展的观点来看引入操作系统是为了给计算机系统的功能扩展提供支撑平台，使之在追加新的服务和功能时更加容易和不影响原有的服务和功能。第1章引 论综上所述，我们可以把操作系统定义为：操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它是这样一些程序模块的集合它们管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个具有足够的功能、使用方便、可扩展、

6、安全和可管理的工作环境，从而在计算机与用户之间起到接口的作用。第1章引 论1.1.3 操作系统的宗旨操作系统的宗旨操作系统是重要的核心软件，它管理着计算机系统的各种资源，控制计算机的工作流程，为用户和上层软件提供各种服务功能。所以操作系统的宗旨可概括如下。1.有效地管理系统资源，提高资源的利用率有效地管理系统资源，提高资源的利用率现代的计算机系统一般都为多个用户或多个计算任务共同使用，它们共享计算机系统资源。系统所拥有的资源与使用它们的用户和算题任务的需求相比总是要少些，应用程序在执行过程中都要申请系统资源。所以系统资源如何分配，怎样在用户程序之间协调他们的需求，就是操作系统提供的资源管理功能

7、。因此，对操作系统而言，它的宗旨就是充分地利用系统资源，提高资源的利用率。第1章引 论2.提供良好的界面，方便用户使用提供良好的界面，方便用户使用操作系统为方便用户使用计算机，不但提供了许多丰富的服务功能，同时还提供了方便的接口供用户使用，这样，用户无须了解系统中各种资源的使用细节，只用操作系统提供的用户界面，就可方便、直观地使用计算机。随着计算机技术、多媒体技术的发展，提供友好方便的用户界面变得越来越重要了。第1章引 论操作系统伴随着计算机技术本身及其应用的日益发展而逐渐发展并不断完善，它的功能由弱到强，在计算机系统中的地位不断提高。另外，操作系统作为裸机上的第一层软件，与计算机组成和体系结

8、构是密切相关的。我们通常把计算机硬件的发展分为四个阶段：电子管时代、晶体管时代、集成电路时代、大规模和超大规模集成电路时代。为适应上述计算机发展过程，操作系统经历了如下的发展过程：手工操作阶段(无操作系统)批处理执行系统多道程序系统分时操作系统实时操作系统通用操作系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统等。1.2 操作系统的形成操作系统的形成第1章引 论1.2.1 手工操作阶段手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，计算机运算速度较慢(几千次/秒)，没有操作系统，甚至没有任何软件。用户直接用机器语言编制程序，并在上机时独占全部计算机资源。用户既是程序员，又是操作员。

9、上机完全是手工操作：先把程序纸带(或卡片)装到输入机上，然后启动输入机把程序和数据送入计算机，接着通过控制台开关启动程序运行。计算完毕，打印机输出计算结果，用户卸下并取走纸带(或卡片)。整个过程都是人工操作。这种由一道程序独占机器及人工操作的情况，在计算机速度较慢时是允许的，由于此时计算机所需时间相对较长，手工操作所占比例还不是很大。第1章引 论20世纪50年代后期，计算机的运行速度有了很大提高，从每秒几千次、几万次发展到每秒几十万次、上百万次。这时，手工操作的慢速度和计算机的高速度之间形成了矛盾，即所谓的人机矛盾。为了解决这一矛盾，只有摆脱人工干预，实现作业的自动过渡。这样就出现了批处理。第

10、1章引 论1.2.2 早期批处理早期批处理在计算机发展的早期阶段，用户上机时需要自己建立和运行作业，并做结束处理。由于没有任何用于管理的软件，所有的运行管理和具体操作都是由用户自己承担的。为了缩短作业的建立时间，人们研制了监督程序。它是一个常驻内存的小的核心代码，若干用户作业合成一批，形成一个作业执行序列，由监督程序自动地依次进行处理。第1章引 论1.联机批处理联机批处理用户上机前，要提交程序、数据和作业说明书给操作员，再将这些资料穿成纸带或卡片的形式。操作员把提交的一批作业装到输入设备上，然后由监督程序控制送到磁带上。监督程序自动输入第一个作业的说明记录，若系统资源能够满足用户要求，则将该作

11、业的程序、数据调入内存，并从磁带上输入所需要的编译程序，编译程序将用户源程序翻译成目标代码，然后由连接装配程序把编译后的目标代码及所需的子程序装配成一个可执行的程序，接着启动执行。计算完成后输出该作业的计算结果。一个作业处理完毕后，监督程序又可以自动地调取下一个作业处理。重复上述过程，直到该批作业全部处理完毕。第1章引 论联机批处理系统实现了作业自动过渡，同手工操作相比，计算机的使用效率提高了。但在这种系统中，作业的输入输出是联机的，也就是说，作业从输入到打印出结果都是由CPU直接控制的。随着处理机速度的不断提高，处理机和输入输出设备之间的速度差距形成了矛盾。在作业的输入和执行结果的输出过程中

12、，CPU仍处在等待状态，因此CPU的时间仍有很大的浪费。如果把输入输出工作直接交给一个专用机去做，就可以充分发挥CPU的效率，为此产生了脱机批处理。第1章引 论2.脱机批处理脱机批处理脱机批处理系统是由主机和卫星机组成的，如图1-2所示。卫星机只与外部设备打交道，它负责把输入机上的作业输入到输入带上，主机从输入带上调入作业并运行，计算完成后，将结果输出到输出带上，再由卫星机负责把信息打印输出。在这样的系统中，主机和卫星机可以并行操作，充分发挥主机的高速计算能力。因此脱机批处理系统和联机批处理系统相比大大提高了系统的处理能力。第1章引 论图1-2 脱机批处理系统第1章引 论1.2.3 执行系统执

13、行系统批处理系统实现了作业的自动过渡，它的出现改善了CPU与外部设备的使用情况，使计算机系统的处理能力得以提高。但也存在一些缺点，如磁带需人工拆装，既麻烦又容易出错。而另一个更重要的问题则是系统的安全性问题。在进行批处理的过程中，所涉及的监督程序、系统程序和用户程序之间是一种相互调用关系，任何一个环节出问题，整个系统都会停顿。另外也无法防止用户程序破坏监督程序和系统程序。第1章引 论20世纪60年代初，硬件获得了两方面的进展，一是通道的引入，二是中断技术的出现，这两项成果导致了操作系统进入执行系统阶段。通道是一种专用处理部件，它能控制一台或多台外部设备工作，负责外部设备和主存之间的信息传输。它

14、一旦被启动就能独立于CPU运行，这样可使CPU和通道并行操作，而且CPU和输入输出设备也能并行操作。所谓中断，是指主机接到外部信号时马上停止原来的工作，转去处理这一事件，处理完毕后，主机再回到原来的断点继续工作。第1章引 论借助于通道、中断技术，输入输出工作可在主机控制下完成。这时，原来的监督程序的功能扩大了，它不仅要负责调度作业自动地运行，而且还要提供输入输出功能。这个扩展了的监督程序常驻内存，被称为执行系统。执行系统实现的是联机操作，和早期批处理系统不同的是：输入输出工作是由在主机控制下的通道完成的，主机与通道、主机和外设之间都可以并行操作。在执行系统中，用户程序的输入输出工作是委托给系统

15、实现的，由系统检查其命令的合法性，以避免由于不合法的输入输出命令造成对系统的威胁，因此提高了系统的安全性。第1章引 论1.2.4 多道程序系统多道程序系统上述的批处理系统和执行系统有一个共同之处，就是每次调用一个用户程序进入内存，称为单道运行。单道程序的运行情况如图1-3所示。第1章引 论图1-3 单道程序工作示例第1章引 论从图1-3中可以看出，当外部设备进行传输工作时，CPU处于空闲等待状态；反之，当CPU工作时，I/O设备又无事可做。这说明，计算机系统各部件的效能没有得到充分的发挥，其原因在于内存中只有一道程序。我们知道，操作系统的宗旨是要提高资源的利用率，为此，人们设想能否在系统中同时

16、存放几道程序，这就引入了多道程序设计技术。第1章引 论多道程序运行情况如图1-4所示。图中，用户程序A首先在处理机上运行，当它需要从输入设备输入新的数据时，系统帮助它启动输入设备进行输入，并让用户程序B开始计算。程序B经过一段计算后需要从打印机输出一批数据，系统接收请求并帮助启动打印机工作。如果此时程序A的输入尚未结束，也无其他用户程序需要计算，处理机就处于空闲状态，直到程序A在输入结束后重新运行。若当程序B的打印工作结束时，程序A仍在运行，则程序B继续等待，直到程序A计算结束再次请求I/O传输时，程序B才能占用处理机。第1章引 论图1-4 多道程序工作示例第1章引 论多道程序设计是一种软件技

17、术，该技术使同时进入计算机内存的几个相互独立的程序，在管理程序控制之下相互穿插地运行。当某道程序因某种原因不能继续运行下去时，管理程序便将另一道程序投入运行。这样可以使中央处理器及各外部设备尽量处于忙碌状态，从而大大地提高计算机的使用效率。第1章引 论综上所述，多道运行的特征是：(1)多道，即计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。(2)宏观上并行，即同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，在一段时间内它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。第1章引 论(3)微观上串行，因为系统中只有一个CPU，所以各道程序轮流使用CPU，交替执行。在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了多道批处理系统

18、。在该系统中，要处理的许多作业放在外部存储器中，形成作业队列，等待运行。当需要调入作业时，由操作系统中的作业调度程序根据一定的调度原则，将满足资源条件且符合调度原则的几个作业调入内存，让它们交替运行。采取这种方式，在内存中总是同时存有几道程序，系统资源的利用率是比较高的。第1章引 论1.2.5 分时系统分时系统在批处理方式下，用户以脱机操作方式使用计算机，用户在提交作业以后就完全脱离了自己的作业，不管出现什么情况都不能加以干预，只有等该批作业处理结束后，用户才能拿到计算结果。根据结果再作下一步处理，若有错，还得重复上述过程。尽管计算机效率高，但是却给用户使用计算机带来麻烦。第1章引 论人们十分

19、留恋手工操作阶段的联机工作方式。那时，用户独占机器，并且直接控制程序的运行，可以随时了解程序运行情况。但是，这种工作方式的机器效率极低。那么，是否可以找到一个既能保证机器效率，又能方便用户使用的方法呢？20世纪60年代中期，计算机技术和软件技术的发展实现了这种可能。由于主机速度的不断提高和采用了分时技术，一台计算机可同时为多个终端用户服务，而每个用户可在自己的终端设备上联机使用计算机，就好像自己独占机器一样。第1章引 论采用分时技术可以使一台计算机同时为多个联机终端用户使用，提供联机操作和较快的响应时间，这种处理方式称为分时处理。采用分时技术的系统称为分时系统。在这样的系统中，一台计算机和许多

20、终端设备连接。每个用户可以通过系统发出各种控制命令，请求完成某项工作，而系统则分析从终端发来的命令，完成用户提出的要求，输出一些必要的信息，如给出提示符，报告运行情况和操作结果。用户根据系统给出的信息，向系统提出下一步请求。重复上述交互会话过程，直到用户完成预计的全部工作为止。第1章引 论1.2.6 实时系统实时系统20世纪60年代中期计算机进入第三代，计算机的性能和可靠性有了很大的提高，造价亦大幅下降，计算机应用越来越广泛。计算机用于工业过程控制、军事实时控制等，形成了各种实时系统。实时处理是以快速响应和可预测为特征的。“实时”的含义是指计算机在规定的时间内做出最快的反应。根据被控对象的要求

21、，其响应时间要求在秒级、毫秒级甚至微秒级或更小。20世纪60年代中期至70年代中期，出现了一些通用系统，这样的系统可同时支持批量处理、分时处理、实时处理三者或其中的二者，这就形成了通用操作系统。第1章引 论1.2.7 操作系统的进一步发展操作系统的进一步发展随着大规模集成电路工艺技术的飞速发展，以及微处理器的出现和发展，计算机有了更大的发展和普及，操作系统也有了进一步的发展，例如，个人计算机上的操作系统、嵌入式操作系统、网络操作系统、分布式操作系统等。第1章引 论通过上一节的讨论，我们已经知道，随着计算机技术和软件技术的发展，已形成了各种类型的操作系统，以满足不同的应用要求。根据使用环境和对计

22、算任务的处理方式不同，操作系统可分为以下几种类型：(1)批处理操作系统；(2)分时操作系统；(3)实时操作系统；(4)个人计算机操作系统；(5)网络操作系统；(6)分布式操作系统。1.3 操作系统的类型操作系统的类型第1章引 论1.3.1 批处理操作系统批处理操作系统批处理操作系统把用户提交的作业成批送入计算机，然后由作业调度程序自动选择作业运行。这样能缩短作业之间的交接时间，减少处理机的空闲等待时间，从而提高系统的效率。第1章引 论批处理系统的主要特征是：(1)多道性。在内存中可同时驻留多道程序，并允许它们并发执行，从而有效地提高了资源的利用率和系统吞吐量。(2)无序性。多个作业完成的先后顺

23、序与它们进入内存的顺序之间并无严格的对应关系，即先进入内存的作业可能较后甚至最后完成，而后进入内存的作业又可能先完成。第1章引 论(3)调度性。作业从提交给系统开始直至完成，需要经过作业调度和进程调度。多道批处理系统的优点是，由于在内存中装入了多道程序，使它们共享资源，保持资源处于忙碌状态，因此不但提高了系统吞吐量，而且使各种资源得以充分利用。其缺点是无交互性，用户一旦把作业提交给系统后直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，而且作业周转时间长，用户使用不方便。第1章引 论1.3.2 分时操作系统分时操作系统分时系统一般采用时间片轮转的方式使一台计算机为多个终端用户服务，对每个用户能保证

24、足够快的响应时间，并提供交互会话的能力。分时系统的主要特征是：(1)多路性。允许在一台主机上同时连接多台终端，系统按分时原则为每一个用户服务。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运行一个时间片。第1章引 论(2)独立性。每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰，让用户感觉好像独占主机一样。(3)及时性。用户的请求能在很短时间内获得响应，此时间间隔是以人们所能接受的等待时间来确定的。(4)交互性。用户与计算机之间进行“会话”，用户从终端输入命令，提出计算要求，系统收到命令后分析用户的要求并完成之，然后把运算结果通过屏幕或打印机告诉用户，用户可以根据运算结果提出

25、下一步要求，直到全部工作完成。第1章引 论1.3.3 实时操作系统实时操作系统实时系统主要是随着计算机应用于实时控制和实时信息处理而发展起来的。实时系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。第1章引 论实时系统的主要特征是：(1)系统对外部实时信号必须及时响应，响应的时间间隔要足以控制发出实时信号的那个环境。(2)实时系统要求有高可靠性和安全性，系统的效率则是放在第二位的。(3)系统的整体性强。实时系统要求所管理的联机设备和资源，必须按一定的时间关系和逻辑关系协调工作。(4)实时系统没有分时系统那样强的交互会话功能，通常不允许用户

26、通过实时终端设备去编写新的程序和修改已有的程序。第1章引 论1.3.4 个人计算机操作系统个人计算机操作系统个人计算机操作系统是一个联机交互式的单用户操作系统。系统在一段时间内仅为一个用户服务。由于一个用户独占计算机系统的资源，使得操作系统中的处理机管理和存储管理变得比较简单，而设备管理和文件系统仍是十分重要的，且文件系统功能应相当丰富，因为它是直接为用户使用的。这类操作系统提供的用户界面与分时系统十分类似，且有交互会话功能，提供键盘命令。方便、友好的界面在这类操作系统中是至关重要的。第1章引 论1.3.5 网络操作系统网络操作系统计算机网络是通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机

27、系统互联起来的，实现信息交换、资源共享的系统。网络操作系统的主要特征是：(1)计算机网络是一个互联的计算机系统的群体。(2)这些计算机是自治的，每台计算机都有自己的操作系统，各自独立工作。它们在网络协议控制下协调工作。(3)系统互联要通过通信设施来实现。(4)系统通过通信设施执行信息交换、资源共享、互操作和协作处理，实现多种应用要求。第1章引 论1.3.6 分布式操作系统分布式操作系统粗看起来，分布式操作系统与计算机网络系统没有多大区别。分布式操作系统也可以定义为通过通信网络将物理上分布的具有自治功能的数据处理系统或计算机系统互联起来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务。分布式操作系统的主要

28、特征是：(1)系统内包含有多个物理资源和逻辑资源，它们可以动态地分配给各个任务。(2)所有资源都必须高度自治而相互配合地工作，它们之间不存在层次控制或主从控制的关系。第1章引 论(3)所有处理部件是地理分布的，并且部件之间的进程通信是有双边协议的消息通信。(4)系统内有一个全局操作系统，采用分布式控制的办法，负责全系统的资源管理和运行控制。(5)系统对用户提供一个透明的、一体化的用户界面。分布式系统具有高可靠性、可用性和可扩展性，具有容错能力，能对系统内的资源进行动态分配和动态负荷平衡，所以能使系统资源达到最佳的共享效果。第1章引 论1.4.1 处理机管理处理机管理 计算机系统中最重要的资源是

29、中央处理器，没有它，任何计算都不可能运行。在单道程序或单用户的情况下，处理机为一个作业或一个用户所独占，对处理机的管理十分简单。但在多道程序或多用户的情况下，要组织多个作业同时运行，就要解决对处理机分配调度策略、分配实施和资源回收等问题。这就是处理机的管理功能。1.4 操作系统的功能操作系统的功能第1章引 论1.4.2 存储管理存储管理存储管理的主要工作是对存储器进行分配、保护、扩充和管理。(1)内存分配。在内存中除了操作系统和其他系统软件外，还有一个或多个用户程序。如何分配内存，以保证系统及各用户程序的存储区互不冲突，这就是内存分配问题。(2)存储保护。系统中有多个程序在运行，如何保证一道程

30、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。第1章引 论(3)内存扩充。当用户作业所需要的内存容量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容量大得多的虚拟存储器，让用户使用这个虚拟存储器就和使用内存一样方便，这就是内存扩充所要完成的任务。第1章引 论1.4.3 设备管理设备管理计算机外设的管理是操作系统中最庞杂、琐碎的部分。设备管理应具有下述功能：(1)设备分配。根据一定的设备分配原则对设备进行分配。为了使设备与主机并行工作，常采用缓冲技术和虚拟技术。(2)设备传输控制。实现物理

31、的输入/输出操作，即启动设备、中断处理、结束处理等。(3)设备独立性。输入/输出设备种类很多，使用方法各不相同。设备管理应为用户提供一个良好的界面，而不必去涉及具体的设备特性，以使用户能方便、灵活地使用这些设备。第1章引 论1.4.4 文件管理文件管理处理机管理、存储管理及设备管理三种功能都是针对计算机的硬件资源的管理，文件管理则是对系统的软件资源的管理。我们把程序和数据统称为信息或文件。一个文件在暂时不用时，就被放到外部存储器上保存起来。这样，外存上保存了大量的文件。对这些文件如不能很好地管理，就会引起混乱，甚至使文件遭到破坏。这就是文件管理需要解决的问题。第1章引 论信息的共享、保密和保护

32、，也是文件管理所要解决的。如果系统允许多个用户协同工作，那么就应该允许用户共享信息文件。但这种共享应该是受控制的，应该有授权和保密机制。还要有一定的保护机制以免文件被非授权用户调用和修改，即使在意外情况下，如系统失效、用户对文件使用不当，也应能尽量保护信息免遭破坏。第1章引 论1.计算机系统由哪几部分组成？2.什么是操作系统？操作系统的宗旨是什么？3.操作系统怎样提高系统的效率？4.批处理系统是怎样实现计算机操作自动化的？5.推动批处理系统形成和发展的主要动力是什么？6.多道程序设计技术的特点是什么？习习 题题第1章引 论7.为什么引入多道程序设计技术可以提高系统资源的利用率？8.请简述批处理系统的优缺点。9.推动分时系统形成和发展的主要动力是什么？10.分时系统的主要特点是什么？11.试对分时系统和实时系统进行比较。12.从资源管理的角度来看，操作系统的基本功能可以分为哪几部分？