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1、操作系统课程课程 课 课 堂 堂 讲 讲 义 义 第一章 操作系统引论 第一章 操作系统引论 一、一、计算机系统计算机系统1.1计算机系统的组成：计算机系统的组成：1.1.1 1.1.1 计算机硬件计算机硬件 计算机硬件是指组成计算机系统的设备或机器，它是组成计 计算机硬件是指组成计算机系统的设备或机器，它是组成计 算机系统的基础。算机系统的基础。计算机硬件一般包括中央处理器计算机硬件一般包括中央处理器（CPU）、）、主存储器、主存储器、外存储 外存储 器、输入设备和输出设备，器、输入设备和输出设备，其中其中CPU与主存储器合称为主机与主存储器合称为主机，外，外 存储器、存储器、输入设备和输出
2、设备合称为外部设备输入设备和输出设备合称为外部设备。计算机硬件之间的关系如图所示：计算机硬件之间的关系如图所示：1.1.2 计算机软件计算机软件 计算机软件是指组成计算机系统的程序、计算机软件是指组成计算机系统的程序、数据和文档。数据和文档。程序是 程序是 指令的有指令的有序集合，序集合，是根据一定的算法，是根据一定的算法，采用相应的数据结构，采用相应的数据结构，用某 用某 种计算机语言进行的描述；种计算机语言进行的描述；数据是信息在计算机中的表示，数据是信息在计算机中的表示，是计算 是计算 机处理的对象机处理的对象；文档是各种说明文本，是软件操作的辅助性资源。；文档是各种说明文本，是软件操作
3、的辅助性资源。计算机的所有工作都必须在软件的控制下才能进行，计算机的所有工作都必须在软件的控制下才能进行，没有软件 没有软件 的计算机称为的计算机称为“裸机”“裸机”，是任何工作都做不了的，是任何工作都做不了的。根据软件的作用可以把软件分为系统软件和应用软件。根据软件的作用可以把软件分为系统软件和应用软件。系统软 系统软 件件是支持和管理计算机硬件的软件是支持和管理计算机硬件的软件，是服务于硬件的是服务于硬件的，它创立的是 它创立的是 一个平台一个平台；应用软件应用软件是完成用户某项要求的软件，是完成用户某项要求的软件，是服务于特定用 是服务于特定用 户的，它满足某一个应用领域。户的，它满足某
4、一个应用领域。软件的作用如图软件的作用如图 13 所示。所示。计算机用户通过应用软件让计算机为自 计算机用户通过应用软件让计算机为自 己服务，己服务，而应用软件又是通过系统软件来管理和使用计算机硬件。而应用软件又是通过系统软件来管理和使用计算机硬件。系统软件包括操作系统系统软件包括操作系统、数据库管理系统数据库管理系统、计算机编译语言和 计算机编译语言和 各种系统服务性程序各种系统服务性程序。应用软件包括计算机源程序和应用软件包。应用软件包括计算机源程序和应用软件包。所有这些软件，所有这些软件，操作系统是基础，操作系统是基础，它是其他软件的平台。它是其他软件的平台。没有操作 没有操作 系统，其
5、他软件就无法工作系统，其他软件就无法工作。操作系统的地位操作系统的地位 计算机系统是分层次的，计算机系统是分层次的，最底层是未配置任何软件的硬件 最底层是未配置任何软件的硬件 裸机，裸机，硬件之上是软件，硬件之上是软件，软件又分为若干层次软件又分为若干层次，最底层是 最底层是 操作系统操作系统。操作系统是覆盖在裸机之上的第一层软件操作系统是覆盖在裸机之上的第一层软件，它 它 直接控制直接控制、管理各种硬件资源。管理各种硬件资源。所以操所以操作系统是整个计算 作系统是整个计算 机系统的控制管理中心。机系统的控制管理中心。操作系统是计操作系统是计算机硬件上加载的第一层软件算机硬件上加载的第一层软件
6、，是对计算机 是对计算机 硬件功能的首次扩充。硬件功能的首次扩充。其他软件只有在操作系统的支持 其他软件只有在操作系统的支持 下，才能对计算机硬件工作下，才能对计算机硬件工作。操作系统是一种重要的系统软件操作系统是一种重要的系统软件。计算机硬件加上计算机硬件加上 I/O 管 管 理软件称为虚拟机，理软件称为虚拟机，虚拟机再加上文件管理软件称为较强 虚拟机再加上文件管理软件称为较强 的虚拟机的虚拟机，较强的虚拟机再加上窗口软件称为极强的虚拟 较强的虚拟机再加上窗口软件称为极强的虚拟 机，机，实际呈现在用户面前的计算机系统已是经过若干层次 实际呈现在用户面前的计算机系统已是经过若干层次 软件改造的
7、计算机。软件改造的计算机。二、二、操作系统概念操作系统概念1、操作系统定义：、操作系统定义：操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有 有 效地组织多道程序运行的系统软件效地组织多道程序运行的系统软件，是用户与计算机之间的接口。，是用户与计算机之间的接口。深入讨论：作为计算机系统的控制和指挥中心，操作系统是一 深入讨论：作为计算机系统的控制和指挥中心，操作系统是一 个软件个软件（Software），），而且是一个系统软件而且是一个系统软件（SystemSoftware），），其 其 运行既依赖于计算机系统的硬件运行既依赖于计算机系统
8、的硬件（Hardware），），又要管理计算机系 又要管理计算机系 统的一切硬件设施统的一切硬件设施。在操作系统运行过程中在操作系统运行过程中，需要硬件强力的支持，需要硬件强力的支持，而且有一部分功能由硬件直接完成而且有一部分功能由硬件直接完成，从这个意义上讲从这个意义上讲，操作系统又 操作系统又 不完全是软件，不完全是软件，而是由软、而是由软、硬件结合的有机体，硬件结合的有机体，在软、在软、硬件的配合 硬件的配合 下，共同完成操作系统所应完成的任务。下，共同完成操作系统所应完成的任务。操作系统是裸机上扩展的第一层软件操作系统是裸机上扩展的第一层软件，是对硬件的首次延伸。，是对硬件的首次延伸。
9、可从不同的观点来观察操作系统的作用：可从不同的观点来观察操作系统的作用：从一般用户的观点从一般用户的观点，认为 认为 操作系统是与计算机硬件的接口；操作系统是与计算机硬件的接口；从资源管理观点，从资源管理观点，认为操作系统 认为操作系统 是计算机系统资源的管理者是计算机系统资源的管理者。科普的观点科普的观点：操作系统是计算机系统的管理和控制中心，操作系统是计算机系统的管理和控制中心，它依照设计者制定的各种调度策略组织和管理计算机系 它依照设计者制定的各种调度策略组织和管理计算机系 统资源，统资源，使之能高效地运行使之能高效地运行。功能的观点功能的观点：操作系统是一个计算机资源管理系统，它：操作
10、系统是一个计算机资源管理系统，它 操作系统第操作系统第1 页页负责计算机系统的全部资源的分配负责计算机系统的全部资源的分配、控制、控制、调度和回收。、调度和回收。用户的观点：用户的观点：操作系统是计算机与用户之间的接口，用 操作系统是计算机与用户之间的接口，用 户通过这种接口使用计算机户通过这种接口使用计算机。软件的观点软件的观点：操作系统是程序和数据结构的集合。操作系统是程序和数据结构的集合。管理的观点管理的观点：操作系统是计算机硬件和软件资源的合理而 操作系统是计算机硬件和软件资源的合理而 协调的管理者协调的管理者。综合起来看综合起来看：操作系统是一个大型的程序系统，操作系统是一个大型的程
11、序系统，它负责计 它负责计 算机的全部软算机的全部软、硬件资源的分配硬件资源的分配、调度工作，调度工作，控制并协调 控制并协调 并发活动并发活动，实现信息的存取和保护实现信息的存取和保护。它提供用户接口它提供用户接口，使 使 用户获得良好的工作环境用户获得良好的工作环境。操作系统使整个计算机系统实 操作系统使整个计算机系统实 现了高效率和高度自动化。现了高效率和高度自动化。2、操作系统的作用、操作系统的作用2.1作用：操作系统是在计算机硬件上加载的第一层软件，作用：操作系统是在计算机硬件上加载的第一层软件，是对计 是对计 算机硬件功能的首次扩充。算机硬件功能的首次扩充。其他软件只有在操作系统的
12、支持下其他软件只有在操作系统的支持下，才 才 能对计算机硬件工作能对计算机硬件工作。操作系统的作用如图所示：。操作系统的作用如图所示：2.2 四种作用形式四种作用形式：用户通过编写的用户通过编写的源程序源程序，在数据库管理系统 在数据库管理系统（DBMS）或编译系统的作用下，或编译系统的作用下，由操作系统控 由操作系统控 制和解释给硬件去执行；制和解释给硬件去执行；用户通过服务性程序（也称工具软件），经操作 用户通过服务性程序（也称工具软件），经操作 系统的作用，系统的作用，来完成对计算机的操作；来完成对计算机的操作；用户通过可执行程序，用户通过可执行程序，经操作系统的作用来实现 经操作系统的
13、作用来实现 对硬件的操作对硬件的操作；用户通过操作系统提供的命令来实现对硬件的 用户通过操作系统提供的命令来实现对硬件的 操作。操作。2.3 操作系统的层次模型 操作系统的层次模型 操作系统可以看成是一个层次结构操作系统可以看成是一个层次结构，其最底层为操作系统的操 其最底层为操作系统的操 作对象，作对象，中间层为管理操作对象的软件集合，中间层为管理操作对象的软件集合，最高层为提供给用户 最高层为提供给用户 的系统接口，的系统接口，如图所示。如图所示。.操作对象：操作对象：主要是指操作系统所管理的各种软硬件资源主要是指操作系统所管理的各种软硬件资源，包括 包括 处理器、处理器、存储器、存储器、
14、I/O 设备、设备、文件和作业文件和作业。.管理软件：管理软件：管理软件是操作系统的核心，管理软件是操作系统的核心，它集中了操作系统的 它集中了操作系统的 主要功能。主要功能。这些功能包括处理器管理、这些功能包括处理器管理、存储器管理、存储器管理、设备管理设备管理、文 文 件管理和作业管理。件管理和作业管理。.系统接口：系统接口：系统接口是操作系统为方便用户的使用提供给用户 系统接口是操作系统为方便用户的使用提供给用户 的各种功能和服务，的各种功能和服务，这些接口包括命令接口和程序接口。这些接口包括命令接口和程序接口。3、操作系统特点、操作系统特点（1）操作系统是程序的集合）操作系统是程序的集
15、合 从形式上看，从形式上看，操作系统是放在计算机中的程序，操作系统是放在计算机中的程序，这些程序一部 这些程序一部 分放在内存中分放在内存中，一部分放在硬盘中，一部分放在硬盘中，CPU 在适当的时候调用这些 在适当的时候调用这些 程序，以实现所需要的功能。程序，以实现所需要的功能。Windows 操作系统包括各种功能的 操作系统包括各种功能的 程序，程序，如画笔、如画笔、记事本、记事本、录音机等程序，录音机等程序，平时放在硬盘，平时放在硬盘，只有用户 只有用户 选中时，选中时，才被才被 CPU调到内存执行调到内存执行。（2）操作系统管理和控制系统资源）操作系统管理和控制系统资源 计算机的硬件、
16、计算机的硬件、软件、软件、数据等都需要操作系统的管理。数据等都需要操作系统的管理。操作系 操作系 统通过各种数据结构统通过各种数据结构，对系统资源进行管理，如，对系统资源进行管理，如Windows以树形 以树形 层次结构对硬盘进行管理。层次结构对硬盘进行管理。（3）操作系统提供了方便用户使用的友好界面）操作系统提供了方便用户使用的友好界面Windows 提供了使用方便、易于掌握的图形界面，用户只需 提供了使用方便、易于掌握的图形界面，用户只需 点击鼠标即可轻松完成各种操作。点击鼠标即可轻松完成各种操作。（4）操作系统能优化系统功能）操作系统能优化系统功能 由于系统中配备了大量的硬件由于系统中配
17、备了大量的硬件、软件软件，因而它们可以实因而它们可以实现各种 现各种 功能，功能，但也不可避免地带来冲突，但也不可避免地带来冲突，导致系统性能下降。导致系统性能下降。操作系统企 操作系统企 图使计算机的资源得到最大的利用图使计算机的资源得到最大的利用，使系统处于良好的运行状态，使系统处于良好的运行状态，还要采用最优的实现功能的方式。还要采用最优的实现功能的方式。在使用在使用Windows系统时，系统时，可以 可以 同时打开执行多个程序，同时打开执行多个程序，如同时打开如同时打开 Photoshop、3D、MAX、Word等常用软件，等常用软件，但在某一时刻只能使用一个软件但在某一时刻只能使用一
18、个软件，过一会儿再使用另 过一会儿再使用另 外一个外一个。在两个程序切换的过程中在两个程序切换的过程中，经常发现硬盘指示灯不停闪烁。经常发现硬盘指示灯不停闪烁。内存空间越小内存空间越小，硬盘指示灯闪烁次数越多硬盘指示灯闪烁次数越多，有时在一个软件的正常 有时在一个软件的正常 运行过程中，运行过程中，硬盘指示灯也闪个不停，其原因就是硬盘指示灯也闪个不停，其原因就是Windows在管 在管 理内存时使用了虚拟存储技术，将硬盘空间虚拟成内存的一部分，理内存时使用了虚拟存储技术，将硬盘空间虚拟成内存的一部分，以提高内存空间的利用率，以提高内存空间的利用率，并保证了大容量程序的正常运行并保证了大容量程序
19、的正常运行。（5）操作系统协调计算机的各种动作）操作系统协调计算机的各种动作 计算机的运行实际上是各种硬件的同时动作，计算机的运行实际上是各种硬件的同时动作，是许多动态过程 是许多动态过程 的组合，的组合，操作系统力求使各种动作和动态过程达到完美的配合和协 操作系统力求使各种动作和动态过程达到完美的配合和协 调。调。如在如在 Windows 下，下，Photoshop 要求打印一幅漂亮的图片，要求打印一幅漂亮的图片，Word要求输出打印一篇学术论文要求输出打印一篇学术论文，Excel要求输出打印一个报表文件，要求输出打印一个报表文件，此时仅有的一台打印机能够在一段时间内很好地完成这三个程序 此
20、时仅有的一台打印机能够在一段时间内很好地完成这三个程序 给的任务给的任务，其协调工作就是由操作系统完成的。（进程调度，其协调工作就是由操作系统完成的。（进程调度）用户、操作系统与计算机三者之间的关系示意图用户、操作系统与计算机三者之间的关系示意图：计算机用户计算机用户 操作系统 操作系统 用户接口 用户接口 处理 处理 机管 机管 理软 理软 件 件 存储 存储 器管 器管 理软 理软 件 件 设 备 设 备 管 理 管 理 软件 软件 文 件 文 件 管 理 管 理 软件 软件 计算机 计算机 处处理理机 机 内内存 存 外外存存I/O设设备备操作系统第操作系统第2 页页4、操作系统的目标（
21、目的）、操作系统的目标（目的）目前存在着多种类型的操作系统目前存在着多种类型的操作系统，不同类型的操作系统其目标 不同类型的操作系统其目标 各有侧重各有侧重，但总的来说有以下几点，但总的来说有以下几点：（1）方便性）方便性 操作系统的设计应尽量使计算机系统更容易使用操作系统的设计应尽量使计算机系统更容易使用。（2）有效性）有效性 操作系统使计算机的内存、操作系统使计算机的内存、CPU、I/O 设备等资源得到充分 设备等资源得到充分 利用，利用，并且还应能合理地组织计算机的工作流程，并且还应能合理地组织计算机的工作流程，从而可进一步改 从而可进一步改 善系统的资源利用率及提高系统的吞吐量善系统的
22、资源利用率及提高系统的吞吐量。（3）可扩充性）可扩充性 操作系统应采用模块化结构，以便于增加新的功能模块和修 操作系统应采用模块化结构，以便于增加新的功能模块和修 改以前的功能模块。改以前的功能模块。（4）开放性）开放性 由于生产厂家生产各种不同类型的计算机和设备由于生产厂家生产各种不同类型的计算机和设备，那么就出，那么就出 现兼容使用的问题，现兼容使用的问题，为使出自不同厂家的计算机和设备，为使出自不同厂家的计算机和设备，能通过网 能通过网 络加以集成化并能正确、络加以集成化并能正确、有效地协同工作有效地协同工作，要求建立一个统一开放 要求建立一个统一开放 的环境，的环境，其中首先要求其中首
23、先要求 OS 具有开放性。具有开放性。5、操作系统的功能、操作系统的功能（1）处理机管理）处理机管理 处理机是计算机的核心资源处理机是计算机的核心资源，所有程序的运行都靠它来实现，所有程序的运行都靠它来实现，为了提高其利用率，为了提高其利用率，必须采用多道程序技术，必须采用多道程序技术，使主存中同时有多个 使主存中同时有多个 程序存在程序存在，提高程序运行的并发性，提高程序运行的并发性。如何协调这些程序之如何协调这些程序之间的运行关系间的运行关系，如何及时对不同用户的不同要 如何及时对不同用户的不同要 求做出反应等都是处理机管理要关心的问题。求做出反应等都是处理机管理要关心的问题。具体讲处理机
24、管理要 具体讲处理机管理要 完成以下工作完成以下工作：对处理机的时间进行分配，对处理机的时间进行分配，将处理机合理地分配给不同的程 将处理机合理地分配给不同的程 序，序，对不同程序的运行进行记录和调度对不同程序的运行进行记录和调度，实现用户和程序之间的相 实现用户和程序之间的相 互作用，互作用，解决不同程序在运行时发生的冲突等解决不同程序在运行时发生的冲突等。（2）作业管理）作业管理 用户要求计算机系统所做工作的总体，称为一个用户要求计算机系统所做工作的总体，称为一个“作业”“作业”。用。用 户采用何种方式把作业提交给计算机，户采用何种方式把作业提交给计算机，计算机如何提供友好的用户 计算机如
25、何提供友好的用户 接口，接口，如何选择用户作业投入运行，如何选择用户作业投入运行，如何提高系统的工作效率如何提高系统的工作效率，都 都 是作业管理所要完成的任务是作业管理所要完成的任务。（3）存储器管）存储器管理 理 存储器管理的对象是主存储器，存储器管理的对象是主存储器，即内存。即内存。内存是运行程序内存是运行程序、中 中 间数据和系统数据存放的地方，间数据和系统数据存放的地方，因受硬件条件的限制因受硬件条件的限制，其存储容量 其存储容量 有限，有限，越来越不能满足运行大程序、越来越不能满足运行大程序、安装大系统的需要。安装大系统的需要。另外另外，在 在 多用户或多程序共用一个存储器的时候多
26、用户或多程序共用一个存储器的时候，自然而然会带来管理上的 自然而然会带来管理上的 新要求，新要求，如安全性的保证等，如安全性的保证等，这些工作均由存储管理来解决。这些工作均由存储管理来解决。存储 存储 管理的主要任务是对用户作业和进程进行存储空间的分配、管理的主要任务是对用户作业和进程进行存储空间的分配、回收和 回收和 优化管理，优化管理，提高存储器的利用率，提高存储器的利用率，具有内存分配、具有内存分配、内存保护、内存保护、内存 内存 扩充等功能。扩充等功能。内存分配内存分配：为每道程序分配内存空间：为每道程序分配内存空间。内存保护内存保护：确保每道程序都在自己的确保每道程序都在自己的内存空
27、间中运行，内存空间中运行，互不干 互不干 扰。扰。内存扩充内存扩充：当用户作业所需的内存容量超过计算机系统所提供 当用户作业所需的内存容量超过计算机系统所提供 的内存容量时的内存容量时，要使用虚拟内存技术要使用虚拟内存技术，把内存和外存结合起来管理，把内存和外存结合起来管理，从逻辑上去扩充内存容量，从逻辑上去扩充内存容量，为用户提供一个容量比实际内存容量大 为用户提供一个容量比实际内存容量大 很多的虚拟存储器。很多的虚拟存储器。（4）设备管理）设备管理 计算机主机连接着许多设备计算机主机连接着许多设备，有专门用于输入输出数据的设，有专门用于输入输出数据的设 备，备，也有用户存储数据的设备，也有
28、用户存储数据的设备，还有用于某些特殊要求的设备还有用于某些特殊要求的设备。这 这 些设备多数来自不同的厂家些设备多数来自不同的厂家，型号也五花八门，型号也五花八门。若没有设备管理，。若没有设备管理，用户一定会不知所措用户一定会不知所措。设备管理的任务是设备管理的任务是：随时记录各类设备的状 随时记录各类设备的状 态，满足用户的使用要求，态，满足用户的使用要求，为各种设备提供相应的设备驱动程序、为各种设备提供相应的设备驱动程序、启动程序、启动程序、初始化程序以及控制程序，初始化程序以及控制程序，方便用户的使用操作，方便用户的使用操作，利用 利用 中断和通道技术，使外设尽可能与中断和通道技术，使外
29、设尽可能与CPU并行工作，并行工作，以提高设备的 以提高设备的 利用率和整个系统的工作效率。利用率和整个系统的工作效率。（5）文件管理）文件管理 文件管理的是系统中的软件资源程序和数据，文件管理的是系统中的软件资源程序和数据，它们都是以文 它们都是以文 件的形式存放在外部存储器上，根据需要可随时将它们读入内存。件的形式存放在外部存储器上，根据需要可随时将它们读入内存。在外存上如何存放、在外存上如何存放、如何管理以确保其安全性、如何管理以确保其安全性、共享性，共享性，以及读取 以及读取 的高效性的高效性，都是文件系统管理要完成的。，都是文件系统管理要完成的。6、操作系统的基本特性、操作系统的基本
30、特性（1）并发性）并发性 并发（并发（Concurrence）和并行（和并行（Parallel）是两个既相似又有）是两个既相似又有 区别的概念。区别的概念。并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。在操作系统中，常规程序一般不能并行或者并发执行。并行 在操作系统中，常规程序一般不能并行或者并发执行。并行 程序要达到“程序要达到“同一时刻进行同一时刻进行”必须有相应的系统硬件和软件支持。”必须有相应的系统硬件和软件支持。例如：两道程序分别在两个处理机或者两套处理部件中
31、独立运行，例如：两道程序分别在两个处理机或者两套处理部件中独立运行，即为并行。并发程序要达到“即为并行。并发程序要达到“同一时间间隔内进行”同一时间间隔内进行”，也需相应的 也需相应的 硬件或软件支持。硬件或软件支持。例如，例如，两道程序分别在一个处理机或一套处理部 两道程序分别在一个处理机或一套处理部 件上运行件上运行，由于每一时刻仅能执行一道程序，由于每一时刻仅能执行一道程序，故微机上这两道程序 故微机上这两道程序 是交替和顺序执行的是交替和顺序执行的，但从宏观上看，但从宏观上看，在一段时间间隔内这在一段时间间隔内这两道程 两道程 序同时运行。序同时运行。（2）共享性）共享性 所谓“共享（
32、所谓“共享（Sharing）”是指在主存中并发运行的程序可以”是指在主存中并发运行的程序可以 共同使用，而非被某个程序独占系统资源共同使用，而非被某个程序独占系统资源。系统资源包括。系统资源包括 CPU、内存以及各种外设及数据等内存以及各种外设及数据等。程序对资源的共享有两种方式程序对资源的共享有两种方式：互斥 互斥 共享和同时共享。共享和同时共享。互斥共享互斥共享：系统的某些资源，系统的某些资源，虽然它们可以提供给多个程序共 虽然它们可以提供给多个程序共 同使用，同使用，但在一段时间内只允许一个程序使用但在一段时间内只允许一个程序使用，其他欲使用该资源 其他欲使用该资源 的程序需要等待，的程
33、序需要等待，只有当该程序使用完并释放该资源后，只有当该程序使用完并释放该资源后，才允许另 才允许另 一程序使用该资源。一程序使用该资源。如打印机就是一种典型的互斥共享类资源如打印机就是一种典型的互斥共享类资源。同时共享同时共享：在一段时间内，在一段时间内，多个程多个程序可以同时使用系统中的某 序可以同时使用系统中的某 个资源。个资源。注意：注意：这里的这里的“同时”同时”仍是一个宏观上的概念，仍是一个宏观上的概念，微观上则 微观上则 是多个程序交替地使用系统资源是多个程序交替地使用系统资源。例如：。例如：对磁盘存储设备的访问 对磁盘存储设备的访问（读、写（读、写）即是同时共享操作。）即是同时共
34、享操作。（3）虚拟性）虚拟性 在操作系统中的虚拟（在操作系统中的虚拟（Virtual），是指通过某种技术把一个物），是指通过某种技术把一个物 理上的实体映射为若干个逻辑上的对应物理上的实体映射为若干个逻辑上的对应物。前者是实际存在的前者是实际存在的，后 后 者是虚的者是虚的，是感觉性的存在，是感觉性的存在。如。如Windows操作系统使用了虚拟存 操作系统使用了虚拟存 储技术，储技术，它把外部存储器映射为用户自由使用的它把外部存储器映射为用户自由使用的“无限大”无限大”的内存 的内存 空间，空间，即虚拟内存，即虚拟内存，这样保证了需要内存空间比实际内存空间大的 这样保证了需要内存空间比实际内存
35、空间大的 程序能够正常运行。程序能够正常运行。（4）异步性异步性：是指在多道程序环境下：是指在多道程序环境下，允许多个进程并发执行。，允许多个进程并发执行。由于资源的限制由于资源的限制，进程的执行不是，进程的执行不是“一气呵成一气呵成”的的，是，是“走走停停走走停停”的。的。但是，但是，只要环境相同，只要环境相同，一个作业经过多次运行，一个作业经过多次运行，都会得到相同 都会得到相同 的结果。的结果。7、操作系统的地位、操作系统的地位 应用程序 应用程序 语言处理 语言处理 硬件 硬件 操作系统 操作系统 程序程序 三、三、操作系统的发展操作系统的发展3.1 推动操作系统发展的动力推动操作系统
36、发展的动力1不断提高资源利用率的需要 不断提高资源利用率的需要：人们必须千方百计地提高计算 人们必须千方百计地提高计算 机系统中各种资源的利用率 机系统中各种资源的利用率。2方便用户操作：人们想方设法改善用户的上机和调试程序的 方便用户操作：人们想方设法改善用户的上机和调试程序的 环境 环境。3 硬件的不断更新换代：硬件的不断更新换代：计算机硬件的更新换代，计算机硬件的更新换代，使得计算机 使得计算机 的性能不断提高，从而推动了操作系统的性能和功能也不断发展。的性能不断提高，从而推动了操作系统的性能和功能也不断发展。4 计算机体系结构的发展：计算机体系结构的发展：计算机体系结构的发展也不断地推
37、 计算机体系结构的发展也不断地推 动着操作系统的发展动着操作系统的发展，并且产生了新的操作系统。并且产生了新的操作系统。当计算机由单处 当计算机由单处 理器系统发展为多处理器系统时，理器系统发展为多处理器系统时，操作系统也从单处理器操作系统操作系统也从单处理器操作系统 操作系统第操作系统第3 页页发展为多处理器操作系统。发展为多处理器操作系统。当计算机网络出现后，当计算机网络出现后，也就产生了网络 也就产生了网络 操作系统操作系统。3.2操作系统的发展历程操作系统的发展历程1无操作系统阶段无操作系统阶段：自：自1946年第一台数字电子计算机的诞生到 年第一台数字电子计算机的诞生到 上个世纪五十
38、年代中期的计算机，上个世纪五十年代中期的计算机，都是电子管计算机都是电子管计算机，此时还没有 此时还没有 操作系统操作系统，属于操作系统发展的第一阶段属于操作系统发展的第一阶段。其资源管理和控制由人 其资源管理和控制由人 工负责，工负责，它采用两种方式：它采用两种方式：人工操作方式和脱机输入输出方式人工操作方式和脱机输入输出方式。（1）人工操作方式：计算机资源的管理是由操作员采用人工方式）人工操作方式：计算机资源的管理是由操作员采用人工方式 直接控制的。直接控制的。其缺点是：其缺点是：一个用户独占计算机系统的全部资源一个用户独占计算机系统的全部资源，计 计 算机主机要等待人工操作，算机主机要等
39、待人工操作，系统资源的利用率低。系统资源的利用率低。这种人工操作的特点是：这种人工操作的特点是：程序设计直接编制二进制目标程序。程序设计直接编制二进制目标程序。输入输出设备主要是纸带和卡片。输入输出设备主要是纸带和卡片。CPU 要等待人工操作，要等待人工操作，程序员亲手上机操作程序员亲手上机操作，程序运行和结果 程序运行和结果 输出都是以手工方式进行。用户进行装带输出都是以手工方式进行。用户进行装带（卡）、卸带（卡）、卸带（卡）（卡）等人 等人 工操作时工操作时，CPU这个系统最重要的资源空闲。这个系统最重要的资源空闲。单用户方式单用户方式，用户独占，用户独占 CPU和系统资源。和系统资源。（
40、2）脱机输入输出方式：是指程序和数据的输入输出是在外围机）脱机输入输出方式：是指程序和数据的输入输出是在外围机 的控制下，的控制下，而不是在主机的控制下完成的。而不是在主机的控制下完成的。其特点是：其特点是：它减少了计 它减少了计 算机主机的空闲等待时间，算机主机的空闲等待时间，提高了提高了 I/O 设备的处理速度。设备的处理速度。采用脱机输入输出的方式与人工操作方式相比采用脱机输入输出的方式与人工操作方式相比，有如下优点，有如下优点：减少了 减少了 CPU空闲时间。空闲时间。提高了输入输出速度 提高了输入输出速度。脱机输入输出方式如图所示脱机输入输出方式如图所示：2批处理系统：批处理系统：所
41、谓批处理系统是指加载在计算机上的一个系统 所谓批处理系统是指加载在计算机上的一个系统 软件，软件，在它的控制下在它的控制下，计算机能够自动地成批地处理一个或多个用 计算机能够自动地成批地处理一个或多个用 户的作业户的作业。（1）单道批处理系统阶段）单道批处理系统阶段 从上个世纪五十年代中期至六十年代中期从上个世纪五十年代中期至六十年代中期,这一阶段是计算机 这一阶段是计算机 硬件发展的晶体管时代，硬件发展的晶体管时代，此时出现了单道批处理系统此时出现了单道批处理系统，系操作系统 系操作系统 的雏形，的雏形，称为监控程序。称为监控程序。单道批处理系统 单道批处理系统 由于系统对作业的处理是成批进
42、行由于系统对作业的处理是成批进行，并且在内存中只保持一道 并且在内存中只保持一道 作业，所以也称为单道批处理系统作业，所以也称为单道批处理系统。单道批处理系统的特征 单道批处理系统的特征 自动性：自动性：作业是被自动处理作业是被自动处理。顺序性：顺序性：作业是一个一个被作业是一个一个被处理的处理的。单道性：单道性：内存中始终是保持一道作业。内存中始终是保持一道作业。单道批处理系统的工作过程 单道批处理系统的工作过程：用户将作业交到机房：用户将作业交到机房，操作员将，操作员将 一批作业输入到辅存一批作业输入到辅存（如磁带）（如磁带）上，上，形成一个作业队列。形成一个作业队列。当需要调 当需要调
43、入作业时入作业时，监控程序从这一批中选一道作业调入内存运行。监控程序从这一批中选一道作业调入内存运行。当这一 当这一 作业完成时作业完成时，监控程序调入另一道程序，监控程序调入另一道程序，直到这一批作业全部完成。直到这一批作业全部完成。单道批处理分为：单道批处理分为：联机批处理联机批处理：由：由CPU直接控制作业输入输出。直接控制作业输入输出。脱机批处理脱机批处理：由外围机控制作业输入输出。：由外围机控制作业输入输出。单 道 批 处 理 系 统 单 道 批 处 理 系 统（Simple Batch ProcessingSystem）的处理过程（如图所示）的处理过程（如图所示）首先出现的是联机批
44、处理系统。如图所示首先出现的是联机批处理系统。如图所示：脱机批处理系统控制作业的输入脱机批处理系统控制作业的输入/输出过程是输出过程是：利用一台或几台微机或主机的卫星机利用一台或几台微机或主机的卫星机，让它们从输入机上读取 让它们从输入机上读取 用户程序用户程序，并输出到磁带上并输出到磁带上；主机空闲时从输入磁带机上取作业运 主机空闲时从输入磁带机上取作业运 行，并把结果输出到高速输出磁带机上；行，并把结果输出到高速输出磁带机上；当微机或卫星机空闲时，当微机或卫星机空闲时，再控制向慢速外设上输出。再控制向慢速外设上输出。脱机批处理：脱机批处理：在外设处理数据时，在外设处理数据时，主机处理主机处
45、理“忙等忙等”状态状态，这样高速的主机与 这样高速的主机与 慢速的外设矛盾就显现出来慢速的外设矛盾就显现出来。为了克服与缓解主机与外设的矛盾，。为了克服与缓解主机与外设的矛盾，我们引入脱机批处理系统，即脱离主机控制的输入我们引入脱机批处理系统，即脱离主机控制的输入/输出批处理系 输出批处理系 统。如图所示统。如图所示：单道批处理阶段的特点单道批处理阶段的特点 专职操作员，专职操作员，程序员不在现场作业程序员不在现场作业（步）（步）间不需要人的干预间不需要人的干预（自（自 动性）动性）监控程序常驻内存监控程序常驻内存，开机后第一个进入内存开机后第一个进入内存，直到关机一直驻留 直到关机一直驻留
46、在内存中在内存中 顺序性顺序性 单道（单道（单道性）单道性）监控程序只为一个计算机系统设计监控程序只为一个计算机系统设计 开发过程可以使用开发过程可以使用FORTRAN等高级语言等高级语言，程序的最后一条指，程序的最后一条指 令需是返回控制到监控程序 令需是返回控制到监控程序 对单道批处理阶段的评价对单道批处理阶段的评价：作业转换时间大大减小，作业转换时间大大减小，系统运行效果提高系统运行效果提高 存在 存在 I/O 慢造成的慢造成的 CPU空闲等待时间（空闲等待时间（单道）单道）程序员（和非编程用户）程序员（和非编程用户）无法同计算机交互无法同计算机交互 操作系统第操作系统第4 页页 一个操
47、作系统被设计成只 一个操作系统被设计成只能在一种机器上运行 能在一种机器上运行 批处理系统虽然实现了作业的自动选择、批处理系统虽然实现了作业的自动选择、作业的缓输入与缓输 作业的缓输入与缓输 出，出，但也有很多缺点。但也有很多缺点。例如，例如，为了实现主机与外设的并行操作为了实现主机与外设的并行操作，引 引 入了卫星机或微机专门负责入了卫星机或微机专门负责 I/O 操作；操作；当主机与高速外存通讯时，当主机与高速外存通讯时，其过程仍由主机控制其过程仍由主机控制。所谓中断是指当主机接到外界硬件发来的中断信号时所谓中断是指当主机接到外界硬件发来的中断信号时，停 停 止原来的工作，止原来的工作，转去
48、处理中断的事件转去处理中断的事件。在处理中断完成以 在处理中断完成以 后，后，主机又回到原来的工作点继续工作。主机又回到原来的工作点继续工作。这样可以使用户 这样可以使用户 程序的程序的 I/O 申请完成后，申请完成后，主机能自动在原中断点之后继续 主机能自动在原中断点之后继续 运行，同时为多道程序并发执行打下了基础。运行，同时为多道程序并发执行打下了基础。（2）多道批处理系统阶段）多道批处理系统阶段 在单道批处理系统中，在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，内存中仅有一道作业，中断和通道技术 中断和通道技术 出现以后出现以后，虽然可以实现输入，虽然可以实现输入/输出设备与中央处理机并行操作
49、，输出设备与中央处理机并行操作，但由于属于同一道作业的可并发执行的进程不多，但由于属于同一道作业的可并发执行的进程不多，大多数进程是有 大多数进程是有 同步关系的，同步关系的，这使系统中仍有较多的空闲资源这使系统中仍有较多的空闲资源，致使系统的性能较 致使系统的性能较 差。为了进一步提高资源的利用率和系统对作业的吞吐量差。为了进一步提高资源的利用率和系统对作业的吞吐量，在在 20世纪世纪60年代中期，年代中期，引入了多道程序设计技术引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道，由此而形成了多道 批处理系统。批处理系统。单道程序与多道程序的执行过程如图所示：单道程序与多道程序的执行过程如图所示：单道
50、程序工作工程示意 单道程序工作工程示意 多道程序工作工程示意多道程序工作工程示意 在操作系统中引入多道程序设计技术以后在操作系统中引入多道程序设计技术以后，会使系统具有 会使系统具有 以下特征以下特征：多路性多路性：每次允许多个用户程序进入内存，每次允许多个用户程序进入内存，它们轮流交替地使用它们轮流交替地使用CPU。某一时间段上。某一时间段上，各道程序不同程度地向前推进，各道程序不同程度地向前推进。共享性：整个系统资源被进入内存的多个程序共享使用共享性：整个系统资源被进入内存的多个程序共享使用。无序性：多个作业完成的顺序与它们进入内存的顺序可能不一 无序性：多个作业完成的顺序与它们进入内存的