《操作系統(tǒng)》第一章：操作系統(tǒng)概述

2023/12/51第1章操作系統(tǒng)概述

本章主要內(nèi)容：

1.1操作系統(tǒng)的概念

1.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能

1.3操作系統(tǒng)的發(fā)展和主要成就

1.4

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征

1.5UNIX操作系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史

1.6Windows操作系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史

1.7

操作系統(tǒng)啟動(dòng)引導(dǎo)過(guò)程2023/12/52第1章操作系統(tǒng)概述

1.1操作系統(tǒng)的概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成示意圖…財(cái)務(wù)系統(tǒng)航空訂票上網(wǎng)瀏覽電子商務(wù)科學(xué)計(jì)算(應(yīng)用軟件)…用戶(hù)n用戶(hù)4用戶(hù)3用戶(hù)2用戶(hù)1編譯程序匯編程序數(shù)據(jù)庫(kù)(支撐軟件)…實(shí)用程序操作系統(tǒng)(系統(tǒng)軟件)計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位:操作系統(tǒng)處于計(jì)算機(jī)硬件和應(yīng)用軟件和用戶(hù)之間，是“中介機(jī)構(gòu)”

計(jì)算機(jī)硬件對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是透明的2023/12/53第1章操作系統(tǒng)概述

1.1操作系統(tǒng)的概念管理資源的觀點(diǎn)OS是資源管理者處理器管理存儲(chǔ)管理設(shè)備管理文件管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的觀點(diǎn)OS是虛擬機(jī)虛擬機(jī)OS結(jié)構(gòu)OS運(yùn)行模型安全與保護(hù)動(dòng)態(tài)觀察方法靜態(tài)觀察方法進(jìn)程交互觀點(diǎn)進(jìn)程、線程、調(diào)度互斥與同步通信死鎖OS是程序執(zhí)行控制者

用戶(hù)角度接口服務(wù)OS是服務(wù)提供者服務(wù)用戶(hù)的觀點(diǎn)

系統(tǒng)角度研究和觀察操作系統(tǒng)2023/12/54第1章操作系統(tǒng)概述

1.1操作系統(tǒng)的概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次視圖操作系統(tǒng)的地位：緊貼系統(tǒng)硬件之上，所有其他軟件之下（是其他軟件的共同環(huán)境）相鄰層之間可以溝通，每層對(duì)下一層負(fù)責(zé)，是上一層的“譯員”2023/12/55第1章操作系統(tǒng)概述

1.1操作系統(tǒng)的概念

什么是操作系統(tǒng)？

操作系統(tǒng)的定義：

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)系統(tǒng)軟件，它是這樣一些程序模塊的集合：它們能有效地組織和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，控制程序的執(zhí)行，并向用戶(hù)提供各種服務(wù)功能，使用戶(hù)能夠靈活、方便和有效地使用計(jì)算機(jī)，使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能高效地運(yùn)行。教材中的定義：

操作系統(tǒng)是一直運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的程序（通常稱(chēng)為內(nèi)核），其他程序則稱(chēng)為系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。2023/12/56第1章操作系統(tǒng)概述

1.1操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的作用：3種觀點(diǎn)(3)

OS是擴(kuò)展機(jī)(extendedmachine)/虛擬機(jī)(virtualmachine)。

在裸機(jī)上添加：設(shè)備管理、文件管理、存儲(chǔ)管理(內(nèi)存和外存)、處理機(jī)管理（CPU）另外，為合理組織工作流程：作業(yè)管理、進(jìn)程管理(2)

OS是用戶(hù)使用系統(tǒng)硬件、軟件的接口。通常包括兩種方式：系統(tǒng)命令（命令行、菜單式、命令腳本式、圖形用戶(hù)接口GUI）；系統(tǒng)調(diào)用（類(lèi)似于過(guò)程調(diào)用，在應(yīng)用編程中使用）(1)

OS是計(jì)算機(jī)硬件、軟件資源的管理者。

管理對(duì)象包括：CPU、存儲(chǔ)器、外部設(shè)備、信息（數(shù)據(jù)和軟件）；

管理的內(nèi)容：資源的當(dāng)前狀態(tài)（數(shù)量和使用情況）、資源的分配、回收和訪問(wèn)操作，相應(yīng)管理策略（包括用戶(hù)權(quán)限）2023/12/57第1章操作系統(tǒng)概述

1.1操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的特征：

操作系統(tǒng)作為一種系統(tǒng)軟件，有著與其他軟件不同的特征3

隨機(jī)性－

OS所管理和處理的資源和事件有一定的隨機(jī)性（1）系統(tǒng)中所運(yùn)行的程序的行為是隨機(jī)的（2）系統(tǒng)硬件設(shè)備的情況是隨機(jī)的：有無(wú)故障，忙/閑，何時(shí)發(fā)中斷請(qǐng)求2

共享性－

OS與多個(gè)用戶(hù)程序共用系統(tǒng)中的各種資源，而且這種共享是在操作系統(tǒng)控制協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)的1

并發(fā)性－系統(tǒng)中同時(shí)存在多個(gè)程序，宏觀上看它們同時(shí)向前推進(jìn)（1）單CPU系統(tǒng)：并發(fā)體現(xiàn)在程序交替使用CPU運(yùn)行（時(shí)間片）；宏觀上、表面上的并行，微觀上偽并行（2）多CPU系統(tǒng)：除了有（1）的特征外，在微觀（處理器級(jí)）也是并發(fā)的（3）分布式系統(tǒng)：多個(gè)計(jì)算機(jī)的并行使程序的并發(fā)特征得到充分體現(xiàn)2023/12/58

UNIX:BSD,SRV4,OSF1,Solaris,IBM-AIX，

Linux

MSOS:MSDOS,Windows3.x/95/98/2000/XP，

WindowsNT

Novell：NovellNetware第1章操作系統(tǒng)概述

1.1操作系統(tǒng)的概念

操作系統(tǒng)舉例：

2023/12/59第1章操作系統(tǒng)概述

1.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.1操作系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)方便：

操作系統(tǒng)使計(jì)算機(jī)更易于使用

（這是OS產(chǎn)生的根本原因）有效：

操作系統(tǒng)允許以更有效的方式使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源

（以?xún)?yōu)化的算法合理分配、調(diào)度資源，提高效率）擴(kuò)展的能力：

在構(gòu)造操作系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮如何有效地?cái)U(kuò)展新功能

原因：（1）硬件升級(jí)；（2）用戶(hù)新的服務(wù)要求；

（3）OS糾正錯(cuò)誤。2023/12/510第1章操作系統(tǒng)概述

1.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.2操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)要做什么?管理所有硬件資源！2023/12/511偉大的馮諾依曼認(rèn)為，計(jì)算機(jī)由五大部件組成:輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器OS需要管理CPU(運(yùn)算器、控制器)OS需要管理memory(內(nèi)存)OS需要管理disk(外存)OS需要管理IO(輸入/輸出設(shè)備)進(jìn)程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)I/O系統(tǒng)課程核心內(nèi)容第1章操作系統(tǒng)概述

1.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能2023/12/512第1章操作系統(tǒng)概述

1.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.2操作系統(tǒng)的功能

從大的方面來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)具有如下5個(gè)功能：

1.進(jìn)程管理

2.存儲(chǔ)管理

3.文件管理

4.作業(yè)管理

5.設(shè)備管理2023/12/513第1章操作系統(tǒng)概述

1.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.2操作系統(tǒng)的功能

1.進(jìn)程管理：（1）進(jìn)程的概念是由描述多道程序的并發(fā)執(zhí)行而引入的；（2）進(jìn)程管理實(shí)質(zhì)上是對(duì)處理器的管理：

處理器分配調(diào)度策略、進(jìn)行分配、進(jìn)行回收再分配等2023/12/514第1章操作系統(tǒng)概述

1.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.2操作系統(tǒng)的功能

2.存儲(chǔ)管理

管理內(nèi)存和外存資源，但主要是內(nèi)存管理

解決多程序共享內(nèi)存遇到的問(wèn)題：為進(jìn)程分配、釋放內(nèi)存空間；進(jìn)行程序和數(shù)據(jù)隔離；虛擬存儲(chǔ)器：內(nèi)存、外存結(jié)合管理2023/12/515第1章操作系統(tǒng)概述

1.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.2操作系統(tǒng)的功能

3.文件管理

解決大容量、“永久”存儲(chǔ)器，即外存（磁盤(pán)、

光盤(pán)等）的管理問(wèn)題計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中信息資源以文件形式存放

文件管理要解決的問(wèn)題：外存的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)（比如FAT32、NTFS等）文件系統(tǒng)（文件格式、目錄等）文件的讀、寫(xiě)、修改磁盤(pán)調(diào)度：對(duì)磁盤(pán)訪問(wèn)的響應(yīng)策略等

（電梯響應(yīng)例子）2023/12/516第1章操作系統(tǒng)概述

1.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.2操作系統(tǒng)的功能

4.作業(yè)管理

從用戶(hù)的角度來(lái)看，OS是用戶(hù)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的“中介機(jī)構(gòu)”因此，作業(yè)管理的任務(wù)是為用戶(hù)提供一個(gè)環(huán)境：接收用戶(hù)的任務(wù)，并提交給計(jì)算機(jī)運(yùn)行

比如Windows的程序管理模塊Explorer.exe，

UNIX的C-Shell、B-Shell模塊2023/12/517第1章操作系統(tǒng)概述

1.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.2操作系統(tǒng)的功能

5.設(shè)備管理

管理所有I/O設(shè)備，包括設(shè)備控制器等。如Printer，Keyboard，Mouse…

顯示卡，USB接口…

2023/12/518第1章操作系統(tǒng)概述

1.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能1.2.2操作系統(tǒng)的功能

需要說(shuō)明的問(wèn)題：

1.除上述管理以外，OS還要具備中斷處理、錯(cuò)誤處理等功能

2.上述的OS功能并非完全獨(dú)立，而是互相依賴(lài)的關(guān)系2023/12/519第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

1.手工操作

2.簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)

3.多道程序批處理系統(tǒng)

4.分時(shí)系統(tǒng)

5.UNIX6.DOS、Windows7.Linux2023/12/520第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

1.手工操作稱(chēng)為OS的史前“文明”（1）手工輸入機(jī)器碼（2）上世紀(jì)50年代早期，出現(xiàn)卡片讀入裝置，機(jī)器碼

程序通過(guò)卡片穿孔記錄并輸入（3）出現(xiàn)匯編語(yǔ)言及匯編編譯程序，及外設(shè)控制程序

特點(diǎn)：手工操作，獨(dú)占所有資源，效率極低程序員兼操作員2023/12/521第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

2.簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)

●監(jiān)督程序●單道批處理●

OS的雛形

背景：上世紀(jì)50中期，晶體管出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)性能比較可靠，批量生產(chǎn)并銷(xiāo)售，用戶(hù)期望其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行

計(jì)算機(jī)廠商設(shè)計(jì)了管理程序（監(jiān)督程序）

1956年出現(xiàn)FORTRAN高級(jí)語(yǔ)言

1958年出現(xiàn)ALGOL高級(jí)語(yǔ)言2023/12/522第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

2.簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)

管理程序(監(jiān)督程序)能批

量讀入作業(yè)程序、能夠自

動(dòng)識(shí)別一個(gè)作業(yè)，處理后

再取下一個(gè)作業(yè)

--這就是“批處理”方式

由于作業(yè)是被串行執(zhí)行，故稱(chēng)“單道批處理”作業(yè)卡片示意圖DataforProgram2023/12/523第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

2.簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)常駐主存監(jiān)控程序布局圖$JOB$FTN…(Fortran程序)…$LOAD$RUN…(數(shù)據(jù))…$END作業(yè)卡片內(nèi)容序列圖2023/12/524第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

3.多道程序批處理系統(tǒng)

●標(biāo)志現(xiàn)代意義上的OS出現(xiàn)

背景：計(jì)算機(jī)進(jìn)入第三代

（1）主存、輔存容量增大，可以同時(shí)裝入多個(gè)程序到主存（2）出現(xiàn)代替CPU管理設(shè)備的“DMA通道”，使得I/O操作與CPU并行成為可能這一代典型的OS是FMS（FORTRANMonitorSystem)

和IBMSYS（IBM為7094計(jì)算機(jī)配備的OS）2023/12/525第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

3.多道程序批處理系統(tǒng)多道程序OS中程序運(yùn)行時(shí)序示意圖說(shuō)明：（1）這種OS依靠I/O中斷機(jī)制和DMA通道實(shí)現(xiàn)（2）CPU的切換只是在它空閑時(shí)才發(fā)生，調(diào)度機(jī)制特別簡(jiǎn)單2023/12/526第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

4.分時(shí)系統(tǒng)

●標(biāo)志OS步入實(shí)用化階段

背景：（1）多終端計(jì)算機(jī)出現(xiàn)（2）事務(wù)性計(jì)算、人機(jī)交互的需要（3）對(duì)用戶(hù)快速響應(yīng)的需要

同“多道批處理OS”不同的是：（1）CPU在程序間切換設(shè)定了固定時(shí)間（2）出現(xiàn)“存儲(chǔ)器調(diào)度”：當(dāng)作業(yè)多、主存不能

同時(shí)容下時(shí)，則程序在完成之前，可以寫(xiě)回

磁盤(pán)上，需要時(shí)再讀回

2023/12/527第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

4.分時(shí)系統(tǒng)

●世界上第一個(gè)分時(shí)OS是1961年MIT開(kāi)發(fā)的CTSS

（CompatibleTimeSharingSystem兼容分時(shí)系統(tǒng)）

●

IBM709計(jì)算機(jī)，主存容量：32000個(gè)36位字

●常駐監(jiān)控程序大小＝36bit×5000≈22KB

●CPU切換時(shí)間片＝0.2秒

●為減小磁盤(pán)的讀寫(xiě)頻率，它采用了部分寫(xiě)出/讀回的策略（見(jiàn)下頁(yè)例子）282023/12/5JOB1被全部寫(xiě)出JOB2被調(diào)入

JOB2被部分寫(xiě)出JOB3被調(diào)入

JOB3全部被寫(xiě)出JOB2另一部分被寫(xiě)出JOB1被重新寫(xiě)入

JOB1部分被寫(xiě)出JOB4被調(diào)入

JOB1剩余部分被寫(xiě)出JOB4剩余部分被寫(xiě)出JOB2寫(xiě)出部分被重新寫(xiě)入JOB1被調(diào)入CTSS系統(tǒng)作業(yè)程序?qū)懗?讀回例子2023/12/529第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

5.UNIX－OS革命

●

20世紀(jì)60年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室的KenThompson

和DennisM.Ritchie設(shè)計(jì)出UNIX操作系統(tǒng)（開(kāi)始用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，后用C語(yǔ)言重寫(xiě)）

●

UNIX是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的代表

●

UNIX出色的設(shè)計(jì)思想與實(shí)現(xiàn)技術(shù)在理論界有著廣泛而深遠(yuǎn)的影響2023/12/530第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

6.DOS、Windows－OS大眾化

DOS、Windows一直統(tǒng)治著PC-OS市場(chǎng)

Windows2K/XP/NT面向網(wǎng)絡(luò)的OS

7.Linux－OS新寵兒/自由軟件里程碑

UNIX的新版本，自由版權(quán)OS1991年由LinusTorvalds公布推出后，迅速得到空前發(fā)展2023/12/531第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

操作系統(tǒng)的分類(lèi)

1.批處理操作系統(tǒng)

2.分時(shí)操作系統(tǒng)

3.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

4.嵌入式操作系統(tǒng)

5.個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

6.網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

7.分布式操作系統(tǒng)2023/12/532第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

操作系統(tǒng)的分類(lèi)

1.批處理操作系統(tǒng)

DOS中仍保留批處理命令形式：XXX.batc：

cd\aaacdbbbtypeXXX.batdir2023/12/533第1章操作系統(tǒng)概述

1.3OS的發(fā)展和主要成就1.3.1操作系統(tǒng)的發(fā)展