绪论

操作系统在计算机系统中的地位

操作系统不直接解决具体应用问题，也不负责生成解决应用问题的程序。系统位于硬件之上、所有软件之下，是各种软件的基础运行平台。

操作系统的形成与发展

手工操作阶段

计算机系统的资源管理和控制由人工负责：
1人工把源程序用穿孔机穿制在卡片或纸带上；
2 将汇编(编译)系统装入计算机；
3 汇编(编译)系统读入输入机上的卡片或纸带；
4 执行汇编或编译，产生目标程序，并输出目标卡片或纸带；
5 引导程序把输入机上的目标程序读入计算机；
6 启动目标程序执行，从输入机上读入人工装好的数据卡或数据带；
7 产生计算结果，结果从打印机或卡片机上输出。

特点：

• 无任何软件
• 有人工干预
• 独占性
• 串行性

问题：

批处理阶段

为了缓和早期使用计算机时存在的人－机速度严重不匹配的矛盾，提高资源利用率，人们开始利用计算机系统中的软件来代替操作员的部分工作，从而产生了最早的OS ––– 早期批处理系统 ––– (联机批处理)

工作流程如下：
设计一个常驻内存的管理程序(monitor, 监督程序)，操作员集中一批用户提交的作业，由管理程序将这批作业从纸带或卡片机输入到磁带上，每当一批作业输入完成后，管理程序自动把磁带上的第一个作业装入内存，并把控制权交给作业。当该作业执行完成后，作业又把控制权缴回管理程序，管理程序再调入磁带上的第二个作业到内存执行。

联机批处理

• 特点——监督程序、作业自动过渡
• 问题——CPU高速与I/O慢速的矛盾
• 解决办法——由卫星机负责I/O

脱机批处理

• 特点——主机与卫星机并行操作
• 问题——调度不灵活；保护问题
• 解决办法——硬件技术发展：通道技术、中断技术

执行系统

定义：借助于通道与中断技术，由主机控制I/O工作。原有的监督程序不仅要负责调度作业自动地运行，而且还要提供I/O控制功能。它常驻主存，称为执行系统。

特点：主机、外设并行操作；增强了保护能力

基本功能：I/O控制功能 调度

存在的问题：主机与外设的并行是有限度的，还依赖于程序运行的特征。

多道程序设计技术

定义：在计算机主存中同时存放几道相互独立的程序。这些程序在管理控制程序控制之下，相互穿插地运行。当某道程序因某种原因不能继续运行下去时（如等待外部设备传输数据），管理程序便将另一道程序投入运行。这样可以使CPU和各外部设备尽可能地并行操作，从而提高计算机的使用效率。

特征：1.多道：计算机主存中同时存放几道相互独立的程序；2.宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们都开始运行，但都未运行完毕；3.微观上串行：从微观上看，主存中的多道程序轮流或分时地占有处理机，交替执行。

技术支持：中断技术和通道技术。

示例：

分时技术

定义：所谓分时技术，是把处理机时间划分成很短的时间片（如几百毫秒）轮流地分配给各个应用程序使用，如果某个程序在分配的时间片用完之前计算还未完成，该程序就暂时中断，等待下一轮继续计算。

分时处理：一台计算机与许多终端设备连接，终端用户以联机方式使用计算机。

实时处理

实时的定义：计算机对于外来信息能够在被控对象允许的截止期限内作出反应

实时处理：实时处理以快速反应为特征，对实时信号能在截止期限之内处理并作出反应。实时处理具有实时性和可预测性。

多处理机系统

定义：1.包含两个或多个功能相当的处理器；2.所有处理器共享一个公共内存；3.所有处理器共享I/O通道、控制器和外围设备；4.由一个操作系统控制。

特点：1.具有并行处理能力；2.紧耦合、存在瓶颈、可扩展性差；3.不支持大规模并行计算；4.不支持分布处理。

网络操作系统

计算机网络的定义：线路将一些独立自治的计算机相互连接形成的一个集合体称为计算机网络。

计算机网络的特点：1.多个处理部件；2.无公共内存；3.具备消息通信机制

网络操作系统：网络操作系统除了具备一般操作系统应具有的功能模块外(如系统核心、设备管理、存储管理、文件系统等)，还要增加一个网络通信模块。该模块由通信接口中断处理程序、通信控制程序以及各级网络协议软件组成。

局限性：1.不能支持透明的资源存取；2.不能对网络资源进行有效、统一的管理；3.不能支持合作计算

分布式系统

定义：1.包含多个通用资源部件；2.这些资源是分布式的，并经过通信网络相互作用；3.有一个分布式操作系统对资源进行全局和动态的管理控制；4.系统对用户是透明的；5.所有资源高度自治地工作，而又相互配合

特点：1.可扩展性；2.增加性能；3.高可靠性。

资源共享与资源竞争

资源共享：多个计算任务对计算机系统资源的共同享用

资源竞争：多个计算任务对计算机系统资源的争夺

操作系统的定义与特征

定义：操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机系统软、硬件资源的分配；控制和协调并发活动；提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。

特征：

• 并发：能处理多个同时性活动的能力
• 共享：多个计算任务对系统资源的共同享用
• 不确定性：操作系统能处理大量的、随机的事件序列，使各用户的计算任务正确地完成

操作系统的资源管理功能

操作系统的主要功能包括3个方面：1.对系统资源实施管理和调度；2.控制和协调并发活动；3.对外提供用户界面。系统资源管理和并发活动控制是操作系统的核心功能，这两部分是相互联系、不可分割的。

操作系统资源管理的目标和操作系统的宗旨是一致的，那就是提高系统资源的利用率和方便用户使用。操作系统的资源管理包括处理机管理、存储管理、输入/输出管理和文件系统这四个功能。

处理机管理

功能：

• 提出进程调度策略：确定将CPU先分给那个用户程序，它占用多长时间，下一个又该轮到那个程序运行等问题
• 给出进程调度算法
• 进行处理机的分派：在调度时机到来时，进行处理机分派

存储器管理

在主存分配时，将程序中当前最需要的部分调入主存，这样这一部分程序马上可以投入运行。即只有当程序在主存时，它才有可能到处理机上执行，而且仅当它可以到处理机上运行时才把它调入主存，这种调度能实现最大化的主存使用。

功能：

• 存储分配和存储无关性：确定各应用程序存在主存中的位置及所占区域的大小；应用程序无需关心存储细节，由存储管理模块提供地址重定位能力。
• 存储保护：系统提供基址、界限寄存器等存储保护方法，使各应用程序相互隔离。
• 存储扩展：系统提供虚拟存储技术，扩大逻辑主存。

设备管理

操作系统的设备管理主要解决以下问题：

• 设备无关性：设备无关性是指用户向系统申请和使用的设备与实际操作的设备无关，以达到方便用户、提高设备利用率的目的。
• 设备分配：操作系统为各应用程序和运行实体分配各种设备。设备分配通常采用三种基本技术：独享、共享及虚拟技术。
• 设备的传输控制：设备的传输控制包括：启动设备、中断处理、结束处理三个方面

信息管理（文件系统）

文件系统为用户提供一种简便的、统一的存取和管理信息的方法，并解决信息的共享、数据的存取控制和保密等问题。包括：信息组织、存取方法、文件共享、文件安全、文件完整性、磁盘空间分配。

操作系统的基本类型

批量操作系统

定义：批量操作系统是操作系统的一种类型。该系统把用户提交的程序组织成作业形式。作业成批送入计算机，然后由作业调度程序自动选择作业，在系统内多道运行。

特点：1.系统吞吐率高（脱机操作、多道运行、合理搭配作业）；2.作业周转时间长，用户使用不方便。

分时操作系统

定义：分时操作系统是操作系统的另一种类型。它一般采用时间片轮转的办法，使一台计算机同时为多个终端用户服务。该系统对每个用户都能保证足够快的响应时间，并提供交互会话功能。

特点：1.并行性：共享一台计算机的众多联机用户可以在各自的终端上同时处理自己的程序；2.独占性：每个用户独占自己的时间片，从宏观来看用户感觉是自己独占计算机；3.交互性：用户与计算机之间可以进行交互会话，用户从终端输入命令，系统通过屏幕（或打印机）将信息反馈给用户。

实时操作系统

实时系统定义：配置了实时操作系统的系统。该系统可以对科学实验、医学成像、工业控制、武器装备控制和特定显示系统进行实时控制的系统。

分类：

• 硬实时系统：系统必须满足应用程序对截止期限的要求，若错过了截止期限，将导致灾难性后果。
• 软实时系统：系统中截止期限被错过的情况下，只造成系统性能下降而不会带来严重后果。

实时操作系统定义：实时操作系统对外部输入的信息，能够在规定的时间内处理完毕并作出反应。

特点：1.可靠性和安全性：系统的效率放在第二位；2.及时响应。

类型：

• 实时控制：生成过程控制、作战指挥
• 实时信息处理：订购机票、情报检索

操作系统与计算机体系结构的关系

存储程序式计算机的结构和特点

基本部件：1.CPU；2.存储器；3.I/O设备

特点：

集中顺序过程控制：

• 过程性：模拟人们手工操作
• 集中控制：由CPU集中管理
• 顺序性：程序计数器

各层对OS的制约和影响

• 下层硬件环境的制约：提供OS运行环境；限制了OS的功能实现。
• 用户和上层软件的要求：用户需求；提供优质的服务；方便的用户界面。

操作系统与各层的关系

OS对各层的管理和控制

• 与硬件的关系：控制CPU的工作；访问存储器；设备驱动、中断处理。
• 与用户及其他软件的关系：控制、管理；提供方便的用户界面；提供优质的服务

计算机系统结构与操作系统的关系

• 结果特征：计算机系统结构是顺序模型，而操作系统是并行计算模型，故二者是相互矛盾的
• OS采用的软件技术：多道程序设计技术、分时技术、资源分配与调度等
• 计算机体系结构与硬件技术的变化：单CPU计算机到计算机网络（多计算机系统）和消息传递型多计算机

单CPU计算机配置的操作系统

• 批量操作系统 分时操作系统
• 实时操作系统 个人计算机操作系统

具有并行结构的计算机系统配置的操作系统

• 网络操作系统 （计算机网络，松耦合）
• 多处理机操作系统 （处理机系统，紧耦合）
• 集群操作系统 （分布存储的多计算机系统）
• 并行分布式系统 （分布存储的多计算机系统）
• 分布式系统 （具有单一用户界面，支持分布式数据处理）
• 分布式实时系统 （支持分布式实时数据处理）

操作系统实例

UNIX操作系统

简介：UNIX是一个交互式的多用户的分时操作系统

特点：

• 该系统用高级语言编写，使之易读、易懂、易修改、易移植到别的计算机上
• 它有一个简单的用户界面——shell
• 使用了在维护上容易的、实现上高效的树形结构的文件系统
• 文件、设备统一处理
• 内核和核外程序的有机结合
• 丰富的核外系统程序