操作系统第三版第一章PPT.ppt

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1、DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义操操 作作 系系 统统主讲教师：白恩健Email:Phone:138173113191DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义一个程序若要在计算机中运行，必须要放到一个程序若要在计算机中运行，必须要放到内存中，因为内存中，因为CPU只从内存中取得指令执行。只从内存中取得指令执行。所以在外存上存放的可执行文件对于处理机所以在外存上存放的可执行文件对于处理机来说是执行不了的，只有把它加载到内存之来说是执行不了的，只有把它加载到内存之后，后，CPU才能执行这个程序。当使用计算机才能执行这个程序。当使用

2、计算机时，可能会单击鼠标激活屏幕上显示的某个时，可能会单击鼠标激活屏幕上显示的某个应用程序的图符，然后这个应用程序便执行应用程序的图符，然后这个应用程序便执行起来。起来。过程就如此简单吗？过程就如此简单吗？2DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义事实上，当单击某个图符时，首先是鼠标按钮产生事实上，当单击某个图符时，首先是鼠标按钮产生中断，然后转入操作系统的中断，然后转入操作系统的中断处理中断处理，之后又通过，之后又通过相应的分析程序去获取屏幕上这个图符所在位置的相应的分析程序去获取屏幕上这个图符所在位置的坐标，从而获知是哪个程序，在调入该程序到内存坐标，从而获知

3、是哪个程序，在调入该程序到内存之前，首先由进程管理为此程序建立之前，首先由进程管理为此程序建立进程进程，再由，再由进进程管理程管理调用调用存储管理存储管理为此程序分配内存，然后由为此程序分配内存，然后由文文件管理件管理系统提供该程序在外存上的位置等属性系统提供该程序在外存上的位置等属性3DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义信息。之后文件管理系统调用信息。之后文件管理系统调用设备管理设备管理启动磁盘驱启动磁盘驱动器，并将这个程序读入到内存中。这样，一旦操动器，并将这个程序读入到内存中。这样，一旦操作系统调度到这个进程，作系统调度到这个进程，CPU便可执行由该进程

4、定便可执行由该进程定位的这个程序了。从这个过程的描述中，我们可以位的这个程序了。从这个过程的描述中，我们可以体会到，用户的单纯的单击，便引起了操作系统一体会到，用户的单纯的单击，便引起了操作系统一系列的工作。系列的工作。4DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义课程主要内容介绍课程主要内容介绍操作系统的功能操作系统的功能 管理系统软硬件资源管理系统软硬件资源 扩展计算机的功能扩展计算机的功能 向用户提供服务向用户提供服务 进程管理进程管理 处理机管理处理机管理 存储管理存储管理 外部设备管理外部设备管理 文件系统文件系统5DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义

5、讲义操作系统讲义操作系统讲义教材和参考资料教材和参考资料 汤小丹，计算机操作系统，西安电子科技大汤小丹，计算机操作系统，西安电子科技大学出版社学出版社 尤晋元，史美林，尤晋元，史美林，Windows操作系统原理，操作系统原理，机械工业出版社机械工业出版社6DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义课程要求课程要求 课堂作业：课堂作业：20%课堂考试：课堂考试：10%期末考试：期末考试：70%7DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义第一章第一章 操作系统引论操作系统引论本本章章主主要要讨讨论论操操作作系系统统(OS)的的基基本本概概念念

6、，包包括括 OS的的 目目标标和和作作用用、OS的的发发展展过过程程、OS的的特特征征和和功功能能以以及及结构设计等。结构设计等。学习要点学习要点:(1)(1)掌握操作系统的定义及功能掌握操作系统的定义及功能(2)(2)掌握操作系统的三种基本类型及特点掌握操作系统的三种基本类型及特点(3)(3)深入领会多道程序设计技术深入领会多道程序设计技术8DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义第一章第一章 操作系统引论操作系统引论v 什么是什么是OSv OS发展简史发展简史v 计算机硬件简介计算机硬件简介v OS的基本类型的基本类型v OS的特征和功能的特征和功能v OS结

7、构结构9DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义什么是什么是OS OS的定义的定义 OS是是一一组组控控制制和和管管理理计计算算机机硬硬件件和和软软件件资资源源，合合理理的的组组织织计计算算机机工工作作流流程程以以及及方方便便用用户户使使用用的的程程序序集集合合。它它是是最最重重要要的的 系系统统软软 件件。(如何理解？如何理解？)10DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义(1)从计算机系统组成的观点从计算机系统组成的观点OS是系统软件是系统软件11DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义从计算机系统组

8、成的角度，可把整个计算机从计算机系统组成的角度，可把整个计算机系统划分为四个层次：硬件、操作系统、实系统划分为四个层次：硬件、操作系统、实用程序和应用程序。这四个层次之间表现为用程序和应用程序。这四个层次之间表现为一种单向依赖和调用关系，即外层的软件必一种单向依赖和调用关系，即外层的软件必须以事先约定的方式须以事先约定的方式(即接口即接口)调用内层软件调用内层软件或或硬件。硬件。12DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义13DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义操作系统的地位：操作系统的地位：操作系统是紧挨着硬件的第一层软件，是对

9、硬件功操作系统是紧挨着硬件的第一层软件，是对硬件功能的首次扩充，其他软件则是建立在操作系统之上能的首次扩充，其他软件则是建立在操作系统之上的。操作系统对硬件功能进行扩充，并统一管理和的。操作系统对硬件功能进行扩充，并统一管理和支持各种软件的运行。支持各种软件的运行。没有操作系统，任何应用软件都无法运行。没有操作系统，任何应用软件都无法运行。14DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义操作系统的作用：操作系统的作用：v 硬件抽象，屏蔽底层硬件差异硬件抽象，屏蔽底层硬件差异v 应用集成，提供通用方法工具应用集成，提供通用方法工具v 高级管理，维护环境稳定安全高级管理，

10、维护环境稳定安全15DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义(2)从资源管理观点从资源管理观点OS是系统资源管理者是系统资源管理者从从操作系统提供给的程序接口上看，任何操作系统操作系统提供给的程序接口上看，任何操作系统的核心内容都体现在一组的核心内容都体现在一组系统调用系统调用上，系统调用表上，系统调用表达了操作系统真正执行的内容。程序员通过系统调达了操作系统真正执行的内容。程序员通过系统调用使用操作系统程序，系统调用一般划分为用使用操作系统程序，系统调用一般划分为进程管进程管理理（如建立进程与终止进程）、（如建立进程与终止进程）、存储管理存储管理（如申请（如申请

11、内存）、内存）、文件管理文件管理（如文件的建立、读、写、删除（如文件的建立、读、写、删除等）和等）和设备管理设备管理（如安装驱动程序等）几个部分。（如安装驱动程序等）几个部分。16DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义计算机硬件提供了操作的物理基础，程序员通过硬计算机硬件提供了操作的物理基础，程序员通过硬件编程接口来控制硬件，这些硬件编程接口是指：件编程接口来控制硬件，这些硬件编程接口是指：机器指令集合、各种寄存器、内存地址以及设备地机器指令集合、各种寄存器、内存地址以及设备地址等，这些地址接口分别与存储器和设备控制器相址等，这些地址接口分别与存储器和设备控制器

12、相连，而设备控制器通过硬件接口与设备相连。操作连，而设备控制器通过硬件接口与设备相连。操作系统在硬件之上扩充了硬件编程接口能够为用户提系统在硬件之上扩充了硬件编程接口能够为用户提供的功能，操作系统对计算机硬件资源进行了抽象，供的功能，操作系统对计算机硬件资源进行了抽象，所以用户可以通过操作系统接口，即系统调用和交所以用户可以通过操作系统接口，即系统调用和交互式命令方便的使用计算机硬件，而无需了解对硬互式命令方便的使用计算机硬件，而无需了解对硬件控制的具体细节。件控制的具体细节。17DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义系统软件如编译程序、汇编程序、调试程序、编辑

13、系统软件如编译程序、汇编程序、调试程序、编辑程序等在操作系统基础上又增加了新的功能，通过程序等在操作系统基础上又增加了新的功能，通过应用程序接口提交给用户使用，不同的系统软件在应用程序接口提交给用户使用，不同的系统软件在操作系统基础上进一步抽象操作系统软件资源，为操作系统基础上进一步抽象操作系统软件资源，为用户提供更加集成的功能和更加方便的使用计算机用户提供更加集成的功能和更加方便的使用计算机的手段。的手段。18DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义从计算机资源管理角度，计算机系统分为硬件从计算机资源管理角度，计算机系统分为硬件和软件。硬件是软件建立与活动的基础

14、，软件和软件。硬件是软件建立与活动的基础，软件是对硬件功能的扩充。而操作系统则是管理和是对硬件功能的扩充。而操作系统则是管理和协调软、硬件有机结合的核心系统软件。协调软、硬件有机结合的核心系统软件。19DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义(3)从软件分层、扩充机器的观点从软件分层、扩充机器的观点OS是扩是扩充裸机的第一层系统软件充裸机的第一层系统软件(虚拟机虚拟机)裸机：不包括软件的计算机硬件系统。裸机：不包括软件的计算机硬件系统。虚拟机：经虚拟机：经OS提供的资源管理功能和各种功能把提供的资源管理功能和各种功能把裸机改造成为功能更强、使用更方便的机器。裸机改

15、造成为功能更强、使用更方便的机器。(4)从服务用户的观点从服务用户的观点OS是用户与裸机之是用户与裸机之间的接口间的接口接口：用户通过接口：用户通过OS使用计算机。三种方式：使用计算机。三种方式：命令方式、系统调用方式和图形窗口方式命令方式、系统调用方式和图形窗口方式20DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义操作系统与计算机结构的关系操作系统与计算机结构的关系存储程序式计算机存储程序式计算机(Von Neumann计算机计算机)1.基本部件基本部件 CPU、主存储器、主存储器、I/O设备设备2.特点特点 集中顺序过程控制集中顺序过程控制 集中控制：由集中控制：由

16、CPU集中管理集中管理 顺序性：程序计数器控制顺序性：程序计数器控制 过程性：模拟人们手工操作过程过程性：模拟人们手工操作过程21DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义3.计算机系统结构与操作系统的关系计算机系统结构与操作系统的关系 顺序计算模型顺序计算模型 并行计算模型并行计算模型 如何解决矛盾如何解决矛盾?OS采用了一系列软件技术采用了一系列软件技术-多道程序设计技术、分时技术、多道程序设计技术、分时技术、资源分配与调度等资源分配与调度等 硬件体系结构的改变硬件体系结构的改变一对矛盾一对矛盾22DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系

17、统讲义OS发展简史发展简史推动推动OS发展的主要动力发展的主要动力(“需求推动发展需求推动发展”)提高计算机资源利用率提高计算机资源利用率 方便用户方便用户 器件的不断更新换代器件的不断更新换代 计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展23DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义 批处理批处理 手工操 作阶段 联机批处理 脱机批处理 执行 系统 操作系统形成操作系统形成实时系统个人计算机操作系统网络操作系统分布式操作系统多道程序系统多道程序系统 多道批 分时处理系统 系统24DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义联机批处理解

18、决了人机矛盾；脱机批处理进联机批处理解决了人机矛盾；脱机批处理进一步解决了一步解决了CPU的高速度与的高速度与I/O设备的低速度设备的低速度矛盾；执行系统节省了卫星机，降低了成本，矛盾；执行系统节省了卫星机，降低了成本，实现了主机和通道、主机和外设的并行操作，实现了主机和通道、主机和外设的并行操作，提高了系统安全性。提高了系统安全性。25DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义OS的发展过程的发展过程 手工操作手工操作操作系统的史前文明操作系统的史前文明 (电子管电子管)单用户工作，人工直接操作硬件系统单用户工作，人工直接操作硬件系统 监督程序监督程序(单道批处理

19、单道批处理)操作系统的雏形操作系统的雏形 (晶体管晶体管)计算机系统对一批作业自动处理计算机系统对一批作业自动处理 多道程序设计共享系统多道程序设计共享系统操作系统实用化操作系统实用化 (集成电路集成电路)多道批处理、分时系统和实时系统多道批处理、分时系统和实时系统 微机操作系统：微机操作系统：Windows系列、系列、UNIX 网络网络OS、分布式、分布式OS、嵌入式、嵌入式OS和多处理器和多处理器OS26DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义网络网络OS：将将分散的多个系统互联进行信息交分散的多个系统互联进行信息交 换、资换、资源共享和互操作，目标是相互通信

20、及资源共享。源共享和互操作，目标是相互通信及资源共享。分布式分布式OS：将分散的多个系统互联成一个具有整体将分散的多个系统互联成一个具有整体功能的系统，可将一个任务分布到各个系统上运行，功能的系统，可将一个任务分布到各个系统上运行，实现分布式处理。可以获得极高的运算能力及广泛实现分布式处理。可以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。的数据共享。嵌入式嵌入式OS：运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统以及它所操作、控制的各种部件装置等资源式系统以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件

21、。27DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义多处理器多处理器OS：针对处理器的多核体系结构，提高系针对处理器的多核体系结构，提高系统并行处理能力。分为主从式结构统并行处理能力。分为主从式结构(主处理器运行主处理器运行OS，从处理器运行其他操作，从处理器运行其他操作)和对称式结构和对称式结构(OS交替交替运行在不同的处理器上运行在不同的处理器上)。28DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义计算机硬件简介计算机硬件简介计算机硬件系统结构计算机硬件系统结构 大、中、小型计算机大、中、小型计算机中央处理机、存储器、中央处理机、存储器、I/

22、O设备、设备、I/O处理机处理机(通道通道)29DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义 微型计算机微型计算机以以总总 线线 为为纽纽带带，CPU与与I/O设设备备之之间间通通过过总总线线交交换换信信息息，存存储储器器与与 I/O设设备备之之间间信信息息交交换换经经 DMAC(直直 接接 存存 储储 器器 访访 问问 控控 制制 器器)到到 总总 线线 进进 行行。30DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义现代现代OS的硬件基础的硬件基础60年代初，发展了通道和中断技术来支持并行操作。年代初，发展了通道和中断技术来支持并行操作。通道

23、：用于控制通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传输的处理设备与内存间的数据传输的处理机。启动后可独立于机。启动后可独立于CPU运行，实现运行，实现CPU与与I/O的并的并行。行。通道有专用的通道有专用的I/O处理器，可与处理器，可与CPU并行工作并行工作可实现可实现 I/O联机处理联机处理 中断：中断：CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。31DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义OS的基本类型的基本类型三种基本类型：三种基本

24、类型：v 批处理系统批处理系统v 分时系统分时系统v 实时系统实时系统32DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义批处理系统批处理系统用户将作业交给系统操作员，系统操作员将许多用用户将作业交给系统操作员，系统操作员将许多用户提交的作业组成一批作业，之后输入到计算机中，户提交的作业组成一批作业，之后输入到计算机中，在系统中形成一个自动转接的连续作业流。然后启在系统中形成一个自动转接的连续作业流。然后启动操作系统，由监督程序自动、依次执行每个作业。动操作系统，由监督程序自动、依次执行每个作业。最后由操作员将作业结果交给用户。最后由操作员将作业结果交给用户。单道批处理系

25、统单道批处理系统 多道批处理系统多道批处理系统33DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义 单道批处理系统单道批处理系统目的：解决目的：解决CPU等待人工操作和高速等待人工操作和高速CPU与低速与低速I/O设备间的矛盾。设备间的矛盾。特征：内存仅有一道作业，顺序完成。特征：内存仅有一道作业，顺序完成。工作流程：工作流程：34DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义单道批处理系统的处理流程单道批处理系统的处理流程 35DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义单道批处理系统的特点：单道批处理系统的特点：(1)

26、(1)自动性。在顺利情况下，在磁带上的一批作业能自动性。在顺利情况下，在磁带上的一批作业能自动地逐个地依次运行，无需人工干预。自动地逐个地依次运行，无需人工干预。(2)(2)顺序性。磁带上各道作业顺序地进入内存，各道顺序性。磁带上各道作业顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序相同。作业的完成顺序与它们进入内存的顺序相同。(3)(3)单道性。内存中仅有一道程序运行，即监督程序单道性。内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，当每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继

27、程序进入内存运行。序进入内存运行。36DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义典型的作业卡片序列典型的作业卡片序列37DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义 多道批处理系统多道批处理系统条件：硬件采用了通道和中断技术。条件：硬件采用了通道和中断技术。目的：解决目的：解决CPU(比较昂贵比较昂贵)等待时间长的缺陷。等待时间长的缺陷。特征：内存中有多道作业，非顺序完成。特征：内存中有多道作业，非顺序完成。多道程序设计技术多道程序设计技术：在计算机内存中同时存放几道：在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，这几道程序都处于运行过程中，相

28、互独立的程序，这几道程序都处于运行过程中，先后开始各自的运行，但都未运行完毕。宏观上并先后开始各自的运行，但都未运行完毕。宏观上并行执行，微观上在某个部件上是串行。即多道程序行执行，微观上在某个部件上是串行。即多道程序轮流使用部件，交替执行。轮流使用部件，交替执行。38DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义支持多道程序设计所需要的软、硬件物质基础：支持多道程序设计所需要的软、硬件物质基础：存储管理的功能：主存要支持多道程序设计，首存储管理的功能：主存要支持多道程序设计，首先要求系统具有主存分配功能，为了保证正确而先要求系统具有主存分配功能，为了保证正确而有效的运

29、行，应具有主存保护、主存扩充和共享有效的运行，应具有主存保护、主存扩充和共享的功能；的功能；处理机管理的功能：使系统能按照某种策略把处理机管理的功能：使系统能按照某种策略把CPU分配给各个处理单元；分配给各个处理单元；设备管理功能：系统能根据运行程序的要求为其设备管理功能：系统能根据运行程序的要求为其分配所需设备，并控制设备完成数据传输；分配所需设备，并控制设备完成数据传输；文件管理：为运行程序提供所需的联机信息等。文件管理：为运行程序提供所需的联机信息等。39DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义工工作作流流程程：程程序序在在 CPU与与I/O设设备备间间切切

30、换换。由由监监督督程程序序根根据据一一定定的的算算法法调调度度某某个个程程序序在在 CPU上上 运运 行行。对对I/O设设备备采采用用非非抢抢占占式式调调度度，CPU可可以以采采用用非非抢抢占式和抢占式。占式和抢占式。40DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义v 优点：优点：-资源利用率高：资源利用率高：CPU和内存利用率高和内存利用率高 -系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大v 缺点缺点-平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长-用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，用户交

31、互性差：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改。才与用户交互，不利于调试和修改。41DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义典型的操作系统：典型的操作系统：FORTRAN监控系统监控系统(FMS)IBMSYS(IBM为为7094机配备的操作系统机配备的操作系统)这些操作系统由监控程序、特权指令、存储这些操作系统由监控程序、特权指令、存储保护和简单的批处理构成。保护和简单的批处理构成。42DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义分时系统分时系统目的：用户需要目的：用户需要 -人机交互人机交互 -多用户共享一台计算机多

32、用户共享一台计算机(比较昂贵比较昂贵)分时分时：将：将CPU进行时间上分割成一个个时间片，每进行时间上分割成一个个时间片，每个时间片分给一个用户使用，每个用户依次轮流使个时间片分给一个用户使用，每个用户依次轮流使用一个时间片。用一个时间片。43DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义分时系统：在一台主机上连接了多个带有显示器和分时系统：在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，允许多个用户同时通过终端以交互方键盘的终端，允许多个用户同时通过终端以交互方式使用计算机资源。式使用计算机资源。主机主机终终端端44DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统

33、讲义操作系统讲义特征：特征：多路性：多路连接；宏观上用户共享，微观上分时；多路性：多路连接；宏观上用户共享，微观上分时；独立性：用户相互不干扰；独立性：用户相互不干扰；及时性：响应时间；及时性：响应时间；交互性：人机对话。交互性：人机对话。重要指标重要指标响应时间响应时间：用户发出终端命令到系统开始作：用户发出终端命令到系统开始作出响应之间的时间间隔出响应之间的时间间隔T=N*Q。如何合理选择时间片长度如何合理选择时间片长度Q？45DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义实时系统实时系统目的：缩短响应时间。对随机发生的外部事件做出及时响应并目的：缩短响应时间。对随

34、机发生的外部事件做出及时响应并在规定时间内在规定时间内对其进行处理。对其进行处理。分类：分类：-实时控制系统：工业过程控制、军事实时控制实时控制系统：工业过程控制、军事实时控制 -实时信息处理系统：飞机订票、情报检索实时信息处理系统：飞机订票、情报检索特征：特征：快速的响应时间快速的响应时间(及时性及时性)有限的交互能力有限的交互能力 高可靠性高可靠性46DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义微机操作系统的发展微机操作系统的发展1 1单用户单任务操作系统单用户单任务操作系统只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为

35、一个任务运行。配置在行。配置在8 8位和位和1616位微机上。位微机上。MS-DOSMS-DOS2 2单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行。使它们并发执行。WINDOWSWINDOWS3 3多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行。任务，使它们能并发执行。

36、UNIXUNIX47DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义OS的特征和功能的特征和功能四大特征：四大特征：并发性并发性 共享性共享性 虚拟性虚拟性 异步性和不确定性异步性和不确定性48DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义 并发性：宏观上一段时间内有多道程序在同时执行并发性：宏观上一段时间内有多道程序在同时执行 -并行：两个或多个事件在并行：两个或多个事件在同一时刻同一时刻发生发生 -并发：两个或多个事件在并发：两个或多个事件在同一时间间隔内同一时间间隔内发生发生 共享性：系统中的所有资源不再为一个程序独占，共享性：系统中的所有资

37、源不再为一个程序独占，而是同时供多个程序使用而是同时供多个程序使用(操作系统程序与多个用户程操作系统程序与多个用户程序共用系统资源序共用系统资源)-互斥共享互斥共享(打印机、变量打印机、变量)-同时访问同时访问(宏观宏观)49DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义并发和共享是操作系统的两个最基本的特并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。一方面，资征，它们又是互为存在的条件。一方面，资源共享是以程序源共享是以程序(进程进程)的并发执行为条件的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共

38、享问题；另一方面，若系统不能对在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好诸进程对共资源共享实施有效管理，协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。的程度，甚至根本无法并发执行。50DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义 虚拟性：通过某种技术把一个物理实体，变为虚拟性：通过某种技术把一个物理实体，变为若干个逻辑上的对应物若干个逻辑上的对应物 -多道程序中的多道程序中的CPU -SPOOLING技术技术(外围设备同时联机操作外围设备同时联机操作)-虚拟存储虚拟存储

39、 异步性和不确定性：异步性和不确定性：如何理解？如何理解？-程序执行结果不确定程序执行结果不确定 -多道程序中执行顺序不确定多道程序中执行顺序不确定51DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义如：现有两个运行程序共享相同变量如：现有两个运行程序共享相同变量 a：PA、PB并发执行，因此并发执行，因此PA与与PB之间能以任意速之间能以任意速度向前推进。度向前推进。？52DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义功能：功能：处理机管理处理机管理进程管理进程管理 存储器管理存储器管理内存资源内存资源 设备管理设备管理I/O设备设备 文件管理文

40、件管理硬盘管理和数据管理硬盘管理和数据管理53DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义OS基本概念基本概念进程管理进程管理设备管理设备管理存储管理存储管理文件管理文件管理用户接口用户接口54DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义OS结构结构随着操作系统的发展，功能越强，随着操作系统的发展，功能越强，OS自身代码量越自身代码量越来越大来越大采用良好的结构：有利于保证正确性以及采用良好的结构：有利于保证正确性以及自身修改和扩充。自身修改和扩充。模块组合结构模块组合结构 分层结构分层结构 微内核结构微内核结构55DHU 白恩健操作系操作系

41、统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义模块组合结构模块组合结构整个系统按功能进行设计和模块划分。并规定好模整个系统按功能进行设计和模块划分。并规定好模块之间的接口，然后分头对各个模块设计，最后按块之间的接口，然后分头对各个模块设计，最后按照接口关系把各个模块连接起来，形成完整的、模照接口关系把各个模块连接起来，形成完整的、模块化的操作系统。这种结构思想来源于服务功能观块化的操作系统。这种结构思想来源于服务功能观点，而不是资源管理的观点。如点，而不是资源管理的观点。如DOS系统。系统。优点优点：加速了：加速了OS研制过程、增加了研制过程、增加了OS灵活性、便灵活性、便于修改和维护。于修改和

42、维护。缺点缺点：接口定义困难、无序性。：接口定义困难、无序性。56DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义57DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义分层结构分层结构从资源管理观点出发，划分层次。在某一层次上代从资源管理观点出发，划分层次。在某一层次上代码只能调用低层次上的代码，使模块间的调用变为码只能调用低层次上的代码，使模块间的调用变为有序性。系统每加一层，就构成一个比原来功能更有序性。系统每加一层，就构成一个比原来功能更强的虚拟机。有利于系统的维护性和可靠性。强的虚拟机。有利于系统的维护性和可靠性。58DHU 白恩健操作系操作系

43、统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义特点特点：v 把无序性变为有序性；把无序性变为有序性；v 把模块间的复杂依赖关系改为单向依赖；把模块间的复杂依赖关系改为单向依赖；v 设计低层软件时无需考虑高层软件的实现方法；设计低层软件时无需考虑高层软件的实现方法；v 高层的错误不会影响低层；高层的错误不会影响低层；v 不会产生递归调用，避免死锁。不会产生递归调用，避免死锁。59DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义微内核结构微内核结构(Windows OS,采用面向对象程序设计采用面向对象程序设计)把操作系统分成若干分别完成一组特定功能的服务把操作系统分成若干分别

44、完成一组特定功能的服务进程，等待客户提出请求；系统内核只实现操作系进程，等待客户提出请求；系统内核只实现操作系统的基本功能统的基本功能(虚拟存储、消息传递、中断处理、进虚拟存储、消息传递、中断处理、进程通信程通信)。文件系统、网络功能、内存管理、设备管。文件系统、网络功能、内存管理、设备管理等作为服务在微内核上运行。理等作为服务在微内核上运行。客户客户/服务器模式服务器模式优点优点：内核易于实现、可移植性好、配置灵活、适：内核易于实现、可移植性好、配置灵活、适应分布式环境。应分布式环境。缺点缺点：速度较慢，消息传递开销引起效率的降低。：速度较慢，消息传递开销引起效率的降低。60DHU 白恩健操

45、作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义操作系统的设计涉及到两个层面上的接口问题：操作系统的设计涉及到两个层面上的接口问题：硬件层提供的编程接口：这是操作系统设计人员需硬件层提供的编程接口：这是操作系统设计人员需要掌握的硬件基础，操作系统软件通过控制这些编要掌握的硬件基础，操作系统软件通过控制这些编程接口达到控制硬件的目的。程接口达到控制硬件的目的。操作系统软件为用户提供使用的接口：这是计算机操作系统软件为用户提供使用的接口：这是计算机用户需要掌握的内容，通过操作系统接口，用户可用户需要掌握的内容，通过操作系统接口，用户可以利用操作系统来控制计算机。以利用操作系统来控制计算机。6

46、1DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义Windows 2000/XP结构图结构图62DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义UNIX系统内核结构63DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义例：例：在有一台处理机在有一台处理机CPU和两台输入输出设备和两台输入输出设备I/O1和和I/O2，且能且能够实现抢占式多任务并行工作的多道程序环境中，投入运行优先够实现抢占式多任务并行工作的多道程序环境中，投入运行优先级由高到低的级由高到低的3个作业：个作业：P1、P2、P3。它们使用设备的先后顺序它们使用设备的先

47、后顺序和占用设备的时间分别是：和占用设备的时间分别是：P1：I/O2(30ms)、CPU(10ms)、I/O1(30ms)、CPU(10ms)P2：I/O1(20ms)、CPU(20ms)、I/O2(40ms)P3：CPU(30ms)、I/O1(20ms)各设备的利用率指该设备的使用时间与作业全部完成所占用最长各设备的利用率指该设备的使用时间与作业全部完成所占用最长时间的比率。在控制程序介入时间可以忽略不计的假设下，作业时间的比率。在控制程序介入时间可以忽略不计的假设下，作业P1、P2、P3从投入到完成所用的时间分别是多少？三个作业从投从投入到完成所用的时间分别是多少？三个作业从投入运行到全部

48、完成，入运行到全部完成，CPU、I/O1、I/O2的利用率分别是多少？的利用率分别是多少？64DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义作业：作业：内存中有三道程序内存中有三道程序A、B、C，按，按A、B、C的的优先次优先次序执行。它们的计算和序执行。它们的计算和I/O操作时间表如下操作时间表如下(单位单位ms)A B C 计算计算 30 60 20 I/O 40 30 40 计算计算 10 10 20假如假如3道程序使用相同的设备进行道程序使用相同的设备进行I/O，画出单道运行和多画出单道运行和多道运行的时间关系图道运行的时间关系图(调度程序的执行时间忽略不计调度

49、程序的执行时间忽略不计)。两。两种情况下，完成种情况下，完成3道程序各需要多少时间？道程序各需要多少时间？65DHU 白恩健操作系操作系统课统课程程讲义讲义操作系统讲义操作系统讲义思考与练习：思考与练习：1 什么是操作系统？它在计算机系统中的位置和主什么是操作系统？它在计算机系统中的位置和主要作用是什么？要作用是什么？2 在操作系统中为什么要引入多道程序设计技术？在操作系统中为什么要引入多道程序设计技术？它带来了什么好处？它带来了什么好处？3 操作系统有哪三种基本类型？各有什么特点？操作系统有哪三种基本类型？各有什么特点？4 现代操作系统有哪些基本特征？如何理解异步性现代操作系统有哪些基本特征？如何理解异步性？66