第一章操作系统概论

进程是系统进行保护和资源分配的单位， 而线程则是进程中一条执行路径， 每个进程中允许 有多个并行执行的路径，线程才是系统进行调度的单位。 类程 类程用于管理私有资源， 对类程的调用表示对私有资源的操作。 它仅能被进程及起源于同一 进程的其它类程或管程嵌套调用链所调用。 其本身也可以调用其它类程或管程。 类程可以看 作子程序概念的扩充。 管程 管程是管理共享资源的机制， 对管程的调用表示对共享资源的请求与释放。 管程应包含条件 变量，当条件不满足时，可以通过对条件变量做延迟操作使调用进程等待，直到另一个进程 调用管程过程并执行一个释放操作为止。 进程执行过程中若请求使用共享资源，可以调用管程；若要控制私有资源操作，可以调用类 程，这样便于使用高级语言来书写操作系统。
重点分析
教学过程 一、操作系统概观 1．操作系统的定义和目标
运算器 CPU 控制器 主存 辅存
主机
硬件
计 算 机 系 统
存储器 输入设备 输出设备 操作系统 系统软件 系统 系统 …
外设
软件
务系统 应用软件 务 …
用户1
用户2
用户3
用户4
…
用户n
务系统 （应用程序） 程序 程序 （系统程序） 操作系统 计算机 硬件
3．操作系统的主要特征
1. 2. 3. 4. 并发性(concurrence) 共享性(sharing) 异步性(asynchronism) 虚拟性(virtual)
二、操作系统的形成和发展 1．人工操作阶段
人机矛盾
2．管理程序阶段
cpu 与外设速度的不匹配 联机与脱机
3．多道程序设计与操作系统的形成
三、操作系统提供的服务和用户接口 1. 操作系统提供的基本服务
创建程序 执行程序 数据 I/O 信息பைடு நூலகம்取 通信服务 错误检测和处理 还具有另外一些功能:资源分配,统计,保护。
2. 用户和操作系统间的两种接口
(程序接口)
系统调用
操作命令或
(操作接口)
操
作 裸机
系
统
程序接口又称应用编程接口 API（Application Programming Interface），允许运行程序 程序接口 调用操作系统的服务和功能。程序接口由一组系统调用（System Call)）组成，用户程序使 用“系统调用”就可获得操作系统的底层服务，使用或访问系统的各种软硬件资源。 操作接口又称作业级接口， 操作系统为用户提供的操作控制计算机工作和提供服务手段的集 操作接口 合，通常有操作控制命令、图形操作界面(命令)、以及批处理系统提供的作业控制语言(命 令)等等。
4．操作系统的发展与分类
操作系统发展的动力 1. 器件快速更新换代 2. 体系结构的不断发展 3. 提高计算机系统资源利用率的需要 4. 让用户使用计算机越来越方便的需要 5. 满足用户的新要求，提供给用户新服务 三种基本的操作系统类型： 1. 批处理操作系统 2. 分时操作系统 3. 实时操作系统
2．操作系统的作用与功能
作用： 作用： 1. OS 作为用户与计算机硬件之间的接口 2. OS 作为虚拟计算机
3. OS 作为计算机系统的资源管理者
从资源管理看操作系统具有的几个主要功能 主要功能： 1. 处理器管理 2. 存储管理 3. 设备管理 4. 文件管理 5. 用户接口 6. 网络与通信管理
课程名称 讲授序号 教学内容
操作系统原理 第1讲 1. 2. 3. 4. 5.
教材 孙钟秀. 操作系统教程（第 3 版）,北京：高等教育
出版社，2003.8 第一章全部
讲授章节
教学时间
100 分钟
操作系统的操作系统的定义与特征 操作系统的形成与发展 操作系统的服务于接口 操作系统的结构设计 流行的操作系统简介 操作系统的定义、特征、功能与接口及组织结构设计
务
学计算
…
…
程序
操作系统是管理系统资源、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 操作系统 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。 它可被看作是用户和 计算机硬件之间的一种接口，是现代计算机系统不可分割的重要组成部分。
操作系统的主要目标: 操作系统的主要目标 1. 方便用户使用 2. 扩大机器功能 3. 管理系统资源 4. 提高系统效率 5. 构筑开放环境
2．整体式结构的操作系统
操作系统的整体式结构又叫模块组合法，早期操作系统(如 IBM 操作系统)采用这种结构设 计方法， •主要设计思想： •主要设计步骤： •主要优点和缺点：
3．层次式结构的操作系统
是把操作系统划分为内核和若干模块（或进程） ，这些模块（或进程）按功能的调用次序排 列成若干层次，各层之间只能是单向依赖或单向调用关系，这样不但系统结构清晰，而且不 构成循环 层次结构的全序和半序式 层次结构的由底向上方法和自顶向下方法 构造层次结构 OS 分层原则 1. 把与机器硬件有关的程序模块放在最底层， 2. 把反映系统外特性的软件放在最外层， 3. 按照实现操作系统命令时模块间的调用次序或按进程间单向发送信息的顺序来分层 4. 为进程的正常运行创造环境和提供条件的内核程序应该尽可能放在底层。 层次结构的优点：整体问题局部化，系统的正确性可通过各层正确性来保证。增加、修 改或替换层次不影响其他层次，有利于系统的维护和扩充。 层次结构是分层单向依赖的，必须要建立模块（进程）间的通信机制，系统花费在通信 上的开销较大，系统的效率也就会降低。
4. 命令处理结束后，再次输出命令提示符，等待下一条命令。
系统程序 系统程序又称标准程序或实用程序（Utilities），虽非操作系统的核心，但却必不可 少，为用户程序的开发、调试、执行、和维护解决带有共性的问题或执行公共操作， 操作系统以外部操作命令形式向用户提供系统程序。 它的功能和性能很大程度上反映了 操作系统的功能和性能。 作为操作系统的高层功能，系统程序功能的实现从根本上来说是要借助系统调用的实 现。 系统程序的分类：
充分发挥了系统的并行性。 其主要缺点 缺点是:作业周转时间延长。 缺点 实现多道程序设计必须妥善地解决三个问题： 1. 存储保护与程序浮动 2. 处理器的管理和调度 3. 系统资源的管理和调度
4.
多重处理系统是指配置了多个物理 CPU，能真正同时执行多道程序的系统。要有效地使用 多重处理系统 多重处理系统，必须采用多道程序设计技术；反过来，多道程序设计不一定要求有多重处理 系统支持。
运行进程
目 态 硬 件 完 成
发现中断源 发 现 中
装配中断码
交
换
自愿中断事件
中断事件
保护现场 机 分析和传递参数 中 断 是 原语?
原 语 处 理
I/O 中 断 理 断 理
中
操
程序 中断 理
作
管
统 内 核 完 成
系
否
理
态
系统进程 系统进程 系统调 理
调整
调度
目 态
运行进程
进程 进程是并发程序设计的一个工具，并发程序设计支撑了多道程序设计 进程概念使 OS 结构变得清晰 1. 一个进程到另一个进程的控制转移由进程调度机构统一管理， 不能杂乱无章， 随意进行。 2. 进程间的信号发送、 消息传递和同步互斥由通信及同步机制完成， 进程无法有意或无意 破坏它进程的数据。每个进程相对独立，相互隔离，提高了系统的安全性和可靠性。 3. 进程结构较好刻画了系统的并发性， 动态地描述出系统的执行过程， 具有进程结构的操 作系统，结构清晰、整齐划一，可维护性好。 线程
•文件管理 •状态信息 •程序设计语言支持 •程序的装入和执行支持 •通信 •其它软件工具
四、操作系统的结构设计
操作系统设计呈现出以下特征： 一是复杂程度高， 二是生成周期长， 三是正确性难保证 。 操作系统结构设计有两层含义 : 一是研究操作系统程序的数据结构和控制结构； 二是组成操作系统程序的构造过程和方法。 采用不同的构件和构造方法可组成不同结构 的操作系统。
多道程序设计(multiprogramming)是指允许多个程序(作业)同时进入一个计算机系统的主 多道程序设计 存储器并启动进行交替计算的方法。 •从宏观上看:并行 并行 •从微观上看:串行 串行 •引入多道程序设计技术的根本目的: 提高资源利用率 资源利用率和系统吞吐率 资源利用率 操作系统中引入多道程序设计的好处 好处: 好处 1. 提高了 CPU 的利用率， 2. 提高了内存和 I/O 设备的利用率， 3. 改进了系统的吞吐率，
1．操作系统的构件
内核 内核不是进程，是提供支持系统运行的基本功能的一组程序模块，有了内核的支撑，进 程运行环境得到改善，安全性得到保证，系统效率就能提高。 分类：微内核和单内核。 Linux 是单内核操作系统 ，Mach 是微内核操作系统 ，Windows2000/XP 改进的 C/S 结 构 。 Linux 的内核 Lniux 的模组(module) ，一定程度上解决了核心功能的灵活性和可伸缩性问题。 Linus 曾经就结构问题做出过解释：现代成功的操作系统基本上都不具有微内核特 性，因此，Linux 也不必是微内核结构操作系统。 内核提供以下三方面功能 中断处理。 短程调度。 原语管理。 内核的执行有以下属性 内核是由中断驱动的 内核的执行是连续的 内核在屏蔽中断状态下执行 内核可以使用特权指令 内核和裸机组成了一台虚拟机具有以下特性： 虚拟机没有中断， 虚拟机为每个进程提供了一台虚拟处理器， 虚拟机为进程或模块提供了功能较强的指令系统。 内核被触发和内核处理流程
系统调用与过程(函数) 系统调用与过程(函数)调用的区别 1. 调用形式不同 2. 是被调用代码的位置不同 3. 提供方式不同 4. 调用的实现不同
4．操作接口与系统程序
操作接口又称作业(或功能)级接口， 是操作系统为用户操作控制计算机工作和提供服务的手 操作接口 段的集合，通常可借助操作控制命令、图形操作界面(命令)、以及作业控制语言(命令)等来 实现。 作业控制方式 作业控制方式 操作系统提供联机作业控制方式和脱机作业控制方式两个作业级接口， 使用的手段为操 作命令： • 操作控制命令 • 作业控制语言(命令) 命令解释程序 主要功能是：接受和执行下一条用户从键盘输入的命令。当新的批作业被启动，或新的 交互型用户登录时，系统就自动地执行命令解释程序，它负责读入控制卡或命令行，并作出 相应解释和执行。 命令解释程序实现的两种方式 1. 一种是它自身包含了命令的执行代码。 2. 另一种是由专门的“系统程序” 实现，自身不含命令处理代码，也不进行处理，仅仅 把这条命令对应的命令文件装入内存执行。 命令解释程序的处理过程 1. 系统启动命令解释程序， 输出命令提示符， 等待键盘中断。 用户打入命令并按回车换行， 申请键盘中断。 2. CPU 响应后，控制权交给命令解释程序，它读入命令缓冲区内容，分析命令、接受参数。 3. 若为简单命令立即转向命令处理代码执行。否则查找命令处理文件，装入主存，传递参 数，将控制权交给其执行。