操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)補(bǔ)充內(nèi)容第一次課先講

操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)補(bǔ)充內(nèi)容第一次課先講2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論2主要內(nèi)容1.1操作系統(tǒng)的概述

1.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用

1.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

1.4操作系統(tǒng)的基本特性

1.5操作系統(tǒng)的主要功能

1.6操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論31.1操作系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)=硬件+軟件1.什么是操作系統(tǒng)？硬件：計(jì)算機(jī)的物理裝置本身，如CPU、內(nèi)存、硬盤、終端設(shè)備等軟件：計(jì)算機(jī)執(zhí)行的程序，如UNIX、WindowsXP、Office、Oracle等計(jì)算機(jī)軟件的分類應(yīng)用軟件支撐軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)的概念

操作系統(tǒng)（OS，OperatingSystem）是一組控制和管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源、合理地對(duì)各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)度，以及方便用戶使用的程序的集合。2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論41.1操作系統(tǒng)概述下面哪些是操作系統(tǒng)？2.理解操作系統(tǒng)UNIX，SQLServer，Word，DOS，WindowsXP，PowerPoint，Linux操作系統(tǒng)的定位它是裸機(jī)之上的第一層軟件，是與硬件最為緊密的程序

裸機(jī)：沒有配置任何軟件的物理計(jì)算機(jī)它管理用戶程序的執(zhí)行以防止計(jì)算機(jī)資源的錯(cuò)誤使用或使用不當(dāng)操作系統(tǒng)的定義通常不唯一，但又非常重要它對(duì)下：控制和管理系統(tǒng)內(nèi)的各種資源（軟件和硬件），有效地組織多道程序運(yùn)行它對(duì)上：擴(kuò)充硬件功能，提供眾多服務(wù)，方便用戶使用

UNIX，SQLServer，Word，DOS，WindowsXP，PowerPoint，Linux2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論51.1操作系統(tǒng)概述3.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)信息管理系統(tǒng)，飛機(jī)訂票系統(tǒng)，銀行系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)，CAD軟件…測試工具，編輯工具，項(xiàng)目管理工具，DFD編輯器，語言轉(zhuǎn)換工具…語言編譯程序，連接裝配程序，數(shù)據(jù)庫管理軟件，網(wǎng)絡(luò)軟件…操作系統(tǒng)裸機(jī)用戶用戶用戶用戶應(yīng)用軟件支撐軟件系統(tǒng)軟件2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論61.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用有效性提高系統(tǒng)資源的利用率，提高系統(tǒng)的吞吐量。1.操作系統(tǒng)的目標(biāo)方便性方便使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，避免用戶使用機(jī)器語言編寫程序的繁瑣工作。可擴(kuò)充性超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求，以便于增加新的功能和模塊，并能修改老的功能和模塊。開放性遵循世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）國際標(biāo)準(zhǔn)。2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論71.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用它作為用戶和計(jì)算機(jī)硬件之間的接口2.操作系統(tǒng)的作用它作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者

a.處理器管理（分配和控制處理機(jī)）b.存儲(chǔ)器管理（負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配與回收）c.I/O設(shè)備管理（I/O設(shè)備的分配與操縱）d.信息管理（信息的存取、共享和保護(hù)）它實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的抽象鋪設(shè)在硬件上的多層軟件系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能，隱藏了硬件操作的具體細(xì)節(jié)，從而方便用戶使用。用戶計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)接口2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論81.2操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用不斷提高計(jì)算機(jī)資源的利用率最初的動(dòng)力——計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的昂貴。3.推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿Ψ奖阌脩羰褂酶纳朴脩羯蠙C(jī)、調(diào)試的條件，如圖形用戶界面的出現(xiàn)。器件的不斷更新?lián)Q代微電子技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了OS的功能和性能迅速增強(qiáng)和提高。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展計(jì)算機(jī)：單處理機(jī)系統(tǒng)多處理機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。操作系統(tǒng)：單處理機(jī)OS

多處理機(jī)OS網(wǎng)絡(luò)OS2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論91.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1）人工操作方式用戶獨(dú)占全機(jī)資源；CPU等待人工操作；CPU和I/O串行操作。1.無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上機(jī)特點(diǎn)

：

人工安裝

I/O輸入

人工啟動(dòng)

CPU計(jì)算

I/O輸出

人工取結(jié)果效率極低，人機(jī)矛盾！2）脫機(jī)輸入/輸出方式

外圍機(jī)控制I/O輸入到磁盤

CPU自動(dòng)I/O輸入

CPU計(jì)算

CPU自動(dòng)I/O輸出

外圍機(jī)控制從磁盤輸出到I/O減少了CPU的空閑時(shí)間；提高了I/O速度。主要優(yōu)點(diǎn)

：2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論101.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程2.單道批處理系統(tǒng)(a)自動(dòng)性

作業(yè)自動(dòng)逐個(gè)依次運(yùn)行，無需人工干預(yù)(b)順序性

先調(diào)入內(nèi)存的作業(yè)先完成(c)單道性

內(nèi)存始終僅有一道程序運(yùn)行主要特征

：

批處理系統(tǒng)：將作業(yè)按一定的原則組成作業(yè)流，由系統(tǒng)監(jiān)督程序自動(dòng)控制完成。目的：使整個(gè)作業(yè)流能自動(dòng)地、順序地運(yùn)行，提高系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)吞吐量。單道批處理系統(tǒng)：系統(tǒng)對(duì)作業(yè)的處理成批進(jìn)行，并且在內(nèi)存中始終只保持一道作業(yè)。2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論111.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

將作業(yè)在外存上排成一個(gè)隊(duì)列，稱為后備隊(duì)列，由作業(yè)調(diào)度程序按照一定的算法從后備隊(duì)列中選擇若干個(gè)（并不是同時(shí)）作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存，形成多道批處理。即指多個(gè)作業(yè)同時(shí)進(jìn)入內(nèi)存，處于運(yùn)行狀態(tài)，可并行運(yùn)行，但在某一時(shí)刻，真正在CPU上運(yùn)行的只有一個(gè)作業(yè)，為此引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)。多道無序調(diào)度性宏觀上并行微觀上串行3.多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)的特征

：提高CPU的利用率；提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率；增加系統(tǒng)吞吐量。多道批處理系統(tǒng)的好處

：2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論121.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程3.多道批處理系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn)

：資源利用率高，系統(tǒng)吞吐量大缺點(diǎn)：平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長（排隊(duì)、調(diào)度），無交互能力處理機(jī)的分配和回收；內(nèi)存的分配和保護(hù)；I/O設(shè)備的共享；程序和數(shù)據(jù)的組織；作業(yè)的組織和管理。多道批處理系統(tǒng)應(yīng)解決的問題

：程序A程序B程序C程序D調(diào)度程序程序A程序B程序C程序D程序DI/O請(qǐng)求程序CI/O請(qǐng)求程序BI/O請(qǐng)求程序AI/O請(qǐng)求程序AI/O完成程序A再被調(diào)度程序A完成程序BI/O完成程序CI/O完成程序C再被調(diào)度2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論131.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由若干個(gè)用戶共享，每個(gè)用戶通過終端或控制臺(tái)采用問答方式（交互式）控制程序的運(yùn)行，系統(tǒng)將CPU時(shí)間輪流地分配給每個(gè)用戶，每個(gè)用戶每次只運(yùn)行很短的時(shí)間片，對(duì)用戶而言好像獨(dú)占整個(gè)機(jī)器。(a)多路性宏觀上多個(gè)用戶同時(shí)工作，微觀上每個(gè)用戶輪流運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片(b)

獨(dú)立性每個(gè)用戶各占一個(gè)終端，彼此獨(dú)立操作(c)及時(shí)性用戶請(qǐng)求能在很短時(shí)間內(nèi)獲得相應(yīng)(d)交互性用戶可通過終端與系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話4.分時(shí)系統(tǒng)系統(tǒng)特征：關(guān)鍵問題：(a)及時(shí)接收(b)及時(shí)處理2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論141.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

計(jì)算機(jī)能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)原事件的處理，并且控制所有實(shí)時(shí)設(shè)備和實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致的工作。（1）響應(yīng)時(shí)間要快（2）系統(tǒng)可靠性要高（3）具有連續(xù)的人-機(jī)對(duì)話能力（4）具有保護(hù)過載能力（5）系統(tǒng)整體性要強(qiáng)5.實(shí)時(shí)系統(tǒng)系統(tǒng)特征

：周期性實(shí)時(shí)任務(wù)非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)實(shí)時(shí)任務(wù)按執(zhí)行周期性可分為硬實(shí)時(shí)任務(wù)軟實(shí)時(shí)任務(wù)按截止時(shí)間要求可分為實(shí)時(shí)任務(wù)：通常與外部設(shè)備相關(guān)，能反應(yīng)或控制相應(yīng)的外部設(shè)備，帶有某種程度的緊迫性。2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論151.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程實(shí)時(shí)系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)的比較特征實(shí)時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)多路性采集多路信息，控制多個(gè)對(duì)象和多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與用戶情況有關(guān)，時(shí)多時(shí)少獨(dú)立性獨(dú)立信息采集和對(duì)象控制獨(dú)立操作，互不干擾獨(dú)立的服務(wù)請(qǐng)求獨(dú)立操作，互不干擾及時(shí)性控制對(duì)象的要求人能接受的等待時(shí)間交互性限于特定專用服務(wù)程序向終端用戶提供大量服務(wù)可靠性要求系統(tǒng)高度可靠要求系統(tǒng)可靠2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論161.4操作系統(tǒng)的基本特征1.并發(fā)性（Concurrence）2.共享性（Sharing）3.虛擬性（Virtual）4.異步性（Asynchronism）指進(jìn)程以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)不一定先完成。虛擬是指將一個(gè)物理實(shí)體變換（映射）為若干個(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物，可以通過時(shí)分復(fù)用和空分復(fù)用兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)。指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用，并發(fā)和共享是OS的兩個(gè)最基本的特征。并發(fā)：是一種邏輯的或者宏觀的同時(shí)性概念，指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。并行：是一種物理的或者微觀的同時(shí)性概念，指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生。并發(fā)是宏觀上的并行。時(shí)分復(fù)用：利用處理機(jī)的空閑時(shí)間來運(yùn)行其它程序空分復(fù)用：利用存儲(chǔ)器的空閑空間來存放其它程序2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論171.5操作系統(tǒng)的主要功能

主要任務(wù)：對(duì)CPU進(jìn)行分配，并對(duì)其運(yùn)行控制和管理

進(jìn)程控制：為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程，撤銷已結(jié)束的進(jìn)程，控制進(jìn)程在運(yùn)行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換；進(jìn)程同步：為多個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)，包括進(jìn)程互斥和進(jìn)程同步兩種協(xié)調(diào)方式；進(jìn)程通信：實(shí)現(xiàn)相互合作的進(jìn)程之間的信息交換；調(diào)度：包括作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度。1.處理機(jī)管理

主要任務(wù)：為多道程序分配內(nèi)存，方便用戶使用存儲(chǔ)器，提高存儲(chǔ)器利用率以及能從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存。

內(nèi)存分配：為每道程序靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)地分配內(nèi)存；內(nèi)存保護(hù)：確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間運(yùn)行，互不干擾；地址映射：將應(yīng)用程序地址空間中的邏輯地址映射為內(nèi)存空間中的物理地址；內(nèi)存擴(kuò)充：借助虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存。2.存儲(chǔ)器管理處理機(jī)管理、存儲(chǔ)器、設(shè)備、用戶接口、文件管理。2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論181.5操作系統(tǒng)的主要功能

主要任務(wù)：完成I/O請(qǐng)求，分配I/O設(shè)備，提高CPU和I/O設(shè)備的利用率，提高I/O速度，方便用戶使用I/O設(shè)備。

緩沖管理：管理好各類緩沖區(qū)，提高系統(tǒng)吞吐量；設(shè)備分配：根據(jù)I/O請(qǐng)求，分配所需要的設(shè)備；設(shè)備處理：實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器之間的通信；虛擬設(shè)備：將一個(gè)物理設(shè)備變換（改造）為多個(gè)對(duì)應(yīng)的邏輯設(shè)備，使每個(gè)用戶感覺自己獨(dú)占該設(shè)備。3.設(shè)備管理功能設(shè)備管理具有下列功能：2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論191.5操作系統(tǒng)的主要功能

主要任務(wù)：對(duì)用戶文件和系統(tǒng)文件進(jìn)行管理，方便用戶使用，并保證文件的安全性。文件存儲(chǔ)空間的管理：為文件分配必要的外存空間，提高外存利用率，并提高文件系統(tǒng)的存取速度；目錄管理：為每個(gè)文件建立目錄項(xiàng)，并對(duì)眾多的目錄項(xiàng)加以有效的組織，實(shí)現(xiàn)方便的按名存??；文件讀/寫管理和保護(hù)：進(jìn)程之間的信息交換；文件讀/寫管理：從外存中讀取數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)寫入外存；文件保護(hù)：防止未經(jīng)核準(zhǔn)的用戶存取文件，防止冒名頂替存取文件，防止以不正確的方式存取文件。4.文件管理2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論201.5操作系統(tǒng)的主要功能

主要任務(wù)：方便用戶使用操作系統(tǒng)，以命令、系統(tǒng)調(diào)用或者圖形方式為用戶提供接口。命令接口：包括聯(lián)機(jī)用戶接口和脫機(jī)用戶接口（即批處理用戶接口）；程序接口：由一組具有特定功能的系統(tǒng)調(diào)用組成；圖形接口：圖形化的操作界面。5.用戶接口用戶計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)接口用戶操作系統(tǒng)1.命令接口2.程序接口3.圖形接口接口2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論211.6操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)一組過程的集合，過程之間可以互相調(diào)用。模塊化結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)

OS由許多標(biāo)準(zhǔn)的、可兼容的基本單位構(gòu)成，稱為模塊。各模塊功能上相互獨(dú)立，模塊間通過規(guī)定的接口相互調(diào)用，將各模塊連接起來構(gòu)成完整的系統(tǒng)。1.傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：提高OS設(shè)計(jì)的正確性、可理解性和可維護(hù)性，增強(qiáng)了可適應(yīng)性，加速了開發(fā)過程。缺點(diǎn)：調(diào)用關(guān)系復(fù)雜，相互依賴，模塊設(shè)計(jì)的無序性。操作系統(tǒng)進(jìn)程管理存儲(chǔ)器管理文件管理進(jìn)程控制進(jìn)程調(diào)度內(nèi)存分配內(nèi)存保護(hù)磁盤管理目錄管理模塊子模塊………2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論221.6操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分層式操作系統(tǒng)將模塊按照某種邏輯關(guān)系排成若干層、層間只能單向依賴，不構(gòu)成循環(huán)，系統(tǒng)的正確性由各層的正確性來保證。

基本原則：每一層都僅使用其底層所提供的功能和服務(wù)，這樣可使系統(tǒng)的調(diào)試和驗(yàn)證變得容易。1.傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：調(diào)用和依賴關(guān)系單向，易保證系統(tǒng)的正確性，同時(shí)容易擴(kuò)充和維護(hù)。

分層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素：程序嵌套運(yùn)行頻率公用模塊用戶接口缺點(diǎn)：分層單向依賴，增加通信開銷，系統(tǒng)效率降低。2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論231.6操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)客戶/服務(wù)器模式（Client/ServerModel）主要由客戶機(jī)、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成，客戶進(jìn)程發(fā)送消息給服務(wù)器，以請(qǐng)求某項(xiàng)服務(wù)，服務(wù)器操作后又把結(jié)果返回給客戶進(jìn)程。2.微內(nèi)核操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

客戶/服務(wù)器模式的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)的分布處理和存儲(chǔ)；便于集中管理，較好保障系統(tǒng)的可靠和安全；靈活性和可擴(kuò)充性；易于改編應(yīng)用程序；

客戶/服務(wù)器之間的交互：客戶發(fā)送請(qǐng)求消息(2)服務(wù)器接收消息(3)服務(wù)器回送消息(4)客戶機(jī)接收消息2023年9月25日第一章操作系統(tǒng)引論241.6操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)技術(shù)（Object-OrientedProgramming）