计算机操作系统第一章.ppt

操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM第第1 1章章 绪论绪论 电子计算机系统分为硬件和软件两部分，其中，硬件部分称为“裸机”，由若干物理设备连接而成。现代计算机的硬件功能很强，用途很多。然而，硬件本身提供给外界的界面却是十分粗糙的，许多信息都令人费解、难以使用。为此，人们研制了一种能够管理和控制这种裸机的软件，这就是“操作系统”（OS，Operating System）。本章主要介绍操作系统的发展过程，操作系统的处理方式，操作系统的功能与构造，以及通用操作系统的特点等。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM 1.1 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展 从上述介绍来看，操作系统的发展大体经历以下4代：（1）20世纪50年代中期至60年代初期为单任务操作系统时代；（2）20世纪60年代中期至70年代中期为多任务和多用户操作系统时代；（3）20世纪70年代末期至80年代末期为微型操作系统时代；（4）20世纪90年代开始至今，为分布式操作系统时代。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM 1.1.手工操作方式 早期的计算机由于运算速度低、外部设备少，加之没有配置操作系统，用户使用计算机是相当困难的。用户编制好的程序被输入到机内后，直接通过控制台上的一排排机械式开关和指示灯来监督控制程序的运行。当时，尚未研制出现操作系统，因此用户使用计算机的繁琐程度可想而知。这一阶段大体对应计算机诞生后的前10年（19461955）。这10年又可分为两个时期。前一个时期称为手工交互时期，后一个时期是手工批处理时期。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM 2.单任务操作系统发展阶段 关于操作系统概念，现在几乎无人不知、无人不晓了。然而，关于操作概念的第一次讨论，是1953年在华盛顿召开的IBM 701计算机用户会议上展开的。到计算机诞生10年后的1955年，计算机上出现了第一个操作系统，当时称为监控程序（monitor）。该系统是美国通用动力研究实验室（简称GMRL，General Motors Research Laboratory）为IBM 701计算机研制的，主要目的是实现作业的自动转换，向用户提供方便的操作接口，尽可能高效率地利用计算机。这就是单任务操作系统。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM3.多任务操作系统发展阶段 从六十年代中期开始，计算机系统进入了第3代发展时期。以集成电路为中心的硬件设计与制造工艺不断提高，一大批功能完善、集成度高的微处理器涌入市场。由于其价格便宜，因而被广泛引入到输入输出接口设备、终端及外部设备的设计中，所以，这一时期的计算机除了CPU的运行速度加快，内存容量大大增加之外，还出现了中断装置、输入输出通道、大容量的外存储器磁盘等 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM 4.规范化和微型化发展阶段 20世纪60、70年代是操作系统大发展的时期。无论是规模上还是结构上，操作系统都是非常庞大的。系统从研制到交付使用需要花费很大的时间和财力。更有甚者，当使用一段时间后发现某些隐患时，修改系统的代价将十分高昂。这些问题引起人们的极大关注，并称为软件危机。由此，导致了软件工程的研究。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM 5.并行与分布式系统发展阶段 进入20世纪90年代以来，随着超大规模集成电路制造业的飞速发展，一种以内存储器为中心，用紧密耦合方式设计的多机系统（Multiple-Processor System）显示出非凡的处理能力。它的机内管理者就是所谓的“分布式操作系统”（Distributed Operating System）。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM1.2 I/O控制技术的发展控制技术的发展（1）早期的系统中不配置特别的I/O机制，由处理机直接控制外部设备，进行输入输出操作。（2）为了使处理机从物理设备的具体细节中分离出来，每一台外部设备上都配置了控制器装置，具体实施物理设备的传输控制。计算机将输入输出命令下达给设备控制器。（3）后来，系统中采用了中断机制，处理机可以不需要花费大量时间去等待低速I/O操作。中断机制的使用大大提高系统的并行处理能力。（4）再往后，系统配置了可直接存储器访问控制方式，即DMA方式。使数据输入输出效率进一步提高。（5）在系统结构的发展中，又出现了通道控制的I/O机制。计算机可以将I/O操作交给通道设备去控制完成。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM1.早期的I/O方法 早期的计算机系统中不配置特别的I/O机制，由处理机直接控制设备的输入输出。2.配置控制器方法 为了使设备的管理和控制具有模块化功能，每一台外部设备上都配置了控制器，使设备的控制细节透明化了。每个设备控制器中都含有描述工作状态的寄存器、数据写入或读出的暂存器。应用程序仅仅通过访问设备控制器就可以得知设备的当前工作状态；通过对暂存器的访问就可以将数据读出或写入。这样一来，程序设计可从物理设备的具体细节中分离出来。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM3.基于中断机制的I/O技术若某台外部设备的I/O操作完成后，设备控制器可以向CPU发出中断信号。CPU接到该信号后暂停当前程序的运行，转到中断的响应程序上运行，对本次设备中断进行处理，然后恢复当前程序运行。图1-2是两个作业Jobi和Jobj在系统运行的情况。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM4.基于DMA的I/O技术 20世纪70年代出现的DMA（Directional Memory Access）技术可说是计算机体系结构的一个创举，使系统中的存储器访问控制发生了变化。一台配置了DMA的计算机，数据输入输出可以绕过处理机，利用DMA实现内存和外设的直接数据交换。而且每交换一次，可传送一批数据，而不仅仅是一个字节。因此说，这是一种效率很高的传输方式。图1-3是含有DMA的计算机结构逻辑图。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM5.基于通道的I/O技术在系统结构的研究中出现了一种通道机制。这是一种专门控制I/O的机制，其功能类似于早期的外围机。通道作为计算机的接口设备，将计算机与外部设备控制器连接起来，主要承担系统的输入输出工作。引入通道的目的在于建立一种独立的管理机制，将CPU从繁重的输入输出工作中解放出来。通道设备是一种具有处理能力的控制部件，由于它的硬件逻辑中含有一个专门承担输入输出的处理机。因此，通道设备也称为“I/O处理器”专用输入输出的处理装置。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM图1-4 一种典型的计算机与外设的连接形式操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM1.3 系统管理方式系统管理方式 用户的一个计算任务设计好后，提交给计算机，计算机便按照系统要求的某种处理方式进行运算，最后把计算结果返给用户。通常，我们将一个计算任务称作一道“作业”，按照系统同时能够处理的道数划分，操作系统又可分为单道系统和多道系统。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM 1.3.1 单道批处理方式 单道批处理是早期的一种计算机管理方式。它的管理可以简单地描述为：一次运行一个作业、不间断地运行，直到一批作业全部运行结束为止。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM 1.3.2 多道批处理方式 多道批处理是为了提高CPU的利用率而设计的一种管理方式，它是单道批处理方式的一种改进形式。它允许多道作业同时进入内存，共同使用CPU进行运算。这里突出了一种全新的设计思想多道程序设计的思想，即允许多个作业按交替方式或者并行方式运行。通常，将采用这种方式运行的程序称作“并发”程序。并发（Concurrent）程序，是既可以并行运行，也可以交替运行的程序。在单处理机的系统中，它们的运行只能是交替地进行，但是从宏观上看，它们的运行是并行的；只有在多处理机系统中，这些并发程序才能够真正并行地运行。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM 1.3.3 分时处理 分时处理（time share），又称会话型处理，是在多道程序设计基础上发展起来的一种处理方式。它把时间分隔技术应用到CPU的调度上，形成了一种新的操作系统。分时，指的是若干并发程序对CPU的使用是划分时段的。即将多道用户程序装入内存，让它们轮流在CPU上运行，每一道程序使用CPU的时间长度都有限制，不能超过一个固定的时段（称为时间片）。任何程序如果在分给的时间片内未能处理完时，应当放弃CPU，等到下一次分得CPU时再继续处理。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM一个典型的例子是一机多终端的实验管理系统，如图所示。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM1.3.4 实时处理 实时处理突出了系统处理的即时性或响应性，它通常能对随机发生的事件进行随时处理，并立即送回处理结果，其响应时间绝对满足对象系统的业务要求。我们来看一个实时处理系统在飞机导航系统中应用的例子。比如飞机由A地出发向B地飞行，航线是连接A、B之间的直线。计算机周期性地从设在飞机上的多卜勒导航雷达那里获得飞机的对地速度Vg和偏流角，从空速仪那里获得飞机相对于气流的速度V，从航向陀螺那里获得飞机的航向角。由此计算出飞机的位置、方向偏差及应取方向送给自动驾驶仪。自动驾驶仪操纵飞机偏转，在空气动力作用下改变飞行姿态，进入正常航线，如图1-7所示。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM1.4 操作系统的组成操作系统的组成图1-8是用户与操作系统及计算机硬件的层次关系图。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM 1.4.1 作业管理 作业管理的主要任务有：提供用户的使用接口，进行作业执行前的各种准备和作业结束的清理工作，以及为确保作业运行，为它们申请所必要的各种资源等。1.4.2 进程管理 在单道系统中，处理机被一个作业所独占，其分配和使用不发生资源竞争，管理比较简单。但在多道系统中，要组织多个作业同时运行，不可避免地会产生对处理机的竞争。处理机管理就是要解决处理机的合理使用问题。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM 1.4.3 存储管理 存贮器分为内存和外存，因为多道程序运行时所竞争的存储资源是内存，所以这里所说的存储管理仅仅是对内存而言的。主要包括：用某种数据结构记录内存的使用情况，按照一定的策略对内存储器进行分配、实现内存保护和容量扩充等。操作系统对存储器的管理有多种方式，如分区式、分页式、分段式等。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM 1.4.4 设备管理 该部分管理各类外围设备，根据一定的分配策略，将设备分配给某一应用程序，并在适当时候将设备收回，以备分配给其它应用程序。另外，设备管理还包括输入输出程序Spooling、设备驱动程序及中断处理程序等。通常，外部设备的处理速度远远低于CPU，如何避免主机时间的浪费、尽可能地发挥外设和主机的并行工作能力，是设备管理中必须考虑的问题。1.4.5 文件管理 文件是计算机的软件资源，程序和数据都是以文件的形式存储在外存设备上的。文件管理功能主要包括外存空间的管理与回收，对文件进行存取、检索、更新，及有效地实现文件共享。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM1.4.6 操作系统内核 上面讲的“多道程序设计”技术，最初是针对多道用户程序的。后来，这一技术很快被应用于操作系统本身的设计中。一个通用操作系统应当分为两部分：基本部分和常规部分。其中，基本部分是操作系统的核心，又称作“内核”；而常规部分是操作系统的核外部分，是内核的用户。常规部分通常以“进程”的形式与应用进程并发运行。为了将它们与应用进程相区别，通常称它们为“系统进程”。l时钟管理l中断机制l原语l系统控制操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM1.5 通用操作系统通用操作系统 通常，将操作系统分为两大类：通用操作系统专用操作系统 通用操作系统具有较齐全的功能，是多处理方式的结合。目前大部分商业化的操作系统都是通用操作系统。近年来，嵌入式系统如雨后春笋般地快速发展起来。嵌入式系统是一种专用的微机应用系统，其处理方式单一，通过“量体裁衣”式的设计，将通用操作系统中的相关部分摘取出来，形成一种专用的操作系统（嵌入式系统不属于本书的讨论范围，感兴趣的读者可参考相关的教科书）。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM1.5.1 操作系统的基本特征1.并发性（Concurrency）2.共享性（Sharing）3.不确定性（Nondeterminacy）4.虚拟性（Virtual）操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM1.5.2 用户程序运行过程下图是一个作业运行状态图。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM1.5.3 系统启动过程 首先，CPU执行只读存储器ROM中的一个称为BIOS的程序模块。该模块中的“硬件诊断程序”投入运行，检查硬件配置和设备状态，并在屏幕上显示内存容量和各个设备的连接情况。其次，将外存储器上的“操作系统引导程序”读入内存。应当指出，这是一段很小的程序，功能非常有限。最后，让刚被装入的引导程序立即投入运行，把操作系统的内核部分一一装入内存中，并将CPU控制权交给内核。内核运行起来，做一些必要的初始化工作，比如，内存分区、建立链表，创建必须的系统进程等。系统安排停当后显示系统提示符，并执行“CPU闲逛”程序，等待用户到来。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM下图是操作系统启动过程的示意图。操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操作系统二十一世纪计算机本科教育OPERATING SYSTERM再见