操作系統(tǒng)概論之1引論

1操作系統(tǒng)概論2課程特點：概念多、原理性強、較抽象課程學習目的：基礎核心課有利于對計算機系統(tǒng)的理解和軟件開發(fā)3計算機基本模型計算機模型的基本方案是，如要使計算機能夠自動地計算，必須有一個存儲器用來存儲程序和數(shù)據(jù)；同時要有一個運算器，用以執(zhí)行指定的操作；有一個控制器，以便實現(xiàn)自動操作；另外，輔以輸入/輸出部件，以便輸入原始數(shù)據(jù)和輸出計算結(jié)果。于是形成了現(xiàn)代計算機的基本組成形式。4存儲器運算器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)指令控制器控制信號輸出器輸入器程序和數(shù)據(jù)存儲程序和程序控制計算機的組成5計算機系統(tǒng)的層次關系應用軟件操作人員操作系統(tǒng)軟件系統(tǒng)實用軟件計算機硬件6計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構

計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成1、硬件包括中央處理器、存儲器、輸入輸出控制系統(tǒng)和各種輸入輸出設備等。2、軟件包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件以及應用程序等。7計算機系統(tǒng)的組成8操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)是一組程序，是一種管理計算機系統(tǒng)資源，合理組織計算機的工作流程，協(xié)調(diào)計算機系統(tǒng)各部分之間、系統(tǒng)與用戶之間、用戶與用戶之間的關系，為用戶提供方便的、有效的、友善的服務界面的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)使整個計算機系統(tǒng)實現(xiàn)了高效率和高度自動化。9操作系統(tǒng)的作用管理計算機系統(tǒng)的資源用戶與計算機硬件之間的接口：操作系統(tǒng)向用戶提供使用計算機完成某類特定應用的界面或命令。具有擴充硬件的功能：用戶不用關心軟件對硬件的控制和操作，只需關注軟件的使用方式，操作系統(tǒng)屏蔽了計算機硬件的復雜性和物理、電氣等特性。10

作為資源管理的操作系統(tǒng)從作為機器功能擴充的觀點看，操作系統(tǒng)是為用戶提供基本的方便的接口，這是一種自頂向下的觀點。但是從用戶向機器的觀點或自底向上的觀點來看，操作系統(tǒng)則用來管理一個復雜計算機系統(tǒng)的各個部分。現(xiàn)代計算機包含處理器、存儲器、磁盤、終端、網(wǎng)絡接口、打印機以及許多其他設備。從這個角度來看，操作系統(tǒng)的任務是在相互競爭的程序之間有序地控制對處理器、存儲器以及其他I/O接口設備的分配。11資源管理基本功能處理器管理存儲管理文件管理設備管理作業(yè)管理121．處理器管理的功能

處理器管理的主要任務是對處理器進行分配，并對其運行進行有效的控制和管理。在多道程序環(huán)境下，處理器的分配和運行都是以進程為單位，所以對處理器的管理可理解為對進程的管理。132．存儲管理的功能內(nèi)存分配

主存儲器中允許同時容納各種軟件和多個用戶程序時，必須解決主存空間如何分配的問題。內(nèi)存分配的主要任務是為每道程序分配內(nèi)存空間，但要以存儲器利用率最高、減少不可用的內(nèi)存空間為準則，同時允許正在運行的程序申請附加的內(nèi)存空間，以適應程序和數(shù)據(jù)動態(tài)增長的需要。內(nèi)存保護和共享

內(nèi)存保護的主要任務是確保每道用戶程序在自己的內(nèi)存空間中運行，互不干擾，也就是說不允許用戶程序訪問操作系統(tǒng)和其他用戶的程序和數(shù)據(jù)。在多道程序設計的系統(tǒng)中，同時進入主存儲器執(zhí)行的作業(yè)可能要調(diào)用相同的程序。例如，調(diào)用編譯程序進行編譯，把這個編譯程序存放在某個區(qū)域中，各作業(yè)要調(diào)用時就訪問這個區(qū)域，因此這個區(qū)域就是共享的。同樣也可實現(xiàn)公共數(shù)據(jù)的共享。14地址映射一個應用程序經(jīng)編譯后，通常會形成若干個目標程序，這些目標程序再經(jīng)過鏈接而形成可執(zhí)行程序。地址映射要配合硬件做好地址轉(zhuǎn)換工作，把一組邏輯地址空間轉(zhuǎn)換成絕對地址空間，以保證處理器的正確執(zhí)行。內(nèi)存擴充

由于物理內(nèi)存的容量有限，難以滿足用戶的需要，存儲器管理的任務就是在不增加物理內(nèi)存的條件下，借助于虛擬內(nèi)存技術從邏輯上去擴充內(nèi)存容量，使用戶編制程序時不必考慮主存儲器的實際容量，使計算機系統(tǒng)似乎有一個比實際主存儲器容量大得多的主存空間。153．文件管理的功能

對用戶文件和系統(tǒng)文件進行管理，以方便用戶使用文件，并保證文件的安全性和可靠性。因此，文件管理具有對文件存儲空間的管理、目錄管理、文件的讀、寫等操作的管理以及文件的共享與保護等功能。164．設備管理的功能緩沖管理緩解CPU和I/O設備速度不匹配的矛盾，達到提高CPU和I/O設備利用率，提高系統(tǒng)吞吐量的目的。

設備分配設備分配的基本任務是根據(jù)用戶的I/O請求，為他們分配所需的設備。如果在I/O設備和CPU之間還存在設備控制器和通道，則還需為分配出去的設備分配相應的控制器和通道。17設備處理設備處理程序又稱設備驅(qū)動程序。其基本任務是實現(xiàn)CPU和設備控制器之間的通信。設備獨立性和虛擬設備用戶向系統(tǒng)申請和使用的設備與實際操作的設備無關。185．作業(yè)管理的功能使用計算機系統(tǒng)的目的是為了完成作業(yè)的運行。用戶采用什么方式把作業(yè)提交給計算機，操作系統(tǒng)根據(jù)什么原則挑選作業(yè)投入運行，又如何組織和調(diào)度作業(yè)，提高整個系統(tǒng)的工作效率，這就是作業(yè)控制管理要完成的任務。19

無操作系統(tǒng)的計算機人工操作方式有以下兩個缺點：（1）用戶獨占全部計算機系統(tǒng)資源。（2）CPU等待人工操作。用戶進行裝帶（卡）、卸帶（卡）等人工操作時，CPU這個系統(tǒng)最重要的資源空閑。手工操作計算機20操作系統(tǒng)的出現(xiàn)探索思路1：執(zhí)行成批處理探索思路2：多道程序并行21硬件發(fā)展的支持通道技術中斷技術22操作系統(tǒng)的主要分類多道批處理系統(tǒng)(Multi-BatchProgrammingSystem)分時系統(tǒng)(TimeSharingSystem)實時系統(tǒng)(Real-TimeSystem)23

批處理系統(tǒng)是指加載在計算機上的一個系統(tǒng)軟件，在它的控制下，計算機能夠自動地成批地處理一個或多個用戶的作業(yè)。

批處理系統(tǒng)可以分為單道批處理系統(tǒng)和多道批處理系統(tǒng)。24

在單道批處理系統(tǒng)中，每次只允許執(zhí)行一個作業(yè)，一批作業(yè)的程序和數(shù)據(jù)交給系統(tǒng)后，系統(tǒng)順序控制作業(yè)的執(zhí)行，當一個作業(yè)執(zhí)行結(jié)束后自動轉(zhuǎn)入下一個作業(yè)的執(zhí)行，CPU和輸入輸出設備是串行工作的。

2520世紀60年代中期產(chǎn)生了多道程序批處理系統(tǒng)多道，即內(nèi)存中可以同時存放著若干個作業(yè)，外存中則還存放著若干個后備性的作業(yè)。中央處理器輪流地執(zhí)行各個作業(yè)，各個作業(yè)可以同時使用各自所需的外圍設備。26多道批處理系統(tǒng)的特征

作業(yè)存在的多道性。作業(yè)運行的無序性。作業(yè)運行中的不可干預性。27多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)點

提高資源的利用率。增加了在單位時間內(nèi)完成作業(yè)的吞吐量。28多道批處理系統(tǒng)的缺點作業(yè)運行平均周期長。人機交互能力差。29分時系統(tǒng)(TimeSharingSystem)

在一個系統(tǒng)中，如果多個用戶分時地使用同一計算機，那么這樣的系統(tǒng)稱為分時系統(tǒng)（Time-SharingSystem）。SC1C2C330分時技術是把處理器的時間分成很短的時間片，這些時間片輪流地分配給各個聯(lián)機的各作業(yè)使用。如果某作業(yè)在分配給它的時間片用完時仍未完成，則該作業(yè)就暫時中斷，等待下一輪運行，并把處理器的控制權讓給另一個作業(yè)使用。這樣在一個相對較短的時間間隔內(nèi)，每個用戶作業(yè)都能得到快速響應，以實現(xiàn)人機交互。31分時操作系統(tǒng)的分類單道分時系統(tǒng)多道分時系統(tǒng)32分時系統(tǒng)的主要特點

多路性獨占性及時性交互性實時響應存在不足33實時系統(tǒng)(RealTimeSystem)

實時，指的是“立即響應”，即對指定作業(yè)響應的及時性要比分時系統(tǒng)高得多。實時系統(tǒng)的具體含義是指系統(tǒng)能夠及時響應隨機發(fā)生的外部事件，并在嚴格的時間范圍內(nèi)完成對該事件的處理34實時操作系統(tǒng)的分類實時控制實時控制系統(tǒng)的主要特點是：與被控制過程的變化速度相比，其反應速度要足夠快；工作安全可靠，即使系統(tǒng)硬件發(fā)生故障，系統(tǒng)也能安全運行；操作人員使用系統(tǒng)也簡單、方便。實時信息處理典型的實時信息處理系統(tǒng)有：飛機訂票系統(tǒng)、情報檢索系統(tǒng)等。35實時系統(tǒng)實現(xiàn)的注意要點實時時鐘管理連續(xù)人——機對話過載保護高可靠性36現(xiàn)代操作系統(tǒng)的主要特征并發(fā)（Concurrence）：在一段時間內(nèi)同時做幾件事，這包括主機處理器與若干外設在真正地并行工作，也包括多道作業(yè)微觀上輪流執(zhí)行而形成宏觀上的同時運行。

共享（Sharing）：多道作業(yè)共同分享使用系統(tǒng)的資源（CPU、內(nèi)存、磁盤、打印機、磁盤上的數(shù)據(jù)和程序等等）。37操作系統(tǒng)的發(fā)展

微機操作系統(tǒng)網(wǎng)絡操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)38到20世紀80年代，隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展產(chǎn)生了微型計算機，配置在微機上的操作系統(tǒng)稱為微機操作系統(tǒng)。最早出現(xiàn)的微機操作系統(tǒng)是8位微機上的CP/M，它是一個單用戶單任務操作系統(tǒng)，即只允許一個用戶上機，且只允許用戶程序作為一個任務運行。

1981年IBM公司推出16位的IBM-PC個人計算機，并在其上采用了微軟公司開發(fā)的MS-DOS操作系統(tǒng)。

微機操作系統(tǒng)391987年4月，IBM公司推出了OS/2，其最初的版本OS/21.X是針對80286開發(fā)的，仍屬16位操作系統(tǒng)，但已能實現(xiàn)真正的多任務處理。

1990年微軟公司推出Windows3.0，其友好的圖形用戶界面及易學易用的特點使其很快占領了個人計算機操作系統(tǒng)的市場。1995年推出的Windows95及1998年推出的Windows98成為32位多任務操作系統(tǒng)的主流。40如果允許多個用戶通過各自的終端，使用同一臺主機共享主機系統(tǒng)中的各類資源，而每個用戶程序又可進一步分為幾個任務，使它們并發(fā)執(zhí)行，從而進一步提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，則這種操作系統(tǒng)稱多用戶多任務操作系統(tǒng)。在大、中、小型計算機上都可以配置多用戶多任務操作系統(tǒng)，在微機上也有很多配置多用戶多任務操作系統(tǒng)，最有代表性的是UNIX操作系統(tǒng)。41計算機技術和通訊技術的結(jié)合使得計算機用戶資源共享及相說互通信的愿望成為可能，即在一臺計算機上可以使用其他機器上的資源或進行通信。這樣計算機網(wǎng)絡的概念得以產(chǎn)生。一些獨立自治的計算機利用通信線路相互連接形成的計算機的集合，稱為計算機網(wǎng)絡。為計算機網(wǎng)絡配置的操作系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡操作系統(tǒng)42網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的主要功能共享資源、用戶通信、網(wǎng)絡管理、安全控制……提供高效而可靠的網(wǎng)絡通信能力。提供多種網(wǎng)絡服務。(1)遠程數(shù)據(jù)錄入服務。(2)提供多種系統(tǒng)服務。(3)文件傳輸服務?！?3大量的實際應用要求一個一體化的系統(tǒng)，用戶希望以統(tǒng)一的界面，標準的接口去使用系統(tǒng)的各種資源，實現(xiàn)所需的各種操作，這就導致了分布式系統(tǒng)的出現(xiàn)。一個分布式系統(tǒng)是若干計算機的集合，它們都有自己的局部存儲器和外部設備，但分布式系統(tǒng)是一個一體化的系統(tǒng)，在系統(tǒng)中有一個全局操作系統(tǒng)，即分布式操作系統(tǒng)，它負責整個系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度、任務劃分、信息傳輸、控制協(xié)調(diào)等工作，為用戶提供一個統(tǒng)一的界面，標準的接口，用戶通過這一界面實現(xiàn)所需的操作和使用系統(tǒng)的資源，但操作和計算是在哪一臺計算機上執(zhí)行或使用哪個計算機的資源則由操作系統(tǒng)自動完成，用戶不用知道，即分布式操作系統(tǒng)對用戶是透明的。分布式操作系統(tǒng)44隨著計算機技術對各個應用領域的滲透，計算機硬件不再以物理上獨立的裝置形式出現(xiàn)，而是大部分或全部都隱藏和嵌入到各種應用系統(tǒng)中，這樣的系統(tǒng)稱為嵌入式（計算機）系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是指運行在嵌入式（計算機）系統(tǒng)中對各種部件、裝置等資源進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、處理和控制的系統(tǒng)軟件。主要特點：微型化實時性嵌入式操作系統(tǒng)45系統(tǒng)資源的特點從“是否能被幾個作業(yè)同時使用”的角度看，分為“共享資源”和“獨享資源”從“當被一個作業(yè)使用時是否還能被其他作業(yè)搶奪去使用”的角度看，分為“可搶占的資源(可剝奪性資源)”和“不可搶占的資源(不可剝奪性資源)”從“是否能被反復使用”的角度看，分為“永久資源(可重用資源)”和“臨時資源(不可重用資源)”46管理資源的一般方法1、確定資源的分配原則2、隨時記錄資源的狀況3、隨時記錄各個作業(yè)的需求4、根據(jù)已經(jīng)確定的原則，按照需求和可能實施分配5、隨時了解各個作業(yè)對所分配資源的使用情況47處理器的工作狀態(tài)特權指令管態(tài)和目態(tài)程序狀態(tài)字48特權指令和非特權指令1.特權指令：只有OS才能使用的指令，不允許用戶程序隨意使用。如訪問關鍵寄存器、I/O敏感指令（中斷屏蔽、端口讀寫）等等……2.非特權指令：用戶程序中可以使用的指令。49管態(tài)和目態(tài)1.管態(tài)：CPU運行OS程序時的狀態(tài)。

2.目態(tài)：CPU運行用戶程序時的狀態(tài)。當CPU處于目態(tài)時，不允許執(zhí)行特權指令：當CPU處于管態(tài)時，可執(zhí)行包括特權指令在內(nèi)的一切指令。50PSW(programstatusword)1.程序狀態(tài)字：為了硬件的控制方便，將反映程序運行中指令一級的硬件系統(tǒng)狀態(tài)的信息集中在一個機器字中，稱為程序狀態(tài)字。

2.設置程序狀態(tài)字的目的:控制指令執(zhí)行的順序，保留和指示與程序有關的硬件系統(tǒng)狀態(tài)。

3.PSW寄存器：CPU中存放PSW的寄存器，存放正起控制作用的現(xiàn)行PSW。51■12位（C）：控制方式0：基本方式1：虛擬方式■13位(M)：機器校驗中斷屏蔽0：屏蔽1：響應■14位(W)：等待/計算狀態(tài)0：CPU工作，執(zhí)行指令1：CPU空轉(zhuǎn)■15位(P)：目態(tài)/管態(tài)位0：管態(tài)，可執(zhí)行特權指令1：目態(tài)，不可執(zhí)行特權指令52操作系統(tǒng)與用戶的接口

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用戶利用計算機解決問題，大致可分成兩個步驟：首先是編制程序，其次是使程序在計算機上運行?！?/p>

操作系統(tǒng)向用戶提供了兩類使用接口：一類用于程序一級，即系統(tǒng)調(diào)用接口（程序員接口）;

一類用于作業(yè)控制一級，即系統(tǒng)命令接口（操作員接口）。53

程序級：系統(tǒng)調(diào)用命令作業(yè)級鍵盤操作命令作業(yè)控制命令操作系統(tǒng)向用戶提供的兩類接口

操作系統(tǒng)

計算機54★系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)向用戶提供的程序一級的服務，用戶程序可以在源程序一級借助于系統(tǒng)調(diào)用命令來向操作系統(tǒng)提出各種資源要求和服務請求。（如，請求使用各種外部設備進行信息傳輸、向系統(tǒng)申請資源等）。程序員接口55用戶程序函數(shù)操作系統(tǒng)凡是與硬件相關、與應用無關的工作，都通過操作系統(tǒng)程序來完成，系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給編程人員的唯一接口。編程人員通過系統(tǒng)調(diào)用使用操作系統(tǒng)內(nèi)核所提供的各種功能。56系統(tǒng)調(diào)用功能分類1.設備管理2.文件管理3.進程控制4.進程通信5.存儲管理6.系統(tǒng)管理57。。。調(diào)用指令（SVCN）。。。。（1）保留用戶程序現(xiàn)場（2）取系統(tǒng)調(diào)用命令號并找到子程序入口（3）返回A0A1…An