操作系統(tǒng) 第1章 概述學(xué)習(xí)專業(yè)課件

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軟件學(xué)院教研室

2016.04

操作系統(tǒng)2025/1/1哈工大軟件學(xué)院2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)展簡史

1.6Windows操作系統(tǒng)發(fā)展簡史

1.7

操作系統(tǒng)啟動引導(dǎo)過程2025/1/1哈工大軟件學(xué)院3第1章操作系統(tǒng)概述

1.1操作系統(tǒng)的概念計算機系統(tǒng)組成示意圖…財務(wù)系統(tǒng)航空訂票上網(wǎng)瀏覽電子商務(wù)科學(xué)計算(應(yīng)用軟件)…用戶n用戶4用戶3用戶2用戶1編譯程序匯編程序數(shù)據(jù)庫(支撐軟件)…實用程序操作系統(tǒng)(系統(tǒng)軟件)計算機硬件操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位:操作系統(tǒng)處于計算機硬件和應(yīng)用軟件和用戶之間，是“中介機構(gòu)”

計算機硬件對用戶來說是透明的2025/1/1哈工大軟件學(xué)院4第1章操作系統(tǒng)概述

1.1操作系統(tǒng)的概念管理資源觀點OS是資源管理者處理器管理存儲管理設(shè)備管理文件管理系統(tǒng)實現(xiàn)觀點OS是虛擬機虛擬機OS結(jié)構(gòu)OS運行模型安全與保護動態(tài)觀察方法靜態(tài)觀察方法進程交互觀點進程、線程、調(diào)度互斥與同步通信死鎖OS是程序執(zhí)行控制者

用戶角度接口服務(wù)OS是服務(wù)提供者服務(wù)用戶觀點

系統(tǒng)角度研究和觀察操作系統(tǒng)2025/1/1哈工大軟件學(xué)院5第1章操作系統(tǒng)概述

1.1操作系統(tǒng)的概念計算機系統(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，每層對下一層負責(zé)，是上一層的“譯員”2025/1/1哈工大軟件學(xué)院6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：

計算機系統(tǒng)中的一個系統(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算機系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，合理地組織計算機工作流程，控制程序的執(zhí)行，并向用戶提供各種服務(wù)功能，使用戶能夠靈活、方便和有效地使用計算機，使整個計算機系統(tǒng)能高效地運行。教材中的定義：

操作系統(tǒng)是一直運行在計算機上的程序（通常稱為內(nèi)核），其他程序則稱為系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。2025/1/1哈工大軟件學(xué)院7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(3)

OS是擴展機(ExtendedMachine)/虛擬機(VirtualMachine)。

在裸機上添加：設(shè)備管理、文件管理、存儲管理(內(nèi)存和外存)、處理機管理（CPU）另外，合理組織工作流程：作業(yè)管理、進程管理、線程管理(2)

OS是用戶使用系統(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、圖形用戶接口GUI）；系統(tǒng)調(diào)用（類似于過程調(diào)用，在應(yīng)用編程中使用）(1)

OS是計算機硬件、軟件資源的管理者。

管理對象包括：CPU、存儲器、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、回收和訪問操作，相應(yīng)管理策略（包括用戶權(quán)限）2025/1/1哈工大軟件學(xué)院8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.

隨機性－

OS所管理和處理的資源和事件有一定的隨機性（1）系統(tǒng)中所運行的程序的行為是隨機的（2）系統(tǒng)硬件設(shè)備的情況是隨機的：有無故障，忙/閑，何時發(fā)中斷請求2.

共享性－

OS與多個用戶程序共用系統(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)下實現(xiàn)的1.

并發(fā)性－系統(tǒng)中同時存在多個程序，宏觀上看它們同時向前推進（1）單CPU系統(tǒng)：并發(fā)體現(xiàn)在程序交替使用CPU運行（時間片）；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）也是并發(fā)的（3）分布式系統(tǒng)：多個計算機的并行使程序的并發(fā)特征得到充分體現(xiàn)2025/1/1哈工大軟件學(xué)院9

UNIX:BSD,SRV4,OSF1,Solaris,IBM-AIX，

Linux

MSOS:MSDOS,Windows3.x/95/98/2000/XP，

WindowsNT/Win7/Win8/Win10

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：

2025/1/1哈工大軟件學(xué)院10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)達到的目標(biāo)方便：

操作系統(tǒng)使計算機更易于使用

（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算機系統(tǒng)資源

（以優(yōu)化的算法合理分配、調(diào)度資源，提高效率）擴展的能力：

在構(gòu)造操作系統(tǒng)時，應(yīng)考慮如何有效地擴展新功能

原因：（1）硬件升級；（2）用戶新的服務(wù)要求；

（3）OS糾正錯誤2025/1/1哈工大軟件學(xué)院11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！2025/1/1哈工大軟件學(xué)院12偉大的馮諾依曼認為，計算機由五大部件組成:輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲器、運算器、控制器OS需要管理CPU(運算器、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2025/1/1哈工大軟件學(xué)院13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

宏觀方面，操作系統(tǒng)具有如下5個功能：

1.進程管理

2.存儲管理

3.文件管理

4.作業(yè)管理

5.設(shè)備管理2025/1/1哈工大軟件學(xué)院14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.進程管理：（1）進程的概念是由描述多道程序的并發(fā)執(zhí)行而引入的（2）進程管理實質(zhì)上是對處理器的管理：

處理器分配調(diào)度策略、進行分配、進行回收再分配等2025/1/1哈工大軟件學(xué)院15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)存遇到的問題：為進程分配、釋放內(nèi)存空間進行程序和數(shù)據(jù)隔離虛擬存儲器：內(nèi)存、外存結(jié)合管理2025/1/1哈工大軟件學(xué)院16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”存儲器，即外存（磁盤、

光盤等）的管理問題計算機系統(tǒng)中信息資源以文件形式存放

文件管理要解決的問題：外存的存儲結(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、修改磁盤調(diào)度：對磁盤訪問的響應(yīng)策略等

（電梯響應(yīng)例子）2025/1/1哈工大軟件學(xué)院17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

從用戶的角度來看，OS是用戶和計算機系統(tǒng)之間的“中介機構(gòu)”因此，作業(yè)管理的任務(wù)是為用戶提供一個環(huán)境：接收用戶的任務(wù)，并提交給計算機運行

例如：Windows的程序管理模塊Explorer.exe

UNIX的C-Shell、B-Shell模塊2025/1/1哈工大軟件學(xué)院18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

例如：Printer，Keyboard，Mouse…

顯示卡，USB接口…

2025/1/1哈工大軟件學(xué)院19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

需要說明的問題：

1.除上述管理以外，OS還要具備中斷處理、錯誤處理等功能

2.上述的OS功能并非完全獨立，而是互相依賴的關(guān)系2025/1/1哈工大軟件學(xué)院20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.簡單批處理系統(tǒng)

3.多道程序批處理系統(tǒng)

4.分時系統(tǒng)

5.UNIX6.DOS、Windows7.Linux2025/1/1哈工大軟件學(xué)院21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.手工操作稱為OS的史前“文明”（1）手工輸入機器碼（2）上世紀(jì)50年代早期，出現(xiàn)卡片讀入裝置，機器碼

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

特點：手工操作，獨占所有資源，效率極低程序員兼操作員2025/1/1哈工大軟件學(xué)院22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)，計算機性能比較可靠，批量生產(chǎn)并銷售，用戶期望其長期穩(wěn)定運行

計算機廠商設(shè)計了管理程序（監(jiān)督程序）

1956年出現(xiàn)FORTRAN高級語言

1958年出現(xiàn)ALGOL高級語言2025/1/1哈工大軟件學(xué)院23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

動識別一個作業(yè)，處理后

再取下一個作業(yè)

----即“批處理”方式

由于作業(yè)是被串行執(zhí)行，故稱“單道批處理”作業(yè)卡片示意圖DataforProgram2025/1/1哈工大軟件學(xué)院24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2025/1/1哈工大軟件學(xué)院25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：計算機進入第三代

（1）主存、輔存容量增大，可以同時裝入多個

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計算機配備的OS）2025/1/1哈工大軟件學(xué)院26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中程序運行時序示意圖說明：（1）這種OS依靠I/O中斷機制和DMA通道實現(xiàn)（2）CPU的切換只是在它空閑時才發(fā)生，調(diào)度機制特別簡單2025/1/1哈工大軟件學(xué)院27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.分時系統(tǒng)

●標(biāo)志OS步入實用化階段

背景：（1）多終端計算機出現(xiàn)（2）事務(wù)性計算、人機交互的需要（3）對用戶快速響應(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)定了固定時間（2）出現(xiàn)“存儲器調(diào)度”：當(dāng)作業(yè)多、主存不能

同時容下時，則程序在完成之前，可以寫回

磁盤上，需要時再讀回

2025/1/1哈工大軟件學(xué)院28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.分時系統(tǒng)

●世界上第一個分時OS是1961年MIT開發(fā)的CTSS

（CompatibleTimeSharingSystem兼容分時系統(tǒng)）

●

IBM709計算機，主存容量：32000個36位字

●常駐監(jiān)控程序大?。?6bit×5000≈22KB

●CPU切換時間片＝0.2秒

●為減小磁盤的讀寫頻率，它采用了部分寫出/讀回的策略（見下頁例子）292025/1/1哈工大軟件學(xué)院JOB1被全部寫出JOB2被調(diào)入

JOB2被部分寫出JOB3被調(diào)入

JOB3全部被寫出JOB2另一部分被寫出JOB1被重新寫入

JOB1部分被寫出JOB4被調(diào)入

JOB1剩余部分被寫出JOB4剩余部分被寫出JOB2寫出部分被重新寫入JOB1被調(diào)入CTSS系統(tǒng)作業(yè)程序?qū)懗?讀回例子2025/1/1哈工大軟件學(xué)院30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，貝爾實驗室的KenThompson

和DennisM.Ritchie設(shè)計出UNIX操作系統(tǒng)

（開始用匯編語言編寫，后用C語言重寫）

●

UNIX是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的代表

●

UNIX出色的設(shè)計思想與實現(xiàn)技術(shù)在理論界有著廣泛而深遠的影響2025/1/1哈工大軟件學(xué)院31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

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2025/1/1哈工大軟件學(xué)院32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

1.批處理操作系統(tǒng)

2.分時操作系統(tǒng)

3.實時操作系統(tǒng)

4.嵌入式操作系統(tǒng)

5.個人計算機操作系統(tǒng)

6.網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

7.分布式操作系統(tǒng)2025/1/1哈工大軟件學(xué)院33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

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.batdir2025/1/1哈工大軟件學(xué)院34第1章操作系統(tǒng)概述

1.3O