计算机操作系统(第4版)第1章课件

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以下为本文档部分文字说明：

1第一章操作系统引论第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用1.2操作系统的发展过程1.3操作系统的基本特性1.4操作系统的主要功能1.5OS结构设计习题Evaluationonly.edwithAspose.S

于工业控制、武器控制以及多媒体环境下的OS，要求其具有实时性；而对于微机上配置的OS，则更看重的是其使用的方便性。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5Clien

用户在OS帮助下能够方便、快捷、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。图1-1是OS作为接口的示意图。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPr

正是对这四类资源进行有效的管理。处理机管理是用于分配和控制处理机；存储器管理主要负责内存的分配与回收；I/O设备管理是负责I/O设备的分配(回收)与操纵；文件管理是用于实现对文件的存取、共享和保护。可见，OS的确是计算机系统资源的管理者。Evaluationonly.edw

接口)，因此，用户必须对物理接口的实现细节有充分的了解，这就致使该物理机器难于广泛使用。为了方便用户使用I/O设备，人们在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件，如图1-2所示，由它来实现对I/O设备操作的细节，并向上将I/O设备抽象为一组数据结构以

及一组I/O操作命令，如read和write命令，这样用户即可利用这些数据结构及操作命令来进行数据输入或输出，而无需关心I/O是如何具体实现的。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfil

011AsposePtyLtd.9第一章操作系统引论1.1.3推动操作系统发展的主要动力1．不断提高计算机资源利用率2.方便用户3.器件的不断更新换代4.计算机体系结构的不断发展5.不断提出新的应用需求Evaluationonly.edwithAspose.Sli

统，与此同时，用于工业和武器控制的实时OS也相继问世。20世纪70到90年代，是VLSI和计算机体系结构大发展的年代，导致了微型机、多处理机和计算机网络的诞生和发展，与此相应地，也相继开发出了微机OS、多处理机OS和网络OS，并得到极为迅猛的发展。Evaluationonly.edwithAsp

动它们将纸带(或卡片)上的程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。仅当程序运行完毕并取走计算结果后，才允许下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：(1)用户独占全机，即一台计算机的全部资源由

上机用户所独占。(2)CPU等待人工操作。当用户进行装带(卡)、卸带(卡)等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3

间速度不匹配的矛盾，20世纪50年代末出现了脱机I/O技术。该技术是事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在一台外围机的控制下，把纸带(卡片)上的数据(程序)输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上高速地调入内存。Evaluati

ssingSystem)的处理过程为实现对作业的连续处理，需要先把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序(Monitor)，在它的控制下，使这批作业能一个接一个地连续处理。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.

便处于等待状态，必须在其I/O完成后才继续运行。又因I/O设备的低速性，更使CPU的利用率显著降低。图1-5示出了单道程序的运行情况，从图可以看出：在t2～t3、t6～t7时间间隔内CPU空闲。Evaluationonly.edwithAspose.Sl

programmedBatchProcessingSystem)1.多道程序设计的基本概念为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在20世纪60年代中期引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统。图1-6示出了四道程

作系统引论2.多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点如下：(1)资源利用率高。引入多道批处理能使多道程序交替运行，以保持CPU处于忙碌状态；在内存中装入多道程序可提高内存的利用率；此外还可以提高I/O设备的利用率。(2)系统吞吐量大。能提高

sposePtyLtd.21第一章操作系统引论(3)平均周转时间长。由于作业要排队依次进行处理，因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。(4)无交互能力。用户一旦把作业提交给系统后，直至作业完成

道批处理系统是一种十分有效，但又非常复杂的系统，为使系统中的多道程序间能协调地运行，系统必须解决下述一系列问题：(1)处理机争用问题。既要能满足各道程序运行的需要，又要能提高处理机的利用率。(2)内存分配和保护问题。系统应能为每道程序分配必要的内存空间，使它们“各得其所”，且不会因某道程序

出现异常情况而破坏其它程序。(3)I/O设备分配问题。系统应采取适当的策略来分配系统中的I/O设备，以达到既能方便用户对设备的使用，又能提高设备利用率的目的。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5Clie

中所有的作业进行合理的组织，以满足这些作业用户的不同要求。(6)用户与系统的接口问题。为使用户能方便的使用操作系统，OS还应提供用户与OS之间的接口。Evaluationonly.edwithAspose.

果说推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提高资源利用率和系统吞吐量，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力，则是为了满足用户对人—机交互的需求，由此形成了一种新型OS。用户的需求具体表现在以下几个方面：(1)人—机交互。(2)共享主机。Evaluationonly.edwithAspo

作系统引论3.分时系统的特征分时系统与多道批处理系统相比，具有非常明显的不同特性，可以归纳成以下四个方面：(1)多路性。(2)独立性。(3)及时性。(4)交互性。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2Co

pyright2004-2011AsposePtyLtd.27第一章操作系统引论1.2.5实时系统(RealTimeSystem)1.实时系统的类型随着计算机应用的普及，实时系统的类型也相应增多，下面列出当前常见的几种：(1)

分时系统特征的比较(1)多路性。(2)独立性。(3)及时性。(4)交互性。(5)可靠性。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2Copyr

ight2004-2011AsposePtyLtd.30第一章操作系统引论1.2.6微机操作系统的发展1．单用户单任务操作系统1)CP/M2)MS-DOSEvaluationonly.edwithAspose.S

一章操作系统引论3.多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统的含义是，允许多个用户通过各自的终端，使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。在大、中和小型机中所

配置的大多是多用户多任务操作系统，而在32位微机上，也有不少配置的是多用户多任务操作系统，其中最有代表性的是UNIXOS。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2Co

pyright2004-2011AsposePtyLtd.33第一章操作系统引论1.3操作系统的基本特性前面所介绍的多道批处理系统、分时系统和实时系统这三种基本操作系统都具有各自不同的特征，如批处理系统有着高的资源利用率和

PtyLtd.34第一章操作系统引论1.3.1并发(Concurrence)正是系统中的程序能并发执行这一特征，才使得OS能有效地提高系统中的资源利用率，增加系统的吞吐量。1.并行与并发并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。而并发性是指

的计算程序和I/O程序之间只能是顺序执行，即只有在计算程序执行告一段落后，才允许I/O程序执行；反之，在程序执行I/O操作时，计算程序也不能执行。但在为计算程序和I/O程序分别建立一个进程(Process)后，这两个进程便可并发执行。若对内存中的多个程序都分别建立一个进程，它们就

.2共享(Sharing)一般情况下的共享与操作系统环境下的共享其含义并不完全相同。1.互斥共享方式系统中的某些资源，如打印机、磁带机等，虽然可以提供给多个进程(线程)使用，但应规定在一段时间内，只允许一个进程访问该资源。为此，在系统中应

2.同时访问方式系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”，在单处理机环境下是宏观意义上的，而在微观上，这些进程对该资源的访问是交替进行的。典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备。一些用重入码编写的文件也可以被“同时”共享，即允许若干个用户同

用技术来提高信道的利用率。它是指将一个频率范围比较宽的信道划分成多个频率范围较窄的信道(称为频带)，其中的任何一个频带都仅供一对用户通话。早期的频分复用技术只能将一条物理信道划分为几条到几十条话路，后来又很快发展

osePtyLtd.40第一章操作系统引论1.3.4异步(Asynchronism)在多道程序环境下，系统允许多个进程并发执行。在单处理机环境下，由于系统中只有一台处理机，因而每次只允许一个进程执行，其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源要求时，如打印请求，而此时打印机正

在为其它进程打印，由于打印机属于临界资源，因此正在执行的进程必须等待，并释放出处理机，直到打印机空闲，并再次获得处理机时，该进程方能继续执行。可见，由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不可能“一气呵成”，而是以“停停走走”的方

的主要目的是，为多道程序的运行提供良好的运行环境，以保证多道程序能有条不紊地、高效地运行，并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率，方便用户的使用。为此，在传统的OS中应具有处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理等基本功能。此外，为了方便用户使用OS，还需向用户提供方便的用户接

1.4.2存储器管理功能1.内存分配内存分配的主要任务是：(1)为每道程序分配内存空间，使它们“各得其所”。(2)提高存储器的利用率，尽量减少不可用的内存空间(碎片)。(3)允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。Evaluationonly.edwithAspo

在作业装入时确定的，在作业装入后的整个运行期间不允许该作业再申请新的内存空间，也不允许作业在内存中“移动”。(2)动态分配方式。每个作业所要求的基本内存空间虽然也是在装入时确定的，但允许作业在运行过程中继续申

请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增长，也允许作业在内存中“移动”。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2Cop

yright2004-2011AsposePtyLtd.45第一章操作系统引论2.内存保护内存保护的主要任务是：①确保每道用户程序都仅在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。②绝不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，也不允许用户程序转移到非共享的其它用户程序中去执行。Evaluatio

开始的，但不可能将它们从“0”地址(物理)开始装入内存，致使(各程序段的)地址空间内的逻辑地址与其在内存空间中的物理地址并不相一致。为保证程序能正确运行，存储器管理必须提供地址映射功能，即能够将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的

逻辑上扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多，以便让更多的用户程序能并发运行。这样既满足了用户的需要，又改善了系统的性能。为了能在逻辑上扩充内存，系统必须设置内存扩充机制(包含少量的硬件)，用于实现下述各功能：(1)请求调入功能。(2)置换功能。Evalua

如下：(1)完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配所需的I/O设备，并完成指定的I/O操作。(2)提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，方便用户使用I/O设备。为实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理以及

011AsposePtyLtd.49第一章操作系统引论1.4.4文件管理功能1.文件存储空间的管理2.目录管理3.文件的读/写管理和保护(1)文件的读/写管理。(2)文件保护。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3

操作系统服务的唯一途径。它是由一组系统调用组成的，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序。每当应用程序要求OS提供某种服务(功能)时，便调用具有相应功能的系统调用(子程序)。早期的系统调用都是用汇编语言提供的，只有在用汇编语言书写的程序中才能直接使用系统

论1.4.6现代操作系统的新功能现代操作系统是在传统操作系统基础上发展起来的，它除了具有传统操作系统的功能外，还增加了面向安全、面向网络和面向多媒体等功能。1.系统安全(1)认证技术。(2)密码技术。(3)访问控制技术。(4)反病毒技术。E

模很小，如只有几十KB，完全可以由一个人以手工方式，用几个月的时间编制出来。此时，编制程序基本上是一种技巧，OS是否是有结构的并不那么重要，重要的是程序员的程序设计技巧。但随着OS规模的愈来愈大，其所具有的代码

也愈来愈多，往往需要由数十人或数百人甚至更多的人参与，分工合作，共同来完成操作系统的设计。这意味着，应采用工程化的开发方法对大型软件进行开发。由此产生了“软件工程学”。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile

osePtyLtd.57第一章操作系统引论2.模块化结构OS1)模块化程序设计技术的基本概念模块化程序设计技术是20世纪60年代出现的一种结构化程序设计技术。该技术基于“分解”和“模块化”的原则来控制大型软件的复杂度。为使OS具有较清晰的结构，OS不再是由众多的

过程直接构成的，而是按其功能精心地划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。图1-7示出了由模块、子模块等组成的模块化OS结构。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5Clien

ight2004-2011AsposePtyLtd.59第一章操作系统引论2)模块独立性在模块-接口法中，关键问题是模块的划分和规定好模块之间的接口。如果我们在划分模块时将模块划分得太小，虽然可以降低模块本身的复杂性，但会引起模块之间的联系过多，从而会造成系统比较混乱；如果将

章操作系统引论3)模块接口法的优缺点利用模块-接口法开发的OS，较之无结构OS具有以下明显的优点：(1)提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性。(2)增强OS的可适应性。(3)加速OS的开发过程。Evaluationonly.edwithAspose.Slid

出一系列的决定(决策)，每一个决定必须建立在上一个决定的基础上，但模块化结构设计中，各模块的设计齐头并进，无法寻找一个可靠的决定顺序，造成各种决定的“无序性”，这将使程序人员很难做到“设计中的每一步决定”都是建立在可靠的基础上，因此模块-接口法又被称为“无序模块法”。Evaluatio

“决定顺序”的无序性变为有序性，引入了有序分层法，分层法的设计任务是，在目标系统An和裸机系统(又称宿主系统)A0之间，铺设若干个层次的软件A1、A2、A3、…、An-1，使An通过An-1、An-2、…、A2、A1层，最终

tyLtd.63第一章操作系统引论2)分层结构的优缺点分层结构的主要优点有：(1)易保证系统的正确性。(2)易扩充和易维护性。分层结构的主要缺点是系统效率降低。由于层次结构是分层单向依赖的，必须在每层之间都建立层次间的通

信机制，OS每执行一个功能，通常要自上而下地穿越多个层次，这无疑会增加系统的通信开销，从而导致系统效率的降低。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2Copyright200

4-2011AsposePtyLtd.64第一章操作系统引论1.5.2客户/服务器模式(Client/ServerModel)简介1.客户/服务器模式的由来、组成和类型客户/服务器系统主要由三部分组成。(1)客户机：(2)服务器：(3)网络系统：Evaluationonly.e

一章操作系统引论1.5.3面向对象的程序设计(Object-OrientatedProgramming)技术简介1.面向对象技术的基本概念面向对象技术是20世纪80年代初提出并很快流行起来的。Evaluationon

行操作的过程(方法)来表示系统中的某个对象的，如图1-8所示。对象中的变量(数据)也称为属性，它可以是单个标量或一张表。面向对象中的方法是用于执行某种功能的过程，它可以改变对象的状态，更新对象中的某些数据值或作用于对象所要访问的外部资源。如

果把一个文件作为一个对象(见图1-9)，该对象的变量便是文件类型、文件大小、文件的创建者等。对象中的方法包含对文件的操作，如创建文件、打开文件、读文件、写文件、关闭文件等。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5C

004-2011AsposePtyLtd.71第一章操作系统引论2)对象类在实践中，有许多对象可能表示的是同一类事物，每个对象具有自己的变量集合，而它们所具有的方法是相同的。如果为每一个相似的对象都定义一组变量和方法，显然是低效的，由此产

生了“对象类”的概念，利用“对象类”来定义一组大体相似的对象。一个类同样定义了一组变量和针对该变量的一组方法，用它们来描述一组对象的共同属性和行为。类是在对象上的抽象，对象则是类的实例。对象类中所定义的变量在实例中均有具体的值。

为对象来处理，可带来如下好处：(1)通过“重用”提高产品质量和生产率。(2)使系统具有更好的易修改性和易扩展性。(3)更易于保证系统的“正确性”和“可靠性”。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5

核，微内核并非是一个完整的OS，而只是将操作系统中最基本的部分放入微内核，通常包含有：①与硬件处理紧密相关的部分；②一些较基本的功能；③客户和服务器之间的通信。这些OS最基本的部分只是为构建通用OS提供一个重要基础，这样就可以确保把操作系统内核

于客户/服务器模式由于客户/服务器模式具有非常多的优点，故在单机微内核操作系统中几乎无一例外地都采用客户/服务器模式，将操作系统中最基本的部分放入内核中，而把操作系统的绝大部分功能都放在微内核外面的一组服务器(进程)中实现，

如用于提供对进程(线程)进行管理的进程(线程)服务器、提供虚拟存储器管理功能的虚拟存储器服务器、提供I/O设备管理的I/O设备管理服务器等，它们都是被作为进程来实现的，运行在用户态，客户与服务器之间是借助微内核提供的消息

11AsposePtyLtd.77第一章操作系统引论图1-11在单机环境下的客户/服务器模式Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5

机构。而策略，则是在机制的基础上借助于某些参数和算法来实现该功能的优化，或达到不同的功能目标。Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2Copyright200

4-2011AsposePtyLtd.79第一章操作系统引论4)采用面向对象技术操作系统是一个极其复杂的大型软件系统，我们不仅可以通过结构设计来分解操作系统的复杂度，还可以基于面向对象技术中的“抽象”和“

隐蔽”原则控制系统的复杂性，再进一步利用“对象”、“封装”和“继承”等概念来确保操作系统的“正确性”、“可靠性”、“易修改性”、“易扩展性”等，并提高操作系统的设计速度。正因为面向对象技术能带来如此多的好处，故面向对象技术被广泛应用于

，哪些应放在微内核外，目前尚无明确的规定。现在一般都采用“机制与策略分离”的原理，将机制部分以及与硬件紧密相关的部分放入微内核中。由此可知微内核通常具有如下几方面的功能：1)进程(线程)管理2)低级存储器管

统的优点由于微内核OS结构是建立在模块化、层次化结构的基础上的，并采用了客户/服务器模式和面向对象的程序设计技术，因此，微内核结构的操作系统是集各种技术优点之大成，因而使之具有如下优点：(1)提高了系统的可扩展性。(2)增强了系统的可靠性。(3)可移植性强。(4)提供了对分

posePtyLtd.82第一章操作系统引论4.微内核操作系统存在的问题应当指出，在微内核操作系统中，由于采用了非常小的内核，客户/服务器模式和消息传递机制虽给微内核操作系统带来了许多优点，但由此也使微内核OS存在着潜在缺点，其中最主要的是，较之早期的操作系统，

微内核操作系统的运行效率有所降低。实际情况是往往还会引起更多的上下文切换。例如，当某个服务器自身尚无能力完成客户请求而需要其它服务器的帮助时，如图1-12所示，其中的文件服务器还需要磁盘服务器的帮助，这时就需要进行8次上下文的切换。Evaluationonly.edwit

可表现在哪几个方面?3.为什么说操作系统实现了对计算机资源的抽象?4.试说明推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是什么。5.何谓脱机I/O和联机I/O?6.试说明推动分时系统形成和发展的主要动力是什么。7.实现分时系统的关键问题是什么?应如何解决?Evalu

时操作系统?9.什么是硬实时任务和软实时任务?试举例说明。10.试从交互性、及时性以及可靠性方面将分时系统与实时系统进行比较。11.OS有哪几大特征?其最基本的特征是什么?12.在多道程序技术的OS环境下的资源共享与一般情况下的资源共享有何不同?

对独占资源应采取何种共享方式?13.什么是时分复用技术?举例说明它能提高资源利用率的根本原因是什么。14.是什么原因使操作系统具有异步性特征?15.处理机管理有哪些主要功能?其主要任务是什么?16.内存管理有哪些主要功能?其主要任务是什么?Evaluationonly.edwithAspos

9.试说明推动传统OS演变为现代OS的主要因素是什么?20.什么是微内核OS?21.微内核操作系统具有哪些优点?它为何能有这些优点?22.现代操作系统较之传统操作系统又增加了哪些功能和特征?23.在微内核OS中，为什么要采用客户/服务器模

式?24.在基于微内核结构的OS中，应用了哪些新技术?25.何谓微内核技术?在微内核中通常提供了哪些功能?Evaluationonly.edwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2Copyright200

4-2011AsposePtyLtd.

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