第1章操作系统引论-1.ppt

第一章 操作系统引论 计算机操作系统计算机操作系统0808网络网络1 1、2 22010.9-2011.12010.9-2011.1第一章 操作系统引论 操作系统操作系统课程简介课程简介一一.操作系统操作系统是重要的专业基础课和主干是重要的专业基础课和主干课课二二.先修课：计算机组成原理、数据结构与算先修课：计算机组成原理、数据结构与算法基础、法基础、C/C+C/C+程序设计语言程序设计语言2第一章 操作系统引论 参考资料推荐参考资料推荐1.1.操作系统习题与解析操作系统习题与解析第第3 3版版 曾平曾平 曾林等著曾林等著 清华大学出版社清华大学出版社3第一章 操作系统引论 课程安排课程安排教学安排教学安排:讲解教材第讲解教材第1章章-第第8章章,自学第自学第9章章-第第13章章课时安排：课时安排：1-16周周平均每周平均每周3节上课，节上课，1节上机，学分：节上机，学分：4分分考核方式：考核方式：考试考试最终成绩：期末成绩最终成绩：期末成绩+期中成绩期中成绩+考勤考勤+实验成绩实验成绩+作业作业4第一章 操作系统引论 课程引子课程引子买回一台新的计算机之后，毫无例外地，你要买回一台新的计算机之后，毫无例外地，你要做的第一件事是什么？做的第一件事是什么？5第一章 操作系统引论 课程引子课程引子1.1.你使用过或听说过哪些操作系统？如果要建立你使用过或听说过哪些操作系统？如果要建立一个企业网站，让一个企业网站，让InternetInternet上的用户都能够访问上的用户都能够访问它，那么该它，那么该WebWeb服务器是否一定要装操作系统？服务器是否一定要装操作系统？装什么样的操作系统？装什么样的操作系统？2.2.你认为操作系统有什么用？你认为操作系统有什么用？3.3.为什么要学习操作系统这门课？为什么要学习操作系统这门课？6第一章 操作系统引论 几个硬件概念（一）几个硬件概念（一）l计算机的计算机的5 5大部件大部件：控制器、运算器、存储器、输入设控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。备和输出设备。l组成计算机的部件（另一种提法）：组成计算机的部件（另一种提法）：中央处理器中央处理器CPUCPU（运算器、控制器）（运算器、控制器）存储器存储器输入输出设备。输入输出设备。这些部件之间通过这些部件之间通过总线总线相连相连,它们通过总线来传送它们通过总线来传送数据信息、数据信息、地址信息和控制信息地址信息和控制信息。7第一章 操作系统引论 几个硬件概念（二）几个硬件概念（二）l控制器控制器主要用来实现计算机本身运行过程的自主要用来实现计算机本身运行过程的自动化，即实现程序的自动执行。动化，即实现程序的自动执行。l在在控制器控制器的控制下，从的控制下，从输入设备输入设备输入程序和数输入程序和数据，并自动存放在据，并自动存放在存储器存储器中，然后由控制器指中，然后由控制器指挥挥各部件（运算器、存储器各部件（运算器、存储器)协同工作以协同工作以执行程序，最后将结果打印输出。执行程序，最后将结果打印输出。8第一章 操作系统引论 几个硬件概念（三）几个硬件概念（三）l计算机中的计算机中的存储器存储器分为主存储器和和辅助存储器分为主存储器和和辅助存储器两大类。两大类。l主存储器主存储器用来存放正在使用或需要立即使用的程用来存放正在使用或需要立即使用的程序和数据，要求存取速度快，通常由半导体存储序和数据，要求存取速度快，通常由半导体存储器构成器构成为易失性存储器。为易失性存储器。l辅助存储器辅助存储器用于存放当前不需要立即使用的信息，用于存放当前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主存成批地交换数据。辅存作为一旦需要，再和主存成批地交换数据。辅存作为主存的后备和补充，是主机的外部设备，因此又主存的后备和补充，是主机的外部设备，因此又称为外存储器称为外存储器为非易失存储器。为非易失存储器。9第一章 操作系统引论 或者从另一个角度分类存储器：或者从另一个角度分类存储器：l主存储器（主存、内存）：主存储器（主存、内存）：中央处理机能直接访问的存储器称为主存储器，中央处理机能直接访问的存储器称为主存储器，用来存放正在或将要执行的系统及用户的程序和用来存放正在或将要执行的系统及用户的程序和数据（还包括程序执行时要求的临时存储空间）。数据（还包括程序执行时要求的临时存储空间）。l辅存储器（辅存、外存）：辅存储器（辅存、外存）：中央处理机不能直接访问的存储器，如磁盘、磁中央处理机不能直接访问的存储器，如磁盘、磁带、光盘等，用来存放大量的数据信息。带、光盘等，用来存放大量的数据信息。10第一章 操作系统引论 几个硬件概念（四）几个硬件概念（四）l输入设备输入设备主要完成输入程序、数据和操作命令的主要完成输入程序、数据和操作命令的功能，也是进行人机对话的主要部件。功能，也是进行人机对话的主要部件。键盘键盘是目前使用最普遍的一种输入设备，与显示器一起组是目前使用最普遍的一种输入设备，与显示器一起组成终端设备。成终端设备。鼠标鼠标以其快捷、准确、直观的屏幕定位和选择能力备受欢以其快捷、准确、直观的屏幕定位和选择能力备受欢迎，已成为微机必备的输入设备。迎，已成为微机必备的输入设备。扫描仪、操纵杆、触摸屏、照相机、语音输入设备扫描仪、操纵杆、触摸屏、照相机、语音输入设备等也属等也属于输入设备。于输入设备。11第一章 操作系统引论 l输出设备输出设备显示器、打印机显示器、打印机等都是典型的等都是典型的输出设备输出设备。12第一章 操作系统引论 几个硬件概念（五）几个硬件概念（五）主机与外设：主机与外设：在计算机的几大部件中，有时把在计算机的几大部件中，有时把CPUCPU和存储器和存储器(即内存）即内存）合起来称为合起来称为“主机主机”，把余下的其它部分称为外部设把余下的其它部分称为外部设备，即备，即“外设外设”。13第一章 操作系统引论 第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 1.1 操作系统的目标和任务操作系统的目标和任务1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程1.3 1.3 操作系统的基本特征操作系统的基本特征1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能1.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计14第一章 操作系统引论 1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用系统软件和应用软件的概念：系统软件和应用软件的概念：一个计算机系统由两部分构成：即软件系统和硬件系统一个计算机系统由两部分构成：即软件系统和硬件系统硬件系统是计算机系统中那些硬件系统是计算机系统中那些“硬的硬的”物理设施，是物物理设施，是物质基础质基础软件系统是计算机系统必须配置的程序和数据集合，常可软件系统是计算机系统必须配置的程序和数据集合，常可分为两大类：分为两大类：系统软件和应用软件系统软件和应用软件15第一章 操作系统引论 1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用系统软件系统软件l用于计算机的管理、维护，支持应用程序的开发以及控制用于计算机的管理、维护，支持应用程序的开发以及控制和运行程序。和运行程序。l如操作系统、多种语言处理程序（汇编和编译程序等）、如操作系统、多种语言处理程序（汇编和编译程序等）、多种工具软件、数据库管理系统等都是系统软件。多种工具软件、数据库管理系统等都是系统软件。l其中其中操作系统操作系统是最复杂、最典型的是最复杂、最典型的系统软件。系统软件。16第一章 操作系统引论 1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用应用软件应用软件l是为完成某一具体的应用而开发的软件是为完成某一具体的应用而开发的软件l如我们一直在用的学生选课系统、成绩查询系统、火车售如我们一直在用的学生选课系统、成绩查询系统、火车售票系统等等，都是典型的应用软件。票系统等等，都是典型的应用软件。17第一章 操作系统引论 1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用1.1.1 1.1.1 操作系统的目标操作系统的目标 目目前前存存在在着着多多种种类类型型的的OSOS（OpreatingOpreating SystemSystem），不不同同类类型型的的OSOS，其其目目标标各各有有所所侧侧重重。通通常常在在计计算算机机硬硬件上配置的件上配置的OSOS，其目标有以下几点：其目标有以下几点：1.1.方便性方便性 2.2.有效性有效性 3.3.可扩充性可扩充性 4.4.开放性开放性 18第一章 操作系统引论 1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用 1.1.2 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用 操作系统是为改善计算机系统的性能、提操作系统是为改善计算机系统的性能、提高计算机的利用率、方便用户使用计算机而配高计算机的利用率、方便用户使用计算机而配备的一种最基本的低层系统软件，是计算机系备的一种最基本的低层系统软件，是计算机系统的核心。其作用可以概括如下：统的核心。其作用可以概括如下：19第一章 操作系统引论 1.1.2 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用 1.OS1.OS作为用户与计算机硬件之间的接口作为用户与计算机硬件之间的接口 OSOS作作为为用用户户与与计计算算机机硬硬件件系系统统之之间间接接口口的的含含义义是是：OSOS处处于于用用户户与与计计算算机机硬硬件件系系统统之之间间，用用户户通通过过OSOS来来使使用用计算机系统。计算机系统。或或者者说说，用用户户在在OSOS帮帮助助下下，能能够够方方便便、快快捷捷、安安全全、可可靠靠地地操操纵纵计计算算机机硬硬件件和和运运行行自自己己的的程程序序。应应注注意意，OSOS是是一个系统软件，因而这种接口是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。软件接口。20第一章 操作系统引论 1.1.2 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用1.OS作为用户与计算机硬件之间的接口（续）作为用户与计算机硬件之间的接口（续）l操作系统提供给用户的接口有两大类：操作系统提供给用户的接口有两大类：脱机用户接口脱机用户接口和和联机用户接口联机用户接口l脱机用户接口脱机用户接口主要是为批处理系统中的脱机用户准备主要是为批处理系统中的脱机用户准备的。用户在提交作业时，不仅要提交源程序和初始数的。用户在提交作业时，不仅要提交源程序和初始数据，还要将反映控制意图的说明书据，还要将反映控制意图的说明书“作业控制说明书作业控制说明书”一并交给计算机系统。一并交给计算机系统。这时操作系统提供给用户的接口称为这时操作系统提供给用户的接口称为“作业控制语言作业控制语言（JCLJCL）”，“作业控制说明书作业控制说明书”就是用这种语言写就是用这种语言写成的。成的。21第一章 操作系统引论 1.OS作为用户与计算机硬件之间的接口（续）作为用户与计算机硬件之间的接口（续）l联机用户接口：联机用户接口：又可分为命令接口、程序接口（又叫又可分为命令接口、程序接口（又叫系统调用）和图形用户接口。系统调用）和图形用户接口。l俗称命令口、程序口和图形口。俗称命令口、程序口和图形口。1.1.2 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用22第一章 操作系统引论 (1)(1)命令接口。命令接口。这是指由这是指由OSOS提供了一组联机命令提供了一组联机命令(语言语言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。系统。(2)(2)程序接口。程序接口。又称又称“系统调用系统调用”或应用程序编程接口或应用程序编程接口（APIAPI）。）。OSOS提供了一组系统调用，用户可以在自己的提供了一组系统调用，用户可以在自己的程序中程序中通过使用系统调用，来获得操作系统的底层服通过使用系统调用，来获得操作系统的底层服务，访问系统的各种软硬件资源。务，访问系统的各种软硬件资源。(3)(3)图形接口。图形接口。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。算机系统和运行自己的程序。23第一章 操作系统引论 图图 1-1 OS1-1 OS作为接口的示意图作为接口的示意图 24第一章 操作系统引论 1.1.2操作系统的作用操作系统的作用 2.OS2.OS作为计算机系统资源的管理者作为计算机系统资源的管理者l在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和软件资源。软件资源。l归纳起来可将计算机资源分为归纳起来可将计算机资源分为四类：四类：处理器、处理器、存储器、存储器、I/OI/O设备设备 信息信息(数据和程序数据和程序)。25第一章 操作系统引论 l相应地，相应地，OSOS的主要功能也正是针对这四类资源进的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理，即：行有效的管理，即：（1 1）处理机管理：）处理机管理：用于分配和控制处理机；用于分配和控制处理机；（2 2）存储器管理：）存储器管理：主要负责内存的分配与回收；主要负责内存的分配与回收；（3 3）I/OI/O设备管理：设备管理：负责负责I/OI/O设备的分配与操纵；设备的分配与操纵；（4 4）文件管理：）文件管理：负责文件的存取、共享和保护。负责文件的存取、共享和保护。26第一章 操作系统引论 可可见见，OSOS确确是是计计算算机机系系统统资资源源的的管管理理者者。事事实实上上，当当今今世世界界上上广广为为流流行行的的一一个个关关于于OSOS作作用用的的观点，正是把观点，正是把OSOS作为计算机系统的资源管理者。作为计算机系统的资源管理者。27第一章 操作系统引论 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用 3.OS3.OS用作扩充机器用作扩充机器 对对于于一一台台完完全全无无软软件件的的计计算算机机系系统统(即即裸裸机机)，即即使使其其功能再强，也必定是难于使用的。功能再强，也必定是难于使用的。如如果果我我们们在在裸裸机机上上覆覆盖盖上上一一层层I/OI/O设设备备管管理理软软件件，用用户户便便可可利利用用它它所所提提供供的的I/OI/O命命令令，来来进进行行数数据据输输入入和和打打印印输输出出。此此时时用用户户所所看看到到的的机机器器，将将是是一一台台比比裸裸机机功功能能更更强强、使用更方便的机器。使用更方便的机器。28第一章 操作系统引论 通通常常把把覆覆盖盖了了软软件件的的机机器器称称为为扩扩充充机机器器或或虚虚机器机器。如如果果我我们们又又在在第第一一层层软软件件上上再再覆覆盖盖上上一一层层文文件件管管理理软软件件，则则用用户户可可利利用用该该软软件件提提供供的的文文件件存取命令，来进行文件的存取。存取命令，来进行文件的存取。29第一章 操作系统引论 此时，用户所看到的是台功能更强的虚机器。此时，用户所看到的是台功能更强的虚机器。如果我们又在文件管理软件上再覆盖一如果我们又在文件管理软件上再覆盖一层面向用层面向用户的窗口软件，户的窗口软件，则用户便可在窗口环境下方便地则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能更强的虚机器。使用计算机，形成一台功能更强的虚机器。30第一章 操作系统引论 1.1.3 1.1.3 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力 1.1.不断提高计算机资源利用率不断提高计算机资源利用率 2.2.2.2.方便用户方便用户 3.3.3.3.器件的不断更新换代器件的不断更新换代 4.4.4.4.计算机体系结构的不断发计算机体系结构的不断发展展 31第一章 操作系统引论 1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 1.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统 1.1.人工操作方式人工操作方式 从从第第一一台台计计算算机机诞诞生生(1945(1945年年)到到5050年年代代中中期期的的计算机，计算机，属于第一代，这时还未出现属于第一代，这时还未出现OSOS。32第一章 操作系统引论 这这时时的的计计算算机机操操作作是是由由用用户户(即即程程序序员员)采采用用人人工工操操作作方式直接使用计算机硬件系统，方式直接使用计算机硬件系统，即即由由程程序序员员将将事事先先已已穿穿孔孔(对对应应于于程程序序和和数数据据)的的纸纸带带(或或卡卡片片)装装入入纸纸带带输输入入机机(或或卡卡片片输输入入机机)，再再启启动动它它们们将将程序和数据输入计算机，程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。然后启动计算机运行。33第一章 操作系统引论 当程序运行完毕并取走计算结果后，当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一才让下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：的缺点：(1)(1)用户独占全机。用户独占全机。(2)CPU(2)CPU等待人工操作。等待人工操作。.浪费资源太大浪费资源太大34第一章 操作系统引论 1.2.1无操作系统的计算机无操作系统的计算机2.2.脱机输入脱机输入/输出输出(Off-Line I/O)(Off-Line I/O)方方式式为了解决人机矛盾及为了解决人机矛盾及CPUCPU和和I/OI/O设备之间速度不匹配的矛盾，设备之间速度不匹配的矛盾，2020世纪世纪5050年代末出现了脱机输入输出技术。年代末出现了脱机输入输出技术。该技术是指事先将装有用户程序和数据的纸带或卡片装入该技术是指事先将装有用户程序和数据的纸带或卡片装入纸带输入机，纸带输入机，在一台在一台外围设备外围设备的控制下，把纸带（卡片）上的数据输入的控制下，把纸带（卡片）上的数据输入到高速设备到高速设备磁带磁带上，当上，当CPUCPU需要这些程序和数据时，再从需要这些程序和数据时，再从磁带上高速地调入内存。磁带上高速地调入内存。35第一章 操作系统引论 类似地，当类似地，当CPUCPU需要输出时，可由需要输出时，可由CPUCPU直接高速地把数据从直接高速地把数据从内存送到磁带上，内存送到磁带上，然后再在另一个外围设备的控制下，将磁带上的结果通过然后再在另一个外围设备的控制下，将磁带上的结果通过相应的输出设备输出。相应的输出设备输出。36第一章 操作系统引论 1.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统由于程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下而不是由于程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下而不是在主机的控制下完成的，所以叫在主机的控制下完成的，所以叫“脱机输入输出脱机输入输出”。若输出输出操作是在主机的控制下进行的，就叫若输出输出操作是在主机的控制下进行的，就叫“联机输联机输入输出入输出”。37第一章 操作系统引论 这种脱机这种脱机I/OI/O方式的主要优点如下：方式的主要优点如下：减少了减少了CPUCPU的空闲时间。的空闲时间。提高提高I/OI/O速度。速度。38第一章 操作系统引论 1.2.2 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统l是计算机是计算机对对一批一批作业进行自动处理的技术作业进行自动处理的技术l早期的计算机资源非常昂贵，为了充分利用早期的计算机资源非常昂贵，为了充分利用资源，应尽量让系统连续执行。资源，应尽量让系统连续执行。l为此为此 ，把把一批一批作业以脱机的方式输入到磁作业以脱机的方式输入到磁带上带上，并在系统中配置，并在系统中配置监督程序监督程序。39第一章 操作系统引论 1.2.2 1.2.2 单道批处理系统（续）单道批处理系统（续）l在在监督程序监督程序的控制下，先把磁带上的第一个作业的控制下，先把磁带上的第一个作业装入内存，装入内存，并把运行控制权交给该并把运行控制权交给该作业作业，当该作，当该作业处理完后，业处理完后，又把控制权交还给又把控制权交还给监督程序监督程序，由监由监督程序再把第二个作业装入内存，直至一批作业督程序再把第二个作业装入内存，直至一批作业处理完。处理完。l磁带上的作业就这样一个接一个地被处理，便形磁带上的作业就这样一个接一个地被处理，便形成了成了早期的批处理系统早期的批处理系统40第一章 操作系统引论 IBMIBM的的14011401和和70947094，就是这样的实例，就是这样的实例：（1 1）用户将自己的程序编在卡片或纸带上，交给计）用户将自己的程序编在卡片或纸带上，交给计算机管理员；算机管理员；（2 2）管理员收到一定数量的用户程序后，将卡片上）管理员收到一定数量的用户程序后，将卡片上的数据通过的数据通过IBM1401IBM1401机器读入，并写到磁带上，这机器读入，并写到磁带上，这样每盘磁带通常会含有多个用户程序；样每盘磁带通常会含有多个用户程序；（3 3）操作员将这盘磁带加载到）操作员将这盘磁带加载到IBM7094IBM7094上，一个一上，一个一个地运行用户程序，运行结果写在另一个磁带上。个地运行用户程序，运行结果写在另一个磁带上。（4 4）程序都结束后，将结果磁带取下，连接到）程序都结束后，将结果磁带取下，连接到IBM1041IBM1041机器上打印结果，然后就可以交给各个用机器上打印结果，然后就可以交给各个用户了。户了。41第一章 操作系统引论 注意，这时候注意，这时候文件文件的概念已经出现。的概念已经出现。因为到了批处理时代，磁带上的多个用户程序必因为到了批处理时代，磁带上的多个用户程序必须以某种方式进行隔离，用户的程序可以以文件须以某种方式进行隔离，用户的程序可以以文件的形式实现隔离。的形式实现隔离。此时的操作系统还能够管理此时的操作系统还能够管理读卡机、磁带、打印读卡机、磁带、打印机机等。等。此时操作系统的任务就是加载一个程序，运行，此时操作系统的任务就是加载一个程序，运行，打印结果，然后执行下一个程序。打印结果，然后执行下一个程序。42第一章 操作系统引论 当时单道批处理系统的重要实例有：当时单道批处理系统的重要实例有：lIBM开发的开发的FORTRAN监视系统监视系统FMS，用在，用在IBM709上；上；lIBM开发的基于磁带的工作监控系统开发的基于磁带的工作监控系统IBSYS，用在，用在IBM7090和和IBM7094上；上；l密西根大学开发的密西根大学开发的UMES，被用在，被用在IBM7094上。上。43第一章 操作系统引论 单道批处理系统的特征：单道批处理系统的特征：单单道道批批处处理理系系统统是是最最早早出出现现的的一一种种OSOS，严严格格地地说说，它它只只能能算算作作是是OSOS的的前前身身而而并并非非是是现现在在人人们们所所理理解解的的OSOS。尽尽管管如如此此，该该系系统统比比起起人人工工操操作作方方式式的的系系统统已已有有很很大大进进步。步。该系统的主要特征如下：该系统的主要特征如下：(1)(1)自动性。自动性。(2)(2)顺序性。顺序性。(3)(3)单道性。单道性。44第一章 操作系统引论 1.2.3 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统（进入操作系统时代）（进入操作系统时代）1.1.多道程序设计的基本概念多道程序设计的基本概念 在在单单道道批批处处理理系系统统中中，内内存存中中仅仅有有一一道道作作业业，它它无无法法充分利用系统中的所有资源，致使系统性能较差。充分利用系统中的所有资源，致使系统性能较差。为为了了进进一一步步提提高高资资源源的的利利用用率率和和系系统统吞吞吐吐量量，在在6060年年代代中中期期又又引引入入了了多多道道程程序序设设计计技技术术，由由此此而而形形成成了了多多道道批批处处理系统理系统(MultiprogrammedMultiprogrammed Batch Processing System)Batch Processing System)。45第一章 操作系统引论 在在OSOS中引入多道程序设计技术可带来以下好处：中引入多道程序设计技术可带来以下好处：（1）提高）提高CPU的利用率。的利用率。当当内内存存中中仅仅有有一一道道程程序序时时，CPUCPU和和I/OI/O操操作作是是串串行行的的。每每逢逢该该程程序序在在运运行行中中发发出出I/OI/O请请求求后后，CPUCPU空空闲闲，必必须须在在其其I/OI/O完完成成后后才才继继续续运运行行；尤尤其其因因I/OI/O设设备备的的低低速速性性，更使更使CPUCPU的利用率显著降低。的利用率显著降低。46第一章 操作系统引论 而而在在引引入入多多道道程程序序设设计计技技术术后后，由由于于同同时时在在内内存存中中装有若干道程序装有若干道程序，并使它们交替地运行。，并使它们交替地运行。这这样样，当当正正在在运运行行的的程程序序因因I/O而而暂暂停停执执行行时时，系系统统可可调调度度另另一一道道程程序序运运行行，从从而而保保持持了了CPU处处于于忙忙碌碌状状态。态。47第一章 操作系统引论(2)(2)可提高内存和可提高内存和I/OI/O设备的利用率。设备的利用率。为为了了能能运运行行较较大大的的作作业业，通通常常内内存存都都具具有有较较大大容容量量，但但由由于于80%80%以以上上的的作作业业都都属属于于中中小小型型，因因此此在在单单道道程程序序环环境下，也必定境下，也必定造成内存的浪费造成内存的浪费。类类似似地地，对对于于系系统统中中所所配配置置的的多多种种类类型型的的I/OI/O设设备备，在在单单道道程程序序环环境境下下也也不不能能充充分分利利用用。如如果果允允许许在在内内存存中中装装入入多多道道程程序序，并并允允许许它它们们并并发发执执行行，则则无无疑疑会会大大大大提提高高内存和内存和I/OI/O设备的利用率设备的利用率。48第一章 操作系统引论 (3)(3)增加系统吞吐量。增加系统吞吐量。在保持在保持CPUCPU、I/OI/O设备不断忙碌的同时，也必然会大设备不断忙碌的同时，也必然会大幅度地提高系统的吞吐量，从而降低作业加工所需的幅度地提高系统的吞吐量，从而降低作业加工所需的费用。费用。49第一章 操作系统引论 2.2.多道批处理系统的特征多道批处理系统的特征(1)(1)多道性。多道性。(2)(2)(2)(2)无序性。无序性。(3)(3)调度性。调度性。50第一章 操作系统引论 3.3.多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点(1)(1)资源利用率高。资源利用率高。(2)(2)(2)(2)系统吞吐量大。系统吞吐量大。(3)(3)(3)(3)平均周转时间长。平均周转时间长。(4)(4)无交互能力。无交互能力。51第一章 操作系统引论 4.多道批处理操作系统需要解决的问题多道批处理操作系统需要解决的问题就多了许多：就多了许多：（1）对处理机进行管理。）对处理机进行管理。（2）对内存进行管理。对内存进行管理。（3）对）对I/O设备进行管理。设备进行管理。（4）对文件进行管理。）对文件进行管理。（5）对作业进行管理。）对作业进行管理。52第一章 操作系统引论 典型的多道批处理操作系统是典型的多道批处理操作系统是IBM的的OS/360：lIBM的的OS/360，它运行在，它运行在IBM的第三代计算机的第三代计算机System/360、System/370、System/4300上；上；lOS/360在技术和理念上都有划时代的意义，但在在技术和理念上都有划时代的意义，但在商业上没有使用，因为它有很多在所难免的错误。商业上没有使用，因为它有很多在所难免的错误。lIBM随后对随后对OS/360进行了完善，逐渐演变成一个进行了完善，逐渐演变成一个功能强大、性能可靠的操作系统。功能强大、性能可靠的操作系统。53第一章 操作系统引论 1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统 1.1.分时系统分时系统(Time-Sharing System)(Time-Sharing System)的产生的产生 如如果果说说，推推动动多多道道批批处处理理系系统统形形成成和和发发展展的的主主要要动动力力，是是提提高高资资源源利利用用率率和和系系统统吞吞吐吐量量，那那么么，推推动动分分时时系系统统形形成成和发展的主要动力，则是和发展的主要动力，则是用户的需求。用户的需求。或或者者说说，分分时时系系统统是是为为了了满满足足用用户户需需求求所所形形成成的的一一种种新新型型OSOS。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。54第一章 操作系统引论 1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统用户的需求具体表现在以下几个方面：用户的需求具体表现在以下几个方面：(1)(1)人人机交互。机交互。(2)(2)多个用户共享主机。多个用户共享主机。(3)(3)便于用户上机。便于用户上机。增加一个概念：计算机终端增加一个概念：计算机终端55第一章 操作系统引论 历史上最有名的分时操作系统是历史上最有名的分时操作系统是MULTICS和和UNIX。推动它们出现还有个小故事：推动它们出现还有个小故事：IBM将其当时最先进的机子将其当时最先进的机子IBM7094赠予密歇根大赠予密歇根大学（学（UM）和麻省里工学院（）和麻省里工学院（MIT）一遇帆船比赛必须停下一切工作为一遇帆船比赛必须停下一切工作为IBM服务服务从而有了程序的保存、多个用户使用机器的需求从而有了程序的保存、多个用户使用机器的需求出现出现56第一章 操作系统引论 2.2.分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题l为为实实现现分分时时系系统统，最最关关键键的的问问题题是是如如何何使使用用户户能与自己的作业进行交互，能与自己的作业进行交互，l即即当当用用户户在在自自己己的的终终端端上上键键入入命命令令时时，系系统统应应能能及及时时接接收收并并及及时时处处理理该该命命令令，再再将将结结果果返返回回给给用户。用户。57第一章 操作系统引论 l此此后后，用用户户可可继继续续键键入入下下一一条条命命令令，此此即即人人机机交交互互。应应强强调调指指出出，即即使使有有多多个个用用户户同同时时通通过过自自己己的的键键盘盘键键入入命命令令，系系统统也也应应能能全全部部地地及及时时接接收收并处理即做到并处理即做到(1)（1）及时接收。）及时接收。(2)（2）及时处理。）及时处理。58第一章 操作系统引论 l其次还有一个重要问题要解决：如何将资源公平分配其次还有一个重要问题要解决：如何将资源公平分配l这在分时系统中尤其重要这在分时系统中尤其重要l在在分分时时操操作作系系统统中中，常常采采用用时时间间片片轮轮转转的的方方法法解解决决（当然还可能还要考虑优先级）（当然还可能还要考虑优先级）l此系统在这个时候已经变得相当复杂起来此系统在这个时候已经变得相当复杂起来59第一章 操作系统引论 目前分时操作系统最典型的例子就是目前分时操作系统最典型的例子就是Unix和和Linux的操作系统。的操作系统。其可以同时连接多个终端并且每隔一秒重新扫其可以同时连接多个终端并且每隔一秒重新扫描进程，重新分配进程的优先级，动态分配系描进程，重新分配进程的优先级，动态分配系统资源。统资源。60第一章 操作系统引论 3.3.分时系统的特征分时系统的特征.(1)(1)多路性。多路性。(2)(2)(2)(2)独立性。独立性。(3)(3)(3)(3)及时性。及时性。(4)(4)交互性。交互性。61第一章 操作系统引论 1.2.5 1.2.5 实时系统实时系统l所谓所谓“实时实时”，是表示，是表示“及时及时”；l而实时系统而实时系统(Real-Time System)(Real-Time System)是指系统能及是指系统能及时时(或即时或即时)响应外部事件的请求，在规定的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。务协调一致地运行。l应用需求应用需求：实时控制、实时信息处理实时控制、实时信息处理l根据对截止时间的要求分为：根据对截止时间的要求分为：硬实时任务和软硬实时任务和软实时任务实时任务62第一章 操作系统引论 l 对于实时操作系统，它除了要满足应用的功对于实时操作系统，它除了要满足应用的功能需求以外，更重要的是还要满足应用提出能需求以外，更重要的是还要满足应用提出的实时性要求的实时性要求l而组成一个应用的众多实时任务对于实时性而组成一个应用的众多实时任务对于实时性的要求是各不相同的，此外实时任务之间可的要求是各不相同的，此外实时任务之间可能还会有一些复杂的关联和同步关系，如执能还会有一些复杂的关联和同步关系，如执行顺序限制、共享资源的互斥访问要求等，行顺序限制、共享资源的互斥访问要求等，这就为系统实时性的保证带来了很大的困难。这就为系统实时性的保证带来了很大的困难。63第一章 操作系统引论 l因此，实时操作系统所遵循的最重要的设计原因此，实时操作系统所遵循的最重要的设计原则是：采用各种算法和策略，始终保证系统行则是：采用各种算法和策略，始终保证系统行为的可预测性为的可预测性(predictability)(predictability)。l可预测性是指在系统运行的任何时刻，在任何可预测性是指在系统运行的任何时刻，在任何情况下，实时操作系统的资源调配策略都能够情况下，实时操作系统的资源调配策略都能够为争夺资源为争夺资源(包括包括CPUCPU、内存、网络带宽等、内存、网络带宽等)的的多个实时任务合理地分配资源，使每个实时任多个实时任务合理地分配资源，使每个实时任务的实时性要求都能得到满足务的实时性要求都能得到满足 64第一章 操作系统引论 l实时操作系统注重的不是系统的平均表现，而是实时操作系统注重的不是系统的平均表现，而是要求每个实时任务在最坏情况下都要满足其实时要求每个实时任务在最坏情况下都要满足其实时性要求，也就是说，实时操作系统注重的是个体性要求，也就是说，实时操作系统注重的是个体表现，更准确地讲是个体最坏情况表现。表现，更准确地讲是个体最坏情况表现。l举例来说，如果实时操作系统采用标准的举例来说，如果实时操作系统采用标准的虚存虚存技技术，则一个实时任务执行的最坏情况是每次访存术，则一个实时任务执行的最坏情况是每次访存都需要调页，如此累计起来的该任务在最坏情况都需要调页，如此累计起来的该任务在最坏情况下的运行时间是不可预测的，因此该任务的实时下的运行时间是不可预测的，因此该任务的实时性无法得到保证。性无法得到保证。l从而可以看出在通用操作系统中广泛采用的虚存从而可以看出在通用操作系统中广泛采用的虚存技术在实时操作系统中不宜直接采用。技术在实时操作系统中不宜直接采用。65第一章 操作系统引论 3.3.实时系统与分时系统特征的比较实时系统与分时系统特征的比较(1)(1)多路性。多路性。(2)(2)独立性。独立性。(3)(3)及时性。及时性。(4)(4)交互性。交互性。(5)(5)可靠性。可靠性。66第一章 操作系统引论 通用操作系统通用操作系统l把具有多种类型操作特征的操作系统称作通把具有多种类型操作特征的操作系统称作通用操作系统。用操作系统。l一个通用操作系统可同时兼有多道批处理、一个通用操作系统可同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或只具有其中两种分时、实时处理的功能，或只具有其中两种的功能。的功能。67第一章 操作系统引论 l例如：实时处理例如：实时处理+批处理批处理=实时批处理系统。实时批处理系统。首先保证优先处理实时任务，插空进行批处理首先保证优先处理实时任务，插空进行批处理作业。常把实时任务称为前台作业，批作业称作业。常把实时任务称为前台作业，批作业称为后台作业。为后台作业。l再如：批处理再如：批处理+分时处理分时处理=分时批处理系统。分时批处理系统。即：时间要求不强的作业放入即：时间要求不强的作业放入“后台后台”（批处（批处理）处理，需频繁交互的作业在理）处理，需频繁交互的作业在“前台前台”（分（分时）处理，处理机会优先运行时）处理，处理机会优先运行“前台前台”作业。作业。68第一章 操作系统引论 1.2.6现代操作系统（现代操作系统（1980年之后）年之后）l各种新计算机、新操作系统不断出现各种新计算机、新操作系统不断出现l尤其是随着微处理器的出现，微型计算机诞生尤其是随着微处理器的出现，微型计算机诞生l计算机开始走向普通家庭计算机开始走向普通家庭l涌现出许多熟知的操作系统，如有涌现出许多熟知的操作系统，如有DOSDOS、MAC OSMAC