01-操作系统概述-1

第一章 操作系统概论

（一）具体知识点

1.操作系统概念

2.操作系统的形成与发展

3.操作系统的功能

（二）学习要求

了解什么是操作系统，操作系统在计算机中的作用，操作系统具体做什么，以及各类操作系统的特点。

（三）本章节体系

1．操作系统概念

操作系统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的方便为宗旨。管理与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的执行方式发挥作用。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。

2.操作系统类型

单用户操作系统

多道批处理系统

分时系统

实时系统

网络操作系统

3.操作系统运行环境

计算机硬件所提供的支持构成现代操作系统的硬件环境，其中最为重要的是中断机构。事件引发中断，中断必须加以处理，操作系统由此被驱动。操作系统是一个众多程序模块的集合。根据运行环境，这些模块大致分为3类：第1类是在系统初启时便与用户程序一起主动参与并发运行的，如作业管理程序、输入输出程序等。它们由时钟中断、外设中断所驱动。第2类是直接面对用户态(亦称常态、或目态)程序的，这是一些“被动”地为用户服务的程序。这类程序的每一个模块都与一条系统调用指令对应，仅当用户执行系统调用指令时，对应的程序模块才被调用、被执行。系统调用指令的执行是经过陷入中断机构处理的。因此从这个意义上说，第2类程序也是由中断驱动的。第3类是那些既不主动运行也不直接面对用户程序的、隐藏在操作系统内部的、由前2类程序调用的模块。既然前2类程序是由中断驱动的，那么第3类程序也是由中断驱动的。应当注意，操作系统本身的代码运行在核心态(亦称管态、特态)。从用户态进入核心态的唯一途径是中断。UNIX中的trap指令是专供用户程序进入UNIX核心而设置的。

4.操作系统启动过程

操作系统的初启是比较复杂的，随着版本或计算机类型而不同。大体上说，有以下过程：首先执行ROM中的自举程序，然后操作系统本身的引导程序取得控制权。系统引导程序把操作系统的其余全部代码装入主存，交控制权给操作系统的初启程序(如UNIX中的 /etc/init)。接着，初启程序对系统作必要的检查(如UNIX中执行fsck以保证根盘是好的)，置系统参数的初值，创建作业流管理进程随时准备为批处理作业提供服务，创建联机终端进程(在UNIX中由 /etc/rc创建/etc/getty终端进程)随时准备与终端用户交互，创建操作系统内部其它系统进程。最后初启程序把控制权转CPU调度，此时CPU运行一个“闲逛”进程。至此整个系统便在操作系统的管理和控制下有条不紊地运转起来了。如果恰好从终端键入字符，终端接受进程将与用户建立会话；如果恰好输入机上有一作业等待操作系统服务，那么“作业管理”开始工作。下一章即作业管理。本教材将以作业管理作为讲解操作系统原理的切入点。读者从使用者的角度来理解操作系统，容易入门。

第1章 操作系统概述习题及解答

第1章 操作系统概述习题及解答

1.2 例题解析

例1.2.1 影响计算机系统性能的主要因素是什么？

解 影响计算机系统性能的主要因素分为软件和硬件两个方面：

(1) 硬件方面主要是指构成计算机系统器件的性能和硬件的体系结构，如存储器的速度和容量、多处理机结构、总线结构等。

(2) 软件方面主要是指操作系统，因为操作系统决定了硬件是否能被用户使用、硬件的功能是否能发挥出来、其它软件能否在计算机系统上运行。

例1.2.2 说明操作系统与软件的关系

解 操作系统与软件的关系如下：

(1) 操作系统是每台计算机必备的系统软件。

(2) 操作系统是所有软件运行的基础，所有的其他软件都是建立在操作系统基础之上的，并得到它的支持和服务。同硬件一样，软件资源也要操作系统进行有效的管理。

(3) 软件的开发依赖于操作系统。开发软件必需在一定的操作系统环境下进行，操作系统所能提供的功能支持在一定程度上决定软件开发的难易程度。

(4) 操作系统影响软件的生命周期。如果主流操作系统的变更，就意味着一批应用软件生命的结束。

(5) 应用软件是操作系统上的可用资源，是操作系统生存的基础。如何评论一个操作系统的好坏？不仅要考虑其可靠性、易用性、安全性、兼容性等等，还要衡量在此操作系统上开发出的软件的数量和质量。许多用户使用操作系统的主要目的是使用其上的能够完成某种特定功能的应用软件，例如某些财务公司安装有微软的Windows系列操作系统，而其工作中经常使用的却是Windows上开发的各种财务软件，此财务软件是Windows操作系统上的可用资源。只有拥有大量应用软件的操作系统才能更多的占有市场，具有旺盛的生命力。微软的Windows系列是PC机上最流行的操作系统，它不仅拥有众多的软件产品，如软件开发工具VB、VC++、办公软件第1章 操作系统概述习题及解答

Office等，还有大量的应用软件。尽管其操作系统价格高，性能还有许多不足之处，还是拥有大量的用户。如果说PC上的CPU不用Intel还可以用AMD或其它公司芯片的话，操作系统则除了选择Windows，其它选择都是困难的。IBM的OS/2已经退出竞争的舞台。虽然有PC版的UNIX，如SUN的Solaris和SCO的Unix ware及Open Server ，但在办公自动化、字处理等大宗应用领域远不如Windows来得普及。Linux系统虽然是免费产品，是唯一从PC到巨型机（包括MPP）系统上全谱系（即可伸缩性强）可运行的系统，其可靠性、稳定性、可扩充性、可伸缩性都是世人称道的。但是大多数普通用户使用PC的目的是为了字处理、办公自动化、上网浏览、玩游戏，Linux在这方面的软件产品逊色得多，而这正好是Windows的强项。

1苏曙光

HuazhongUniversity of Science and Technology第01 章操作系统概述操作系统原理

苏曙光.软件学院.华中科技大学第2页共60页主要内容和重点

z本章主要学习内容

󰂋操作系统发展历史

󰂋操作系统的定义

󰂋操作系统的功能

󰂋操作系统的特性

z重点

󰂋操作系统四个发展阶段的典型特点

󰂋多道程序设计技术

󰂋分时的概念

󰂋理解操作系统的特性

2苏曙光.软件学院.华中科技大学第3页共60页1 存储程序式计算机的结构和特点

z1.1 存储程序式计算机的结构和特点

z组成：控制器，运算器，存储器，输入设备，输出设备

z特点：所有操作根据程序预定的顺序逐个操作

󰂋取指令－分析指令－执行指令－再取指令－……

󰂋每一个操作必须要等前一个操作完成之后才可以进行

󰂋集中顺序控制CPU

计算器控制器存储器

数据

指令输入设备

输出设备数据

指令

苏曙光.软件学院.华中科技大学第4页共60页z存在的问题

󰂋CPU和外部设备经常处于空闲状态

󰂄占而不用

󰂋硬件资源被浪费

󰂄整个硬件资源被单个计算过程独占，直到该过程结

束为止

z解决思路

󰂋多用户（程序）同时享用不同的硬件部件

（CPU，外设），提高资源使用效率，缩短程

序完成时间

󰂋该思路的实质是在系统中实现并行

3苏曙光.软件学院.华中科技大学第5页共60页并行的概念

z计算机系统中宏观上有多个任务同时在运行

任

务

A任

务

B任

务

C任

务

D

苏曙光.软件学院.华中科技大学第6页共60页z两种解决趋势

󰂋并行硬件技术

󰂋并行软件技术

4苏曙光.软件学院.华中科技大学第7页共60页并行物理结构

z具有多个CPU或CPU核

󰂋不同的CPU上可以同时运行不同的程序！

󰂇对称多处理机（SMP）

󰂇工作站机群（COW）

苏曙光.软件学院.华中科技大学第8页共60页对称多处理机SMP

zSMP：采用商用微处理器，通常有片上和片外Cache，

基于总线连接，集中式共享存储，例子：SGI Power

第1章 操作系统引论

1.1操作系统概述

一、操作系统的概念、特征、功能和提供的服务

1. 操作系统的概念

操作系统介于计算机硬件系统和其他所有软件系统之间，为所有软件系统使用计算机硬件提供各项服务。操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程以及方便用户的程序集合。

操作系统追求的基本目标是用户使用计算机的方便性，以及计算机硬件的高效率运行。操作系统主要有两方面重要的作用。

(1) 操作系统管理系统中的各种资源，包括硬件及软件资源。

在计算机系统中，所有硬件部件（如CPU、存储器和输入/输出设备等）均称作硬件资源，而程序和数据等信息称作软件资源。因此，从微观上看，使用计算机系统就是使用各种硬件资源和软件资源。特别是在多用户和多道程序的系统中，同时有多个程序在运行，这些程序在执行的过程中可能会要求使用系统中的各种资源。操作系统就是资源的管理者和仲裁者，由它负责在各个程序之间调度和分配资源，保证系统中的各种资源得以有效地利用。

(2) 操作系统要为用户提供的良好的界面。

一般来说，使用操作系统的用户有两类：一类是最终用户,另一类是系统用户。最终用户只关心自己的应用需求是否被满足，而不在意其他情况。至于操作系统的效率是否高，所有的计算机设备是否正常，只要不影响他们的使用，他们则一律不去关心，而后面这些问题则是系统用户所关心的。

操作系统必须为最终用户和系统用户这两类用户的各种工作提供良好的界面，以方便用户的工作。典型的操作系统界面有两类：一类是命令行界面，如UNIX、Linux等；另一类则是图形化的操作系统界面，如Windows、Linux等。

2. 操作系统特征

多道程序设计技术可以极大地提高计算机资源的利用率，但它也改变了程序的工作环境，使程序由顺序执行变成并发执行，因此带来一些新的复杂问题，使得现代操作系统具有如下一些特征：

（1）并发性（Concurrence）。这种标题要缩进两个字