第1章操作系統(tǒng)的基本概念

1、操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)主講教師：陳洪麗主講教師：陳洪麗手機(jī)：手機(jī)箱：郵箱：辦公室辦公室:綜合樓綜合樓501答疑時間地點：每周二答疑時間地點：每周二7、8節(jié)綜合樓節(jié)綜合樓501第1章 操作系統(tǒng)的基本概念Chapter 1 Conspectus of Operating System教學(xué)要求 本章目的：本章目的： 了解計算機(jī)操作系統(tǒng)是什么，能有什么用途，如何區(qū)分操作系統(tǒng)的優(yōu)劣。 教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)： 操作系統(tǒng)的定義及其在計算機(jī)系統(tǒng)中的地位；操作系統(tǒng)的功能；操作系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。 重點與難點重點與難點： 操作系統(tǒng)的定義；操作系統(tǒng)的功能；操作系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 專業(yè)術(shù)語：專業(yè)術(shù)語：

2、操作系統(tǒng)、可靠性、可用性、吞吐量、系統(tǒng)響應(yīng)時間、系統(tǒng)資源利用率、可移植性、并發(fā)、并行。 Agenda1. 操作系統(tǒng)的基本概念操作系統(tǒng)的基本概念 1.1 定義 1.2 操作系統(tǒng)在計算機(jī)系統(tǒng)中的地位 1.3 操作系統(tǒng)的功能 1.4 操作系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)操作系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 1.5 操作系統(tǒng)的特性 1.1 操作系統(tǒng)的定義 計算機(jī)操作系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)中的一個重要系統(tǒng)軟計算機(jī)操作系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)中的一個重要系統(tǒng)軟件。它管理和控制所有的計算機(jī)資源（軟、硬件。它管理和控制所有的計算機(jī)資源（軟、硬件），合理地組織計算機(jī)工作流程，以便有效地件），合理地組織計算機(jī)工作流程，以便有效地利用這些資源為用戶提供一個功能

3、強(qiáng)大、使用方利用這些資源為用戶提供一個功能強(qiáng)大、使用方便并且已于擴(kuò)展的工作環(huán)境，從而在計算機(jī)與用便并且已于擴(kuò)展的工作環(huán)境，從而在計算機(jī)與用戶之間起到接口的作用。戶之間起到接口的作用。操作系統(tǒng)的基本概念1.2 操作系統(tǒng)在計算機(jī)系統(tǒng)中的地位 操作系統(tǒng)為系統(tǒng)軟件。但它是最基本的系統(tǒng)軟件，操作系統(tǒng)為系統(tǒng)軟件。但它是最基本的系統(tǒng)軟件，其它系統(tǒng)軟件需要其支持，并受其管理和控制。其它系統(tǒng)軟件需要其支持，并受其管理和控制。 人們將處理機(jī)管理、存儲管理、人們將處理機(jī)管理、存儲管理、I/O（輸入輸出）（輸入輸出）設(shè)備管理、文件管理、運(yùn)行程序管理等基本系統(tǒng)設(shè)備管理、文件管理、運(yùn)行程序管理等基本系統(tǒng)程序集合成操作系統(tǒng)

4、，構(gòu)成一個人與計算機(jī)系統(tǒng)程序集合成操作系統(tǒng)，構(gòu)成一個人與計算機(jī)系統(tǒng)間的間的“接口接口”。這個。這個“接口接口”提供一系列的系統(tǒng)提供一系列的系統(tǒng)服務(wù)，如程序開發(fā)、程序運(yùn)行、訪問服務(wù)，如程序開發(fā)、程序運(yùn)行、訪問I/O設(shè)備、控設(shè)備、控制訪問文件、系統(tǒng)訪問、錯誤監(jiān)測和相應(yīng)、資源制訪問文件、系統(tǒng)訪問、錯誤監(jiān)測和相應(yīng)、資源統(tǒng)計等。統(tǒng)計等。 操作系統(tǒng)的基本概念1.2 操作系統(tǒng)在計算機(jī)系統(tǒng)中的地位 從用戶的角度看從用戶的角度看，操作系統(tǒng)是用戶與計算機(jī)硬件，操作系統(tǒng)是用戶與計算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口。系統(tǒng)之間的接口。操作系統(tǒng)的基本概念1.2 操作系統(tǒng)在計算機(jī)系統(tǒng)中的地位 從操作系統(tǒng)對計算機(jī)系統(tǒng)的管理的角度看從操作

5、系統(tǒng)對計算機(jī)系統(tǒng)的管理的角度看，操作，操作系統(tǒng)是系統(tǒng)資源的管理者。它合理地組織計算機(jī)系統(tǒng)是系統(tǒng)資源的管理者。它合理地組織計算機(jī)工作流程，管理和分配系統(tǒng)資源，使多個用戶能工作流程，管理和分配系統(tǒng)資源，使多個用戶能高效地共享高效地共享。 從計算機(jī)發(fā)展的角度看從計算機(jī)發(fā)展的角度看，操作系統(tǒng)還為計算機(jī)系，操作系統(tǒng)還為計算機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展提供一個支撐平臺統(tǒng)的擴(kuò)展提供一個支撐平臺。容易增加新的服務(wù)容易增加新的服務(wù)和功能，不影響原有的的服務(wù)和功能和功能，不影響原有的的服務(wù)和功能。操作系統(tǒng)的基本概念1.3 操作系統(tǒng)的功能 作業(yè)管理（作業(yè)管理（job management） 提供用戶使用操作系統(tǒng)的方法。提供用戶使用

6、操作系統(tǒng)的方法。 進(jìn)程管理（進(jìn)程管理（process management） 如何將處理機(jī)真正合理地分配給每個任務(wù)。如何將處理機(jī)真正合理地分配給每個任務(wù)。 存儲器管理（存儲器管理（memory management） 對內(nèi)存進(jìn)行分配、保護(hù)和擴(kuò)充對內(nèi)存進(jìn)行分配、保護(hù)和擴(kuò)充 設(shè)備管理（設(shè)備管理（devices management） 提供一個管理設(shè)備的良好界面提供一個管理設(shè)備的良好界面 操作系統(tǒng)的基本概念1.3 操作系統(tǒng)的功能 文件管理（文件管理（file management） 有效地組織文件的存儲和修改、高效地提供檢索服務(wù)，有效地組織文件的存儲和修改、高效地提供檢索服務(wù)，并對文件的安全性進(jìn)行保

7、護(hù)。并對文件的安全性進(jìn)行保護(hù)。 網(wǎng)絡(luò)功能（網(wǎng)絡(luò)功能（network） 按照各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求，依據(jù)不同層次的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議按照各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求，依據(jù)不同層次的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。 信息保護(hù)和安全功能信息保護(hù)和安全功能 訪問控制?？刂朴脩粼L問整個系統(tǒng)、某子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)。訪問控制?？刂朴脩粼L問整個系統(tǒng)、某子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)?？刂七M(jìn)程訪問系統(tǒng)中的各種資源和對象?？刂七M(jìn)程訪問系統(tǒng)中的各種資源和對象。 信息流控制。管理系統(tǒng)內(nèi)部及其傳送給用戶的數(shù)據(jù)流信息流控制。管理系統(tǒng)內(nèi)部及其傳送給用戶的數(shù)據(jù)流 認(rèn)證。根據(jù)規(guī)范提供訪問和流控制機(jī)制，可實現(xiàn)預(yù)期認(rèn)證。根據(jù)規(guī)范提供訪問和流控制機(jī)制，可實現(xiàn)預(yù)期的保護(hù)和安

8、全策略。的保護(hù)和安全策略。 操作系統(tǒng)的基本概念處理機(jī)管理 分配CPU給多個作業(yè)存儲器管理 分配主存空間，保護(hù)主存內(nèi)信息安全I(xiàn)/O設(shè)備管理 設(shè)備分配、優(yōu)化調(diào)度提高設(shè)備使用率信息管理（文件管理） 文件中信息管理重定位多道程序存儲保護(hù)存儲擴(kuò)充虛擬存貯器設(shè)備無關(guān)性設(shè)備分配設(shè)備傳輸控制處理機(jī)管理 進(jìn)程控制進(jìn)程控制：創(chuàng)建、撤銷、掛起、改變運(yùn)行優(yōu)先級等：創(chuàng)建、撤銷、掛起、改變運(yùn)行優(yōu)先級等主動改變主動改變進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程的狀態(tài) 進(jìn)程同步進(jìn)程同步：協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)并發(fā)進(jìn)程之間的并發(fā)進(jìn)程之間的推進(jìn)步驟推進(jìn)步驟，以協(xié)調(diào)資源，以協(xié)調(diào)資源共享；交換信息能力弱共享；交換信息能力弱 進(jìn)程通信進(jìn)程通信：進(jìn)程之間：進(jìn)程之間傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)

9、據(jù)，以協(xié)調(diào)進(jìn)程間的協(xié)作；，以協(xié)調(diào)進(jìn)程間的協(xié)作；交換信息能力強(qiáng)，也可以用來協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的推進(jìn)交換信息能力強(qiáng)，也可以用來協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的推進(jìn) 進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程調(diào)度：作業(yè)和進(jìn)程的運(yùn)行：作業(yè)和進(jìn)程的運(yùn)行切換切換，以充分利用處理機(jī)，以充分利用處理機(jī)資源和提高系統(tǒng)性能；未必是進(jìn)程控制操作所引起資源和提高系統(tǒng)性能；未必是進(jìn)程控制操作所引起（可能是時間片輪轉(zhuǎn)、（可能是時間片輪轉(zhuǎn)、I/O操作）操作） 同一類型內(nèi)的同一類型內(nèi)的公平公平性、性、高效高效率（吞吐量大）、率（吞吐量大）、作業(yè)周作業(yè)周轉(zhuǎn)時間轉(zhuǎn)時間等等完成處理機(jī)資源的分配調(diào)度等功能。處理機(jī)調(diào)度的單位可為完成處理機(jī)資源的分配調(diào)度等功能。處理機(jī)調(diào)度的單位可為進(jìn)程或線

10、程。進(jìn)程或線程。存儲器管理 存儲分配與回收存儲分配與回收 存儲保護(hù)：保證進(jìn)程間互不干擾、相互保密；如：存儲保護(hù)：保證進(jìn)程間互不干擾、相互保密；如：訪問合法性檢查、甚至要防止從訪問合法性檢查、甚至要防止從垃圾垃圾中竊取其他中竊取其他進(jìn)程的信息；進(jìn)程的信息； 地址映射（變換）：進(jìn)程邏輯地址到內(nèi)存物理地址地址映射（變換）：進(jìn)程邏輯地址到內(nèi)存物理地址的映射；的映射； 內(nèi)存擴(kuò)充（覆蓋、交換和虛擬存儲）：提高內(nèi)存利內(nèi)存擴(kuò)充（覆蓋、交換和虛擬存儲）：提高內(nèi)存利用率、擴(kuò)大進(jìn)程的內(nèi)存空間；用率、擴(kuò)大進(jìn)程的內(nèi)存空間；管理目標(biāo)：提高利用率、方便用戶使用、提供足夠的存儲空間、管理目標(biāo)：提高利用率、方便用戶使用、提供足

11、夠的存儲空間、方便進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行。方便進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行。設(shè)備管理 設(shè)備操作：利用設(shè)備驅(qū)動程序（通常在內(nèi)核中）完成設(shè)備操作：利用設(shè)備驅(qū)動程序（通常在內(nèi)核中）完成對設(shè)備的操作。還需處理外設(shè)的對設(shè)備的操作。還需處理外設(shè)的IRQ。 設(shè)備獨立性設(shè)備獨立性(device independence)：提供統(tǒng)一的提供統(tǒng)一的I/O設(shè)備接口，使應(yīng)用程序獨立于物理設(shè)備，提高可適應(yīng)設(shè)備接口，使應(yīng)用程序獨立于物理設(shè)備，提高可適應(yīng)性；在同樣的接口和操作下完成不同的內(nèi)容（如性；在同樣的接口和操作下完成不同的內(nèi)容（如FAX Modem作為作為Windows上的打印機(jī)設(shè)備）。上的打印機(jī)設(shè)備）。 設(shè)備分配與回收：在多用戶間共享設(shè)備分配

12、與回收：在多用戶間共享I/O設(shè)備資源。設(shè)備資源。 虛擬設(shè)備虛擬設(shè)備(virtual device)：設(shè)備由多個進(jìn)程共享，每個進(jìn)程設(shè)備由多個進(jìn)程共享，每個進(jìn)程如同獨占。如同獨占。 緩沖區(qū)管理：匹配緩沖區(qū)管理：匹配CPU和外設(shè)的速度，提高兩者的利和外設(shè)的速度，提高兩者的利用率（單緩沖區(qū)、雙緩沖區(qū)和公用緩沖區(qū)）用率（單緩沖區(qū)、雙緩沖區(qū)和公用緩沖區(qū)）設(shè)備管理的目標(biāo)是：方便的設(shè)備使用、提高設(shè)備管理的目標(biāo)是：方便的設(shè)備使用、提高CPU與與I/O設(shè)備利用率；設(shè)備利用率；信息管理(文件管理) 文件存儲空間管理：解決如何存放信息，以提高空文件存儲空間管理：解決如何存放信息，以提高空間利用率和讀寫性能。間利用率和

13、讀寫性能。 目錄管理：解決信息檢索問題。文件的屬性（如文目錄管理：解決信息檢索問題。文件的屬性（如文件名）、單一副本賦予多文件名件名）、單一副本賦予多文件名 文件的讀寫管理和存取控制：解決信息安全問題。文件的讀寫管理和存取控制：解決信息安全問題。系統(tǒng)設(shè)口令系統(tǒng)設(shè)口令哪個用戶哪個用戶、用戶分類、用戶分類哪個用戶組哪個用戶組、文件權(quán)限文件權(quán)限針對用戶或用戶組的讀寫權(quán)針對用戶或用戶組的讀寫權(quán) 軟件管理：軟件的版本、相互依賴關(guān)系、安裝和拆軟件管理：軟件的版本、相互依賴關(guān)系、安裝和拆除等除等解決軟件資源的存儲、共享、保密和保護(hù)。解決軟件資源的存儲、共享、保密和保護(hù)。1.4 操作系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)可靠性可

14、靠性R(Reliability)：指系統(tǒng)能正常工作時間的平均值，用平均無故障時間MTBF(Mean Time Before Failure)來衡量。R值越大，系統(tǒng)的可靠性越高。可維修性可維修性S(Serviceability)：指平均故障修復(fù)時間MTRF(Mean Time Repair a Failure)，從故障發(fā)生到故障修復(fù)所需的時間。S越小，可維修性越高。可用性可用性A(Availability)：指計算機(jī)系統(tǒng)的正常使用率，即系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)的任意時可能正常工作的概率。A=MTBF / (MTBF+MTRF)操作系統(tǒng)的特性 1.4 操作系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 系統(tǒng)吞吐量系統(tǒng)吞吐量(Thrug

15、htput)：指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)所處理的信息量。 系統(tǒng)響應(yīng)時間系統(tǒng)響應(yīng)時間(Respones Time)：系統(tǒng)響應(yīng)時間指從給定系統(tǒng)輸入到開始輸出這一段時間間隔。 系統(tǒng)資源利用率：指在給定時間內(nèi)，系統(tǒng)中的某系統(tǒng)資源利用率：指在給定時間內(nèi)，系統(tǒng)中的某一資源的實際使用時間所占的比例。一資源的實際使用時間所占的比例。 可維護(hù)性：可維護(hù)性：系統(tǒng)的可維護(hù)性有以下兩方面： 系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷排除系統(tǒng)設(shè)計中遺留下來的錯誤。系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷排除系統(tǒng)設(shè)計中遺留下來的錯誤。 能對系統(tǒng)的功能作某些改進(jìn)或擴(kuò)充。能對系統(tǒng)的功能作某些改進(jìn)或擴(kuò)充。操作系統(tǒng)的特性 1.4 操作系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)可移植性：可移植性：指把一個操

16、作系統(tǒng)從一種硬件環(huán)境轉(zhuǎn)移到另一種硬件環(huán)境所需要的工作量。 操作系統(tǒng)的特性 1.4 操作系統(tǒng)的特性 并發(fā)性：并發(fā)性： 兩個容易混淆的概念：并行性和并發(fā)性。 并行性并行性是指兩個或多個事件在同一時間同時發(fā)生。 并發(fā)性并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔發(fā)生，交替進(jìn)行。在單處理機(jī)環(huán)境下，每一時間只能有一道程序在執(zhí)行。操作系統(tǒng)的特性 1.4 操作系統(tǒng)的特性共享（共享（sharing）性：）性：資源共享是指系統(tǒng)中的軟硬件資源不再是為某一個程資源共享是指系統(tǒng)中的軟硬件資源不再是為某一個程序所獨占，而是供多個用戶共同使用。共享的方式主序所獨占，而是供多個用戶共同使用。共享的方式主要有如下兩種：要有如下兩種

17、： 互斥共享：系統(tǒng)中的資源雖然可以供多個用戶進(jìn)程共享，但在互斥共享：系統(tǒng)中的資源雖然可以供多個用戶進(jìn)程共享，但在某一時間內(nèi)只允許一個進(jìn)程訪問該資源。當(dāng)一個進(jìn)程訪問該資某一時間內(nèi)只允許一個進(jìn)程訪問該資源。當(dāng)一個進(jìn)程訪問該資源時，其它進(jìn)程必須等待。直到改進(jìn)程釋放該資源時，才允許源時，其它進(jìn)程必須等待。直到改進(jìn)程釋放該資源時，才允許其它進(jìn)程訪問該資源。其它進(jìn)程訪問該資源。 同時訪問：系統(tǒng)中有另一類資源允許在一段時間內(nèi)，由多個進(jìn)同時訪問：系統(tǒng)中有另一類資源允許在一段時間內(nèi)，由多個進(jìn)程同時使用它。如磁盤、可重用的程序等。程同時使用它。如磁盤、可重用的程序等。 操作系統(tǒng)的特性 1.4 操作系統(tǒng)的特性虛擬（虛擬（virtual）性：）性： 把物理上的實體對應(yīng)為多個邏輯上的對象，多個邏輯對象通過分時使用物理實體，讓每個邏輯對象感到是獨立使用物理實體。虛擬可有效地提高物理設(shè)備的利用率。例如進(jìn)程管理的多道程序技術(shù)把一個物理CPU虛擬為多個邏輯上的CPU。在設(shè)備管理上，利用spooling技術(shù)，把一臺物理上的I/O設(shè)備虛擬