第1章 操作系统概述

分时式共享使用。 分时式共享使用。 也就是说用户（进程）占用该资源无需使用一个 也就是说用户（进程） 逻辑上的完整周期。 逻辑上的完整周期。 例如说对处理机的使用， 例如说对处理机的使用，用户程序随时都可以被 剥夺使用CPU，只要运行现场保存好了， 剥夺使用CPU，只要运行现场保存好了，下次该 用户程序再次占用CPU时就可以继续运行 时就可以继续运行。 用户程序再次占用CPU时就可以继续运行。 再例如对磁盘的I 当一个用户（进程） 再例如对磁盘的I／0，当一个用户（进程）让磁 盘执行了一条I 请求后，其他用户（进程） 盘执行了一条I／0请求后，其他用户（进程）又 可向磁盘发出I 请求， 可向磁盘发出I／0请求，系统并不要求某个用户 进程）的几个I （进程）的几个I／0请求之间不能插入其他用户 进程） 请求。 （进程）的I／0请求。
3. 文件管理(file management) 文件管理(file
创建或删除文件 创建或删除目录 提供操作文件和目录的原语 将文件映射到辅存上 在稳定的存储媒介上备份文件
4. 作业管理(job management) 作业管理(job
作业管理的任务就是为用户提供一个使用系 统的良好环境，使用户能有效地组织自己的 工作流程，并使整个系统能高效地运行。
操作系统原理
第1章 操作系统概述
目录
1．1 计算机系统概述 1．2 操作系统的概念 1．3 操作系统的功能 1. 4 操作系统的用户接口 1．5 操作系统的发展历史 1．6 操作系统分类 1．7 研究操作系统的几种观点
1．1 计算机系统概述
1.1.1 计算机的发展与分类 计算机的发展历程 第一代，电子管计算机（1946年~1957年 第一代，电子管计算机（1946年~1957年） 第二代，晶体管计算机（1958年~1964年 第二代，晶体管计算机（1958年~1964年） 第三代，集成电路计算机（1965年~1970年 第三代，集成电路计算机（1965年~1970年） 第四代，大规模集成电路计算机（1971年至今 年至今） 第四代，大规模集成电路计算机（1971年至今） 未来的计算机 光子计算机 生物计算机 量子计算机
1．2．2 操作系统的定义
操作系统是计算机系统中的一个系统软件， 它既是计算机系统资源的管理员，又是计 算机系统用户的服务员。资源管理以提高 资源利用率为目标，给用户服务以尽可能 多的服务项目和最大方便为宗旨。管理和 服务的功能用一组程序来描述，这组程序 通过事件驱动以并发方式执行。通常，人 们把这组程序称为操作系统，它是计算机 系统中极为重要的系统软件。
1．1．2 计算机系统
1、计算机系统的特点 2、计算机系统的组成 3、计算机组织 4、存储程序原理
计算机系统的特点
计算机系统的特点是能进行精确、快速的计算和判断， 通用性好，使用容易，能联接成网络。 计算：一切复杂的计算几乎都可以用计算机通过算术运 算和逻辑运算来实现。 判断：计算机有判断和选择的能力，因此可用于管理、 控制、决策和推理等领域。 存储：计算机能存储巨量信息。 精确：只要字长足够，计算精度理论上不受限制。 快速：计算机一次操作所需时间已小到以纳秒计算。 通用：计算机是可编程的，不同的程序可实现不同的应 用。 易用：丰富的高性能软件以及智能化的人机接口，大大 方便了使用。 联网：多个计算机系统能超越地理界线，借助于通信网 络，共享远程信息与资源。
2. 存储管理(momery management) 存储管理(momery
操作系统负责下列内存管理的活动： 记录内存的哪些部分正在被使用及被谁使用。 当内存空间可用时，决定哪些进程可以装入内 存。 根据需要分配和释放内存空间。 确保多道程序环境下，各个程序的运行只在自 己内存空间运行，互不干扰。 当内存空间不足时，采取何种策略去扩展逻辑 内存。
操作系统主要有两个方面的作用。 操作系统主要有两个方面的作用。
（1）操作系统管理计算机中的各种资源，包括硬件和软 件资源。 为了使硬件资源充分发挥它们的作用， 为了使硬件资源充分发挥它们的作用，必须允许多用户 进程）同时使用计算机， （进程）同时使用计算机，以便让不同的资源由不同的用 进程）尽可能地同时使用，减少资源的闲置时间。 户（进程）尽可能地同时使用，减少资源的闲置时间。 例如，当一个用户（进程） 例如，当一个用户（进程）在将文件从磁盘往内存缓冲区 读时，另一个用户（进程） 读时，另一个用户（进程）可以让自己的程序在处理机上 运行。这样的话，处理机、内存、磁盘就都忙起来了。 运行。这样的话，处理机、内存、磁盘就都忙起来了。 （2）操作系统要为用户提供良好的界面。
1．2．3 操作系统的特征
（1）并发性（concurrence） ）并发性（concurrence）
并发性是指两个或多个事件或活动在 同一时间间隔内发生。操作系统是一个并 发的系统，并发性是它最重要的特性。操 作系统的并发性是指计算机系统中同时存 在若干个运行的程序，这些程序在执行时 间上重叠
（2）共享性(sharing) ）共享性(sharing)
操作系统向用户提供服务的方式表现在操 作系统用户接口的使用上。 1．4．1 用户界面 控制台 命令行界面 图形界面 1．4．2 程序设计用户接口——系统调用 程序设计用户接口——系统调用
1.4.2 程序设计用户接口——系统调用 程序设计用户接口——系统调用
本节讨论操作系统和用户程序之间的接口。 对于系统用户来说，他可能要通过操作系 统对整个计算机系统加以控制，他也可能 要设计编写各类应用程序以实现预期的目 标。无论是哪一种动机，操作系统所提供 的是一套系统调用。人们可以通过对这套 系统调用的应用来实现所需要的操作，而 考查这套系统调用的接口还可以理解操作 系统的行为。
可重构性支持计算机系统可靠性和配置 动态化的考虑。在多处理机系统中应是操作 系统具有这样的能力。
1．3 操作系统的功能
1. 进程管理(process management) 进程管理(process
创建或删除用户进程和系统进程； 暂停或重启进程； 提供进程同步机制； 提供进程通信机制； 提供死锁处理机制；
计算机系统的组成
用户（人） 应用软件 支撑软件 系统软件 硬件系统 操作系统、编译程序 接口软件、工具软件、数据库等
计算机系统组成
（1）计算机硬件
1）运算器 2）存储器 3）控制器 4）输入设备 5）输出设备 6）辅助存储器（外存储器） 7）总线 8）转换设备 9）输入输出控制系统 10) 电源和场地设备
5. 设备管理(device management) 设备管理(device
提供外围设备的控制与处理 提供缓冲区的管理 提供设备独立性 外围设备的分配和驱动调度 实现虚拟设备
6. 其他功能(other functions) 其他功能(o4 操作系统的用户接口
1.4.2 程序设计用户接口——系统调用 程序设计用户接口——系统调用
在Windows中有一套过程，称为Win32 API Windows中有一套过程，称为Win32 （Application Program Interface），程序员用 Interface），程序员用 这套过程获得操作系统的服务。Win32 这套过程获得操作系统的服务。Win32 API 的数量有数千个，其中许多都涉及系统调 用。另外，Win32 API中有大量的调用管理 用。另外，Win32 API中有大量的调用管理 着视窗，包括几何图形、文本、字型、滚 动条、对话框、菜单以及其他功能。这些 调用显然不属于操作系统的系统调用的范 围，它们多数在用户空间中进行。
操作系统与其他软件的关系
硬件 操 系 统） 应 统 软 应 件 作 （除 操 软 序 作 系 系 件 统
用
用
程
操作系统的环境
操作系统与“ 操作系统与“人”的关系
操作系统是人与裸机的一个界面。虽然操 作系统在计算机系统中起着控制作用，由 它负责计算机系统的自身管理的自动化， 但人仍然是最终的控制者。
组织用户使用计算机 为了实现用户计算意图则必须让可以实现用户意 图的程序执行。为了能让程序执行，首先得由操 图的程序执行。为了能让程序执行， 作系统给程序及程序数据安排存放空间； 作系统给程序及程序数据安排存放空间；为了能 提高资源利用率，增加并发度， 提高资源利用率，增加并发度，还必须能让多个 用户程序能分时占用处理机； 用户程序能分时占用处理机；要能够让一个程序 还没运行完成就让另一个程序占用CPU运行 CPU运行， 还没运行完成就让另一个程序占用CPU运行，就 必须保存上一个程序的运行现场。 必须保存上一个程序的运行现场。因此必须要对 实现各种用户意图的各个程序执行进行描述和控 制。 说明程序执行的状态、现场、标识等各种信息， 说明程序执行的状态、现场、标识等各种信息， 有选择地调度某个程序占用CPU运行 运行， 有选择地调度某个程序占用CPU运行，这些工作 必须由操作系统完成
（2）计算机软件
软件是计算机系统中程序和有关文件的集合。 软件是用户与硬件之间的接口。 1）系统软件 2）支撑软件 3）应用软件
1．2 操作系统的概念
1．2．1 操作系统的地位 1．2．2 操作系统的定义 1．2．3 操作系统的特征
1．2．1 操作系统的地位
操作系统是紧挨着硬件的第一层软件，其 他软件则是建立在操作系统之上的。操作 系统对硬件功能进行扩充，并统一管理和 支持各种软件的运行。
时分共享两种不同的使用方法 独占式共享使用。 独占式共享使用。 共享使用是指多用户（进程）分时使用， 共享使用是指多用户（进程）分时使用，独占则 表示某用户（进程）占用该资源后， 表示某用户（进程）占用该资源后，执行了对资 源的多个操作，使用了一个完整的周期。 源的多个操作，使用了一个完整的周期。例如说 多用户（进程）独占式共享使用打印机， 多用户（进程）独占式共享使用打印机，是指多 用户（进程）一定是分时地共享使用该打印机的， 用户（进程）一定是分时地共享使用该打印机的， 每个用户（进程）使用打印机时， 每个用户（进程）使用打印机时，执行了多条打 印指令，打印了一个完整的对象（如完整的文 印指令，打印了一个完整的对象（ ）。用户 进程） 用户（ 件）。用户（进程）需要在执行打印指令前申请 独占该打印机资源， 独占该打印机资源，执行完打印指令后释放该资 源
资源管理包含两种资源共享使用的方法： 资源管理包含两种资源共享使用的方法： 时分：所谓时分就是说由多个用户（进程） 时分：所谓时分就是说由多个用户（进程） 分时地使用该资源，除了上述的处理机外， 分时地使用该资源，除了上述的处理机外， 还有很多其他的资源也必须分时地使用， 还有很多其他的资源也必须分时地使用， 控制器、网卡等， 如I／O控制器、网卡等，这些控制部件包 含了控制I 的逻辑，必须分时地使用。 含了控制I／0的逻辑，必须分时地使用。 空分：是针对存储资源而言， 空分：是针对存储资源而言，存储资源的 空间可以被多个用户（进程） 空间可以被多个用户（进程）共同以分割 的方式占用。 的方式占用。
（3）随机性（randomicity） ）随机性（randomicity）
操作系统是在一个随机或不确定的和环境 中运行的。 一般是无法知道运行着的程序会在什么时 候做什么，因而一般来说确切知道操作系统正 处于什么样的状态之中。
（4）可重构性(reconstruction) ）可重构性(reconstruction)
1. 操作系统与硬件的关系
操作系统建立在硬件基础之上，是硬件功 能的延伸，与硬件关系密切。从图1 能的延伸，与硬件关系密切。从图1-4中也 可以看出操作系统与硬件的这种关系。
2.操作系统与其他软件的关系 2.操作系统与其他软件的关系
操作系统是整个计算机系统的控制管理中 心，也包括对其他各种软件的控制和管理， 如：连接装配程序、编译程序、编辑程序 等，可将这些软件看成是操作系统的子系 统。操作系统的控制作用比其他软件有更 高的地位。
共享性是现代操作系统的另一个重要特征。 共享是指系统中的硬件和软件资源不再为某 个程序所独占，而是供多个用户共同使用。 资源共享的方式有两种：（1 资源共享的方式有两种：（1）互斥访问。 系统中的某些资源，如打印机、磁带机等， 它们虽然可以提供给多个程序使用，但在同 一时间段内却只允许一个程序访问这些资源， 即要求互相排斥地使用这些资源。（2 即要求互相排斥地使用这些资源。（2）同时 访问。计算机系统中还有一些资源，允许同 一时间内多个程序对它们进行访问。典型的 可同时访问的设备是磁盘，各种可重入程序 也可被同时访问. 也可被同时访问.