《计算机操作系统》第1章操作系统概述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,1,章,操作系统概述,教材：计算机操作系统,编著：沈晓红、刘颖、杨明,出版：电子工业出版社,本章目录,1,.1,操作系统,的,概念,1,.2,操作系统的发展历程,1,.3,操作系统的基本特征,1,.4,操作系统的主要功能,1,.5,计算机硬件系统,1,.1,操作系统,的,概念,操作系统,是计算机系统的核心组成部分，具体体现在以下三个方面,：,1.,操作系统是能够协调系统有条不紊运行的程序集合,从,形式上来说，操作系统是存放在计算机中的能实现特定功能的程序。它们一部分存放在内存中，另一部分存放在硬盘上，系统在适当的时候调用这些程序，以实现系统的高效运行,。但,它又不同于一般的计算机程序，其主要区别是程序的意图。它控制处理机合理地使用其他系统资源，加速其他程序的执行，与此同时，处理机必须停止执行操作系统程序。这样，操作系统就会为处理机而放弃控制，去做另外,“,有用,”,的工作，待到重新掌握控制权之后，再为处理机的下一步工作做准备。由此看来，操作系统可以被看作是一个控制部件，它频繁地放弃控制，又必须依靠处理机来重新获得控制。,2.,操作系统是计算机系统资源的管理,者,一,个计算机系统，通常由,CPU,、主存储器、外存储器、终端设备、网络设备等硬件资源和一些软件资源,组成。,如图,1-1,中，是一些受操作系统控制的主要资源。,操作系统,通过许多的数据结构对系统信息进行记录，根据不同的系统要求，对系统数据进行修改，以实现对各种资源的高效控制。,1,.1,操作系统,的,概念,3.,操作系统提供了方便用户使用计算机的用户界面,从,用户的观点来看，引入操作系统是为了给用户使用计算机提供一个良好的界面，以使用户无需了解有关硬件和系统软件的细节，就能方便地使用计算机,。,综上所述，可以把,操作系统,定义为：一些程序模块的集合,它们能控制和管理计算机系统内各种软硬件资源，合理、高效地组织计算机系统的工作，为用户提供一个使用方便、可扩充的工作环境，进而起到连接计算机和用户的作用。,1,.1,操作系统,的,概念,1.2,存储管理的基本功能,1,.2.1,人工操作阶段,1,.2.2,单,道程序批处理系统,1.2.3,多道程序批处理系统,1.2.4,分时系统,1.2.5,实时系统,1.2.6,通用操作系统,1.2.7,操作系统的进一步发展,1,.2.1,人工操作阶段,在第一代计算机时期，构成计算机的主要元器件是电子管，计算机运算速度非常慢（几千次秒），这一时期的计算机上还没有配置任何操作系统，甚至没有任何软件,。这个,时期上机完全是手工操作，用户（即程序员）需要直接与计算机硬件打交道,。,1,.2.1,人工操作阶段,这种早期系统存在以下三个问题：,（,1,）上机安排的不确定性,。,（,2,）用户独占系统资源。计算机的全部资源（如,CPU,、主存、外部设备等）只能由一,个用户,程序独占。,（,3,）,CPU,等待人工操作，即串行工作方式。当用户进行装纸带（或卡片）、卸纸带（或卡片）等人工操作时，,CPU,及主存等资源是空闲的。换句话说，人的操作与计算机的运行以及计算机各个部件之间都是按照时间先后顺次工作的,。,手工,操作的慢速度与计算机的高速度之间形成矛盾，此即所谓的,人机矛盾。,1,.2.2,单道,程序批处理,系统,人们,设计了一个管理程序，称,监督程序（,Monitor,）,，来实现作业的自动转换处理。首先，程序员将数据、程序以及用作业语言书写的作业说明书作为作业信息提交给操作员，操作员把用户提交的作业分类，把一批中的作业编成一个作业执行序列，并将这些作业信息,“,成批,”,地输入到计算机中，每一批作业将由监督程序自动依次处理，这种自动定序的处理方式称为,“,批处理,”,。,1,.2.2,单道,程序批处理,系统,早期批处理方式又分为,联机,I/O,批处理,和,脱机,I/O,批处理,两种类型,。,1.,联机,I/O,批处理,所谓,联机,是指慢速的输入输出设备和主机直接相连打交道。用户不再通过控制台的开关和按钮来控制计算机的执行，而是通过作业说明书来描述对作业的加工和控制步骤,。,2.,脱机,I/O,批处理,这种,方式的显著特征是在主机之外另设一台小型外围机，它只与外部设备打交道，不与主机直接连接，从而使主机腾出更多的时间专门完成快速的计算,任务,。,1,.2.2,单道,程序批处理,系统,单道程序批处理,系统,的主要特征有：,（,1,）自动性：在顺利的情况下，在磁带上的一批作业能自动地逐个依次运行，而无须人工干预。,（,2,）顺序性：磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序是一一对应的。,（,3,）单道性：内存中每次仅有一道程序运行。,1,.2.3,多道程序批处理,系统,1.,多道,程序设计的基本思想,在单处理机系统中，多道程序设计的基本思想是在计算机内存中同时存放若干道程序，处理机在调用一道作业运行时，如果发现输入,/,输出时会产生等待，监督程序就会引导处理机去执行另外的程序，这样就使处理机总是处于工作状态。,在,批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了,多道,程序,批处理,系统,。,要处理的许多作业存放在外存中，形成作业队列，等待运行。当需要调入作业时，将由操作系统中的作业调度程序对外存中的一批作业，根据其对资源的要求和一定的调度原则，调几个作业进入内存，让它们交替运行。当某个作业完成后，再调入一个或几个作业。在这种处理方式下，内存中总是同时存在几道程序，系统资源能得到比较充分的利用。,1,.2.3,多道程序批处理,系统,2,.,多道,程序,批处理,系统的特点,（,1,）多道性：计算机内存中同时存放多道程序。,（,2,）宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。,（,3,）微观上串行：微观上，各道程序轮流地使用,CPU,，交替执行。,（,4,）无序性：多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间无严格对应关系，即先进入内存的作业可能较后完成甚至是最后完成，而后进入内存的作业又有可能先完成。,（,5,）调度性：作业从提交给系统开始直至完成，要经过两次调度：首先是作业调度，是指按一定的作业调度算法，从外存的后备作业队列中，选择若干个作业调入内存，并为之创建进程；其次是进程调度，是指按一定的进程调度算法选择一个进程，将处理机分配给它，使之执行。,1,.2.3,多道程序批处理,系统,3.,多道,程序,批处理,系统,的,优缺点,多,道批处理系统的,主要优点,如下：,（,1,）系统资源的利用率提高。内存中驻留多道程序，它们共享资源，从而使各种资源得以充分利用。,（,2,）系统吞吐量增大。系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。,多,道批处理系统也有其,缺点,：,（,1,）平均周转时间长。作业周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。在多道批处理系统中，各道作业轮流使用,CPU,，且运行过程中可能因为某种原因进行,CPU,的切换，所以周转时间较长。,（,2,）缺乏交互性。交互性就是用户与系统直接进行人机,“,对话,”,。用户决定着系统的下一步操作。多道批处理系统不允许用户的干预，对程序的修改和调试带来极大的不便。,1,.2.3,多道程序批处理,系统,4.,多道,程序,批处理系统,存在,的,问题,（,1,）并行运行的程序要共享计算机系统的硬件和软件资源，既有对资源的竞争，但又须相互同步。因此同步与互斥机制成为操作系统设计中的重要问题。,（,2,）多道程序的增加，出现了内存不够用的问题，提高内存的使用效率也成为关键。因此出现了诸如覆盖技术、对换技术和虚拟存储技术等内存管理技术。,（,3,）多道程序存在于内存，保证系统程序存储区和各用户程序存储区的安全可靠，提出了内存保护的要求,。,多道程序,系统是一种有效但又十分复杂的系统，为了解决上述问题，先后出现了作业调度管理、处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等功能，这些功能的出现标志着操作系统渐趋成熟。,1,.2.4,分时,系统,1.,分时系统的产生,多,道批处理系统的出现有效地提高了系统资源的利用率，但是却丢失了手工操作阶段的,“,交互性,”,的,优点,，,所以,会使用户在一定程度上感觉不方便。但对于普通用户来说，很多情况下是希望参与计算机资源的使用的。比如用户写了一段程序交与主机运行，中间如果有错误，主机会及时在用户的显示屏上显示。用户可以根据显示及时进行修改，这样就可以方便地编写程序和调试程序了。除此之外，,“,方便性,”,也是操作系统追求实现的重要目标之一，所以随之出现了以多道程序设计技术为基础的交互式系统，即,“,分时系统,”,。,1,.2.4,分时,系统,2.,分时系统的实现方法,利用,时钟系统把,CPU,时间分成一个一个的时间片，操作系统轮流地把每个时间片分给各个并发程序，每道程序一次只可运行一个时间片。当时间片计数到时后，产生一个时钟中断，然后控制转向操作系统。这时操作系统再选择另一道程序并分给它一个时间片，使其投入运行。到时再发中断，重新选择程序运行，如此重复。由于相对于人的感觉来说，这个时间片很短，往往在几秒钟内便可对用户的请求作出响应，从而使系统中的各个用户都认为整个系统只为他自己服务，并未感觉到还有其他用户的存在，尽管它事实上为许多用户所共享。,1,.2.4,分时,系统,3.,分时系统的特征,（,1,）同时性：若干用户可同时上机使用计算机资源。宏观上，是多个用户同时工作，共享系统资源；而微观上，则是每个用户作业轮流占用一个时间片。,（,2,）独立性：系统中各用户可以彼此独立操作，互不干扰或破坏。因此，每个用户会感觉到就像是他自己独占主机。,（,3,）及时性：由于时间片往往很短，所以用户能在很短时间内得到系统的响应。,（,4,）交互性：用户可通过终端方便地与系统进行人机对话。,1,.2.5,实时系统,虽然,多道批处理系统和分时系统已经能获得令人较为满意的资源利用率和响应时间，但仍不能满足实时控制和实时信息处理的需求，例如，导弹的制导系统、飞机订票系统、情报检索系统等，这就使实时系统应运而生,。,实时,应用可分为两类：,1.,实时控制,2.,实时事务处理,1,.2.6,通用操作系统,多,道批处理系统和分时系统的不断改进、实时系统的出现及其应用日益广泛，致使操作系统日益完善。在此基础上出现了通用操作系统。它可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。,1,.2.7,操作系统的进一步发展,（,1,）嵌入式操作系统,。,（,2,）,并行操作系统,。,（,3,）,网络操作系统和分布式操作系统,。,1.3,操作系统,的基本,特征,1,.3.1,并发性,1,.3.2,共享性,1.3.3,虚拟性,1.3.4,异步性,1,.3.1,并发性,所谓,并发性（,concurrency,）,是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生,。,所谓,并行性,是指两个或多个事件在同一时刻发生,。,在多道程序环境中，程序并发性是指在计算机系统中同时存在有多个程序，从宏观上看，这些程序是同时向前推进的。在单,CPU,环境下，每一时刻只能有一道程序执行，所以微观上这些并发执行的程序是交替地在,CPU,上运行的。,1,.3.2,共享,性,由于,操作系统有并发性，整个系统的软硬件资源不再为某个程序所独占，而是由许多程序共同使用，即许多程序共享系统的软硬件资源，也就是操作系统的,共享性（,sharing,）,。,1,.3.3,虚拟,性,操作系统,的虚拟性（,virtual,），体现在它的方方面面，多道程序在单,CPU,的计算机上同时运行机制使得多个程序好像独占一个,CPU,，若干终端用户分时使用一台主机，好像每人独占了一台计算机；虚拟存储器使得内存为,1MB,的计算机可以运行总容量为,5MB,以上的程序。这些都体现了操作系统的虚拟性。,1,.3.4,异步,性,异步,性（,asynchronism,）