第1章 操作系统概论概要

21世纪高等院校规划教材操作系统原理与应用(Linux)王红主编侯刚张凤云杨德芳郑建军副主编中国水电水利出版社第1章操作系统概论第1章操作系统概论2操作系统是一个软件系统，它控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，提供用户与计算机系统之间的接口。它的设计目的在于使用户方便地使用计算机系统和使计算机系统高效地工作。1.1基本知识结构图第1章操作系统概论3操作系统概论操作系统的地位操作系统的发展过程操作系统的体系结构LINUX介绍操作系统的特性操作系统的功能管理计算机资源提供人机接口多道批处理系统操作系统发展的动力无OS计算机系统单道批处理系统分时系统实时系统微机操作系统网络操作系统分布式操作系统并发性共享性异步性虚拟性微内核结构层次结构1.2知识点1.2.1操作系统的地位第1章操作系统概论4应用用户应用软件图1-1计算机系统层次结构应用开发人员操作系统开发人员系统工具操作系统裸机计算机系统1.2.2操作系统的功能1．提供用户接口为方便用户使用计算机系统，操作系统提供了用户接口。操作系统提供两个级别的接口：（1）作业控制级接口（通常又称为命令接口）：提供一组命令供用户直接或间接控制自己的作业。（2）程序级接口：提供一组系统调用供用户程序和其他系统程序调用。第1章操作系统概论52．管理计算机资源（1）处理机管理（2）存储器管理（3）设备管理（4）文件管理第1章操作系统概论61.2.3操作系统的发展过程1．批处理操作系统作业是用户在一次上机时要求计算机系统所做的顺序相关的工作的集合，包括若干顺序相关的作业步。作业包括作业控制说明书、程序、数据。批处理技术是指对一批作业自动进行处理的一种技术，它首先实现了作业步之间的自动过渡，然后实现了作业之间的自动过渡。批处理技术的目的是提高系统吞吐量。第1章操作系统概论72．分时操作系统分时技术是指把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。第1章操作系统概论83．实时操作系统实时的含义是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控制对象允许的时间范围内做出响应。第1章操作系统概论94．操作系统的进一步发展批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统是早期的三种基本的操作系统，随着大规模集成电路的发展和计算机体系结构的不断改进，逐步产生了微机操作系统、多处理机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统。第1章操作系统概论101.2.4操作系统的特性1．并发在单处理机系统中，并发性是指宏观上有多道程序在同时运行，但在微观上是交替执行的。2．共享共享是指计算机系统中的资源被多个任务共同使用。3．异步由于并发运行环境的复杂，每个进程在什么时候开始执行，何时暂停，以怎样的速度向前推进，多长时间完成，何时发生中断，都是不可预知的。我们称此种特征为异步性。4．虚拟在操作系统中，虚拟指的是通过某种技术把一个物理实体映射为多个逻辑实体，用户程序使用逻辑实体。第1章操作系统概论111.2.5操作系统的体系结构1．层次结构层次结构操作系统的设计思想是：按照操作系统各模块的功能和相互依存关系，把系统中的模块分为若干层次，其中任一层（除底层模块）都建立在它下面一层的基础上，每一层仅使用其下层所提供的服务。2．微内核结构微内核结构是20世纪90年代发展起来的。其基本思想是：把操作系统中的基本功能模块组织为微内核，其他功能模块尽量放到核外，通过调用微内核来实现。第1章操作系统概论121.3.1单项选择题【例1】在下列选择中，（）不是操作系统关心的主要问题。（浙江大学1998年试题）A．管理计算机裸机。B．设计、提供用户程序与计算机硬件系统的界面。C．管理计算机系统资源。D．高级程序设计语言的编译器。【解答】D第1章操作系统概论131.3例题解析第1章操作系统概论14【例2】批处理系统的主要缺点是()。[清华大学1996年试题]A．CPU利用率低B．不能并发执行C．缺少交互性D．以上都不是【解答】C【例3】操作系统是一种()。A．用户软件B．应用软件C．支撑软件D．系统软件【解答】D【例4】下列操作系统中，()是网络操作系统。A．Windows3·XB．DOS6.22C．CPM2.2D．Linux【解答】D【例5】多道程序设计是指()。A．在实时系统中并发运行多个程序B．在分布系统中同一时刻运行多个程序C．在一台处理器上同一时刻运行多个程序D．在一台处理器上并发运行多个程序第1章操作系统概论151.3.2填空题【例1】操作系统是计算机系统中的一个（），它管理和控制计算机系统中的。[清华大学1999年试题]【解答】系统软件，软硬件资源【例2】现代操作系统的两个最基本的特征是（）和（）。[中国科学院计算机技术研究所1999年试题]【解答】并发，共享【例3】实时系统应具有的两个基本特征是（）和（）。【解答】及时性，可靠性第1章操作系统概论16【例4】为实现CPU与外部设备的并行工作，（）是系统必须引入的一种机制。【解答】中断机制【例5】实时操作系统必须在（）的时间内响应一个新任务。【解答】被控对象规定【例6】批处理系统的主要缺点是（）。【解答】缺少交互性第1章操作系统概论17【例7】UNIX是一个（）操作系统。【解答】多用户交互式分时【例8】操作系统为用户提供了两个接口，分别是（）、（）。【解答】命令接口，程序接口第1章操作系统概论18第1章操作系统概论19【例9】多道批处理系统的硬件支持是20世纪60年代发展起来的（）和（）。【解答】通道，中断机制【例10】分时操作系统的主要特征是（）、（）、（）。【解答】多路性、交互性、独立性第1章操作系统概论201.3.3综合题【例1】什么是操作系统?它有什么基本特征?【解答】操作系统是一组控制和管理计算机软件和硬件资源、合理组织计算机的工作流程以及方便用户使用计算机的程序集合。操作系统的基本特性是共享性、并发性、虚拟性和不确定性4个万面。第1章操作系统概论21【例2】多道批处理系统怎样提高系统效率?【解答】多道批处理系统通过以下四种途径来提高效率:(1)允许多道作业并发工作，减少了处理器的空闲时间，即提高了处理器的利用率。(2)作业调度可以按一定的组合去选择装入主存储器的作业，如果能把请求使用不同设备的作业搭配在一起，则可使各种设备同时工作，充分提高了计算机系统的资源利用率。(3)作业执行过程中，可以不再访问低速的设备，而是直接在高速的磁盘上存取信息，从而缩短了作业执行时间，使单位时间内的处理能力得到提高。(4)作业成批输入，自动选择和控制作业执行，减少了人工操作时间和作业交接时间，有利于提高系统的吞吐量。第1章操作系统概论22【例3】什么是多道程序设计技术?多道程序设计技术的特点是什么?【解答】多道程序设计是指把一个以上的程序同时存放在内存中，并且同时处于运行状态。这些作业共享处理机时间和外部设备以及其他资源。多道程序设计技术的主要特点是，多道、宏观上并行、微观上串行。多道是指计算机内存中同时存放多道相互独立的程序；宏观上并行是指同时进入系统的多道程序都处于运行过程中；微观上串行是指在单处理机环境中，内存中的多道程序轮流地占有CPU，交替执行。第1章操作系统概论23【例4】什么是系统调用?描述系统调用的主要实现过程。【解答】所谓系统调用，就是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能。它是通过系统调用命令，中断现行程序而转去执行相应的子程序，以完成特定的系统功能。系统调用完成后，控制又返回系统调用命令之后的下一条指令，被中断的程序将继续执行下去。系统调用命令的具体格式因系统而异，但是，从用户程序进入系统调用的步骤及其执行过程大体相同。首先，将系统调用命令所需的参数或参数区首地址放入指定的通用寄存器。然后，设置一条调用指令(有的系统相应地设置有访管指令或软件中断指令)。至于系统调用命令的功能号，有的系统直接在调用指令中给出，有的系统则把它作为调用命令的参数，在调用的时候放入指定的通用寄存器中。当用户程序执行到系统调用指令时，就转入到系统调用处理程序。第1章操作系统概论24【例5】叙述操作系统在计算机系统中的位置。【解答】操作系统是运行在计算机硬件系统上的最基本的系统软件。它控制和管理看所有的系统硬件(CPU、主存、各种硬件和外部设备等)，也控制和管理看所有的系统软件(系统程序和用户进程等)，操作系统对计算机使用者提供了一种良好的操作环境，也为其他各种应用系统提供了最基本的支撑环境。【例6】操作系统有哪儿种结构设计方法?简述其中之一的特点。【解答】操作系统有无结构、层次结构和客户/服务器模型等3种结构设计方法。现今大多数操作系统采用的是层次结构。层次结构是结构设计方法之一，使用这种方法进行设计时，可以形成正确、结构清晰的软件系统，从而达到可靠、可适应、可移植的设计目标。在层次式结构下，操作系统的各模块应处于什么位置、各模块之间的关系十分清晰。第1章操作系统概论25【例7】操作系统是随着多道程序设计技术的出现逐步发展起来的，要保证多道程序的正确运行，在技术上要解决哪些基本问题?【解答】多道程序设计技术能有效提高系统的吞吐量和改善资源利用率。但实现多道程序系统时，由于主存中总是同时存在几道作业，因而还需要妥善解决以下几个问题:(1)处理机管理问题。使处理机既能满足各程序运行的需要又有较高的利用率;(2)内存管理问题。如何为每道程序分配必要的内存空间，使它们各得其所又不致因相互重叠而丢失信息;应如何防止因某道程序出现异常情况而破坏其他程序。(3)设备管理问题。分配IO设备，做到既方便用户对设备的使用，又能提高设备的利用率。(4)文件管理问题。组织信息便于用户使用并能保证数据信息的安全性和一致性。第1章操作系统概论26【例8】系统调用是操作系统和用户程序的接口，库函数也是操作系统和这句话对吗？[清华大学1995年试题]【解答】这句话不正确。系统中各种资源都是由操作系统统一管理，故在用户程序中凡是与资源有关的操作都必须通过某种方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。也即操作系统必须为用户提供某种形式的接口，以便让用户程序通过接口来使用操作系统提供的功能，这种接口就称为系统调用。因此，系统调用是操作系统提供给用户在程序这一级使用系统功能的手段。库函数是在程序设计语言中，将一些常用的功能模块编写成函数，放在函数库中供用户编程时使用。1.4.2填空题1．计算机系统由（）系统和（）系统两部分组成。【解答】硬件，软件2．采用多道程序设计技术能充分发挥（）与（）并行工作的能力。【解答】CPU，外部设备3．操作系统是计算机系统的一种系统软件，它以尽量合理、有效的方式组织和管理计算机的（），并控制程序的运行，使整个计算机系统能高效地运行。【解答】资源第1章操作系统概论271.4习题精选第1章操作系统概论284．按内存中同时运行作业的数目可以将批处理系统分为两类：（）和（）。【解答】单道批处理系统，多道批处理系统5．并发和（）是操作系统的两个最基本的特征，两者之间互为存在条件。【解答】共享6．在操作系统中，不确定性主要是指（）、（）。[中国科技大学1998年试题]【解答】不可再现性，异步性7．操作系统的基本功能包括（）管理、（）管理、（）管理、（）管理，除此之外还为用户使用操作系统提供了用户接口。【解答】处理机，存储器，设备，文件第1章操作系统概论298．操作系统的主要性能参数有（①）、（②）等。①指的是单位时间内系统处理的作业量。②指的是在一个给定时间内，系统的一个指定成分被使用的时间比例。【解答】吞吐量，利用率9．如果一个操作系统兼有批处理、分时处理和实时处理操作系统三者或其中两者的功能，这样的操作系统称为（）。【解答】通用操作系统10．在分时和批处理系统结合的操作系统中引入了“前台”和“后台”作业的概念，其目的是（）。【解答】为了提高CPU的利用率11．分时操作系统的主要特征有三个，即（）、（）、（）。【解答】多路性，交互性，独立性第1章操作系统概论3012．实时系统应具备的两个基本特征是（）和（）。[北京理工大学2000年试题]【解答】及时性，高