《操作系统原理教程(第二版)》-第1章 操作系统概述

21世纪高职高专新概念教材操作系统原理教程连卫民徐保民等编著中国水利水电出版社第1章操作系统概述1.1计算机系统1.2操作系统的目标、作用和模型1.3操作系统的形成与发展1.4操作系统的特征与功能本章结束！1.1计算机系统1.1.1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，它是组成计算机系统的基础。计算机硬件一般包括中央处理器（CPU）、主存储器、外存储器、输入设备和输出设备，其中CPU与主存储器合称为主机，外存储器、输入设备和输出设备合称为外部设备。第1章操作系统概述1.1计算机系统1.1.1计算机硬件计算机硬件之间的关系如图1-1所示。第1章操作系统概述1.1计算机系统1.1.2计算机软件计算机软件是指组成计算机系统的程序、数据和文档。程序是指令的有序集合，是根据一定的算法，采用相应的数据结构，用某种计算机语言进行的描述；数据是信息在计算机中的表示，是计算机处理的对象；文档是各种说明文本，是软件操作的辅助性资源。计算机的所有工作都必须在软件的控制下才能进行，没有软件的计算机称为“裸机”，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。系统软件是支持和管理计算机硬件的软件，是服务于硬件的，它创立的是一个平台；应用软件是完成用户某项要求的软件，是服务于特定用户的，它满足某一个应用领域。第1章操作系统概述1.1计算机系统1.1.2计算机软件软件的作用如图1-2所示。计算机用户通过应用软件让计算机为自己服务，而应用软件又是通过系统软件来管理和使用计算机硬件。第1章操作系统概述1.1计算机系统1.1.2计算机软件系统软件包括操作系统、数据库管理系统、计算机编译语言和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。所有这些软件，操作系统是基础，它是其他软件的平台。没有操作系统，其他软件就无法工作。第1章操作系统概述返回1.2操作系统的作用、目标与模型1.2.1操作系统的作用1.作用：操作系统是在计算机硬件上加载的第一层软件，是对计算机硬件功能的首次扩充。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。操作系统的作用如图1-4所示。第1章操作系统概述1.2操作系统的作用、目标与模型1.2.1操作系统的作用2.四种作用形式：①用户通过编写的源程序，在数据库管理系统（DBMS）或编译系统的作用下，由操作系统控制和解释给硬件去执行；②用户通过服务性程序（也称工具软件），经操作系统的作用，来完成对计算机的操作；③用户通过可执行程序，经操作系统的作用来实现对硬件的操作；④用户通过操作系统提供的命令来实现对硬件的操作。第1章操作系统概述1.2操作系统的作用、目标与模型1.2.2操作系统的目标1.方便性：操作系统最终是要为用户服务的。所以，设计操作系统时必须考虑用户能否方便地操作计算机。用户的操作包括直接使用命令完成各种操作，也包括通过设计程序让计算机完成各种操作。2.有效性：操作系统的主要工作是要支持和管理计算机硬件的，如何有效地利用计算机的硬件资源，充分发挥它们的使用效率是操作系统解决的主要问题。3.可扩充性：操作系统是为应用服务的，随着应用环境的变化，操作系统自身的功能也必须不断增加和完善。在设计操作系统的体系结构时，要采用合理的结构使其能够不断地扩充和完善。4.开放性：操作系统的主要功能是管理计算机硬件，随着计算机硬件技术的发展，为了使这些硬件能够正确、有效地协同工作，就必须实现应用程序的可移植性和互操作性，因而要求计算机系统具有统一的开放环境。第1章操作系统概述1.2操作系统的作用、目标与模型1.2.3操作系统的层次模型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作对象，中间层为管理操作对象的软件集合，最高层为提供给用户的系统接口，如图1-5所示。第1章操作系统概述1.2操作系统的作用、目标与模型1.2.3操作系统的层次模型1.操作对象：主要是指操作系统所管理的各种软硬件资源，包括处理器、存储器、I/O设备、文件和作业。2.管理软件：管理软件是操作系统的核心，它集中了操作系统的主要功能。这些功能包括处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理和作业管理。3.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的各种功能和服务，这些接口包括命令接口和程序接口。第1章操作系统概述返回1.3操作系统的形成与发展1.3.1推动操作系统发展的动力1．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环境。3．硬件的不断更新换代：计算机硬件的更新换代，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。4．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动着操作系统的发展，并且产生了新的操作系统。当计算机由单处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发展为多处理器操作系统。当计算机网络出现后，也就产生了网络操作系统。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展1．无操作系统：其资源管理和控制由人工负责，它采用两种方式：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直接控制的。其特点是：一个用户独占计算机系统的全部资源，计算机主机要等待人工操作，系统资源的利用率低。（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的控制下，而不是在主机的控制下完成的。其特点是：它减少了计算机主机的空闲等待时间，提高了I/O设备的处理速度。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展2．批处理系统：批处理系统主要采用了批处理技术。批处理技术是计算机系统同时对一批作业自动进行处理的一种技术。批处理系统有单道批处理系统和多道批处理系统两种形式。（1）单道批处理系统：其工作流程是：首先操作员将若干个待处理的作业合成一批输入并传输到外存，然后将它们逐个送入主存并投入运行，当一个作业执行结束后自动转入下一个作业执行。其特点是：其特点是：大大减少了人工操作的时间，提高了机器的利用率。但是，在单道批处理作业运行时，主存中仅存放了一道程序，每当程序发出I/O请求时，CPU便处于等待I/O完成状态，致使CPU空闲，特别是I/O设备的低速性，使CPU的利用率降低。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展2．批处理系统：批处理系统主要采用了批处理技术。批处理技术是计算机系统同时对一批作业自动进行处理的一种技术。批处理系统有单道批处理系统和多道批处理系统两种形式。（2）多道批处理系统：多道程序设计技术是指同时把多个作业放入主存并且允许它们交替执行，共享系统中的各类资源，当某个程序因某种原因而暂停执行时，CPU立即转去执行另一道程序。其优点：一是资源利用率高，二是系统吞吐量大。不足：一是作业的平均周转时间长，二是无交互能力。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展3．分时操作系统：在分时系统中，一台计算机可以和许多终端相连，每个用户通过终端向系统发出命令，请求完成某项工作。而系统则分析从终端发来的命令，完成用户提出的要求。然后，用户可以根据系统提供的运行结果，向系统提出进一步的要求，这样重复上述交互过程，直到用户完成预计的全部工作。分时系统必须解决两个问题：一是及时接收，二是及时处理。分时系统实现的方法：一是用户作业直接进入主存，而不是先进入磁盘，再进入主存。二是不能让一个作业长时间占用处理器，以便让每个作业用户能与自己的作业进行交互操作。分时系统的实现方式：有单道分时系统、具有“前台”和“后台”的分时系统和多道分时系统。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展3．分时操作系统：（1）单道分时系统在20世纪60年代初期，美国麻省理工学院建立了第一个单道分时系统CTSS。在该系统中，主存只有一个作业，其他作业仍在外存上。为使系统能及时响应用户请求，规定每个作业在运行一个时间片后便暂停运行，由系统将它调至外存（调出），再从外存上选一个作业装入主存（调入），作为下一个时间片的作业投入运行。若在不太长的时间内能使所有的作业都运行一个时间片，即在指定的时间内每个用户作业都能运行一次，这就使终端用户与自己的作业实现了交互，从而保证每个用户请求都能及时获得响应。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展3．分时操作系统：（2）具有“前台”和“后台”的分时系统在单道分时系统中，作业调入/调出时，CPU处于“空闲”状态；主存中的作业在执行I/O请求时，CPU也处于“空闲”状态。为了充分利用CPU而引入了“前台”和“后台”的概念。在具有“前台”和“后台”的分时系统中，主存被固定地划分为“前台区”和“后台区”两部分。“前台区”存放按时间片“调入”和“调出”的作业流，“后台区”存放批处理作业，仅当前台调入/调出时（或前台无作业可运行时），才能运行“后台区”中的作业，并且给它分配更长的时间片。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展3．分时操作系统：（3）多道分时系统为了进一步改善系统的性能，在分时系统中引入了多道程序设计技术。在主存中可以同时装入多道程序，每道程序无固定位置，对小作业可以装入几道程序，对一些较大的作业则少装入几道程序。系统把所有具备运行条件的作业排成一个队列，使它们依次获得一个时间片来运行。在系统中，既有终端用户作业，又有批处理作业时，应赋予终端作业较高的优先权，并且将它们排成一个高优先权队列；而将批处理作业另外排成一个队列。平时轮转运行高优先权队列的作业，以保证终端用户请求能获得及时响应。仅当该队列为空时，才能运行批处理队列中的作业。由于切换的作业在主存中，不用花费调入、调出的开销，故多道分时系统具有较好的系统性能。现代的分时系统都属于多道分时系统。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展3．分时操作系统：分时系统的特征：多路性。是指一台计算机与若干台终端相连接，终端上的用户可以同时或基本上同时使用计算机。宏观上，是多个用户同时工作，共享系统资源；微观上，则是每个用户轮流运行一个时间片。多路性也称为同时性，它提高了系统资源的利用率，从而促使计算机应用更广。独立性。是指每个用户占用一个终端，彼此独立操作、互不影响。因此，每个用户会感觉到自己“独占”了主机资源。及时性。是指用户的请求能在很短的时间内获得响应。此时的时间间隔是根据人们能够接受的等待时间来确定的，通常为2～3秒钟。交互性。用户可以通过终端与系统进行广泛的对话。其广泛性表现在：用户可以请求系统提供各方面的服务，如文件编辑、数据处理和资源共享等。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展4．实时操作系统：实时系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内，完成对该事件的处理，并且控制所有实时任务协调一致地运行。根据控制对象的不同，实时系统的类型分为实时控制系统和实时信息处理系统。（1）实时控制系统是指以计算机为中心的生产过程控制系统，又称为计算机控制系统。系统要求能及时采集现场数据，并且对采集的数据进行及时处理，进而自动控制相应的执行机构，使某些参数能按照预定的规律变化，以保证产品的质量和产量。实时控制系统通常用于工业控制和军事。（2）实时信息处理系统是指对信息进行实时处理的系统。在该系统中，计算机能及时接收从远程终端发来的服务请求，根据用户提出的问题对信息进行检索和处理，并且在很短的时间内向用户做出正确应答。典型的实时信息处理系统有机票订购系统、情报检索系统等。第1章操作系统概述1.3操作系统的形成与发展1.3.2操作系统的发展4．实时操作系统：实时系统的特征：多路性是指系统能对多个现场进行数据采集，并且对多个对象或多个执行机构进行控制。独立性是指信息的采集和对象的控制操作互不干扰。及时性是以控制对象所要求的开始时间和截止时间来确定的，高于分时系统，一般为秒级