操作系统教学一课件

操作系统操作系统（一）概念概念概念概念7/8/20241Oprating System操作系统（一）8/13/20231Oprating Sy操作系统的作用操作系统的作用操作系统的发展操作系统的发展操作系统的特征与功能操作系统的特征与功能多道程序设计的概念多道程序设计的概念操作系统的模型操作系统的模型本章学习目标本章学习目标7/8/20242Oprating System本章学习目标8/13/20232Oprating Syste1 计算机系统计算机系统计算机系统层次结构计算机系统层次结构操作系统计算机硬件计算机硬件应 用 软 件实用软件(编译系统编译系统编译系统编译系统 DBMS DBMS 工具软件工具软件工具软件工具软件 诊断程序诊断程序诊断程序诊断程序 编辑程序编辑程序编辑程序编辑程序 装入程序装入程序装入程序装入程序 装配程序装配程序装配程序装配程序 )硬件系统硬件系统软件系统软件系统系统软件系统软件用户用户用户用户程序员程序员程序员程序员7/8/20243Oprating System1 计算机系统计算机系统层次结构操作系统计算机硬件应 用户用户1用户用户2用户用户3用户用户4用户用户n财务系统财务系统航空订票航空订票上网浏览上网浏览电子商务电子商务科学计算科学计算（应用程序）（应用程序）编译程序编译程序汇编程序汇编程序编辑程序编辑程序数据库数据库（系统程序）（系统程序）操作系统操作系统计算机硬件计算机硬件7/8/20244Oprating System 用户1用户2用户3用户4用户n财务系统航空订票上网浏览电一、计算机硬件一、计算机硬件 硬件系统硬件系统CPU主主 机机 内内 存存RAM ROM外设外设输入设备输入设备 输出设备输出设备外部存储器外部存储器运算器运算器 控制器控制器具有总线结构的计算机系统具有总线结构的计算机系统具有通道结构的计算机系统具有通道结构的计算机系统7/8/20245Oprating System一、计算机硬件 硬件系统CPU主 机 内 存RAM RO二、计算机软件 软件：使用计算机所必须的程序和各种文档的集合。软件：使用计算机所必须的程序和各种文档的集合。程序：是指令（语句）的有序集合。程序：是指令（语句）的有序集合。计算机软件可分为：计算机软件可分为：应用软件：应用软件：所有与用户应用相关的程序，如财务、管理决策、电子所有与用户应用相关的程序，如财务、管理决策、电子邮件、办公自动化软件等都属于应用软件范畴。邮件、办公自动化软件等都属于应用软件范畴。系统软件：系统软件：实用程序层实用程序层 语言处理、语言处理、DBMS、编辑软件以及、编辑软件以及 链接程序、装配程链接程序、装配程 序、装人程序、诊断程序等应用程序开发环境、运行环境。序、装人程序、诊断程序等应用程序开发环境、运行环境。操作系统操作系统 操作系统下层直接与硬件相邻，控制硬件运行。向上支撑各级软件运行，上层各软件通过操作系统访问硬件，实现各程序间的通信。7/8/20246Oprating System二、计算机软件8/13/20236Oprating Syst2、操作系统、操作系统一、操作系统操作系统定义：管理系统资源、协调系统工作流程、方便用户使用的程序的集合。管理系统资源、协调系统工作流程、方便用户使用的程序的集合。二、操作系统的作用 1、管理系统资源：计算机系统包括各种软件和硬件资源，归纳起来有如下四类：处理器、存储器、处理器、存储器、处理器、存储器、处理器、存储器、I/OI/O设备设备设备设备 和和和和 信息（数据和程序）信息（数据和程序）信息（数据和程序）信息（数据和程序）。OS 是计算机系统的资源管理者；2、操作系统为用户提供方便的使用接口 用户可按需要键入操作命令，或从用户可按需要键入操作命令，或从“菜单菜单”中选择命令，操作系统按中选择命令，操作系统按用户给予的命令控制系统（程序）运行，完成相关任务。用户以最简用户给予的命令控制系统（程序）运行，完成相关任务。用户以最简单、方便的方式操作计算机运行。单、方便的方式操作计算机运行。OS 是用户与计算机系统间的接口；7/8/20247Oprating System2、操作系统一、操作系统定义：8/13/20232、操作系统、操作系统3、协调系统工作流程协调系统工作流程 在系统中同时运行各种系统程序、各种用户程序，这些程序要争夺CPU、内存、总线、外设等各种资源。为保证它们有条不紊地运行必须由操作系统来协调、管理4、OS 具有强大的虚拟功能：具有强大的虚拟功能：操作系统有扩充机器的功能，在原有硬件的基础上附上各层软件，把裸机改造成功能强大的虚拟机。7/8/20248Oprating System2、操作系统3、协调系统工作流程8/13/20238Op3、操作系统的形成和发展、操作系统的形成和发展推动操作系统发展的动力推动操作系统发展的动力不断提高资源利用率的需要不断提高资源利用率的需要方便用户方便用户器件的不断更新换代器件的不断更新换代计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展一、无操作系统时代的计算机一、无操作系统时代的计算机1、人工操作方式、人工操作方式 特点：特点：用户独占全机用户独占全机用户独占全机用户独占全机人工操作，慢且易出错人工操作，慢且易出错人工操作，慢且易出错人工操作，慢且易出错整个运行过程是顺序式整个运行过程是顺序式整个运行过程是顺序式整个运行过程是顺序式7/8/20249Oprating System3、操作系统的形成和发展推动操作系统发展的动力8/13/23、操作系统的形成和发展、操作系统的形成和发展2 2、脱机输入输出方式、脱机输入输出方式、脱机输入输出方式、脱机输入输出方式 为了解决人机矛盾及为了解决人机矛盾及为了解决人机矛盾及为了解决人机矛盾及CPUCPU和外设的矛盾和外设的矛盾和外设的矛盾和外设的矛盾5050年代出现脱机输入输出技术。年代出现脱机输入输出技术。年代出现脱机输入输出技术。年代出现脱机输入输出技术。由于程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下完成（脱离主机）固由于程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下完成（脱离主机）固由于程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下完成（脱离主机）固由于程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下完成（脱离主机）固称为脱机输入输出方式。其优点：称为脱机输入输出方式。其优点：称为脱机输入输出方式。其优点：称为脱机输入输出方式。其优点：减少减少减少减少CPUCPU空闲时间，缓和了人机矛盾；空闲时间，缓和了人机矛盾；空闲时间，缓和了人机矛盾；空闲时间，缓和了人机矛盾；提高了提高了提高了提高了I/OI/O速度，缓和了速度，缓和了速度，缓和了速度，缓和了CPUCPU与外设的矛盾。与外设的矛盾。与外设的矛盾。与外设的矛盾。二、批处理操作系统二、批处理操作系统 单道批处理系统（单道批处理系统（单道批处理系统（单道批处理系统（Simple Batch System)Simple Batch System)将一批作业以脱机方式输入到磁带上，在系统中配置监控程序（将一批作业以脱机方式输入到磁带上，在系统中配置监控程序（将一批作业以脱机方式输入到磁带上，在系统中配置监控程序（将一批作业以脱机方式输入到磁带上，在系统中配置监控程序（Monitor),Monitor),在它的在它的在它的在它的控制下，使这批作业能一个个地连续处理。由于系统对作业的处理是成批进行、但内控制下，使这批作业能一个个地连续处理。由于系统对作业的处理是成批进行、但内控制下，使这批作业能一个个地连续处理。由于系统对作业的处理是成批进行、但内控制下，使这批作业能一个个地连续处理。由于系统对作业的处理是成批进行、但内存中只保持一道作业，固称为单道批处理系统。存中只保持一道作业，固称为单道批处理系统。存中只保持一道作业，固称为单道批处理系统。存中只保持一道作业，固称为单道批处理系统。7/8/202410Oprating System3、操作系统的形成和发展2、脱机输入输出方式8/13/203、操作系统的形成和发展、操作系统的形成和发展（续一）（续一）其特征：其特征：自动性，自动性，自动性，自动性，磁带上的一批作业能自动逐个运行，无需人工干预；磁带上的一批作业能自动逐个运行，无需人工干预；磁带上的一批作业能自动逐个运行，无需人工干预；磁带上的一批作业能自动逐个运行，无需人工干预；顺序性，各作业顺序进入磁带、顺序进入内存，各作业的完成顺序与顺序性，各作业顺序进入磁带、顺序进入内存，各作业的完成顺序与顺序性，各作业顺序进入磁带、顺序进入内存，各作业的完成顺序与顺序性，各作业顺序进入磁带、顺序进入内存，各作业的完成顺序与进入内存的顺序相同；进入内存的顺序相同；进入内存的顺序相同；进入内存的顺序相同；单道性，内存中仅有一道程序运行。单道性，内存中仅有一道程序运行。单道性，内存中仅有一道程序运行。单道性，内存中仅有一道程序运行。多道批处理系统多道批处理系统多道程序基本概念多道程序基本概念多道程序基本概念多道程序基本概念6060年代中期引入多道程序设计技术，形成多道批处理系统。该系统中，年代中期引入多道程序设计技术，形成多道批处理系统。该系统中，年代中期引入多道程序设计技术，形成多道批处理系统。该系统中，年代中期引入多道程序设计技术，形成多道批处理系统。该系统中，用户提交的作业在外存上形成后备队列，由作业调度程序以一定算法用户提交的作业在外存上形成后备队列，由作业调度程序以一定算法用户提交的作业在外存上形成后备队列，由作业调度程序以一定算法用户提交的作业在外存上形成后备队列，由作业调度程序以一定算法从后备队列中挑选若干作业入内存，使它们共享从后备队列中挑选若干作业入内存，使它们共享从后备队列中挑选若干作业入内存，使它们共享从后备队列中挑选若干作业入内存，使它们共享 CPU CPU 和其它资源，以和其它资源，以和其它资源，以和其它资源，以达到提高资源利用率和系统吞吐率的目的。优点：达到提高资源利用率和系统吞吐率的目的。优点：达到提高资源利用率和系统吞吐率的目的。优点：达到提高资源利用率和系统吞吐率的目的。优点：提高提高提高提高CPUCPU利用率；利用率；利用率；利用率；提高内存和提高内存和提高内存和提高内存和I/OI/O设备利用率；设备利用率；设备利用率；设备利用率；提高系统吞吐率提高系统吞吐率提高系统吞吐率提高系统吞吐率7/8/202411Oprating System3、操作系统的形成和发展（续一）其特征：8/13/20233、操作系统的形成和发展、操作系统的形成和发展（续二）（续二）多道批处理系统的特征多道批处理系统的特征多道性多道性多道性多道性无序性无序性无序性无序性调度性调度性调度性调度性作业调度作业调度作业调度作业调度进程调度进程调度进程调度进程调度多道批处理系统的优点和缺点多道批处理系统的优点和缺点优点：优点：优点：优点：资源利用率提高；资源利用率提高；资源利用率提高；资源利用率提高；系统吞吐量大。系统吞吐量指单位时间系统完成的总工作量。系统吞吐量大。系统吞吐量指单位时间系统完成的总工作量。系统吞吐量大。系统吞吐量指单位时间系统完成的总工作量。系统吞吐量大。系统吞吐量指单位时间系统完成的总工作量。缺点：缺点：缺点：缺点：平均周转时间长；平均周转时间长；平均周转时间长；平均周转时间长；平均周转时间指作业进入系统开始，直到其完成并退出系统所经历平均周转时间指作业进入系统开始，直到其完成并退出系统所经历平均周转时间指作业进入系统开始，直到其完成并退出系统所经历平均周转时间指作业进入系统开始，直到其完成并退出系统所经历的时间。批处理系统中由于作业要排队，依次处理，因而作业的调度周的时间。批处理系统中由于作业要排队，依次处理，因而作业的调度周的时间。批处理系统中由于作业要排队，依次处理，因而作业的调度周的时间。批处理系统中由于作业要排队，依次处理，因而作业的调度周转时间较长。转时间较长。转时间较长。转时间较长。无交互能力。无交互能力。无交互能力。无交互能力。用户一旦将作业交给系统，不能与自已的作业进行交互。用户一旦将作业交给系统，不能与自已的作业进行交互。用户一旦将作业交给系统，不能与自已的作业进行交互。用户一旦将作业交给系统，不能与自已的作业进行交互。7/8/202412Oprating System3、操作系统的形成和发展（续二）多道批处理系统的特征8/13、操作系统的形成和发展、操作系统的形成和发展（续三）（续三）多道批处理系统需要解决的问题CPU CPU 管理管理管理管理内存管理内存管理内存管理内存管理I/OI/O设备管理设备管理设备管理设备管理文件管理文件管理文件管理文件管理作业管理作业管理作业管理作业管理三、分时操作系统（三、分时操作系统（Time-Sharing System）分时系统的产生分时系统的产生分时系统的产生分时系统的产生 推动多道批处理系统的形成的动力是提高资源利用率和系统吞吐量，推动分时推动多道批处理系统的形成的动力是提高资源利用率和系统吞吐量，推动分时推动多道批处理系统的形成的动力是提高资源利用率和系统吞吐量，推动分时推动多道批处理系统的形成的动力是提高资源利用率和系统吞吐量，推动分时系统产生的动力则是用户的需要。主要表现在：系统产生的动力则是用户的需要。主要表现在：系统产生的动力则是用户的需要。主要表现在：系统产生的动力则是用户的需要。主要表现在：人人人人-机交互的需要机交互的需要机交互的需要机交互的需要多个使用者共享主机的需要多个使用者共享主机的需要多个使用者共享主机的需要多个使用者共享主机的需要便于用户上机便于用户上机便于用户上机便于用户上机分时系统的特征分时系统的特征分时系统的特征分时系统的特征多路性多路性多路性多路性独占性独占性独占性独占性及时性及时性及时性及时性交互性交互性交互性交互性7/8/202413Oprating System3、操作系统的形成和发展（续三）多道批处理系统需要解决的问3、操作系统的形成和发展、操作系统的形成和发展（续四）（续四）四、实时操作系统四、实时操作系统实时系统（实时系统（实时系统（实时系统（Real-Time SystemReal-Time System）的引入）的引入）的引入）的引入多道批处理系统和分时系统仍不能解决如下问题：多道批处理系统和分时系统仍不能解决如下问题：多道批处理系统和分时系统仍不能解决如下问题：多道批处理系统和分时系统仍不能解决如下问题：实时控制实时控制实时控制实时控制实时信息处理实时信息处理实时信息处理实时信息处理 实时系统实时系统实时系统实时系统 ：指系统能即时响应外部事件请求，在规定时间内完成对该事件的处理，并控制所有指系统能即时响应外部事件请求，在规定时间内完成对该事件的处理，并控制所有指系统能即时响应外部事件请求，在规定时间内完成对该事件的处理，并控制所有指系统能即时响应外部事件请求，在规定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的系统。实时任务协调一致地运行的系统。实时任务协调一致地运行的系统。实时任务协调一致地运行的系统。实时系统与分时系统的比较实时系统与分时系统的比较实时系统与分时系统的比较实时系统与分时系统的比较多路性多路性多路性多路性独立性独立性独立性独立性及时性：及时性：及时性：及时性：交互性交互性交互性交互性可靠性可靠性可靠性可靠性需要强调的是，多道批处理系统、分时操作系统、实时操作系统是三个基需要强调的是，多道批处理系统、分时操作系统、实时操作系统是三个基本的操作系统，而一个实际的操作系统可能兼有其中三者或二者的功能。本的操作系统，而一个实际的操作系统可能兼有其中三者或二者的功能。7/8/202414Oprating System3、操作系统的形成和发展（续四）四、实时操作系统8/13/3、操作系统的形成和发展、操作系统的形成和发展（续五）（续五）五、网络操作系统五、网络操作系统计算机网络的基本特征计算机网络的基本特征计算机网络的基本特征计算机网络的基本特征自治性自治性自治性自治性 ：每台计算机能独立运行，独立承担分配给它的任务；每台计算机能独立运行，独立承担分配给它的任务；每台计算机能独立运行，独立承担分配给它的任务；每台计算机能独立运行，独立承担分配给它的任务；分布性分布性分布性分布性 ：它包含地理分布、功能分布、任务分布三个要素；它包含地理分布、功能分布、任务分布三个要素；它包含地理分布、功能分布、任务分布三个要素；它包含地理分布、功能分布、任务分布三个要素；互连性互连性互连性互连性 ：把地理位置分散的资源实现物理连接；：把地理位置分散的资源实现物理连接；：把地理位置分散的资源实现物理连接；：把地理位置分散的资源实现物理连接；统一性统一性统一性统一性 ：在统一的操作系统控制下使分散的计算机协调能够相互协调工作。在统一的操作系统控制下使分散的计算机协调能够相互协调工作。在统一的操作系统控制下使分散的计算机协调能够相互协调工作。在统一的操作系统控制下使分散的计算机协调能够相互协调工作。网络操作系统是网络范围的操作系统，其主要任务是用统一的方法管理整个网网络操作系统是网络范围的操作系统，其主要任务是用统一的方法管理整个网网络操作系统是网络范围的操作系统，其主要任务是用统一的方法管理整个网网络操作系统是网络范围的操作系统，其主要任务是用统一的方法管理整个网络中共享资源的使用和任务的处理。为此，它有如下四个功能：络中共享资源的使用和任务的处理。为此，它有如下四个功能：络中共享资源的使用和任务的处理。为此，它有如下四个功能：络中共享资源的使用和任务的处理。为此，它有如下四个功能：网络通信网络通信网络通信网络通信资源管理资源管理资源管理资源管理提供多种网络服务提供多种网络服务提供多种网络服务提供多种网络服务提供网络接口提供网络接口提供网络接口提供网络接口根据以上功能，可以给出网络操作系统的定义如下：根据以上功能，可以给出网络操作系统的定义如下：根据以上功能，可以给出网络操作系统的定义如下：根据以上功能，可以给出网络操作系统的定义如下：网络操作系统是建立于主机操作系统基础上，用于管理网络通信和共享资源，网络操作系统是建立于主机操作系统基础上，用于管理网络通信和共享资源，网络操作系统是建立于主机操作系统基础上，用于管理网络通信和共享资源，网络操作系统是建立于主机操作系统基础上，用于管理网络通信和共享资源，协调各主机任务运行，并向用户提供统一的、有效的网络接口的软件的集合。协调各主机任务运行，并向用户提供统一的、有效的网络接口的软件的集合。协调各主机任务运行，并向用户提供统一的、有效的网络接口的软件的集合。协调各主机任务运行，并向用户提供统一的、有效的网络接口的软件的集合。7/8/202415Oprating System3、操作系统的形成和发展（续五）五、网络操作系统8/13/3、操作系统的形成和发展、操作系统的形成和发展（续六）（续六）六、分布式操作系统六、分布式操作系统 分布式操作系统是分布式操作系统是分布式操作系统是分布式操作系统是70 70 和和和和 80 80 年代发展起来的一种多处理机（或多计算机）系统。在此之前称年代发展起来的一种多处理机（或多计算机）系统。在此之前称年代发展起来的一种多处理机（或多计算机）系统。在此之前称年代发展起来的一种多处理机（或多计算机）系统。在此之前称集中式系统，所有计算或处理功能集中在一台主机上。而分布式系统计算和处理功能是分散在构集中式系统，所有计算或处理功能集中在一台主机上。而分布式系统计算和处理功能是分散在构集中式系统，所有计算或处理功能集中在一台主机上。而分布式系统计算和处理功能是分散在构集中式系统，所有计算或处理功能集中在一台主机上。而分布式系统计算和处理功能是分散在构成分布式系统的各个处理单元上。成分布式系统的各个处理单元上。成分布式系统的各个处理单元上。成分布式系统的各个处理单元上。分布式系统是由多个处理单元构成的系统。其中，每个单元都处理机和局部存储器，能独立承分布式系统是由多个处理单元构成的系统。其中，每个单元都处理机和局部存储器，能独立承分布式系统是由多个处理单元构成的系统。其中，每个单元都处理机和局部存储器，能独立承分布式系统是由多个处理单元构成的系统。其中，每个单元都处理机和局部存储器，能独立承担分配给它的任务。各处理单元通过网络连接在一起。由统一的操作系统进行管理。担分配给它的任务。各处理单元通过网络连接在一起。由统一的操作系统进行管理。担分配给它的任务。各处理单元通过网络连接在一起。由统一的操作系统进行管理。担分配给它的任务。各处理单元通过网络连接在一起。由统一的操作系统进行管理。若处理单元是计算机则称为分布式计算机系统，它通常指计算机网络。若处理单元是计算机则称为分布式计算机系统，它通常指计算机网络。若处理单元是计算机则称为分布式计算机系统，它通常指计算机网络。若处理单元是计算机则称为分布式计算机系统，它通常指计算机网络。分布式系统的特征分布式系统的特征分布式系统的特征分布式系统的特征分布性分布性分布性分布性自治性自治性自治性自治性模块性模块性模块性模块性并行性并行性并行性并行性分布式系统的功能分布式系统的功能分布式系统的功能分布式系统的功能资源管理资源管理资源管理资源管理任务分配任务分配任务分配任务分配分布式进程同步和通信分布式进程同步和通信分布式进程同步和通信分布式进程同步和通信管理出现浮动管理出现浮动管理出现浮动管理出现浮动 由上可见，所谓分布式操作系统是：由上可见，所谓分布式操作系统是：由上可见，所谓分布式操作系统是：由上可见，所谓分布式操作系统是：能直接对系统中各类资源进行动态分配能直接对系统中各类资源进行动态分配能直接对系统中各类资源进行动态分配能直接对系统中各类资源进行动态分配和管理，有效地控制和协调任务的并行执行，允许系统中的处理单元无主次之和管理，有效地控制和协调任务的并行执行，允许系统中的处理单元无主次之和管理，有效地控制和协调任务的并行执行，允许系统中的处理单元无主次之和管理，有效地控制和协调任务的并行执行，允许系统中的处理单元无主次之分，并向用户提供统一的、有效的接口的软件的集合。分，并向用户提供统一的、有效的接口的软件的集合。分，并向用户提供统一的、有效的接口的软件的集合。分，并向用户提供统一的、有效的接口的软件的集合。7/8/202416Oprating System3、操作系统的形成和发展（续六）六、分布式操作系统8/133、操作系统的形成和发展、操作系统的形成和发展七、嵌入式操作系统七、嵌入式操作系统 嵌入式嵌入式(计算机计算机)系统的计算机不再以独立的物理形态出现，而系统的计算机不再以独立的物理形态出现，而是嵌入到应用系统之中。是嵌入到应用系统之中。嵌入式操作系统运行在嵌入式环境中，控制各种硬件部件和各嵌入式操作系统运行在嵌入式环境中，控制各种硬件部件和各种控制软件协调运行。它在工业控制、军用武器系统中达到广泛种控制软件协调运行。它在工业控制、军用武器系统中达到广泛使用。使用。嵌入式操作系统具有普通操作系统功能，但由于其应用的特殊性嵌入式操作系统具有普通操作系统功能，但由于其应用的特殊性和工作环境的多样性又有其自身的特点：和工作环境的多样性又有其自身的特点：微型化微型化可定制可定制实时实时可靠可靠易移植易移植7/8/202417Oprating System3、操作系统的形成和发展七、嵌入式操作系统8/13/2023、操作系统的形成和发展、操作系统的形成和发展（续七）（续七）微机操作系统微机操作系统单用户单任务操作系统单用户单任务操作系统CP/M DOSCP/M DOS单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统如：如：如：如：Windows 95/98/me OS/2 System 7 Windows 95/98/me OS/2 System 7 多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统Windows NT /2000/2003/XP ServerWindows NT /2000/2003/XP ServerUnixUnixLinuxLinux7/8/202418Oprating System3、操作系统的形成和发展（续七）微机操作系统8/13/204、操作系统的特征和服务、操作系统的特征和服务操作系统的特征操作系统的特征并发（并发（Concurrence）在多道程序环境下，并发性指同一时间键隔内多道程序同时运行，在多道程序环境下，并发性指同一时间键隔内多道程序同时运行，但在单处理机系统中，每个时刻只能有一个程序运行，微观上它们是但在单处理机系统中，每个时刻只能有一个程序运行，微观上它们是交替运行。为使程序能并发执行，系统必须为每个程序建立进程。交替运行。为使程序能并发执行，系统必须为每个程序建立进程。操作系统必须有控制和管理各种并发活动的能力。操作系统必须有控制和管理各种并发活动的能力。共享（共享（共享（共享（SharingSharing）所谓共享指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。由于资源所谓共享指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。由于资源所谓共享指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。由于资源所谓共享指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。由于资源属性不同共享的方式也不同，可分为两种共享方式：属性不同共享的方式也不同，可分为两种共享方式：属性不同共享的方式也不同，可分为两种共享方式：属性不同共享的方式也不同，可分为两种共享方式：互斥共享方式互斥共享方式互斥共享方式互斥共享方式 ：在一段时间内只允许一个进程访问的资源称临界资源，典型的：在一段时间内只允许一个进程访问的资源称临界资源，典型的：在一段时间内只允许一个进程访问的资源称临界资源，典型的：在一段时间内只允许一个进程访问的资源称临界资源，典型的是许多物理设备、变量、表格等；是许多物理设备、变量、表格等；是许多物理设备、变量、表格等；是许多物理设备、变量、表格等；同时共享方式同时共享方式同时共享方式同时共享方式 ：在一段时间内允许多个进程同时对它进行访问的资源，典型的：在一段时间内允许多个进程同时对它进行访问的资源，典型的：在一段时间内允许多个进程同时对它进行访问的资源，典型的：在一段时间内允许多个进程同时对它进行访问的资源，典型的是内存、磁盘、重入码编写的文件等。是内存、磁盘、重入码编写的文件等。是内存、磁盘、重入码编写的文件等。是内存、磁盘、重入码编写的文件等。迸发和共享是操作系统最基本的两个特征。它们又是互为存在条件的。迸发和共享是操作系统最基本的两个特征。它们又是互为存在条件的。迸发和共享是操作系统最基本的两个特征。它们又是互为存在条件的。迸发和共享是操作系统最基本的两个特征。它们又是互为存在条件的。虚拟（虚拟（虚拟（虚拟（VirtualVirtual）指将某个物理实体变成多个逻辑上的对应物。如，指将某个物理实体变成多个逻辑上的对应物。如，指将某个物理实体变成多个逻辑上的对应物。如，指将某个物理实体变成多个逻辑上的对应物。如，CPUCPU（虚处（虚处（虚处（虚处理机），理机），理机），理机），I/OI/O设备，物理信道等；设备，物理信道等；设备，物理信道等；设备，物理信道等；异步性（异步性（异步性（异步性（AsynchronismAsynchronism）进程的运行总是异步的走走停停的，这是竞争资源的缘）进程的运行总是异步的走走停停的，这是竞争资源的缘）进程的运行总是异步的走走停停的，这是竞争资源的缘）进程的运行总是异步的走走停停的，这是竞争资源的缘故。因此、每道程序何时结束是不可预知的。故。因此、每道程序何时结束是不可预知的。故。因此、每道程序何时结束是不可预知的。故。因此、每道程序何时结束是不可预知的。7/8/202419Oprating System4、操作系统的特征和服务操作系统的特征共享（Sharing4、操作系统的特征和服务、操作系统的特征和服务（续一）（续一）操作系统的服务操作系统的服务操作系统的服务类型操作系统的服务类型操作系统的服务类型操作系统的服务类型程序执行（进程控制）程序执行（进程控制）程序执行（进程控制）程序执行（进程控制）I/OI/O操作操作操作操作操纵文件系统操纵文件系统操纵文件系统操纵文件系统通信通信通信通信差错检测和信息维护差错检测和信息维护差错检测和信息维护差错检测和信息维护系统调用的作用系统调用的作用系统调用的作用系统调用的作用 OS OS以不同的方法提供以不同的方法提供以不同的方法提供以不同的方法提供OSOS服务，所有的操作系统使用的最基本方法是以服务，所有的操作系统使用的最基本方法是以服务，所有的操作系统使用的最基本方法是以服务，所有的操作系统使用的最基本方法是以“系统系统系统系统调用调用调用调用（System Call)”System Call)”方式提供的。应用程序通过系统调用（方式提供的。应用程序通过系统调用（方式提供的。应用程序通过系统调用（方式提供的。应用程序通过系统调用（C C语言是以函数方式语言是以函数方式语言是以函数方式语言是以函数方式提供给程序员）来调用提供给程序员）来调用提供给程序员）来调用提供给程序员）来调用OSOS的特定过程，以实现特定服务的特定过程，以实现特定服务的特定过程，以实现特定服务的特定过程，以实现特定服务 系统调用本身是由若干条指令构成的过程，但它与一般的过程不同，它是运系统调用本身是由若干条指令构成的过程，但它与一般的过程不同，它是运系统调用本身是由若干条指令构成的过程，但它与一般的过程不同，它是运系统调用本身是由若干条指令构成的过程，但它与一般的过程不同，它是运行在行在行在行在系统态系统态系统态系统态，而一般过程是运行在，而一般过程是运行在，而一般过程是运行在，而一般过程是运行在用户态用户态用户态用户态。由此导致进入方式的不同，应用程。由此导致进入方式的不同，应用程。由此导致进入方式的不同，应用程。由此导致进入方式的不同，应用程序及其调用都运行在用户态，而一般程序不能直接进入系统调用，它表现通过序及其调用都运行在用户态，而一般程序不能直接进入系统调用，它表现通过序及其调用都运行在用户态，而一般程序不能直接进入系统调用，它表现通过序及其调用都运行在用户态，而一般程序不能直接进入系统调用，它表现通过中断进入中断进入中断进入中断进入OSOS（此时为系统态），然后再转入特定功能（系统调用）过程。也正（此时为系统态），然后再转入特定功能（系统调用）过程。也正（此时为系统态），然后再转入特定功能（系统调用）过程。也正（此时为系统态），然后再转入特定功能（系统调用）过程。也正因为如此，才把这些调用称为系统调用。因为如此，才把这些调用称为系统调用。因为如此，才把这些调用称为系统调用。因为如此，才把这些调用称为系统调用。7/8/202420Oprating System4、操作系统的特征和服务（续一）操作系统的服务8/13/24、操作系统的特征和服务、操作系统的特征和服务（续二）（续二）系统调用类型系统调用类型系统调用类型系统调用类型进程控制（进程控制（进程控制（进程控制（Process ControlProcess Control）类系统调用）类系统调用）类系统调用）类系统调用:如如如如 创建、终止、设置进程属性等；创建、终止、设置进程属性等；创建、终止、设置进程属性等；创建、终止、设置进程属性等；文件操纵（）系统调用文件操纵（）系统调用文件操纵（）系统调用文件操纵（）系统调用:如如如如 创建文件、打开文件、读、写、设置文件属性等；创建文件、打开文件、读、写、设置文件属性等；创建文件、打开文件、读、写、设置文件属性等；创建文件、打开文件、读、写、设置文件属性等；设备管理设备管理设备管理设备管理 （Device management)Device management)系统调用系统调用系统调用系统调用通信系统调用通信系统调用通信系统调用通信系统调用信息维护（信息维护（信息维护（信息维护（Information maintenance)Information maintenance)系统调用系统调用系统调用系统调用:主要用在用户程序和主要用在用户程序和主要用在用户程序和主要用在用户程序和OSOS间传递信息。间传递信息。间传递信息。间传递信息。访管指令访管指令访管指令访管指令 前面讲到用户程序通过中断请求系统调用，从而进入管态运行系统功能服务子过前面讲到用户程序通过中断请求系统调用，从而进入管态运行系统功能服务子过前面讲到用户程序通过中断请求系统调用，从而进入管态运行系统功能服务子过前面讲到用户程序通过中断请求系统调用，从而进入管态运行系统功能服务子过程。但众多的服务请求，如何响应？程。但众多的服务请求，如何响应？程。但众多的服务请求，如何响应？程。但众多的服务请求，如何响应？这是通过这是通过这是通过这是通过“访管指令访管指令访管指令访管指令”来实现的。来实现的。来实现的。来实现的。CPUCPU有一条专门接受用户系统功能服务请求的有一条专门接受用户系统功能服务请求的有一条专门接受用户系统功能服务请求的有一条专门接受用户系统功能服务请求的指令，即访管指令，当用户发出系统功能服务请求时，引起访管中断，如果具指令，即访管指令，当用户发出系统功能服务请求时，引起访管中断，如果具指令，即访管指令，当用户发出系统功能服务请求时，引起访管中断，如果具指令，即访管指令，当用户发出系统功能服务请求时，引起访管中断，如果具备响应条件，则中断当前程序执行，保护现场；再将查找具体的系统功能号，备响应条件，则中断当前程序执行，保护现场；再将查找具体的系统功能号，备响应条件，则中断当前程序执行，保护现场；再将查找具体的系统功能号，备响应条件，则中断当前程序执行，保护现场；再将查找具体的系统功能号，寻找入口地址，设置该过程的寻找入口地址，设置该过程的寻找入口地址，设置该过程的寻找入口地址，设置该过程的PSWPSW（它已设置为系统态）和现场，调用该功能（它已设置为系统态）和现场，调用该功能（它已设置为系统态）和现场，调用该功能（它已设置为系统态）和现场，调用该功能过程执行。过程执行。过程执行。过程执行。7/8/202421Oprating System4、操作系统的特征和服务（续二）系统调用类型8/13/204、操作系统的特征和服务、操作系统的特征和服务系统调用的实现系统调用的实现 系统调用设计步骤：系统调用设计步骤：编写系统调用程序；编写系统调用程序；设计系统调用入口地址表，根据系统调用号对应各个系统调用程序入设计系统调用入口地址表，根据系统调用号对应各个系统调用程序入口地址，并指定系统调用自带参数个数口地址，并指定系统调用自带参数个数设置现场保护区；设置现场保护区；系统调用相关概念系统调用相关概念系统调用程序是可重入码，以便同时为多个迸发服务；系统调用程序是可重入码，以便同时为多个迸发服务；系统调用又称系统调用又称“广义指令广义指令”，但它不同于一般的机器指令，它是机器指，但它不同于一般的机器指令，它是机器指令的扩充，是计算机系统功能的扩充；令的扩充，是计算机系统功能的扩充；汇编和汇编和C可直接使用系统调用，但普通的高级语言是通过编译系统将可直接使用系统调用，但普通的高级语言是通过编译系统将有关资源的操作转变为对应的系统调用的；有关资源的操作转变为对应的系统调用的；7/8/202422Oprating System4、操作系统的特征和服务系统调用的实现8/13/202324、操作系统的特征和服务、操作系统的特征和服务系统调用与一般过程调用的区别系统调用与一般过程调用的区别运行状态不同运行状态不同一般用户程序调用过程都在用户态运行一般用户程序调用过程都在用户态运行一般用户程序调用过程都在用户态运行一般用户程序调用过程都在用户态运行一般系统程序调用过程都在系统态运行一般系统程序调用过程都在系统态运行一般系统程序调用过程都在系统态运行一般系统程序调用过程都在系统态运行系统调用产生状态切换，从用户态切换到系统态，执行完毕又返回用户态；系统调用产生状态切换，从用户态切换到系统态，执行完毕又返回用户态；系统调用产生状态切换，从用户态切换到系统态，执行完毕又返回用户态；系统调用产生状态切换，从用户态切换到系统态，执行完毕又返回用户态；进入方式不同进入方式不同一般过程直接调用一般过程直接调用一般过程直接调用一般过程直接调用系统调用通过软中断进入系统调用通过软中断进入系统调用通过软中断进入系统调用通过软中断进入OSOS后，经过分析才能调用处理程序后，经过分析才能调用处理程序后，经过分析才能调用处理程序后，经过分析才能调用处理程序提供的方式不同提供的方式不同一般过程由编译系统提供，不同的编译系统提供的过程可能不同；一般过程由编译系统提供，不同的编译系统提供的过程可能不同；一般过程由编译系统提供，不同的编译系统提供的过程可能不同；一般过程由编译系统提供，不同的编译系统提供的过程可能不同；系统调用由系统调用由系统调用由系统调用由OSOS提供，其功能、种类与数量固定不变；提供，其功能、种类与数量固定不变；提供，其功能、种类与数量固定不变；提供，其功能、种类与数量固定不变；调用方式不同调用方式不同一般过程使用调用指令按名调用，一般过程使用调用指令按名调用，一般过程使用调用指令按名调用，一般过程使用调用指令按名调用，系统调用必须使用访管指令，按功能号调用系统调用必须使用访管指令，按功能号调用系统调用必须使用访管指令，按功能号调用系统调用必须使用访管指令，按功能号调用与调用代码的关系不同与调用代码的关系不同7/8/202423Oprating System4、操作系统的特征和服务系统调用与一般过程调用的区别8/1操作系统有如下功能操作系统有如下功能存储管理存储管理处理机管理处理机管理设备管理设备管理文件管理文件管理用户接口（作业管理）用户接口（作业管理）5、操作系统的功能、操作系统的功能7/8/202424Oprating System操作系统有如下功能5、操作系统的功能8/13/202326、操作系统的硬件环境、操作系统的硬件环境中央处理器中央处理器 操作系统作为一个程序会在处理器上运行。若一个计算机只有操作系统作为一个程序会在处理器上运行。若一个计算机只有一个一个CPU，则称为单机系统，若有多个，则称为单机系统，若有多个CPU，则称为多机系统。，则称为多机系统。特权指令特权指令 每个处理器都有自已的指令系统。每个处理器都有自已的指令系统。对单用户系统，它的指令系统中的全部指令，普通的非系统用户也能使用。对单用户系统，它的指令系统中的全部指令，普通的非系统用户也能使用。对单用户系统，它的指令系统中的全部指令，普通的非系统用户也能使用。对单用户系统，它的指令系统中的全部指令，普通的非系统用户也能使用。对多用户的多道程序设计环境中，它的指令系统中的指令必须分成对多用户的多道程序设计环境中，它的指令系统中的指令必须分成对多用户的多道程序设计环境中，它的指令系统中的指令必须分成对多用户的多道程序设计环境中，它的指令系统中的指令必须分成“特权指令特权指令特权指令特权指令”和和和和“非特权指令非特权指令非特权指令非特权指令”。特权指令特权指令特权指令特权指令 在系统中只能由操作系统使用的指令，这些指令（如在系统中只能由操作系统使用的指令，这些指令（如在系统中只能由操作系统使用的指令，这些指令（如在系统中只能由操作系统使用的指令，这些指令（如 启动系统、启动某设备、设置时钟、控启动系统、启动某设备、设置时钟、控启动系统、启动某设备、设置时钟、控启动系统、启动某设备、设置时钟、控制中断屏蔽指令、清内存指令、建立存储保护指令等）如果允许用户随便使用，则可能使系统陷入混乱。制中断屏蔽指令、清内存指令、建立存储保护指令等）如果允许用户随便使用，则可能使系统陷入混乱。制中断屏蔽指令、清内存指令、建立存储保护指令等）如果允许用户随便使用，则可能使系统陷入混乱。制中断屏蔽指令、清内存指令、建立存储保护指令等）如果允许用户随便使用，则可能使系统陷入混乱。用户程序只能使用非特权指令。用户程序只能使用非特权指令。用户程序只能使用非特权指令。用户程序只能使用非特权指令。CPU CPU 如何区分当前是在操作系统还是普通用户在其上执行呢如何区分当前是在操作系统还是普通用户在其上执行呢如何区分当前是在操作系统还是普通用户在其上执行呢如何区分当前是在操作系统还是普通用户在其上执行呢？这依耐于处理器状态标识。？这依耐于处理器状态标识。？这依耐于处理器状态标识。？这依耐于处理器状态标识。7/8/202425Oprating System6、操作系统的硬件环境中央处理器8/13/202325O6、操作系统的硬件环境、操作系统的硬件环境（续一）（续一）处理器的状态处理器的状态处理器的状态处理器的状态 处理器上可执行用户程序、处理器上可执行用户程序、操作系统程序，根据程序对资源和机器指操作系统程序，根据程序对资源和机器指令使用权限而将此时的处理器设置为不同的状态。通常设置为管态（核心令使用权限而将此时的处理器设置为不同的状态。通常设置为管态（核心态）和目态（用户态）。态）和目态（用户态）。当处理器处于管态时，可执行全部指令（包括特权和非特权指令）、当处理器处于管态时，可执行全部指令（包括特权和非特权指令）、使用所有资源，并具有改变处理器状态的能力。使用所有资源，并具有改变处理器状态的能力。当处理器处于目态时，只能执行非特权指令。当处理器处于目态时，只能执行非特权指令。程序状态字程序状态字程序状态字程序状态字 CPU上有一个专门的寄存器用于指示处理器状态，称上有一个专门的寄存器用于指示处理器状态，称“程序状态字程序状态字（PSW）”。处理器状态包括条件码。处理器状态包括条件码反映指令执行后的结果特征；中反映指令执行后的结果特征；中断屏蔽码断屏蔽码指出是否允许中断；指出是否允许中断；CPU 的工作状态的工作状态指出是管态还是指出是管态还是目态目态用以说明当前用以说明当前CPU 上执行的是操作系统还是一般用户，从而确上执行的是操作系统还是一般用户，从而确定是否可以使用特权指令换拥有其它特殊权利。定是否可以使用特权指令换拥有其它特殊权利。不同的机器有不同的程序状态字格式，可包含不同的信息。不同的机器有不同的程序状态字格式，可包含不同的信息。Windows NT 和和 Unix 使用的使用的 32 位位CPU（奔腾）有（奔腾）有32位寄存器位寄存器EFLAGS，而，而M68000 的程序状态字的程序状态字PSW如图：如图：T S I2 I1 I0 X N Z V C 151310407/8/202426Oprating System6、操作系统的硬件环境（续一）处理器的状态T 6、操作系统的硬件环境、操作系统的硬件环境（续二）（续二）T 自陷（自陷（Trap）中断标志位；）中断标志位；S CPU 状态标志位，状态标志位，1 说明处于管态，说明处于管态，0 说明说明CPU 处于目态；处于目态；I0 0 I2 2 中断屏蔽位，共中断屏蔽位，共8级中断，只接受高于此值的优先级中断；级中断，只接受高于此值的优先级中断；C 进位；进位；N 结果为负结果为负；Z结果为零结果为零；V 溢出；溢出；主存储器主存储器缓冲技术缓冲技术中断技术中断技术时钟、时钟队列时钟、时钟队列T S I2 I1 I0 X N Z V C 7/8/202427Oprating System6、操作系统的硬件环境（续二）T 自陷（Trap）中7、多道程序设计技术、多道程序设计技术一、概念一、概念多个算题同时装入内存以并发方式工作执行，这种设计技多个算题同时装入内存以并发方式工作执行，这种设计技术称术称“多道程序设计技术多道程序设计技术”。这种计算机系统称。这种计算机系统称“多道程序设多道程序设计系统计系统”。其工作原理见图：其工作原理见图：二、为什么要采用二、为什么要采用 多道程序设计技术多道程序设计技术提高提高CPU利用率利用率提高内存和提高内存和I/O设备利用率设备利用率提高系统的吞吐率提高系统的吞吐率7/8/202428Oprating System7、多道程序设计技术一、概念8/13/202328OpraC7/8/202429Oprating SystemC8/13/202329Oprating System7、多道程序设计技术、多道程序设计技术三、三、三、三、多道程序设计的特点多道程序设计的特点多道程序设计的特点多道程序设计的特点多道性多道性多道性多道性 同时同时同时同时无序性无序性无序性无序性无法确定并发顺序无法确定并发顺序无法确定并发顺序无法确定并发顺序宏观上并行宏观上并行宏观上并行宏观上并行 实际是各个程序竞争占有实际是各个程序竞争占有实际是各个程序竞争占有实际是各个程序竞争占有CPUCPU运行，但宏观上并行工作。运行，但宏观上并行工作。运行，但宏观上并行工作。运行，但宏观上并行工作。调度性调度性调度性调度性 选择合适的程序在选择合适的程序在选择合适的程序在选择合适的程序在CPUCPU上运行上运行上运行上运行四、多道程序设计的实现四、多道程序设计的实现四、多道程序设计的实现四、多道程序设计的实现 1 1、多道程序设计必须解决的问题、多道程序设计必须解决的问题、多道程序设计必须解决的问题、多道程序设计必须解决的问题存储保护存储保护存储保护存储保护处理器管理和进程调度处理器管理和进程调度处理器管理和进程调度处理器管理和进程调度系统资源管理系统资源管理系统资源管理系统资源管理 在保证系统安全、正常工作的前提下，实现资源分配和回收，促使尽可能多的进在保证系统安全、正常工作的前提下，实现资源分配和回收，促使尽可能多的进在保证系统安全、正常工作的前提下，实现资源分配和回收，促使尽可能多的进在保证系统安全、正常工作的前提下，实现资源分配和回收，促使尽可能多的进程迸发运行程迸发运行程迸发运行程迸发运行 2 2、多道程序设计可能出现的问题、多道程序设计可能出现的问题、多道程序设计可能出现的问题、多道程序设计可能出现的问题7/8/202430Oprating System7、多道程序设计技术三、多道程序设计的特点8/13/207、多道程序设计技术、多道程序设计技术可能延长单个程序的执行时间可能延长单个程序的执行时间并行工作道数与系统效率不成正比并行工作道数与系统效率不成正比7/8/202431Oprating System7、多道程序设计技术可能延长单个程序的执行时间8/13/8、操作系统结构设计、操作系统结构设计 操作系统设计具有如下两大问题：操作系统设计具有如下两大问题：复杂、周期长；复杂、周期长；正确性难以保证；正确性难以保证；操作系统结构设计包含两大内容：操作系统结构设计包含两大内容：考虑操作系统数据结构和控制结构；考虑操作系统数据结构和控制结构；分析操作系统的构造过程和方法分析操作系统的构造过程和方法一、整体式结构一、整体式结构整体式结构整体式结构-模块组合法，是早期模块组合法，是早期OS的设计方法的设计方法特点：特点：模块以功能划分而非以程序或数据特点划分模块以功能划分而非以程序或数据特点划分数据作为全程量使用数据作为全程量使用模块间可不加限制地调用和转移，模块间信息传递可任意约定模块间可不加限制地调用和转移，模块间信息传递可任意约定7/8/202432Oprating System8、操作系统结构设计 操作系统设计具有如下两大问题：8/18、操作系统结构设计、操作系统结构设计整体式结构的优点整体式结构的优点结构紧密结构紧密接口简单接口简单系统效率高系统效率高整体式结构的缺点整体式结构的缺点模块独立性差模块独立性差结构不清晰结构不清晰不易阅读和分析不易阅读和分析不易维护不易维护并发性受到限并发性受到限典型的是典型的是IBM初期的操作系统初期的操作系统7/8/202433Oprating System8、操作系统结构设计整体式结构的优点8/13/2023338、操作系统结构设计、操作系统结构设计二、分层结构二、分层结构将操作系统分解成为内核和若干模块，并以一定的原则分为若干将操作系统分解成为内核和若干模块，