第1章 计算机操作系统概述

第1章计算机操作系统概述1.1存储程序式计算机1.2操作系统的发展历史1.3操作系统的基本概念1.4操作系统的逻辑模型1.5微机操作系统本章学习目标操作系统的作用操作系统的发展操作系统的特征与功能多道程序设计的概念操作系统的模型1.1存储程序式计算机1.1.1存储程序式计算机的结构与特点1.1.2作为扩展计算机功能的操作系统1.1.3作为资源管理的操作系统返回首页1.1.1存储程序式计算机的结构与特点存储程序式计算机模型的基本方案是，如要使计算机能够自动地计算，必须有一个存储器用来存储程序和数据；同时要有一个运算器，用以执行指定的操作；有一个控制器，以便实现自动操作；另外，辅以输入/输出部件，以便输入原始数据和输出计算结果。于是形成了现代计算机的基本组成形式。如图1.1所示。存储器运算器数据数据指令控制器控制信号输出器输入器程序和数据图1.1存储程序计算机的组成返回本节1.1.2作为扩展计算机功能的操作系统一台完全无软件的计算机系统称为裸机，即便其性能再强，相对于用户来讲，如果要面对计算机的指令集、存储组织、I/O总线结构的编程则是十分困难的。对于一般程序员也并不想涉足硬件编程的种种具体细节，而希望针对数据结构抽象地使用硬件。如果我们在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件，用户便可以利用这层I/O设备管理软件提供给用户的接口来进行数据的输入和输出，那么用户此时看到的计算机是一台功能强大、使用方便的计算机，但实际上，计算机的硬件丝毫没有变化，这样的计算机称为软件扩充的机器，或称软件虚拟机。返回本节1.1.3作为资源管理的操作系统从作为机器功能扩充的观点看，操作系统是为用户提供基本的方便的接口，这是一种自顶向下的观点或是自内向外的观点。但是从用户向机器的观点或自底向上的观点来看，操作系统则用来管理一个复杂计算机系统的各个部分。现代计算机包含处理器、存储器、时钟、磁盘、终端、网络接口、打印机以及许多其他设备。从这个角度来看，操作系统的任务是在相互竞争的程序之间有序地控制对处理器、存储器以及其他I/O接口设备的分配。返回本节1.2操作系统的发展历史1.2.1无操作系统的计算机1.2.2单道批处理系统与多道批处理系统及执行系统1.2.3分时系统1.2.4实时系统1.2.5网络操作系统与分布式操作系统返回首页1.2.1无操作系统的计算机人工操作方式有以下两个缺点：（1）用户独占全部计算机系统资源。（2）CPU等待人工操作。用户进行装带（卡）、卸带（卡）等人工操作时，CPU这个系统最重要的资源空闲。用户纸带、卡片计算机图1.2手工操作计算机返回本节1.2.2单道批处理系统与多道批处理系统及执行系统所谓批处理系统是指加载在计算机上的一个系统软件，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户的作业。首先出现的是联机批处理系统。如图1.3所示。脱机批处理系统控制作业的输入/输出过程是：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用户程序，并输出到磁带上；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；当微机或卫星机空闲时，再控制向慢速外设上输出。用户输入机磁带主机输出设备图1.3联机处理系统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出，但也有很多缺点。例如，为了实现主机与外设的并行操作，引入了卫星机或微机专门负责I/O操作；当主机与高速外存通讯时，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，停止原来的工作，转去处理中断的事件。在处理中断完成以后，主机又回到原来的工作点继续工作。这样可以使用户程序的I/O申请完成后，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。高速磁带高速磁带输入机输出设备主机微机图1.4脱机批处理系统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出，但也有很多缺点。例如，为了实现主机与外设的并行操作，引入了卫星机或微机专门负责I/O操作；当主机与高速外存通讯时，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，停止原来的工作，转去处理中断的事件。在处理中断完成以后，主机又回到原来的工作点继续工作。这样可以使用户程序的I/O申请完成后，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。在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，中断和通道技术出现以后，虽然可以实现输入/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，大多数进程是有同步关系的，这使系统中仍有较多的空闲资源，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，在20世纪60年代中期，引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统。单道程序与多道程序的执行过程如图1.5和图1.6所示。图1.5单道程序工作过程示意图1.6多道程序执行过程示意在操作系统中引入多道程序设计技术以后，会使系统具有以下特征。（1）多道性（2）无序性（3）宏观上并行、微观上串行（4）调度性返回本节1.2.3分时系统分时技术是把处理机的时间分成很短的时间片，这些时间片轮流地分配给各个联机的各作业使用。如果某作业在分配给它的时间片用完时仍未完成，则该作业就暂时中断，等待下一轮运行，并把处理机的控制权让给另一个作业使用。这样在一个相对较短的时间间隔内，每个用户作业都能得到快速响应，以实现人机交互。分时系统与多道批处理系统相比，具有完全不同的特征，由上所述可以归纳成以下几点：（1）多路性：允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。（2）独立性：每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。（3）及时性：用户的请求能在很短时间内获得响应。（4）交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。返回本节1.2.4实时系统1．实时操作系统的分类2．实时操作系统的主要目标1．实时操作系统的分类实时控制实时控制系统的主要特点是：与被控制过程的变化速度相比，其反应速度要足够快；工作安全可靠，即使系统硬件发生故障，系统也能安全运行；操作人员使用系统也简单、方便。实时信息处理典型的实时信息处理系统有：飞机订票系统、情报检索系统等。2．实时操作系统的主要目标（1）实时时钟管理。（2）连续人机对话。（3）过载防护。（4）高可靠性。返回本节1.2.5网络操作系统与分布式操作系统到20世纪80年代，随着超大规模集成电路的发展产生了微型计算机，配置在微机上的操作系统称为微机操作系统。最早出现的微机操作系统是8位微机上的CP/M，它是一个单用户单任务操作系统，即只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。1981年IBM公司推出16位的IBM-PC个人计算机，并在其上采用了微软公司开发的MS-DOS操作系统。1987年4月，IBM公司推出了OS/2，其最初的版本OS/21.X是针对80286开发的，仍属16位操作系统，但已能实现真正的多任务处理。1990年微软公司推出Windows3.0，其友好的图形用户界面及易学易用的特点使其很快占领了个人计算机操作系统的市场。1995年推出的Windows95及1998年推出的Windows98成为32位多任务操作系统的主流。如果允许多个用户通过各自的终端，使用同一台主机共享主机系统中的各类资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们并发执行，从而进一步提高资源利用率和系统吞吐量，则这种操作系统称多为用户多任务操作系统。在大、中、小型计算机上都可以配置多用户多任务操作系统，在32位微机上也有很多配置多用户多任务操作系统，最有代表性的是UNIX操作系统。计算机技术和通讯技术的结合使得微机用户资源共享及相互通信的愿望成为可能，即在一台计算机上可以使用其他机器上的资源或进行通信。这样计算机网络的概念得以产生。一些独立自治的计算机利用通信线路相互连接形成的计算机的集合，称为计算机网络。大量的实际应用要求一个一体化的系统，用户希望以统一的界面，标准的接口去使用系统的各种资源，实现所需的各种操作。这就导致了分布式系统的出现。一个分布式系统是若干计算机的集合，它们都有自己的局部存储器和外部设备，但分布式系统是一个一体化的系统，在系统中有一个全局操作系统，即分布式操作系统，它负责整个系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输、控制协调等工作，为用户提供一个统一的界面，标准的接口，用户通过这一界面实现所需的操作和使用系统的资源，但操作和计算是在哪一台计算机上执行或使用哪个计算机的资源则由操作系统自动完成，用户不用知道，即分布式操作系统是透明的。返回本节1.3操作系统的基本概念1.3.1操作系统的定义1.3.2操作系统的基本功能1.3.3操作系统的特征返回首页1.3.1操作系统的定义操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制协调多个任务的活动，实现信息的存取保护，并提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。操作系统使整个计算机系统实现了高效率和高度自动化。计算机系统拥有丰富的硬件、软件资源，操作系统要对这些资源进行管理。在一般微机上配置单用户操作系统，管理CPU、内存、打印机、键盘、显示器、软盘及硬盘驱动器、程序和数据，其目的是让用户方便地使用系统资源解决计算任务，如让打印机打印计算结果，从键盘输入数据、在软盘上建立文件等。而在较大型机器上配置多用户操作系统其资源管理的功能就要复杂得多，因为多个用户共用一个系统，会产生资源共享的问题，即资源的竞争使用。返回本节1.3.2操作系统的基本功能1．存储器管理的功能2．处理机管理的功能3．设备管理的功能4．文件管理的功能1．存储器管理的功能内存分配内存分配的主要任务是为每道程序分配内存空间，但要以存储器利用率最高、减少不可用的内存空间为准则，同时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。内存保护内存保护的主要任务是确保每道用户程序在自己的内存空间中运行，互不干扰，也就是说绝不允许用户程序访问操作系统和其他用户的程序和数据。地址映射一个应用程序经编译后，通常会形成若干个目标程序，这些目标程序再经过链接而形成可执行程序。内存扩充由于物理内存的容量有限，难以满足用户的需要，存储器管理的任务就是在不增加物理内存的条件下，借助于虚拟内存技术从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多。2．处理机管理的功能处理机管理的主要任务是对处理机进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为单位，所以对处理机的管理可理解为对进程的管理。进程控制进程同步进程通信调度3．设备管理的功能缓冲管理为达到缓解CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，达到提高CPU和I/O设备利用率，提高系统吞吐量的目的，许多操作系统通过设置缓冲区的办法来实现。设备分配设备分配的基本任务是根据用户的I/O请求，为他们分配所需的设备。如果在I/O设备和CPU之间还存在设备控制器和通道，则还需为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。设备处理设备处理程序又称设备驱动程序。其基本任务是实现CPU和设备控制器之间的通信。设备独立性和虚拟设备用户向系统申请和使用的设备与实际操作的设备无关4．文件管理的功能文件存储空间的管理目录管理文件的操作返回本节1.3.3操作系统的特征1．并发特征（Concurrence）2．共享特征（Sharing）3．虚拟特征（Virtual）4．不确定性1．并发特征（Concurrence）并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。2．共享特征（Sharing）共享是指系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。3．虚拟特征（Virtual）虚拟是指将一个物理的实体映射为若干个逻辑实体。4．不确定性第一，程序执行结果的不确定，程序执行结果的不可再现。第二，多道程序设计