计算机操作系统第1章导论
1,计算机操作系统 主讲: 四川大学计算机学院 刘 循,2,第1章 导 论,操作系统是计算机系统中非常重要的部分。 不同的计算机环境和不同的应用环境，需要不同的操作系统。 操作系统的职责是管理计算机系统的硬件资源、软件资源，控制计算机的整个工作流程。 计算机系统结构和硬件技术的发展推动了操作系统的发展，因此而出现了多种形式、能够满足多种应用、资源利用效率不断提高的操作系统； 操作系统技术的不断发展又使得计算机的处理器、存储器等硬件资源的利用率得到了很大提高，能够不断满足用户方便、高效、快捷应用计算机的需求。,3,本章讲述的主要内容,操作系统与计算机 操作系统的功能和特征 操作系统的发展 IBM计算机与操作系统,4,1.1 操作系统与计算机,1.1.1 计算机的组织结构 计算机的组织结构决定了计算机中信息传送速度和计算机的性能。 计算机的组织结构由处理器、内存储器、输入部件和输出部件组成。 计算机的基本组织结构如图1.1所示。,5,1.1 操作系统与计算机,1.1.1 计算机的组织结构 处理器是计算机的核心，由控制器、运算器及高速存储器组成。 控制器从计算机的内存储器中取出指令并进行分析，运算器实现指令所需要的操作，高速存储器由若干寄存器组成，存储一些暂时的结果和控制信息。 内存储器存储处理器运行的程序和数据，处理器直接读写内存储器。 输入部件和输出部件实现计算机的信息输入与输出。 磁盘作为计算机的外存，能够长期保存大量的信息，是重要的输入与输出部件。,6,1.1.2 操作系统与计算机,计算机系统由硬件和软件两大部分组成。 硬件是软件运行的平台，软件是硬件功能的体现和扩充，计算机硬件和软件相辅相承、互为促进、缺一不可。 软件包括应用软件和系统软件。 应用软件用于解决各种具体的应用问题，如财务软件用于财务管理，办公软件用于处理办公事务，网络软件用于网络应用。 系统软件为各种应用提供使用计算机环境和服务支持。,7,1.1.2 操作系统与计算机（续）,操作系统、计算机硬件、应用程序、用户之间的关系如图1.2所示。,8,1.1.2 操作系统与计算机（续）,计算机的价值通过计算机应用体现。程序员、应用程序和终端用户及本地用户应用通过操作系统应用计算机，操作系统为他们提供运行平台。操作系统的作用如下： 直接位于计算机硬件之上，为计算机的应用提供接口 提供通用的计算机服务，与专用的应用领域无关 实现资源管理策略，为不同的应用提供共享资源 操作系统作为计算机资源的管理者，能够协调和指挥计算机的各个组件按照一定的计划协同工作，有序地控制计算机中的处理器、存储器和输入/输出设备的分配，在相互竞争的用户和程序之间协调冲突，保证计算机系统正常有效地运行。,9,1.1.3 操作系统的概念和使用操作系统的目的,没有操作系统的计算机，需要直接对计算机硬件进行操作。只有对计算机指令、操作、时序、地址和各类寄存器非常熟悉和精通的计算机专家，才能操作和使用这类计算机。 由于操作系统隐藏了对计算机硬件操作的复杂性，因此，有操作系统的计算机，用户通过操作系统使用计算机，用户不必知道更多的计算机硬件知识便能够方便地操作和使用计算机。,1操作系统的概念 操作系统是计算机系统中一组控制和管理计算机硬件资源和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以方便用户使用的程序的集合。,10,1.1.3 操作系统的概念和使用操作系统的目的(续）,2使用操作系统的目的 有效的管理计算机资源 操作系统采取有效管理机制，使计算机系统中的所有硬件和软件资源能够得到充分利用。 方便用户使用计算机资源 操作系统为用户提供友好的界面。 扩大计算机功能 操作系统对计算机硬件进行管理和隔离，以虚拟机的形式扩大了计算机的功能，让更多的用户可以分享计算机提供的功能。 构筑开放环境 操作系统的设计和构造遵循国际标准有：开放的通信标准、开放的用户接口标准、开放的线程库标准、开放的用户应用标准等。,11,1.2 操作系统的功能和特征,只有在明确并理解操作系统功能和特征的基础上，才能完成操作系统结构设计，才能实现并合理应用操作系统，也才能提高计算机系统性能。随着计算机技术的不断发展和计算机应用的日益广泛，操作系统的功能不断增强，操作系统的特征不断完善。 1.2.1 操作系统的功能 操作系统的功能不仅体现在对系统资源进行管理上，而且体现在其为用户提供的应用上。操作系统的功能有处理器管理、存储器管理、输入/输出设备管理、文件系统和用户接口。,12,1.2 操作系统的功能和特征,1处理器管理 处理器（CPU）是计算机的核心部件，是对计算机性能影响最大的系统资源。 处理器管理的主要任务如下： 进程和线程的描述与控制 处理器调度 进程或线程的同步与互斥 死锁的检测和预防 进程之间及线程之间的通信,13,1.2.1 操作系统的功能（续）,2存储器管理 存储器管理是指对计算机内存的管理。 存储器管理的主要任务如下： 内存规划、分配及地址映射 内存保护 内存扩充,14,1.2.1 操作系统的功能（续）,3输入/输出设备管理 输入/输出设备管理是指管理与计算机相连的各类外围设备，提高设备的使用率和设备与处理器并行工作的能力，方便用户使用。 设备管理的主要任务如下： 输入/输出设备控制 缓冲管理 设备独立性 设备分配 虚拟设备 磁盘存储器管理,15,1.2.1 操作系统的功能（续）,4文件系统 在操作系统中，存放在磁盘等外存上的信息总是以文件的形式存在。文件系统管理指对文件进行组织和访问控制，实现文件的按名存取，为用户提供方便的文件存取访问和可靠的文件共享，实现文件保护。 文件系统的主要任务如下： 对文件结构进行组织和目录管理 提供文件的存取访问 实现文件的存储空间管理 实现文件的共享和保护,16,1.2.1 操作系统的功能（续）,5用户接口 为了方便用户使用计算机，操作系统为用户提供了程序接口、命令接口和图形接口。 程序接口 在用户编程应用上，操作系统为程序员提供系统资源调用函数，达到程序员在程序中方便使用系统资源的目的。 命令接口 对系统的管理和应用，操作系统提供一套系统命令供系统管理员和用户使用。相对于图形接口，命令接口需要用户熟悉命令结构和命令形式。 图形接口 对系统的管理和应用，操作系统以图形窗口方式提供给系统管理员和用户使用。图形接口操作简单、直观。,17,1.2.1 操作系统的功能（续）,18,1.2.2 操作系统的特征,操作系统是计算机资源的组织者和管理者，在经历了近半个世纪的发展历程后，操作系统的特征逐渐形成，并主要体现在并发性、共享性、虚拟性和异步性上。,19,1.2.2 操作系统的特征,1并发性 并发性是指两个或两个以上的事件在同一时间段内发生。并发性体现了操作系统同时处理多个活动事件的能力。 对只有一个处理器的系统，在一个时间段内，可以同时运行多个进程，实现多进程并发。 这些并发的进程体现为：宏观上同时执行，微观上任何时刻只有一个在执行。 并发性是操作系统最重要的特征，它能够减少计算机中各部件由于相互等待而造成的计算机资源浪费，改善资源利用率，提高系统的吞吐量。 并发性的实现比较复杂，需要解决进程之间的运行切换、进程内容保护、相互依赖进程之间的同步关系、进程资源分配的协调等问题。 多任务系统是在一段时间内能够同时执行多个任务的计算机系统。多任务系统中的多个任务并发执行。,20,1.2.2 操作系统的特征（续）,2共享性 共享性是指计算机系统中的资源能够被并发执行的多个进程共同使用。操作系统对这些资源进行合理的调配和管理，使得并发执行的多个进程能够合理地共享这些资源，达到节约资源，提高系统效率的目的。 资源共享有两种实现方式：互斥共享和同时共享。 互斥共享资源是指一段时间内只允许一个进程访问，多个进程需要互相排斥使用的资源。 在系统中允许互斥访问的资源有硬件资源和软件资源，如打印机、磁带机、缓冲区、数据和表格等。 同时共享是指同一时间段内允许多个进程同时访问的资源，如可重入代码、磁盘等资源。,21,1.2.2 操作系统的特征（续）,3虚拟性 虚拟性是指操作系统通过某种技术将一个实际存在的实体变成多个逻辑上的对应体。这样的多个逻辑对应体可以为多个并发进程访问，提高了实际存在的实体的利用率。 虚拟性是操作系统管理资源的一种重要手段，其目的是为用户提供方便高效的资源利用。在计算机系统中，处理器、存储器、打印机等外围设备以及窗口、用户终端等都可以通过虚拟技术提供给并发的进程使用。 在操作系统中，与虚拟性相关的技术问题有：处理器管理、虚拟存储器管理、spooling（simultaneous peripheral operation on line）技术等。,22,1.2.2 操作系统的特征（续）,4异步性 异步性也称为随机性，是指多道程序环境中多个进程的执行、推进和完成时间都是随机的、交替的、不可预测的。多个并发的进程由于受到资源限制而不可能一贯到底，而是“走走停停”。这种异步方式的进程执行，导致的后果可能是进程执行的最终结果不可重现。 异步性会带来进程执行结果的不可重现性，使操作系统存在潜在的危机。操作系统设计和实现必须考虑异步性问题，采取一定的措施，如：信号量机制，保证进程的多次执行结果一致，不会出现不可重现性。,23,1.3 操作系统的发展,随着计算机硬件技术和软件技术的发展，为了充分提高计算机资源的利用率，为了给用户提供更快、更多、更好的服务，操作系统本身也在不断地向前发展。操作系统从无到有，从单道批处理系统、多道程序系统、分时系统、实时系统到今天的网络和分布式操作系统；从个人计算机系统到大型主机系统，从嵌入式系统到商务系统。在这几十年中，操作系统的发展极为迅猛。,24,1.3 操作系统的发展,1.3.1 早期的系统 早期的系统是1940-1959年间的系统。 早期计算机的所有程序都以绝对机器语言进行编写，没有程序语言，也没有汇编语言，更没有操作系统。 计算机上所有运行程序的设计、构造、编程、操作和维护都由人工直接承担，计算机能做的所有工作就是完成数字计算。 如：各种数学运算、函数运算等。 根据管理员的时间安排，用户到计算机机房中将自己准备好的线路板插入计算机，然后就是等待好几个小时得到计算机的计算结果。 低效率的计算机，制约了用户应用需要。,25,1.3.1 早期的系统（续）,20世纪50年代中期，计算机硬件技术的发展，用晶体管取代了真空管，程序卡取代了线路板，计算机的制造能力和应用能力的逐步提高，使在计算机上运行程序的设计、构造、编程、操作、维护工作逐渐分离。 计算机的管理和维护由系统管理员完成。 程序员用汇编语言或Fortran语言先将程序手工编译后穿孔到计算机的输入纸带上，将穿孔好的程序纸带交给输入机房中的操作员。 由操作员将输入纸带放到计算机中运行。当程序运行结果出来后，程序员将打印好的结果取走。计算机的大量时间耗费在等待操作员完成输入、输出过程，计算机的效率非常低。,26,1.3.1 早期的系统（续）,没有操作系统的计算机系统被称为第一代计算机系统，其主要问题如下： 用户独占资源 一个用户的计算独占计算机全部资源。计算机效率低下，计算机的资源利用率低。 人工干预 程序的输入、输出和大量的操作、维护工作都是手工完成，既浪费时间，又容易发生差错。 占用处理器时间长 程序和数据的输入、执行和输出都需要处理器的直接参与，即在联机情况下完成。计算机的处理器需要等待程序和数据的输入/输出过程，处理器被每个用户程序从输入到输出的全部时间占满，一个程序完成后，才能接受另一个程序。,27,1.3.1 早期的系统（续）,没有操作系统的计算机运行效率极其低下，用户应用非常不便。为了节约处理器等待输入/输出的时间，出现了脱机输入/输出技术。 脱机输入/输出技术是指用外围控制机负责管理输入/输出过程，在该过程中计算机的处理器不再参与。 输入/输出在脱离计算机处理器下进行，减少了处理器的等待时间，使得处理器和输入/输出操作可以并行进行，计算机的效率得到提高。,28,1
