第1章 操作系统引论.ppt

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1、第第1章章 操作系统引论操作系统引论第第1章章 引论引论u先导问题：先导问题：=整体了解整体了解OS操作系统？操作系统？分类？分类？特征？特征？功能？功能？系统结构？系统结构？10/15/2022先期课程数据结构计算机组成原理计算机体系结构C语言宽（与操作系统相关联的东西尽可能宽，如硬件方面与操作系统相关的知识，如CPU为操作系统提供了什么）与深（哪些部分，如并行处理问题作深入的探讨。存储问题，内存问题仍然是影响操作系统速度的瓶颈问题）动（知识的发展，教材的体现）与静（计算机学科的精髓，理论上成熟而且稳定。基本不变或变化慢）中国的操作系统70年代，XTIGVMS汉化等2W+HWhat is O

2、S?Do What?Why needs OS?How TO work?How to Use?#include#include int main(int argc,char*argv)int main(int argc,char*argv)puts(hello world);puts(hello world);return 0;return 0;2.2.操作系统做什么？操作系统做什么？10/15/2022目录目录1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能

3、1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计 计算机系统的组成结构及计算机系统的组成结构及OS在系统中的地位在系统中的地位:软件与硬件的关系软件与硬件的关系:硬件是软件的运行基础,软件对硬件功能进行扩充.虚拟机虚拟机的概念:裸机经软件扩充后的功能更强的计算机称为虚拟机.(因不直接对应一台物理机)计算机系统的层次和视图计算机硬件计算机硬件操作系统操作系统应用程序应用程序 实用程序实用程序终端终端用户用户程序员程序员操作系统操作系统设计者设计者操作系统的定义：操作系统的定义：1)1)是裸机上的第一层软件。由一系列的程序模块组成。是裸机上的第一层软件。由一系列的程序模块组成。裸机裸机：一台完全无软件

4、无软件的计算机系统。通过执行机执行机器指令器指令来实现计算和I/O功能的，很难使用。2)是为了建立用户与计算机之间的接口建立用户与计算机之间的接口而为裸机配置的一种系统软件。一种系统软件。3)3)是一种资源管理程序是一种资源管理程序。它依据一定的策略对计算机的软硬资源进行分配、管理和调度，合理地组织计算机的工作流程，从而提高系统资源的利用效率。一、一、目标目标 措施措施 1.方便性方便性:方便用户使用方便用户使用 用户用户-OS-硬件硬件 2.有效性有效性:资源得到有效应用资源得到有效应用 资源管理资源管理(处理机处理机.存储器存储器.设备设备.文件文件)增强系统的处理能力增强系统的处理能力

5、组织工作流程组织工作流程(调度，调度，I/O-CPU)3.可扩充性可扩充性:增加新增加新/修改老功能修改老功能 系统结构系统结构（模块，层次）（模块，层次）4.开放性开放性:兼容兼容 互连互连 世界标准世界标准OSI OS的定义的定义:是控制和管理计算机硬件和软件资源是控制和管理计算机硬件和软件资源,合理的组织工作流合理的组织工作流程程,以及方便用户使用的程序集合以及方便用户使用的程序集合.1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用二、操作系统的作用二、操作系统的作用 (2种基本观点)1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程四个发展阶段操作系统的发展和计算机的组成与体系结构相关，经历

6、了四个发展阶段。1946年50年代末：第一代，电子管时代，无操作系统。50年代末60年代中期：第二代，晶体管时代，单道批处理系统。60年代中期70年代中期：第三代，集成电路时代，多道批处理系统。70年代中期至今：第四代，大规模和超大规模集成电路时代，分时系统。现代计算机正向着巨型、微型、并行、分布、网络化和智能化几个方面发展。一、手工阶段具体方式预约机时（联机方式）：写好程序，穿成纸带，用光电设备输入到计算机上。如通过光表示1，否则为0；轮到自己上机时，通过纸带机输入到计算机的内存将手动开关拨到相应位置。在内存的指定位置执行程序。预约机时的缺点运行顺利时，会浪费预约时间。如预约2小时，但半小时

7、就运行结束了。运行不顺利时，预约的时间不够。程序未能完成。当时间到时，必须下机。只能下载内存的内容，回去再分析。解决方法脱机方式（通过操作员）：程序在运行时，程序员不在场。而是由操作员去执行程序。此时不用预约机时，避免了预约机时的缺点。也缩短了由于操作不熟练导致的时间浪费。假如有一个程序，在某一机器上执行需要30分钟，准备时间为3分钟，则效率为30/(30+3)=91%。如机器速度提高10倍，则运行时间只需3分钟，准备时间仍为3分钟，则效率为3/(3+3)=50%结论：手工操作不能适应计算机发展的需要。单道批处理系统单道批处理系统“批处理”的两个含义一、指系统内可同时容纳多个作业，这些作业存放

8、在大容量的外存中，组成一个后备作业队列，系统按一定的调度原则每次从后备作业队列中取一个或多个作业调入内存运行，运行作业结束并退出运行及后备作业进入运行均由系统自动实现，从而在系统中形成了一个自动转接的连续的作业流。二、是指系统向用户提供的是一种脱机操作方式，即用户与自己作业之间没有交互作用。作业一旦进入系统，用户就不能在计算机前直接干预其作业的运行。单道批处理系统单道批处理系统计算机发展的早期，没有任何用于管理的软件，所有的运行管理和具体操作都由用户自己承担，任何操作出错都要重做作业，CPU的利用率甚低。两个解决方法A.首先配备专门的计算机操作员，程序员不再直接操作机器，减少操作机器的错误。B

9、.进行批处理，操作员把用户提交的作业分类，把一批作业编成一个作业执行序列。每一批作业将有专门编制的监督程序自动依次处理。（1）联机批处理 在这种系统中，操作员有选择地把若干作业合为一批，由监督程序先把它们输入到磁带上，之后在监督程序的控制下，使这批作业能一个接一个地连续执行。即：第一个作业全部完成之后，监督程序又自动调入该批的第二个作业，并重复此过程，直至该批作业全部完成，再把下一批作业输入到磁带上。在这样的系统中，作业处理是成批进行的，并且在内存中总是只保留一道作业（故名单道批处理）。同时作业的输入、调入内存以及结果输出都在CPU直接控制下进行。（2）脱机批处理（缓冲技术的一种）为克服早期联

10、机批处理的主要缺点，人们引进了早期的脱机批处理系统。这种方式的明显特征是在主机之外另设一台小型卫星机，该卫星机又称外围计算机，它不与主机直接连接，不与主机直接连接，只与外部设备打交道只与外部设备打交道。工作过程是工作过程是：卫星机把读卡机上的作业逐个地传送到输入磁带机上；主机只负责把作业从磁带上调入内存并运行上调入内存并运行它，作业完成后主机把计算结果和记账信息记录到输出磁带上输出磁带上；卫星机负责把输出磁带上的信息读出信息读出来，并交打印机打印打印。图1-3 脱机批处理模型 外围机的输入端为纸带，输出端为磁带，可以把多个纸带写入到一个磁带中去。此时效率为：如机器速度提高10倍，则单个作业运行

11、时间只需3分钟，准备时间仍为3分钟（10个作业），则效率为3/(3+0.3)=91%目的目的:减少人机操作减少人机操作过程：过程：3.多道批处理系统多道批处理系统随着硬件的发展，出现了中断技术和通道技术。程序执行时，并不总是在用CPU.如输入数据、计算、输出结果。目标是高资源利用率、大吞吐量和作业流程的自动化。多道批处理系统多道批处理系统多道程序的运行特点：（1）多道计算机内存中同时存放多道相互独立的程序。（2）宏观上并行运行同时进入系统的几道程序都处于运行状态，但都未运行完。（3）微观上串行运行各作业交替使用CPU，交替执行。:提高资源利用率和系统吞吐量多道程序设计的基本思想：多道程序设计的

12、基本思想：内存同时保持多道程序内存同时保持多道程序(作业作业),处理机处理机(单处理机单处理机)以交替的方式同时处理多道程序，充分利用以交替的方式同时处理多道程序，充分利用CPU的空闲时间，的空闲时间，但不能完全利用。但不能完全利用。(从宏观上看从宏观上看,已有多道程序开始运行且尚未结束；已有多道程序开始运行且尚未结束；从微观上看从微观上看,某一时刻处理机只运行某道作业。某一时刻处理机只运行某道作业。)示例文档-格式 后备队列后备队列内存内存CPU特特 征：征：多道性、无序性、调度性。多道性、无序性、调度性。优缺点：优缺点：利用率高、吞吐量大、平均周转时间长、无交互能力。利用率高、吞吐量大、平

13、均周转时间长、无交互能力。需解决问题：需解决问题：处理机、内存、处理机、内存、I/O设备、文件、作业。设备、文件、作业。解决者解决者:管理系统管理系统-功能完善故称为功能完善故称为:OS定义定义是一组控制和管理计算机硬件和软件是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理的对各类作业进行调度，方便用户资源，合理的对各类作业进行调度，方便用户使用的程序的集合。使用的程序的集合。1分时概念和分时系统的实现方法分时概念和分时系统的实现方法 所谓分时，就是对时间的共享。分时主要是指若干并发程序对CPU时间时间的共享。它是通过系统软件实现的。共享的时间单位称为时间片。这种分时的实现，需要有中断机构和时钟系统

14、的支持，利用时钟系统把CPU时间分成一个一个的时间片，操作系统轮流地把每个时间片分给各个并发程序，每道程序一次只能运行一个时间片。当时间片计数到时后，产生一个时钟中断，控制转向操作系统。操作系统选择另一道程序并分给它时间片，让其投入运行，如此循环反复。1.2.4 分时系统分时系统1.2.4 分时系统分时系统2分时系统的特征和优点分时系统的特征和优点分时系统的基本特征可概括为四点：（1）多路性（2）交互性（3）独立性（4）及时性分时系统的优点：（1）为用户提供了友好的接口；（2）促进了计算机普遍使用，为多个终端服务；（3）便于资源共享和交换信息。第第1章：操作系统概论章：操作系统概论返回到本节返

15、回到本节关系：关系：响应时间响应时间改善措施：改善措施：减少对换信息量减少对换信息量长短确定：长短确定：合适（理论上短好，实际上太短系统性能下合适（理论上短好，实际上太短系统性能下降）降）影响因素：影响因素：系统开销，用户数，时间片，对换信息量系统开销，用户数，时间片，对换信息量用户数用户数*时间片时间片*对换信息量对换信息量 对换速度对换速度u关键问题：关键问题：用户与其作业及时交互（及时接受，及时处理）用户与其作业及时交互（及时接受，及时处理）u关键技术：关键技术：多路卡多路卡 时间片轮转（时间片，轮转周期）时间片轮转（时间片，轮转周期）u几个概念：几个概念：实时：及时，快实时：及时，快

16、外部事件：来自外部的服务请求或数据采集外部事件：来自外部的服务请求或数据采集 实时系统：以实时方式工作的控制或管理系统实时系统：以实时方式工作的控制或管理系统u应用需求与分类：应用需求与分类：实时控制实时控制(卫星发射卫星发射)，实时信息处理，实时信息处理(售票系统售票系统)u实时任务：实时任务：周期性：周期周期性：周期 ;非周期非周期-截止时间（开始，完成）截止时间（开始，完成）截止时间：硬截止时间：硬，软，软u实时系统的特征：实时系统的特征：及时性、交互性、多路性、独立性、可靠性及时性、交互性、多路性、独立性、可靠性u比较：比较：5.实时系统实时系统-指系统能及时及时响应外部事件的请求，在

17、规定时间内规定时间内完成对事件的处理，并控制所有时实任务协调一致协调一致的运行。6通用系统通用系统 批处理系统、分时系统和实时系统是操作系统的三种基本类型。目前的操作系统，通常具有分时、实时和批处理这三种中的两种以上的功能，又称作通用操作系统。例如，UNIX操作系统：SUN公司的Solaris，IBM公司的AIX。Windows操作系统：Microsoft公司的Windows系列。Linux操作系统：Redhat，红旗Linux等7 个人机系统个人机系统 1单用户操作系统单用户操作系统 是一个单用户的交互式操作系统。强调使用方便简单。主要有MS-DOS，OS/2，Windows 95，Wind

18、ows 98，Windows NT等，其特征是：（1）个人使用；（2）界面友好；（3）管理方便；（4）适于普及。第第1章：操作系统概论章：操作系统概论返回到本节返回到本节单用户单任务单用户单任务OSOS：只允许一个用户上机、且只允许用户程序作为一个任务运行。如 MS-DOSMS-DOS。单用户多任务单用户多任务OSOS：只允许一个用户上机，但允许将一个用户程序分为若干个任务，使它们并发执行。如OS/2OS/2、MS WindowsMS Windows。多用户多任务多用户多任务OSOS：允许多个用户通过各自的终端，使用同一台主机，共享系统资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们并发执行

19、。如UNIX OSUNIX OS。7 个人机系统个人机系统2多用户操作系统多用户操作系统 最主要的是UNIX系统以及各种类UNIX系统。多用户系统除了具有界面友好，管理方便和适于普及等特征外，还具有多用户使用，可移植性良好，功能强大，通信能力强等优点。7 个人机系统个人机系统计算机网络：计算机网络：是通过通信设施将地理上分散的具有自治能力的多台计算机系统连接起来的一种网络。在计算机网络中的用户可以不受地理位置的限制，共享网络系统中的资源，彼此进行通信和信息交换。网络操作系统：网络操作系统：是为计算机网络配置的操作系统，网络中的各台计算机配有各自独立的操作系统，网络操作系统把它们有机网络操作系统

20、把它们有机地联系起来。地联系起来。主要功能主要功能:是为网络中各台是为网络中各台计算机间提供通信和提供网络资源的共享计算机间提供通信和提供网络资源的共享。8 网络操作系统网络操作系统网络网络OSOS的模式：的模式：客户/服务器（Client/Server)模式；对等模式（Peer-to-peer)模式-各个站点是对等的，可作为客户，也可作为服务器。在网络中既无服务处理中心，也无控制中心。网络管理功能主要包括（网络管理功能主要包括（5 5个）：个）：(1)(1)网网络络通通信信：在源主机和目标主机之间，实现无差错的数据传输。(2)(2)资资源源管管理理：管理和分配网络中的共享资源。（3 3）网网

21、络络服服务务：电子邮件服务；文件传输、存取和管理服务；共享硬盘服务；共享打印服务。（4 4）网网络络管管理理：安全管理；网络性能监视、对使用情况进行统计。（5 5）互操作能力）互操作能力。分分布布式式计计算算机机系系统统：是由多个分散的计算机经互连网络连结而成的统一的计算机系统。其中的各计算机既高度自治又相互配合，能能在在整整个个系系统统范范围围内内实实现现资资源源管管理理、资资源源共享、信息交换和协同执行任务。共享、信息交换和协同执行任务。9 分布式操作系统分布式操作系统分布式系统与计算机网络系统的区别：分布式系统与计算机网络系统的区别：（1 1）计算机网络有国际标准化组织(ISO)制定的网

22、络互连体系结构及一系列标准通信网络协议。而分布式系统没有制定标准协议。（2 2）分分布布式式计计算算机机系系统统：是多机系统的一种新形式，它强调资资源源、任任务务、功功能能和和控控制制的全面分布。分分布布的的原原则则有有两两种种：任任务务分分布布和和功功能能分分布布。任任务务分分布布：是指把一个计算任务分成多个可并行执行的子任务，分配给各场地协同完成。功功能能分分布布：是指把系统的总功能划分成若干子功能，由各场地分别承担其中的一部分或几部分子功能。而网络OS无任务分配功能。10.嵌入式操作系统1)什么是嵌入式系统：什么是嵌入式系统：在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统它们是一个大

23、设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是不是“计算机计算机”通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统 2）嵌入式系统软件：用于提供系统所需的功能和灵活性硬件=（处理器、ASIC(专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。)、存储器）用于提供所需的性能以及部分安全机制专用门阵列专用门阵列模拟模拟I/O处理器核处理器核存储器存储器FPGAFPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上

24、进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的解决了定制电路的不足不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。3)嵌入式操作系统在嵌入式系统中的OS，称为嵌入式操作系统。嵌入式操作系统，是运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。4 4）典型嵌入式操作系统的特性 完成某一项或有限项功能；不是通用型的 在性能和实时性方面有严格的限制 能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要 因素 占有资源少、易于连接 系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成 以便满足最终产品的

25、设计要求 5）嵌入式操作系统开发环境 通常配有源码级可配置的系统模块设计 丰富的同步原语 可选择的调度算法 可选择内存分配策略 定时器与计数器 多方式中断处理支持 多种异常处理选择 多种通信方式支持 标准语言库 数学运算库和开放式应用程序接口 11.操作系统领域中新的操作系统有线电视机顶盒领域，PowerTV移动通信领域，EPOC掌上计算机领域，Palm OS数字影像领域，DigitaOS的基本类型：的基本类型：批处理，分时，实时批处理，分时，实时（特点,适用场合,解决问题）实际系统往往是几种基本类型的结合基本类型的结合：*具有前台、后台前台、后台的分时系统=单批+分时：总结：总结：*多道分时

26、多道分时系统系统=多批多批+分时分时:内存中有多道程序，按时间片轮转内存中有多道程序，按时间片轮转 目的：目的：取消作业的调进调出取消作业的调进调出=减少系统开销减少系统开销增加复杂的内存管理目的：目的：提高提高CPU利用率利用率1.3 操作系统的功能和特性操作系统的功能和特性 1.3.1 1.3.1 操作系统的功能操作系统的功能1.3.2 1.3.2 操作系统的特性操作系统的特性 第第1章：操作系统概论章：操作系统概论返回到本章返回到本章1.3.1 操作系统的功能操作系统的功能1存储器管理功能2处理机管理功能3设备管理功能4文件管理功能5用户接口 第第1章：操作系统概论章：操作系统概论 1存

27、储器管理功能存储器管理功能 （1）内存分配 内存分配的主要任务是为每道程序分配一定的内存空间。为此，操作系统必须记录整个内存的使用情况，处理用户提出的申请，按照某种策略实施分配，接收系统或用户释放的内存空间。（2）地址映射 （3）内存保护 （4）内存扩充 （虚拟技术，时间换空间）（虚拟技术，时间换空间）第第1章：操作系统概论章：操作系统概论 2处理机管理功能处理机管理功能 处理机管理的功能包括：作业和进程调度、进程控制和进程通信。（1）作业和进程调度 一个作业通常要经过两级调度才得以在CPU上执行。首先是作业调度，它把选中的一批作业放入内存，并分配其它必要资源，为这些作业建立相应的进程。然后进

28、程调度按一定的算法从就绪进程中选出一个合适进程，使之在CPU上运行。（2）进程控制 进程是系统中活动的实体。进程控制包括创建进程、撤销进程、封锁进程、唤醒进程等。（3）进程通信 多个进程在活动过程中彼此间会发生相互依赖或者相互制约的关系。为保证系统中所有进程都能正常活动，就必须设置进程同步机制，它分为同步方式和互斥方式同步方式和互斥方式。相互合作的进程之间往往需要交换信息，为此系统要提供通信机制。第第1章：操作系统概论章：操作系统概论 3设备管理功能设备管理功能 设备管理的主要功能包括：缓冲区管理、设备分配、设备驱动和设备无关性。（1）缓冲区管理 缓冲区管理的目的是解决CPU和外设速度不匹配的

29、矛盾，从而使它们能充分并行工作，提高各自的利用率。单缓冲，双缓冲，单缓冲，双缓冲，公用缓冲池公用缓冲池 （2）设备分配 根据用户的I/O请求和相应的分配策略，为该用户分配外部设备以及通道、控制器等。第第1章：操作系统概论章：操作系统概论 3设备管理功能设备管理功能（3）设备驱动 实现CPU与通道和外设之间的通信。由CPU向通道发出I/O指令，后者驱动相应设备进行I/O操作。当I/O任务完成后，通道向CPU发中断信号，由相应的中处理程序进行处理。（4）设备无关性 又称设备独立性，即用户编写的程序与实际使用的物理设备无关，由操作系统把用户程序中使用的逻辑设备映射到物理设备。4文件管理功能文件管理功

30、能 文件功能应包括：文件存储空间的管理、文件操作的一般管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制。（1）文件存储空间的管理 系统文件和用户文件都要放在磁盘上。为此，需要由文件系统对所有文件以及文件的存储空间进行统一管理：系统设置数据结构，用于记录文件存储空间的使用情况。为新文件分配必要的外存空间，回收释放的文件空间，提高外存的利用率。（2）文件操作的一般管理 包括文件的创建、删除、打开、关闭等。（3）目录管理 为每个文件建立目录项（文件名、文件属性、存储位置等）目录管理包括目录文件的组织、实现用户对文件的“按名存取”，以及目录的快速查询和文件共享等。第第1章：操作系统概论章：操作系统概论 4文件

31、管理功能文件管理功能（4）文件的读写管理和存取控制 根据用户的请求，从外存中读取数据或将数据写入外存中。为保证文件信息的安全性，防止未授权用户的存取或破坏，对各文件（包括目录文件）进行存取控制。现代操作系统向用户提供三种类型的界面：（1）图形接口用户利用鼠标、窗口、菜单、图标等图形界面工具，可以直观、方便、有效地使用系统服务和各种应用程序及实用工具；（2）命令接口 A.联机接口：在提示符后用户从键盘输入命令，系统提供相应服务；B.脱机接口：通过由作业控制语言（JC L）编写的作业说明书（现在较少使用）（3）程序接口也称系统调用界面，用户在自己的程序中使用系统调用，从而获取系统的服务。如在程序中

32、调用操作系统检查磁盘空间的功能函数。第第1章：操作系统概论章：操作系统概论返回到本节返回到本节5用户接口用户接口1.3.2 操作系统的特性操作系统的特性1并发性2共享性3虚拟性4不确定性第第1章：操作系统概论章：操作系统概论 1并发性并发性 并发性，是指能同时处理存在的多个平行活动同时处理存在的多个平行活动的能力。如I/O操作与计算重选运行，在内存中间时存在几道用户程序等，都是并发的例子。就整个系统来说，由于计算机和I/O操作并行，因此操作系统必须能控制、管理并调度这些并行的动作。除此之外，操作系统还要协调主存各程序之间的动作，以免互相发生干扰，造成严重后果，即考虑同步问题。总之，操作系统要充

33、分体现并发性。第第1章：操作系统概论章：操作系统概论 2共享性共享性 共享是指多个任务共同使用系统资源。共享是指多个任务共同使用系统资源。操作系统的一个主要目标就是要使各种系统资源能有效地被共享，最大限度地提高系统效率。由于共享的实质是并发共享并发共享，故关键仍在于并发性。第第1章：操作系统概论章：操作系统概论 3虚拟性虚拟性 在操作系统中，虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物，前者是实际存在的，后者是虚的，只是用户的一种感觉。例如，在操作系统中引入多道程序设计技术后，虽然只有一个CPU，每次只能执行一道程序，但通过分时使用，在一段时间间隔内，宏观上这台处理机能同时运行多道程序。

34、它给用户的感觉是每道程序都有一个CPU为它服务。亦即，多道程序设计技术可以把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU。第第1章：操作系统概论章：操作系统概论 4不确定性不确定性 在多道程序环境中，由于资源等因素的限制，程序是以走走停停的方式运行的。系统中的每个程序何时执行、多个程序间的执行顺序以及完成每道程序所需的时间都是不确定的，因而也是不可预知的。第第1章：操作系统概论章：操作系统概论返回到本节返回到本节1.5 操作系统的结构设计 1.5.1 1.5.1 软件工程的基本概念软件工程的基本概念 1.1.软件的含义软件的含义 软件是指当计算机运行时，能提提供供所所要要求求的的功功能能和和性性

35、能能的的指指令令和和程程序序的的集集合合，该程序能够正确地处理信息的数据结构；作为规范软件，还应具有描述程序功能需求以及程序如何操作使用的文档。2.2.软件工程的含义软件工程的含义 软件工程是指运用系统的、规范的和可定量的方法，来开发、运行和维护软件。其目的是为了解决在软件开发中所出现的编程随意、软件质量不可保证以及维护困难等问题。无结构OS模块化OS结构 分层式OS结构1.5.2 传统的操作系统结构在早期开发操作系统时，设计者只是把他的注意力放在功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾一致的设计思想。这种OS是无结构的。主要是编制紧凑程序，便于利用内存，对go to无限制，缺乏清晰的程序结构，难

36、以维护和理解，增加了维护人员的负担。1.无结构操作系统无结构操作系统2.模块化OS结构 模块化程序设计技术，是基基于于“分分解解”和和“模模块块化化”原原则则来控制大型软件的复杂度的。将OS按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。并规定好各模块间的接口，各模块之间能通过该接口实现交互。模块化OS结构优缺点优点：优点：提高设计的正确性；增强可适应性；加速开发过程缺点：缺点：难保证模块完全正确；未区分独占与共享资源。3.分层式OS结构1)有序分层的2)高层只能调用低层功能高层只能调用低层功能，应考虑：嵌套、运行频率、公用模块、用户接口。3)2)层次的设置 a.程序嵌套 b.运行频率 c.公

37、用模块 d.用户接口1.5.3 微内核OS结构客户/服务器模式面向对象程序设计技术微内核技术1.1.客户客户/服务器模式服务器模式 为了提高OS的灵活性和可扩充性而将OS划分为两部分，一部分是用于提供各种服务的一一组组服服务务器器(进程)，另一部分是内内核核，用来处理客户和服务器之间的通信。在内核中还应具有其它一些机构，用于实现与硬件紧密相关的一些较基本的功能。单机环境下的客户/服务器模式客户/服务器模式的优点（1）提高了系统的灵活性和可扩充性。（2）提高了OS的可靠性。（3）可运行于分布式系统中。2.面向对象的程序设计技术(Object-Orientated Programming)1)1)

38、面向对象技术的基本概念面向对象技术的基本概念 面向对象技术是20世纪80年代初提出并很快流行起来的。该技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制大型软件的复杂度的。OS中的各类实体如进程、线程、消息、存储器等，都使用了对象这一概念，相应地，便有进程对象、线程对象、存储器对象等。2）面向对象技术的优点 可修改性和可扩充性 继承性 正确性和可靠性3 微内核技术微内核技术的引入微内核技术的引入 微内核技术，是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核，它运行在核心态，且开机后常驻内存。微内核的基本功能微内核的基本功能 (1)进程管理。(2)存储器管理。(3)进程通信管理。(4)I/O设备管理。八八.

39、现代操作系统现代操作系统1.现代操作系统的特征2.Windows 2000 概述3.UNIX 系统（最初是在Bell实验室开发的，后来产生了一系列的UNIX版本）和LINUX系统1.1.现代操作系统的特征现代操作系统的特征微内核结构多线程对称多处理分布式操作系统面向对象设计（1 1）微内核结构微内核结构巨大的内核巨大的内核：包括调度、文件系统、联网、设备驱动、存储管理等等。典型的，这个大内核是作为一个进程一个进程实现的，所有元素都共享相同的地址空间。微内核结构微内核结构：只给内核分配一些最基本的功能，包括地址空间、进程间通信（IPC)和最基本的调度。其他的操作系统服务都是由运行在用户模式用户模

40、式下的进程提供的，可以与微内核提供的其他应用程序一样对待，这些进程有时也称为服务程序。（2）多线程（多线程（multithreading)把执行一个应用程序的进程划分成可以同同时运行时运行的线程。线程线程：可分派的工作单位。顺序执行，可中断，这样处理器可以转到另一个线程。进程进程：一个或多个线程和相关系统资源的集合。这紧密对应于一个正在执行的程序。多线程多线程对执行许多本质上独立、不需要串行处理的任务的应用程序是很有用的。同一进程中线程间切换要比不同进程间切换的处理器开销开销少。（3）对称多处理）对称多处理(symmetric multiprocessing,SMP)对称多处理可以定义为具有以

41、下特征的一个独立的计算机系统：有多个处理器。这些处理器共享同一个主存器和I/O设备，它们之间通过通信总线或别的内部连接方案互相连接。对称：所有处理器都可以执行相同的功能（因此称为对称）（4）分布式操作系统）分布式操作系统 (distributed operating system)给一群计算机提供单一系统外部特征。一群计算机中，每一个都有自己的主存储器、辅助存储器和其他I/O模块。使用户产生错觉，好象是一个单一的主存空间、辅存空间以及其它的统一存取设备，如分布式文件系统。集群集群(cluster)作为分布式系统，正变得越来越流行。（5）面向对象设计）面向对象设计操作系统设计最新的改革是使用面向

42、对象技术。面向对象设计的原理用于给小内核增加模块化的扩展上。基于对象的结构使程序员可以定制操作系统，而不破坏系统的完整性。面向对象还使得分布式工具和分布式操作系统的开发变得容易。2.Windows 2000 概述概述 在2000年，Microsoft发布的。增加了支持分布处理的服务和功能，其新特征的核心元素是活动目录，这是一个分布目录服务，能够将任意对象名映射到关于这些对象的任意类型的信息上。单用户多任务单用户多任务：在多任务环境中，用户打开所需要的每个应用程序，并让它保持打开状态。信息可以在这些应用程序间很容易地来回移动。Windows 2000 是改进的微内核结构，使得许多微内核外的系统函

43、数在内核模式下运行。每个系统函数都正好由一个操作系统部件管理，操作系统的其余部分和所有应用程序通过相应的部件使用标准接口访问这个函数。可移植性：可以在各种硬件平台上运行。支持多线程、支持对称多处理(SMP)。大量使用面向对象设计的 概念。面向对象方法简化了进程间资源和数据的共享。3.UNIX系统系统大多数UNIX内核是整体式的。整体式的内核是指在一大块代码中实际上包含了所有操作系统功能，并作为一个单一进程运行，具有唯一地址空间。为了解决这个整体式的问题，Linux被组织成一组相对独立的块一组相对独立的块，称作可加载模块。可加载模块。动态链接：动态链接：当内核已经在存储器并正在运行时，内核模块可

44、以被加载和链接到内核。可堆栈模块：可堆栈模块：模块按层次排列，当被高层的客户模块访问时，它们作为库；当被低层模块访问时，它们作为客户。Linux和和freeBSDLinux是由芬兰赫尔辛基大学计算机系大学生是由芬兰赫尔辛基大学计算机系大学生Linus Torvalds，从，从1990年底到年底到1991年的几个年的几个月中，为了自己的操作系统课程学习和后来上网月中，为了自己的操作系统课程学习和后来上网使用而陆续编写的。在使用而陆续编写的。在2001年初，在年初，在Linux World大会前夕推出了大会前夕推出了Linux2.4内核内核。FreeBSD是美国加利福尼亚洲大学伯克利分校开是美国加

45、利福尼亚洲大学伯克利分校开发的、免费支持发的、免费支持POSIX标准的操作系统，它基标准的操作系统，它基于于4.4BSD。关于分时系统的历史资料1990年图灵奖获得者：费尔南多考巴脱-实现分时系统的功臣u中 科 大 艺 术 学 院/科 技 时 空/图 灵 奖http:/ 2.方便用户：人机交互的分时系统多用户系统方便用户：人机交互的分时系统多用户系统 3.器件的不断更新换代：器件的不断更新换代：8-16-32-64位位 4.计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展:单机，多机，网络单机，多机，网络操作系统的发展趋势：操作系统的发展趋势：嵌入式操作系统：嵌入式操作系统：主要伴随着个人数字

46、助理主要伴随着个人数字助理PAD、掌上电、掌上电脑、电视机顶盒、智能家电等设备的发展，对操作系统在功能脑、电视机顶盒、智能家电等设备的发展，对操作系统在功能和所占空间大小权衡上提出了新的要求。和所占空间大小权衡上提出了新的要求。强实时操作系统：强实时操作系统：特别是针对通用操作系统的实时性研究，特别是针对通用操作系统的实时性研究，还在不断发展当中。还在不断发展当中。并行操作系统的研究：并行操作系统的研究：如建立在基于共享主存的多处理机如建立在基于共享主存的多处理机系统系统(MP)及用上千个微处理器实现基于分布式存储的大规模并及用上千个微处理器实现基于分布式存储的大规模并行处理机系统行处理机系统

47、(MPP)的操作系统，系统突出特征是提供各类并的操作系统，系统突出特征是提供各类并行机制。例如并行文件系统，并行行机制。例如并行文件系统，并行IO控制，多处理机分配和控制，多处理机分配和调度，处理机间的通信和同步，用户任务的并行控制等。调度，处理机间的通信和同步，用户任务的并行控制等。网络操作系统和分布式操作系统的研究：网络操作系统和分布式操作系统的研究：就目前情形就目前情形而言，网络系统的研究也还方兴未艾，基于而言，网络系统的研究也还方兴未艾，基于ClientServer模模型的分布式系统也已不断走向应用，完全分布式的系统还未成型的分布式系统也已不断走向应用，完全分布式的系统还未成型，仍将是

48、研究的热点问题。型，仍将是研究的热点问题。本章重点部分本章重点部分计算机系统组成、操作系统的定义和操作系统设计目标。多道程序设计技术的概念及特点。掌握单机单机三种基本操作系统（批处理、分时和实时）的主要特点、相互区别。操作系统的性能指标及操作系统的特性。本章了解部分本章了解部分（1）了解操作系统的产生与发展，以及操作系统的分类（单用户OS、多用户OS以及多机OS)及作用（2）操作系统的功能本章小结本章小结 操作系统是由一系列程序模块组成的，它的基本功能是资源操作系统是由一系列程序模块组成的，它的基本功能是资源管理和方便用户：它管理处理机、内存、管理和方便用户：它管理处理机、内存、I/O设备和文

49、件，提供设备和文件，提供用户接口。用户接口。操作系统发展以来，主要有两个目的：第一，为程序开发操作系统发展以来，主要有两个目的：第一，为程序开发和执行提供一个方便的环境；第二，为保证计算机系统顺利执行，和执行提供一个方便的环境；第二，为保证计算机系统顺利执行，操作系统对各个计算机活动进行调度。操作系统对各个计算机活动进行调度。操作系统的形成和发展是与计算机硬件发展密切相关的。操作系统的形成和发展是与计算机硬件发展密切相关的。最初的手工操作既费力又浪费机时，随着最初的手工操作既费力又浪费机时，随着CPU的速度越来的速度越来越快，它与机械设备在速度上越来越不匹配。由此推动了批处理越快，它与机械设备

50、在速度上越来越不匹配。由此推动了批处理系统的产生。以后出现了通道和中断机构，又推动了多道程序系系统的产生。以后出现了通道和中断机构，又推动了多道程序系统的产生。以后相继出现了多道批处理系统、分时系统、实时系统的产生。以后相继出现了多道批处理系统、分时系统、实时系统、个人机系统、网络系统和分布式系统。反过来，操作系统的统、个人机系统、网络系统和分布式系统。反过来，操作系统的发展对硬件也是提出了更高的要求。发展对硬件也是提出了更高的要求。第第1章：操作系统概论章：操作系统概论本章小结本章小结 操作系统提供了五大功能，分别是：存储器管理、操作系统提供了五大功能，分别是：存储器管理、处理机管理、文件管