1.1操作系统概论

第1章 操作系统概论
1.1 操作系统概观 1.2 操作系统的形成和发展 1.3 操作系统的基本服务和用户接口 1.4 操作系统结构和运行模型
1.1 操作系统概观
主要内容： 操作系统的定义和目标 操作系统的资源管理技术 操作系统的作用与功能 操作系统的主要特性
一、操作系统的定义
操作系统（Operating System，简称OS）是管理系统 资源、控制程序执行、改善人机界面、提供各种服务、 合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算机提 供良好运行环境的一种系统软件。
例5，操作系统的窗口管理软件把一台物理屏幕改造（虚拟） 成多窗口，每个应用可以在各自的窗口中操作，用户可以在 窗口环境中方便地与计算机交互。
3. OS作为资源的管理者和控制者：
在操作系统中，能分配给用户使用的各种硬件和软件设施总 称为资源，资源包括两大类：硬件资源和信息资源。硬件资 源主要包括：处理器、存储器、I/O设备等；信息资源主要包 括：程序和数据等。操作系统课程内容的体系结构正是从操 作系统是计算机系统资源管理者的角度来组织和构建的，主 要包括以下内容：处理器管理、存储管理、设备管理（处理 器、存储器、I/O设备等均属硬件资源）、文件管理（文件用 来存放程序和数据，程序和数据属于信息资源）等部分。
五、操作系统的功能(4)
5. 网络与通信管理：联网操作系统应具有以下管理功能：
• 网上资源管理功能
• 数据通信管理功能
• 网络管理功能，包括: 故障管理、安全管理、性能管理、 记帐管理和配置管理。
6. 用户接口：操作系统向用户提供的一组使用其功能的手段 称为用户接口。用户接口包括两大类：程序接口和操作接 口。
3. 管理各类资源：OS代替人来管理计算机系统软硬件资源。 慢速的人工操作管理高速的系统硬件资源及庞大的软件资 源将会耗费大量的时间且极易出错，甚至难以实现这种管 理。
4. 提高系统效率：OS代替人实现了对计算机的自动化管理。
5. 构筑开放环境：开放环境的含义：遵循有关国际标准；支 持体系结构的可伸缩性和可扩展性；支持应用程序在不同 平台上的可移植性和可互操作性。
并发技术的关键在于如何对系统中多个运行程序 （进程）进行切换。
并行性（parallelism）指两个或两个以上事件或活动 在同一时刻发生。
在多道程序环境下，并行性使多个程序同一时刻可在 不同CPU上同时执行。
并行的事件或活动一定是并发的，并发的事件或活动 未必是并行的，
并行性是并发性的特例，并发性是并行性的扩展。
六、操作系统的主要特性 (4)
并发性和共享性是操作系统两个最基本的特性，程 序的并发执行导致资源的共享，对共享资源的有效 管理才能保证程序的并发执行。
3. 异步性：
异步性也称随机性，在多道程序环境中，程序的执 行不是一贯到底，而是“走走停停”，何时“走”， 何时“停”是不可预知的。但是，只要运行环境相 同，操作系统必须保证多次运行同一进程，都会获 得完全相同的结果（但是运行路径和运行时间未必 相同）。
六、操作系统的主要特性 (1)
操作系统主要有三个基本特征：
并发性
并发性（Concurrence）指两个或两个以上的事件或活动 在同一时间间隔内发生。 单CPU系统里多进程并发执行的实质：
（1）多个进程在同一段时间间隔内都执行了；
（2）在任一时刻，只能有一个进程执行；
结论：多个进程交替轮流执行。
操作系统 计算机硬件
1. 计算机硬件层是操作系统赖以工作的基础，也是操作系统 设计者可以使用的功能和资源。
2. 操作系统层对硬件作扩充和改造，提供了操作系统接口， 为编译程序、编辑程序、数据库系统等的设计者提供有力 支撑。操作系统还要做资源的调度和分配，信息的存取和 保护，并发活动的协调和控制等许多工作。
从资源管理的角度，看操作系统具有六项主要功能
1. 处理器管理：处理器管理的两个主要工作是处理中断事件和 处理器调度。 处理器管理具体包括： • 进程控制和管理
• 进程同步和互斥 • 进程通信和死锁 • 线程控制和管理 • 处理器调度，分作业调度，中程调度，低级调度等
操作系统对处理器的管理策略不同形成了不同的处理方 式，如：批处理方式、分时处理方式、实时处理方式等不同 特点的操作系统。
虚处理器没有中断 每个进程都有自己的虚处理器 虚处理器提供功能更强的指令系统（非特权指令和系统
调用组成） 虚拟主存 虚拟辅存 虚拟设备
四、操作系统的作用
操作系统的作用主要表现在三个方面：
1. OS作为用户接口和服务提供者：
用户通过OS操纵计算机系统，而不是人工直接操纵计算机硬 件。OS能够帮助用户快速、高效、安全、可靠地使用计算机。
二、配置操作系统的目标
1. 方便用户使用：OS提供了用户与计算机硬件之间的友善接 口。OS向用户提供的应用接口要远远地简单于硬件向用户 提供的接口。若只有硬件，则用户使用不便。
2. 扩充机器功能：OS作为软件赋予了计算机系统以比计算机 硬件更强大的功能。没有OS，只有硬件的计算机难以展现 出强大的功能。
操作系统在计算机系统中的位置
硬件：包括中央处理器、存储器、输入设备、输出
计
设备等基本部分
算
机
系
统 软件：包括系统软件和应用软件，操作系统是最
重要的系统软件
计算机系统可看作一个层式结构：
用户1
用户2 用户3
用户4 … 用户n
财务系统 航空订票 上网浏览 电子商务 … 科学计算 （应用程序）
编译程序 汇编程序 编辑程序 … 数据库 （系统程序）
例3，操作系统的I/O设备管理功能模块通过虚拟操作屏蔽了显示 器、打印机、扫描仪、键盘和鼠标等设备的物理细节，使得用 户可以使用统一的I/O命令、统一的界面来对不同的外部设备 进行数据的输入输出操作。
例4，操作系统的文件管理功能模块，将磁盘抽象成一组命名 的文件，用户通过文件操作，按文件名来存取信息，不必涉 及诸如数据物理地址、磁盘记录命令、移动磁头臂 、搜索物 理块及设备驱动等物理细节，便于使用、效率又高。
五、操作系统的功能(2)
2. 存储管理：存储管理具有四大功能： • 存储分配 • 存储共享 • 地址转换与存储保护 • 存储扩充
3. 设备管理：设备管理具有以下功能： • 设备分配 • 缓冲管理 • 设备驱动 • 设备独立性 • 实现虚拟设备
Байду номын сангаас
五、操作系统的功能(3)
4. 文件管理：文件管理要完成以下任务： • 提供文件逻辑组织方法 • 提供文件物理组织方法 • 提供文件的存取方法 • 提供文件的使用方法 • 实现文件的目录管理 • 实现文件的存取控制 • 实现文件的存储空间管理
在计算机系统中，并发的实质是一个物理CPU(也可以 多个物理CPU)在若干道程序之间多路复用，并发性是 对有限物理资源强制行使多用户共享以提高效率。
在多处理器系统中，程序的并发性不仅体现在宏观上， 而且体现在微观上，这称为并行的。
六、操作系统的主要特性 (3)
2. 共享性 共享指操作系统中的资源（包括硬件资源和信息资源）可被 多个并发执行的进程共同使用，而不是被其中某一个程序所 独占。 共享的原因有时来源于经济，有时来源于逻辑上的必须。 资源共享可分成两种方式： 透明资源共享 资源隔离 授权访问 显式资源共享
2. OS作为扩展计算机或者虚拟计算机：
OS作为软件覆盖在裸机硬件上，将硬件的复杂性与用户隔离 开来。软件赋予了计算机以强大的功能，这种强大的功能不 是计算机硬件本身直接具有的，离开了软件的支持，这种功 能将不复存在（是虚的），所以可以将OS和硬件共同组成的 一个有机整体看作一个相对于硬件的虚拟计算机。有时，同 样的功能既可用硬件模块来实现，又可用软件模块来实现， 它们对外表现出相同的功能，然而，这种功能所基于的硬件 基础却并不相同，一种是硬件真实具有的功能，一种是软件 模拟出来的功能。不仅可以在硬件上覆盖上软件来构成虚拟 计算机，也可以在软件层上再覆盖层层软件构成功能更强大 的虚拟计算机。
用户
应用程序 系统程序 操作系统
硬件
操作系统虚拟机
1.1.2 操作系统的资源管理技术
1. 资源管理
（1）资源复用 空分复用共享 时分复用共享
（2）资源虚化 （3）资源抽象 （4）组合使用抽象和虚化技术
2.操作系统中的基础抽象——进程、虚存和文件
（1）进程抽象 （2）虚存抽象 （3）文件抽象 （4）其他资源抽象
在某种意义上，也可以说，操作系统的作用就是通过对计 算机的各种硬件（包括处理机、存储器、输入设备、输出设备 等）进行虚拟来实现的。
例1，多任务操作系统的进程管理功能模块通过多道程序设计技术 将一台物理处理机虚拟成了若干台逻辑处理机，从而可以在单 处理机系统中同时运行多道程序。
例2，操作系统的虚拟存储管理功能模块通过进程在内外存之间的 对换、部分装入即可运行等操作，虚构了一个比实际内存空间 大的多的编程空间，从而能够运行比内存空间大的程序，能够 并发运行更多道的程序。
在多进程并发的环境里，任何一个进程都有可能 在任一时刻被强制暂停。
注意：交替轮流执行的含义不是一个进程执行完了，另一个 进程接着执行，而是每个进程都执行一段时间后就必须暂 停，把CPU控制权交给另一个进程！
在多进程并发环境里，任意一个进程都不能保证一次执行 完毕！
操作系统是一个并发系统，并发性是操作系统最重 要的特征。操作系统的并发性是指计算机系统中同 时存在若干个运行着的程序（包括操作系统程序和 用户程序），这些程序交替、穿插地执行。发挥并 发性能够消除系统中部件和部件之间的相互等待， 有效地改善系统资源的利用率，改进系统的吞吐量， 提高系统效率。利用并发技术可以使多个I/O设备同 时输入输出，也可使设备I/O与CPU的计算同时进行。
3.虚拟计算机
（1）操作系统虚拟机 虚处理器是物理处理器实现 虚拟主存是物理主存利用虚拟存储技术提供 磁盘抽象成文件 外部设备也被抽象成命名文件
综上所述，虚拟机是操作系统通过共享硬件资源的方式方 式来实现的，它定义进程运行的逻辑计算环境。
（2）在现代操作系统中，用户使用的是虚拟计算机，它是操作 系统使用物理计算机仿真而来的计算机。 虚拟计算机由四 个基本组成部分，每一部分都是物理资源通过复用或者虚化 而得到的产物。 操作系统覆盖在硬件上，形成了操作系统虚拟机： 虚处理器
虚拟主存
磁盘抽象为文件
设备也出抽象为文件
虚拟机是由操作系统通过共享硬件资源的方式来实现的， 它定义进程运行的逻辑计算环境。
每一个进程都运行在一台虚拟机上，它独占这台虚拟机。
真实的物理计算机只有一个，而虚拟机可以有多个。每 一个进程都对应一台虚拟机。
虚拟计算机由四个基本部分组成： 虚处理器
3. 系统程序层建立在操作系统改造和扩充过的机器上，提供 扩展指令集，实现各种语言处理程序、数据库管理系统和 其他系统程序。提供种类繁多的实用程序，如连接装配程 序、库管理程序、诊断排错程序、分类/合并程序等供用户 使用。
4. 应用程序层解决用户不同的应用问题，应用程序开发者借 助程序设计语言来表达应用问题，开发各种应用程序，操 作系统和硬件组成了一个运行平台，其他软件都运行在这 个平台上。