計算機操作系統(tǒng)概述

第1章計算機操作系統(tǒng)概述

■1」存儲程序式計算機

■1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史

■1.3操作系統(tǒng)的基本概念

■1.4操作系統(tǒng)的邏輯模型

■L5微機操作系統(tǒng)

本章學習目標

■操作系統(tǒng)的作用

■操作系統(tǒng)的發(fā)展

■操作系統(tǒng)的特征與功能

■多道程序設(shè)計的概念

■操作系統(tǒng)的模型

1.1存儲程序式計算機

■LL1存儲程序式計算機的結(jié)構(gòu)與特點

■LL2作為擴展計算機功能的操作系統(tǒng)

■LL3作為資源管理的操作系統(tǒng)

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1.1.1存儲程序式計算機的結(jié)構(gòu)與特點

■存儲程序式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。如圖所示。

輸入器

存數(shù)據(jù)

儲運算器

器程序和數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)★

控制信號輸出器

指令

控制器

圖1.1存儲程序計算機的組成

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1.1.2作為擴展計算機功能的操作系統(tǒng)

■一臺完全無軟件的計算機系統(tǒng)稱為裸機，即便其

性能再強，相對于用戶來講，如果要面對計算機

的指令集、存儲組織、I/O總線結(jié)構(gòu)的編程則是十

分困難的。對于一般程序員也并不想涉足硬件編

程的種種具體細節(jié)，而希望針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象地

使用硬件。如果我們在裸機上覆蓋一層i/o設(shè)備管

理軟件，用戶便可以利用這層I/O設(shè)備管理軟件提

供給用戶的接口來進行數(shù)據(jù)的輸入和輸出，那么

用戶此時看到的計算機是一臺功能強大、使用方

便的計算機，但實際上，計算機的硬件絲毫沒有

變化，這樣的計算機稱為軟件擴充的機器，或稱

軟件虛擬機。

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1.1.3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

觀點或是自內(nèi)向外的觀點。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(fù)雜計算機系統(tǒng)的各個部分?，F(xiàn)代計算機

包含處理器、存儲器、時鐘、磁盤、終端、網(wǎng)絡(luò)

接口、打印機以及許多其他設(shè)備。從這個角度來

看，操作系統(tǒng)的任務(wù)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(shè)備

的分配。

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1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史

■1.2」無操作系統(tǒng)的計算機

■122單道批處理系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)及

執(zhí)行系統(tǒng)

■123分時系統(tǒng)

■124實時系統(tǒng)

■125網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)與分布式操作系統(tǒng)

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1.2.1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。

m戶-------------------------

＞紙帶、卡片---------/----------------計算機

圖1.2手工操作計算機

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1.2.2單道批處理系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)及

執(zhí)行系統(tǒng)

■所謂批處理系統(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)。

■首先出現(xiàn)的是聯(lián)機批處理系統(tǒng)。如圖1.3所示。

■脫機批處理系統(tǒng)控制作業(yè)的輸入/輸出過程是：利

用一臺或幾臺微機或主機的衛(wèi)星機，讓它們從輸

入機上讀取用戶程序，并輸出到磁帶上；主機空

閑時從輸入磁帶機上取作業(yè)運行，并把結(jié)果輸出

到高速輸出磁帶機上；當微機或衛(wèi)星機空閑時，

再控制向慢速外設(shè)上輸出。

圖1.3聯(lián)機處理系統(tǒng)

■批處理系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了作業(yè)的自動選擇、作業(yè)的

緩輸入與緩輸出，但也有很多缺點。例如，為了

實現(xiàn)主機與外設(shè)的并行操作，引入了衛(wèi)星機或微

機專門負責I/O操作；當主機與高速外存通訊時，

其過程仍由主機控制。

■所謂中斷是指當主機接到外界硬件發(fā)來的中斷信

號時，停止原來的工作，轉(zhuǎn)去處理中斷的事件。

在處理中斷完成以后，主機又回到原來的工作點

繼續(xù)工作。這樣可以使用戶程序的I/O申請完成后

,主機能自動在原中斷點之后繼續(xù)運行，同時為

多道程序并發(fā)執(zhí)行打下了基礎(chǔ)。

圖1.4脫機批處理系統(tǒng)

■批處理系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了作業(yè)的自動選擇、作業(yè)的

緩輸入與緩輸出，但也有很多缺點。例如，為了

實現(xiàn)主機與外設(shè)的并行操作，引入了衛(wèi)星機或微

機專門負責I/O操作；當主機與高速外存通訊時，

其過程仍由主機控制。

■所謂中斷是指當主機接到外界硬件發(fā)來的中斷信

號時，停止原來的工作，轉(zhuǎn)去處理中斷的事件。

在處理中斷完成以后，主機又回到原來的工作點

繼續(xù)工作。這樣可以使用戶程序的I/O申請完成后

,主機能自動在原中斷點之后繼續(xù)運行，同時為

多道程序并發(fā)執(zhí)行打下了基礎(chǔ)。

■在單道批處理系統(tǒng)中，內(nèi)存中僅有一道作業(yè)，中

斷和通道技術(shù)出現(xiàn)以后，雖然可以實現(xiàn)輸入/輸出

設(shè)備與中央處理機并行操作，但由于屬于同一道

作業(yè)的可并發(fā)執(zhí)行的進程不多，大多數(shù)進程是有

同步關(guān)系的，這使系統(tǒng)中仍有較多的空閑資源，

致使系統(tǒng)的性能較差。為了進一步提高資源的利

用率和系統(tǒng)對作業(yè)的吞吐量，在20世紀60年代中

期，引入了多道程序設(shè)計技術(shù)，由此而形成了多

道批處理系統(tǒng)。單道程序與多道程序的執(zhí)行過程

如圖1.5和圖1.6所示。

計篁DO請求繼續(xù)計算

（CPU執(zhí)行）用戶程序

：啟動DODO完成：

tl.'t3t4

I/O操作

圖L5單道程序工作過程示意

ET仕A程序AIQ工作B程序程序AAI/O工作B程序

BI/O請求

AI/O請求

AID工作

一T

BIAD工作

圖L6多道程序執(zhí)行過程示意

-在操作系統(tǒng)中引入多道程序設(shè)計技術(shù)以后

,會使系統(tǒng)具有以下特征。

■(1)多道性

■(2)無序性

-(3)宏觀上并行、微觀上串行

■(4)調(diào)度性

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1.2.3分時系統(tǒng)

■分時技術(shù)是把處理機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，并把處理機的控

制權(quán)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(yīng)，以實現(xiàn)人機交互。

■分時系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)相比，具有完全不同

的特征，由上所述可以歸納成以下幾點：

■(1)多路性：允許在一臺主機上同時聯(lián)接多臺聯(lián)

機終端，系統(tǒng)按分時原則為每個用戶服務(wù)。

■(2)獨立性：每個用戶各占一個終端，彼此獨立

操作，互不干擾。

■(3)及時性：用戶的請求能在很短時間內(nèi)獲得響

應(yīng)。

■(4)交互性：用戶可通過終端與系統(tǒng)進行廣泛的

人機對話。

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1.2.4實時系統(tǒng)

■1.實時操作系統(tǒng)的分類

■2.實時操作系統(tǒng)的主要目標

1.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(yīng)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。

2.實時操作系統(tǒng)的主要目標

■(1)實時時鐘管理。

■(2)連續(xù)人機對話。

■(3)過載防護。

■(4)高可靠性。

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1.2.5網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)與分布式操作系統(tǒng)

■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(wù)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(wù)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)。

■1987年4月，IBM公司推出了OS/2,其最初

的版本OS/2LX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(wù)

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(lǐng)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(wù)操作系統(tǒng)的主

流。

■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(wù)

,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

多為用戶多任務(wù)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(wù)操作

系統(tǒng)，在32位微機上也有很多配置多用戶

多任務(wù)操作系統(tǒng)，最有代表性的是UNIX操

作系統(tǒng)。

■計算機技術(shù)和通訊技術(shù)的結(jié)合使得微機用

戶資源共享及相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(luò)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(luò)。

■大量的實際應(yīng)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(dǎo)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(shè)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(wù)

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)是透

明的。

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1.3操作系統(tǒng)的基本概念

■131操作系統(tǒng)的定義

■L3.2操作系統(tǒng)的基本功能

■L3.3操作系統(tǒng)的特征

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1.3.1操作系統(tǒng)的定義

■操作系統(tǒng)是一個大型的程序系統(tǒng)，它負責

計算機的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度

工作，控制協(xié)調(diào)多個任務(wù)的活動，實現(xiàn)信

息的存取保護，并提供用戶接口，使用戶

獲得良好的工作環(huán)境。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。

■計算機系統(tǒng)擁有豐富的硬件、軟件資源，操作系

統(tǒng)要對這些資源進行管理。在一般微機上配置單

用戶操作系統(tǒng)，管理CPU、內(nèi)存、打印機、鍵盤

、顯示器、軟盤及硬盤驅(qū)動器、程序和數(shù)據(jù)，其

目的是讓用戶方便地使用系統(tǒng)資源解決計算任務(wù)

,如讓打印機打印計算結(jié)果，從鍵盤輸入數(shù)據(jù)、

在軟盤上建立文件等。而在較大型機器上配置多

用戶操作系統(tǒng)其資源管理的功能就要復(fù)雜得多，

因為多個用戶共用一個系統(tǒng)，會產(chǎn)生資源共享的

問題，即資源的競爭使用。

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1.3.2操作系統(tǒng)的基本功能

■1.存儲器管理的功能

■2.處理機管理的功能

■3.設(shè)備管理的功能

■4.文件管理的功能

1.存儲器管理的功能

內(nèi)存分配

內(nèi)存分配的主要任務(wù)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(yīng)程序和數(shù)據(jù)動態(tài)增長的需要。

內(nèi)存保護

內(nèi)存保護的主要任務(wù)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，也就是說絕不允許用

戶程序訪問操作系統(tǒng)和其他用戶的程序和數(shù)據(jù)。

■地址映射

一個應(yīng)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。

■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(wù)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(shù)從邏輯上去擴充內(nèi)存容量，

使用戶所感覺到的內(nèi)存容量比實際內(nèi)存容量大得多

O

2.處理機管理的功能

處理機管理的主要任務(wù)是對處理機進行分配，并對

其運行進行有效的控制和管理。在多道程序環(huán)境下

,處理機的分配和運行都是以進程為單位，所以對

處理機的管理可理解為對進程的管理。

。進程控制

。進程同步

。進程通信

。調(diào)度

3.設(shè)備管理的功能

■緩沖管理

為達到緩解CPU和I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，

達到提高CPU和I/O設(shè)備利用率，提高系統(tǒng)吞吐量的

目的，許多操作系統(tǒng)通過設(shè)置緩沖區(qū)的辦法來實現(xiàn)

■設(shè)備分配

設(shè)備分配的基本任務(wù)是根據(jù)用戶的I/O請求，為

他們分配所需的設(shè)備。如果在I/O設(shè)備和CPU之間還

存在設(shè)備控制器和通道，則還需為分配出去的設(shè)備

分配相應(yīng)的控制器和通道。

■設(shè)備處理

設(shè)備處理程序又稱設(shè)備驅(qū)動程序。其基本

任務(wù)是實現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信。

■設(shè)備獨立性和虛擬設(shè)備

用戶向系統(tǒng)申請和使用的設(shè)備與實際操作

的設(shè)備無關(guān)

4.文件管理的功能

■文件存儲空間的管理

■目錄管理

■文件的操作

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1.3.3操作系統(tǒng)的特征

■1.并發(fā)特征(Concurrence)

■2.共享特征(Sharing)

■3.虛擬特征(Virtual)

■4.不確定性

■1.并發(fā)特征(Concurrence)

■并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)

生。

■2.共享特征(Sharing)共享是指系統(tǒng)中資源可

供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進程共同使用。

■3.虛擬特征(Virtual)

■虛擬是指將一個物理的實體映射為若干個邏輯實

體。

■4.不確定性

■第一，程序執(zhí)行結(jié)果的不確定，程序執(zhí)行

結(jié)果的不可再現(xiàn)。

■第二，多道程序設(shè)計環(huán)境下，每道程序在

何時執(zhí)行，各自執(zhí)行的程序以及每道程序

所需的時間是不確定的，也是不可預(yù)知。

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1.4操作系統(tǒng)的邏輯模型

-1.操作系統(tǒng)的對象

-2.操作系統(tǒng)對象操縱和管理的軟件集合

■3.用戶接口

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圖L7操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

用戶接口

（命令接口、程序接口、圖形用戶接口）

對對象操縱和管理的軟件集合

（處理機管理軟件、存儲器管理軟件、設(shè)備管理軟件、

文件管理軟件）

操作系統(tǒng)對象

（處理機、存儲器、設(shè)備、文件）

用戶接口

■(1)命令接口：這是用戶與操作系統(tǒng)直接的接口

O用戶可以直接從鍵盤等終端設(shè)備輸入命令來取

得操作系統(tǒng)的服務(wù)。

■(2)程序接口：這是應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)的接口

O用戶通過在程序中安排系統(tǒng)調(diào)用，讓程序取得

操作系統(tǒng)的服務(wù)。

■(3)圖形用戶接口：目前流行的操作系統(tǒng)普遍配

置了更為直觀的圖形用戶接口，將操作系統(tǒng)的各

項功能及各種應(yīng)用程序以圖標的形式表示出來，

利用鼠標進行操作，這樣使用戶對計算機的操作

更為直觀、簡單方便。

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1.5微機操作系統(tǒng)

■151DOS操作系統(tǒng)

■152MS-Windows操作系統(tǒng)

■153UNIX操作系統(tǒng)

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1.5.1DOS操作系統(tǒng)

?1981年IBM公司首次推出IBM-PC個人計

算機，在微機中采用了微軟公司開發(fā)的

MS-DOS操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)在8位計

算機操作系統(tǒng)CP/M的基礎(chǔ)上進行了較大

的擴充，增加了許多內(nèi)部和外部命令