计算机操作系统 伍 俊 明 wujunming@126.com yue 计算机工程学院 伍俊明

计算机操作系统 教学内容 考核方式 第1章 操作系统引论 考试成绩：70% 第2章 进程管理 平时：30% 第3章 处理机调度与死锁 第4章 存储管理 第5章 设备管理 第6章 文件管理 第7章 操作系统接口 第8章 网络操作系统 第9章 系统安全性 考核方式 考试成绩：70% 平时：30% 考勤：10% 作业：10% 实验：10% 计算机工程学院 伍俊明

教材与参考文献 教材 计算机操作系统（第三版），汤小丹等，电子工业出版社，2013.6 参考书 操作系统精髓与设计原理（原书第6版），William Stallings，机械工业出版社，2011.5 操作系统习题解答与实验指导，李珍 等编著，中国铁道出版社，2010年第3版。 计算机操作系统学习指导与题解（第二版），汤晓丹 等编著，西安电子科技大学出版社，2008年7月 操作系统：设计与实现，Andrew S. Tanenbaum，机械工业出版社，2004.6 计算机工程学院 伍俊明

第1章 操作系统引论 思考题 1、大家是否听说过“操作系统”概念？是否接触或使用过某种操作系统？ 2、操作系统有什么功能或作用？计算机中能否不用安装操作系统？ 3、计算机中有哪些硬件资源？怎样管理与使用？

第1章 操作系统引论 本章教学内容： 1.1 操作系统的目标与作用 1.2 操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特性 1.4 操作系统的主要功能 1.5 操作系统结构设计 计算机工程学院 伍俊明

第1章 操作系统引论 硬 件 操 作 系 统 编译程序 数据库管理系统 各 种 应 用 软 件 汇编程序 硬 件 操 作 系 统 编译程序 数据库管理系统 各 种 应 用 软 件 汇编程序 系统软件 应用软件 软 件 操作系统是最靠近硬件的系统软件，任何软件的运行都离不开操作系统的支持。计算机中所有资源（包括硬件、软件、数据）都是通过操作系统管理与使用。 计算机工程学院 伍俊明

1.1 操作系统的目标和作用 不同类型的计算机、不同的应用环境，配置的操作系统不同。 操作系统的目标 有效性：提高系统资源利用率，提高系统吞吐量 方便性：提供多种接口 可扩充性：适应计算机硬件、体系结构（多机系统、分布式系统）以及应用发展的要求 开放性：遵循世界标准规范，便于软硬件兼容和系统互连，如应用程序接口（API）标准，网络互联标准。 计算机工程学院 伍俊明

1.1 操作系统的目标和作用 操作系统的作用 用户与计算机硬件系统之间的接口，包括用户接口（命令方式，图形/窗口方式）、系统调用方式 计算机系统资源的管理者，包括硬件和软件资源，如处理器、存储器、I/O设备、程序和数据 对计算机资源的抽象：在原有机器的基础上，增加一层或多层软件后得到的功能更强大的新机器。 计算机工程学院 伍俊明

1.1 操作系统的目标和作用 OS 经Java运行环境包装产生的Java虚拟机 经OS多层软件包装产生的强大、易用的虚拟机

1.1 操作系统的目标和作用 推动操作系统发展的主要动力 不断提高计算机资源利用率（例如：批处理系统和多道程序设计技术） 方便用户使用（例如：分时系统、图形用户界面） 器件的不断更新换代（32位OS——>64位OS） 计算机体系结构的不断发展 （单机OS——网络OS——分布式OS ） 计算机工程学院 伍俊明

1.2 操作系统的发展过程 1.2.1 无操作系统的计算机系统（第一代计算机） 人工操作方式 人工直接使用硬件 存在严重缺点 预约上机（联机——On-Line） 程序和数据事先穿孔到纸带上，装入纸带输入机 启动这些输入设备，读入序和数据，启动计算机 取走计算结果 存在严重缺点 用户独占全机，资源独占，资源利用率低 CPU等待人工操作，I/O、CPU、人工串行工作 计算机工程学院 伍俊明

1.2 操作系统的发展过程 1.2.1 无操作系统的计算机系统 脱机输入输出方式 引入外围机，实行并行与并发操作 优点： 减少了CPU的空闲时间 实现了CPU与I/O的并行工作 提高I/O速度 使用了更熟练的操作员 使用了更快速的磁带 缺点： 仍需人工干预 图1-3　脱机I/O示意图 计算机工程学院 伍俊明

1.2 操作系统的发展过程 1.2.2 单道批处理系统（第二代计算机） 单道批处理系统的处理过程 主要改进 引入监督程序，作业自动切换。 监督程序常驻内存 工作方式 作业成批组织 作业单道执行 主要特征 自动性 顺序性 单道性 计算机工程学院 伍俊明

1.2 操作系统的发展过程 1.2.3 多道批处理系统（第三代计算机） 多道批处理系统（Multiprogrammed Batch Processing System）在60年代中期产生，产生基础： 硬件基础：中断、通道技术 软件基础：多道程序设计技术 多道程序设计：在内存中同时保持多道程序，主机以交替方式同时处理多道程序，可以实现CPU与I/O设备的并行工作，有利于提高系统资源的利用率。 提高CPU利用率 提高内存和I/O设备利用率 增加系统吞吐量 计算机工程学院 伍俊明

1.2 操作系统的发展过程 I/O中断请求 I/O中断请求 用户程序 启动I/O I/O完成 启动I/O I/O完成 监督程序 结束中断 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 单道程序运行情况 A I/O请求 A I/O完成 A被调度 A结束 运行A 执行A之I/O 程序A B I/O完成 B I/O请求 执行B之I/O 运行B 程序B C I/O请求 C I/O完成 C被调度 运行C 程序C D I/O请求 运行D 执行D之I/O 程序D 启动AI/O 启动BI/O 启动CI/O 启动D I/O 调度程序 四道程序运行情况

1.2 操作系统的发展过程 1.2.3 多道批处理系统 多道批处理系统的优缺点 资源利用率高 系统吞吐量大 吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量 平均周转时间长 作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。 由成批处理的作业组织方式所决定 无交互能力 用户一旦提交作业后，直至完成前都不能进行交互 对修改和调试程序很不方便 计算机工程学院 伍俊明

1.2 操作系统的发展过程 1.2.3 多道批处理系统 多道批处理系统需要解决的问题处理机管理问题 内存管理问题 I/O设备管理问题 文件管理问题 作业管理问题 计算机工程学院 伍俊明

1.2 操作系统的发展过程 1.2.4 分时系统：交互式系统+多道程序设计 分时系统的产生 人机交互 共享主机 便于用户上机 分时系统：在一台主机上连接多个终端（键盘、显示器），同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式分时使用计算机，共享主机的资源。 分时系统实现中的关键问题 及时接收：键盘缓冲区+多路采集卡 及时处理：作业直接入内存，不允许一个作业长期占用处理机 计算机工程学院 伍俊明

1.2 操作系统的发展过程 1.2.4 分时系统 分时系统的工作方式 用户作业直接进入内存（批处理是先入磁盘） 基于时间片轮转分配CPU时间 分时系统的特征 多路性——宏观上同时，微观上轮流 独立性——虚拟CPU 及时性 以人们所能接受的等待时间来确定的，通常仅为1～3秒钟 交互性——最重要特征 计算机工程学院 伍俊明

1.2 操作系统的发展过程 1.2.5 实时系统 实时系统：系统能及时(或即时)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。 应用需求 实时控制 实时信息处理 实时任务 按是否呈现周期分：周期性实时任务、非周期性实时任务 根据对截止时间的要求分：硬实时任务、软实时任务 计算机工程学院 伍俊明

1.2 操作系统的发展过程 1.2.6 微机操作系统的发展 按字长分：8位、16位、32位、64位OS 按运行方式： 单用户单任务操作系统 CP/M（ 8位）和MS-DOS （16位） 单用户多任务操作系统 Windows系列（32位、64位） 多用户多任务操作系统 UNIX（变体： Linux 、Solaris）、VMS等（32位、64位） 计算机工程学院 伍俊明

1.3 操作系统的基本特性 三种基本操作系统 多道批处理系统——侧重系统性能高 分时系统——侧重交互性 实时系统——侧重及时性 操作系统的基本特征 并发（最重要特征） 共享 虚拟 异步 计算机工程学院 伍俊明

1.3 操作系统的基本特性 1.3.1 并发性 并行性（Parallel）：指两个或多个事件在同一时刻发生 并发性（Concurrence）： 指两个或多个事件在同一时间间隔内发生 在单处理机系统和多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但微观上这些程序只能是交替执行 并发执行的基本单位——进程或线程 严格说，程序（Program）是不能并发执行的。 为实现并发执行，须将程序改造成进程（Process） 进一步提高系统的并发性，在进程基础上引入线程（Thread）操作系统 计算机工程学院 伍俊明

1.3 操作系统的基本特性 1.3.2 共享性 共享：指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用。 两种资源共享方式 互斥共享——如何实现是OS的一个重要问题！ 一段时间内只允许一个进程(线程)访问特定资源 临界资源或独占资源：大多数物理设备，以及软件中所用的栈、变量和表格等。它们要求被互斥地共享。 同时访问 针对磁盘、可重入文件等 宏观上同时，微观上交替访问 计算机工程学院 伍俊明

1.3 操作系统的基本特性 1.3.3 虚拟技术 虚拟（Virtual） 是指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。虚拟性是用户的一种感觉。 OS中的虚拟技术 虚拟处理机：多道程序设计技术（分时系统） 虚拟内存：虚拟存储技术 虚拟外部设备：SPOOLing技术（实现虚拟打印机） 虚拟信道：多路复用技术 计算机工程学院 伍俊明

1.3 操作系统的基本特性 1.3.3 虚拟技术 时分复用技术 亦即分时使用方式。 可以实现虚拟处理机、虚拟外部设备等，以提高资源的利用率。 空分复用技术 用来提高存储空间的利用率。 虚拟磁盘技术允许将一个硬盘划分为多个逻辑驱动器；虚拟内存技术使用外存空间从逻辑上扩充内存空间。

1.3 操作系统的基本特性 1.3.4 异步性 异步性（Asynchronism） 多道程序环境下，进程是以人们不可预知的速度向前推进（走走停停而非一气呵成），此即进程的异步性。 异步性也称为不确定性。不确定性并非运行结果的不确定，而是执行顺序、执行进度的不确定（只要运行环境相同，同一个作业经多次运行，都会获得完全相同的结果）。 计算机工程学院 伍俊明

1.4 操作系统的主要功能 1.4.1 处理机管理功能 进程控制：创建和撤消进程/线程，实现进程/线程运行过程中的状态转换。 进程同步：为多个进程/线程的运行进行协调，包括互斥访问临界资源、相互合作完成特定任务等。 进程通信：实现相互合作的进程之间的信息交换，包括：共享存储器、消息传递、管道通信。 调度：包括作业调度和进程调度。 计算机工程学院 伍俊明

1.4 操作系统的主要功能 1.4.2 存储器管理功能 内存分配与回收:包括静态分配和动态分配 内存保护:防止非法或越界访问，需要硬软件配合实现 地址映射（重定位）:实现逻辑地址到物理地址的变换，分为静态重定位和动态重定位 内存扩充:从逻辑上去扩充内存容量，主要技术：覆盖、交换和虚拟存储技术

1.4 操作系统的主要功能 1.4.3 设备管理功能 设备分配：按照某种设备分配策略，为进程分配所需的设备。对于独占设备（临界资源）的分配，还应考虑到分配的安全性。设备使用完后，应进行回收。 设备处理：驱动设备进行用户请求的I/O操作 缓冲管理：引入缓冲可有效地缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率。 设备独立性 是指应用程序独立于具体使用的物理设备。应用程序使用逻辑设备，OS将对逻辑设备的请求映射到实际的物理设备。 I/O软件屏蔽物理设备的具体细节，向高层软件提供抽象的逻辑设备，有利于提高OS的可移植性和易适应性

1.4 操作系统的主要功能 1.4.4 文件管理功能 文件存储空间管理 管理外存磁盘空间的分配与回收 目录管理 文件目录项的组织与管理，目录管理有利于实现文件的按名存取 文件读/写管理 文件共享与保护 计算机工程学院 伍俊明

1.4 操作系统的主要功能 1.4.5 操作系统与用户之间的接口 用户接口 联机用户接口：通过键盘命令运行程序，实现对作业控制 脱机用户接口：通过作业控制语言实现对批处理作业的控制 图形用户接口：通过图形界面 程序接口（也称系统调用或API）：针对程序员 系统调用现在也常以语言库函数的形式出现 计算机工程学院 伍俊明

1.5 操作系统结构设计 1.5.1 传统的操作系统结构 无结构的操作系统：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，没有清晰的程序结构，缺乏首尾一致的设计思想。 模块化结构操作系统：采用软件工程概念，进行系统的分解、设计。 分层式结构操作系统：将系统分解成若干层，每一层都仅使用其底层所提供的功能和服务，这样可使系统的调试和验证都变得容易。

1.5 操作系统结构设计 1.5.2 客户/服务器模式 客户/服务器模式：系统分成客户机、服务器两个组成部分，客户机提出服务请求，服务器提供服务。 1.5.3 面向对象的程序设计 对象、对象类 1.5.4 微内核操作系统结构 微内核：精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核，基于客户/服务器模式。 微内核的基本功能：进程/线程管理、存储管理、中断与陷入处理 微内核操作系统的优点：可扩展性更好，可靠性提高，可移植性提高，支持分布式系统/处理 计算机工程学院 伍俊明

第1章 操作系统引论 作业 ： 1、操作系统是如何分类的？ 2、试比较分时操作系统与实时操作系统。 3、操作系统有哪些基本特性？ 4、操作系统的主要功能有哪些？