操作系统chapter1课件.ppt

1、 计算机操作系统计算机操作系统 朱会东Email:第一章 操作系统引论v1.1 操作系统的目标和作用v1.2 操作系统的发展过程 v1.3 操作系统的基本特性 v1.4 操作系统的主要功能 v1.5 操作系统的结构设计 1.计算机系统的组成硬件系统硬件系统（裸机）：CPU、存储器（主存、辅存）、I/O、I/O控制系统 软件系统软件系统：系统软件、应用软件 系统软件系统软件：管理计算机本身的操作。如操作系统、编译.应用软件应用软件：提供给用户进行解题。如，科学计算、事物管理1.计算机系统的组成图图 1.1计算机硬件的组成计算机硬件的组成2.计算机系统的层次结构图 1.2 计算机系统的层次结构3.

2、操作系统的地位 计算机系统由硬件和软件组成 操作系统在硬件基础上的第一层软件是其他软件和硬件之间的接口游戏MIS。编译器命令解释器网络，数据库操作系统机器语言微程序物理设备操作系统设计者操作系统设计者应用软件设计者应用软件设计者应用软件设计者应用软件设计者 1.1操作系统的目标和作用 1.1.1操作系统的目标目前存在着多种类型的目前存在着多种类型的OSOS，不同类型的，不同类型的OSOS，其目，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OSOS，其目标有以下几点：其目标有以下几点：1.1.有效性有效性 2.2.方便性方便性 3.3.可扩充性可扩充性 4.4

3、.开放性开放性 1.1.2 操作系统的作用从一般用户从一般用户 的角度的角度从资源管理的角度从资源管理的角度从虚拟机的观点从虚拟机的观点将裸机扩充成为功能强大、方便易用的虚拟机将裸机扩充成为功能强大、方便易用的虚拟机1.1.2 操作系统的作用 1.OS1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口作为用户与计算机硬件系统之间的接口操作系统向用户提供了命令接口、图形用户接口操作系统向用户提供了命令接口、图形用户接口和程序接口来使用计算机系统和程序接口来使用计算机系统1.1.2 操作系统的作用v2.OS2.OS作为计算机系统资源的管理者作为计算机系统资源的管理者 处理机管理处理机管理 存储器管理存储器

4、管理 设备的管理设备的管理 文件管理文件管理1.1.2 操作系统的作用3 3OSOS实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资源的抽象物理接口硬件用户用户I/O软件物理接口硬件机器指令虚机器I/O操作命令(Read，Write)6.推动操作系统发展的主要动力 不断提高计算机资源利用率不断提高计算机资源利用率 方便用户方便用户 器件的不断更新换代器件的不断更新换代 计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展 1.2 操作系统的发展过程1.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统1.1.人工操作方式人工操作方式 从第一台计算机诞生从第一台计算机诞生(1945(1945年

5、年)到到5050年代中期年代中期的计算机，属于第一代，的计算机，属于第一代，这个时期是这个时期是电子管计算电子管计算机时代机时代,这时还未出现这时还未出现OSOS。计算机操作是由用户采。计算机操作是由用户采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据对应于程序和数据)的纸带的纸带(或卡片或卡片)装入纸带输入机装入纸带输入机(或卡片输入机或卡片输入机)，再启，再启动它们将程序和数据输入计算机，动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，算机运行。当程序运行

6、完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。才让下一个用户上机。1.人工操作方式用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员；计算机专业人员；编程语言：为机器语言；编程语言：为机器语言；输入输出：纸带或卡片；输入输出：纸带或卡片；v计算机的工作特点计算机的工作特点用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率低；资源利用率低；CPU等待人工操作：计算前，手工装入纸带或等待人工操作：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；利用率低；

7、1.人工操作方式v例如：上机操作要例如：上机操作要1 分钟分钟，运行时间，运行时间20分钟分钟（10万次万次/sec）v 上机操作要上机操作要 1分钟分钟，运行时间，运行时间0.2分钟分钟（1000万次万次/sec）v主要矛盾主要矛盾计算机处理能力的提高，手工操作的低效率计算机处理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪费）；（造成浪费）；用户独占全机的所有资源；用户独占全机的所有资源；v提高效率的途径提高效率的途径专门的操作员，批处理专门的操作员，批处理2.脱机输入/输出方式 为解决低速输入设备与为解决低速输入设备与CPUCPU速度不速度不匹配的问题，可将用户程序和数据，在匹配的问题，可将用户程

8、序和数据，在一台外围计算机的控制下，预先从低速一台外围计算机的控制下，预先从低速输入设备输入到磁带上，当输入设备输入到磁带上，当CPUCPU需要这需要这些程序和数据时，再直接从磁带机高速些程序和数据时，再直接从磁带机高速输入到内存，从而大大加快了程序的输输入到内存，从而大大加快了程序的输入过程，减少了入过程，减少了CPUCPU等待输入的时间。等待输入的时间。2.脱机输入/输出方式 当程序运行完毕或告一段落，当程序运行完毕或告一段落，CPUCPU需要输出时，无须直接把计算结需要输出时，无须直接把计算结果送至低速输出设备，而是高速地把果送至低速输出设备，而是高速地把结果送到磁带上，然后再另一台外围

9、结果送到磁带上，然后再另一台外围机地控制下，把磁带上的计算结果由机地控制下，把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出，着就大大加快相应的输出设备输出，着就大大加快了程序的输出过程。了程序的输出过程。2.脱机输入/输出方式 在采用脱机输入输出方式时，程序在采用脱机输入输出方式时，程序和数据的输入输出都是在外围计算机的和数据的输入输出都是在外围计算机的控制下完成的，即它们是脱离主机进行控制下完成的，即它们是脱离主机进行的，故称之为脱机输入输出操作。的，故称之为脱机输入输出操作。脱机脱机I/OI/O方式的主要优点如下：方式的主要优点如下：（1 1）减少了）减少了CPUCPU的空闲时间。的空闲时间。（2

10、)2)提高提高I/OI/O速度。速度。2.脱机输入/输出方式1.2.2 单道批处理系统 1.单道批处理系统的处理过程单道批处理系统的处理过程 第二代计算机第二代计算机(19551965)：这个时期：这个时期是晶体管计算机时代是晶体管计算机时代。联机批处理系统联机批处理系统脱机批处理系统脱机批处理系统批处理是指计算机系统对一批作业自动进行处批处理是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。理的一种技术。利用磁带把若干个作业分利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个批作业由一个类编成作业执行序列，每个批作业由一个专门的监督程序（专门的监督程序（Monitor）自动依次处理。）自动依次处理

11、。可使用汇编语言开发。可使用汇编语言开发。v批处理中的作业的组成：批处理中的作业的组成：用户程序用户程序数据数据作业说明书（作业控制语言）作业说明书（作业控制语言）v批：批：供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软件（系统装成，在处理中使用一组相同的系统软件（系统带）带）1.2.2 单道批处理系统 卡片卡片IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带输入磁带磁带机磁带机卡片阅读机卡片阅读机输出磁带输出磁带打印机打印机早期批处理系统早期批处理系统图 1-3 单道批处理系统的处理流程 1.2.2 单道批处理系统 v

12、 单道批处理系统是最早出现的一种单道批处理系统是最早出现的一种OS，严格地说，它只能算作是，严格地说，它只能算作是OS的前的前身而并非是现在人们所理解的身而并非是现在人们所理解的OS。该该系统的主要特征如下：系统的主要特征如下：v (1)自动性自动性 v (2)顺序性顺序性 v (3)单道性单道性 2.2.单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征1.2.3 多道批处理系统 1.1.多道程序设计的基本概念多道程序设计的基本概念 在计算机内存中同时存放若干道已开始运行尚在计算机内存中同时存放若干道已开始运行尚未结束的程序，它们交替运行，共享系统中的各种未结束的程序，它们交替运行，共享系统中的各种硬

13、、软件资源，从而使处理机得到充分利用。硬、软件资源，从而使处理机得到充分利用。在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为存上并排成一个队列，称为“后备队列后备队列”；然后，；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享干个作业调入内存，使它们共享CPUCPU和系统中的各和系统中的各种资源。种资源。1.2.3 多道批处理系统第三代计算机第三代计算机(19651980)：这个时期是：这个时期是中、小规模集成电路芯片计算机时代。中、小规模集成电路芯片计算机时代。

14、v在批处理系统中采用多道程序设计技术，在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了多道批处理。就形成了多道批处理。v 该系统把用户提交的作业成批地送入计该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作业调度程序自动地选算机内存，然后由作业调度程序自动地选择作业运行。择作业运行。2.多道批处理系统的优缺点(1)资源利用率高。资源利用率高。(2)系统吞吐量大。系统吞吐量大。系统吞吐量是指系统在单系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。能提高系统吞位时间内所完成的总工作量。能提高系统吞吐量的主要原因可归结为：第一，吐量的主要原因可归结为：第一，CPU和其和其它资源保持它资源保持“忙碌忙碌

15、”状态；状态；第二，仅当作第二，仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。开销小。(3)平均周转时间长。平均周转时间长。作业的周转时间是指从作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。为止所经历的时间。(4)无交互能力。无交互能力。4.多道批处理需要解决的问题(1)(1)处理机管理问题。处理机管理问题。(2)(2)内存管理问题。内存管理问题。(3)I/O(3)I/O设备管理问题。设备管理问题。(4)(4)文件管理问题。文件管理问题。(5)(5)作业管理问题。作业管理问题。1.2

16、.4 分时系统 1.分时系统分时系统(Time-Sharing System)的产生的产生 分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型型OS。它与多道批处理系统之间，有着截然不。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。用户的需求具体表现在以下几个同的性能差别。用户的需求具体表现在以下几个方面：方面：(1)人人机交互机交互 (2)共享主机共享主机 (3)便于用户上机便于用户上机 分时系统的思想v采用时间片轮的方法，同时为许多终端用采用时间片轮的方法，同时为许多终端用户服务，对每个用户能保证足够快的响应户服务，对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供

17、交互会话的功能。时间，并提供交互会话的功能。v设计目标：对用户的请求及时响应，并在设计目标：对用户的请求及时响应，并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率。可能条件下尽量提高系统资源的利用率。v适合办公自动化、教学及事务处理等要求适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。人机会话的场合。分时技术v分时技术分时技术：把处理机的响应时间分成若于把处理机的响应时间分成若于个大小相等（或不相等）的时间单位，称个大小相等（或不相等）的时间单位，称为时间片（如为时间片（如100毫秒），每个终端用户毫秒），每个终端用户获得获得CPU，就等于获得一个时间片，该用，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运

18、行，当时间片到（用完），户程序开始运行，当时间片到（用完），用户程序暂停运行，等待下一次运行。例用户程序暂停运行，等待下一次运行。例如：我们上课。如：我们上课。图 1-7 分时系统示意图2.分时系统实现中的关键问题 为实现分时系统，其中，最关键的为实现分时系统，其中，最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行问题是如何使用户能与自己的作业进行交互，即当用户在自己的终端上键入命交互，即当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。命令，再将结果返回给用户。(1)(1)及时接收。及时接收。(2)(2)及时处理。及时处理。3.

19、分时操作系统特点v多路性多路性v交互性交互性 v“独占独占”性性v及时性及时性同时有多个用户使用一台计算机同时有多个用户使用一台计算机宏观上：是多个人同时使用一个宏观上：是多个人同时使用一个CPUCPU微观上：多个人在不同时刻轮流使用微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPUCPU用户根据系统响应结果进一步用户根据系统响应结果进一步提出新请求提出新请求(用户直接干预每一步用户直接干预每一步)用户感觉不到计算机为其他人服务用户感觉不到计算机为其他人服务（OSOS提供虚机器，各个用户的虚提供虚机器，各个用户的虚机器互不干扰）机器互不干扰）系统对用户提出的请求及时响应系统对用户提出的请求及时响应 影响响

20、应时间的因素v终端数目多少终端数目多少v调度算法（时间片的选取）调度算法（时间片的选取）v信息交换量和信息交换速度信息交换量和信息交换速度v机器处理能力机器处理能力v请求服务的时间长短及服务请求的分布请求服务的时间长短及服务请求的分布 1.2.5 实时系统 早期计算机系统是用于早期计算机系统是用于科学与工程的数值科学与工程的数值计算计算。到了到了60年代初，计算机开始应用到生产过程年代初，计算机开始应用到生产过程控制、工业控制、防空系统、信息处理等，控制、工业控制、防空系统、信息处理等，在这些应用中不但要解决计算间题，还要在这些应用中不但要解决计算间题，还要求在规定的时间内完成计算，即实时处理

21、。求在规定的时间内完成计算，即实时处理。在实时处理中的一个核心的问题就是响应在实时处理中的一个核心的问题就是响应时间问题。时间问题。1.应用需求实时控制实时控制 此类实时控制系统主要用于此类实时控制系统主要用于生产过程生产过程的自动控制的自动控制，实验数据自动采集，实验数据自动采集，武器武器的控制的控制：导弹的制导系统。：导弹的制导系统。实时信息处理系统实时信息处理系统 这类系统主要用于这类系统主要用于实时信息处理实时信息处理，比，比如飞机订票系统、情报检索系统、如飞机订票系统、情报检索系统、股市股市行情行情实时信息处理系统实时信息处理系统等。等。2实时任务1)按任务执行时是否呈现周期性来划分

22、按任务执行时是否呈现周期性来划分(1)周期性实时任务。周期性实时任务。(2)非周期性实时任务。非周期性实时任务。2)根据对截止时间的要求来划分根据对截止时间的要求来划分(1)硬实时任务硬实时任务(Hard real-time Task)。(2)软实时任务软实时任务(Soft real-time Task)。（1 1）多路性）多路性（2 2）独立性）独立性 （3 3）及时性）及时性 （4 4）交互性）交互性 （5 5）可靠性）可靠性 3.实时系统与分时系统特征的比较1.2.6 操作系统的发展 操作系统（包括其前身）成为独立的操作系统（包括其前身）成为独立的程序，已有程序，已有4040年的历史，它

23、经过年的历史，它经过6060和和7070年年代的大发展时期，到代的大发展时期，到8080年代虽已趋于成熟，年代虽已趋于成熟，它仍沿着两个方向继续向前发展，它仍沿着两个方向继续向前发展，一个是一个是随着计算机系统结构的发展随着计算机系统结构的发展，形成多处理，形成多处理机操作系统、网络操作系统和分布式操作机操作系统、网络操作系统和分布式操作系统；系统；另一个则是把操作系统应用于微机另一个则是把操作系统应用于微机，形成微机操作系统。形成微机操作系统。1单用户单任务操作系统v单用户单任务操作系统的含义是，只允许单用户单任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一一个用户上机，且只

24、允许用户程序作为一个任务运行。这是最简单的微机操作系统，个任务运行。这是最简单的微机操作系统，主要配置在主要配置在8位和位和16位微机上。最有代表位微机上。最有代表性的单用户单任务微机操作系统是性的单用户单任务微机操作系统是CP/M和和MS-DOS。2单用户多任务操作系统v单用户多任务操作系统的含义是，只允许单用户多任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。目前在改善了系统的性能。目前在32位微机上配位微机上配置的操作系统基本上都是单用户多任务操置

25、的操作系统基本上都是单用户多任务操作系统，其中最有代表性的是由微软公司作系统，其中最有代表性的是由微软公司推出的推出的Windows。3多用户多任务操作系统v多用户多任务操作系统的含义是，允许多个多用户多任务操作系统的含义是，允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。在大、中和小型机中所配置的大多是多用户在大、中和小型机

26、中所配置的大多是多用户多任务操作系统，而在多任务操作系统，而在32位微机上也有不少位微机上也有不少是配置的多用户多任务操作系统，其中最有是配置的多用户多任务操作系统，其中最有代表性的是代表性的是UNIX OS。多处理机操作系统 在在19751975年前后，打破了以单处理年前后，打破了以单处理机体系结构为主的局面，形成了由多机体系结构为主的局面，形成了由多台处理机通过互连网络连接在一起的台处理机通过互连网络连接在一起的计算机系统。近年来所推出的大、中、计算机系统。近年来所推出的大、中、小型机，大多数都在采用多处理机体小型机，大多数都在采用多处理机体系结构，甚至在高档微机中也出现了系结构，甚至在高

27、档微机中也出现了这种趋势。这种趋势。多处理机结构v紧密耦合紧密耦合(Tightly Coupled)(Tightly Coupled)多处理多处理机结构机结构 v松散耦合松散耦合(Loosely Coupled)(Loosely Coupled)多处理多处理机结构机结构多处理机类型v主从式主从式 v独立管理程序系统独立管理程序系统v浮动式管理程序控制方式浮动式管理程序控制方式网络操作系统 网络操作系统是建立在主机操作系统基网络操作系统是建立在主机操作系统基础上，用于管理网络通信和共享资源，协调础上，用于管理网络通信和共享资源，协调各主机上任务地运行，并向用户提供统一的、各主机上任务地运行，并向

28、用户提供统一的、有效的网络接口的软件集合。有效的网络接口的软件集合。按网络所覆盖的地理范围和互连计算机按网络所覆盖的地理范围和互连计算机之间的距离的不同，可把计算机网络分为两之间的距离的不同，可把计算机网络分为两种：种：v广域网广域网WAN(Wide Area Network)WAN(Wide Area Network)v局域网局域网LAN(Local Area Network)LAN(Local Area Network)网络操作系统的基本功能v网络通信网络通信 v资源管理资源管理v提供多种网络服务提供多种网络服务v提供网络接口提供网络接口网络操作系统网络操作系统网络服务网络服务应用程序应用

29、程序 通信软件通信软件（协议支持）（协议支持）单机单机操作系统操作系统用户应用程序用户应用程序图图18 局域网操作系统的结构局域网操作系统的结构 通信软件通信软件（协议支持）（协议支持）1)1)分布式操作系统的功能分布式操作系统的功能v资源管理资源管理v任务分配任务分配v分布式进程同步和通信分布式进程同步和通信v管理程序浮动管理程序浮动分布式操作系统 2)分布式操作系统特征1.1.系统内只有一个全局操作系统，采用分布式控制的办法，系统内只有一个全局操作系统，采用分布式控制的办法，负责全系统的资源管理和运行控制。负责全系统的资源管理和运行控制。2.2.资源进一步共享资源进一步共享:系统内包含有多

30、个物理资源和逻辑资源，系统内包含有多个物理资源和逻辑资源，它们可以动态地分配给各个任务它们可以动态地分配给各个任务3.3.透明性透明性:资源共享，分布。系统对用户提供一个透明的、资源共享，分布。系统对用户提供一个透明的、一体化的用户界面。一体化的用户界面。4.4.自治性自治性:处于分布式系统的多个主机处于平等地位，无处于分布式系统的多个主机处于平等地位，无主从关系所有资源都必须高度自治而相互配合地工作，它主从关系所有资源都必须高度自治而相互配合地工作，它们之间不存在层次控制或主从控制的关系。们之间不存在层次控制或主从控制的关系。5.5.处理能力增强、速度更快、可靠性增强处理能力增强、速度更快、

31、可靠性增强 4)网络和分布式的区别(1)(1)分布具有各个计算机间相互通讯，分布具有各个计算机间相互通讯，无主从关系；网络有主从关系无主从关系；网络有主从关系(2)(2)分布式系统资源为所有用户共享；分布式系统资源为所有用户共享；而网络有限制地共享而网络有限制地共享(3)(3)分布式系统中若干个计算机可相互分布式系统中若干个计算机可相互 协作共同完成一项任务协作共同完成一项任务 4.微型机(个人）操作系统计算机在某一时间内为单用户服务计算机在某一时间内为单用户服务,其追求目其追求目标是界面友好，使用方便，丰富的应用软件。标是界面友好，使用方便，丰富的应用软件。（1 1）MS-DOSMS-DOS

32、（2 2）微机多任务操作系统）微机多任务操作系统微机多任务操作系统的分类微机多任务操作系统的分类按系统结构分：按系统结构分：内在式（内在式（built-inbuilt-in）贴附式（贴附式（bolt-on bolt-on）按任务调度方式分：先决式（按任务调度方式分：先决式（preemptivepreemptive）协作式（协作式（cooperativecooperative）微型机操作系统（续）1)1)内在式是指操作系统开始设计就把多任内在式是指操作系统开始设计就把多任务功能构筑务功能构筑.其中，如其中，如 OS/2OS/2和和UNIXUNIX操作操作系统。系统。2)2)贴附式是指把多任务功能

33、附加到一个单贴附式是指把多任务功能附加到一个单任务操作系统中而形成，如任务操作系统中而形成，如MicrosoftMicrosoft的的WindowsWindows就是在就是在DOSDOS基础上加入多任务功基础上加入多任务功能而构成的多任务操作系统。能而构成的多任务操作系统。微型机操作系统（续）3)3)先决式是指由系统内部时钟来决定先决式是指由系统内部时钟来决定CPUCPU由一个任由一个任务转移去执行另一个任务的时刻，转移时刻是务转移去执行另一个任务的时刻，转移时刻是系统以某种分配策略预先确定的，应用程序无系统以某种分配策略预先确定的，应用程序无权干预。如权干预。如OS/2OS/2和和UNIXU

34、NIX都是先决式多任务操作都是先决式多任务操作系统。系统。4)4)协作式是指几个应用程序联合动作，通过某种协作式是指几个应用程序联合动作，通过某种通信方式来分享通信方式来分享CPUCPU。WindowsWindows和和NovellNovell公司的公司的NetwareNetware网络操作系统是以协作式来工作的。网络操作系统是以协作式来工作的。5.嵌入式操作系统1)什么是嵌入式系统：什么是嵌入式系统：v 在各种设备、装置或系统中，完成特定功能在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统的软硬件系统v它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设

35、备、装置或系统可以不是这个大设备、装置或系统可以不是“计算机计算机”v通常工作在反应式或对处理时间有较严格要通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中求环境中v由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统因此称为嵌入式系统 2）嵌入式系统软件：用于提供系统所需的功能和灵活性软件：用于提供系统所需的功能和灵活性硬件硬件 =（处理器、（处理器、ASICASIC、存储器、存储器）用于提供所需的性能以及部分安全机制用于提供所需的性能以及部分安全机制专用门阵列专用门阵列模拟模拟I/O处理器核处理器核存储器存储器 3)嵌入式操作系统v在嵌入式系统中

36、的在嵌入式系统中的OSOS，称为嵌入式操，称为嵌入式操作系统。作系统。v嵌入式操作系统，是运行在嵌入式智嵌入式操作系统，是运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片以及能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等等它所操作、控制的各种部件装置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。制的系统软件。4 4）典型嵌入式操作系统的特性 完成某一项或有限项功能；不是通用型的完成某一项或有限项功能；不是通用型的 在性能和实时性方面有严格的限制在性能和实时性方面有严格的限制 能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要能源、成本和可靠性通常是影响设计的重

37、要 因素因素 占有资源少、易于连接占有资源少、易于连接 系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成 以便满足最终产品的设计要求以便满足最终产品的设计要求 5）嵌入式操作系统开发环境 通常配有源码级可配置的系统模块设计通常配有源码级可配置的系统模块设计 丰富的同步原语丰富的同步原语 可选择的调度算法可选择的调度算法 可选择内存分配策略可选择内存分配策略 定时器与计数器定时器与计数器 多方式中断处理支持多方式中断处理支持 多种异常处理选择多种异常处理选择 多种通信方式支持多种通信方式支持 标准语言库标准语言库 数学运算库和开放式应用程序接口数学运算库和开放式应用程

38、序接口 6.操作系统领域中新的操作系统v有线电视机顶盒领域，有线电视机顶盒领域，PowerTVPowerTVv移动通信领域，移动通信领域，EPOCEPOCv掌上计算机领域，掌上计算机领域，Palm OSPalm OSv数字影像领域，数字影像领域，DigitaDigita1.3 操作系统的基本特性v并发性并发性v共享性共享性v虚拟性虚拟性v异步性异步性1.3.1 并发性1.1.并发与并行并发与并行v并行性是指两个或多个事件在同一时间发生。并行性是指两个或多个事件在同一时间发生。v并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。发生。v程序的并发执行，有效地改

39、善了系统资源的利程序的并发执行，有效地改善了系统资源的利用率和提高了系统的吞吐量，但它使系统复杂用率和提高了系统的吞吐量，但它使系统复杂化，操作系统必须具有控制和管理各种并发活化，操作系统必须具有控制和管理各种并发活动的能力。动的能力。2.引入进程v通常的程序是静态实体，在多道程序系通常的程序是静态实体，在多道程序系统中，它们是不能独立运行的，更不能统中，它们是不能独立运行的，更不能和其它程序并发执行。在操作系统中引和其它程序并发执行。在操作系统中引入进程的目的，就是为了使多个程序能入进程的目的，就是为了使多个程序能并发执行。并发执行。v进程是指在系统中能独立运行并作为资进程是指在系统中能独立

40、运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。多个进程之间可以立运行的活动实体。多个进程之间可以并发执行和交换信息。并发执行和交换信息。3.引入线程通常在一个进程中可以包含若干个线程，它通常在一个进程中可以包含若干个线程，它们可以利用进程所拥有的资源。在引入线们可以利用进程所拥有的资源。在引入线程的程的OS中，通常都是把进程作为分配资源中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行和独的基本单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。立调度的基本单位。线程

41、被视作现代操作系统的一个重要标致。线程被视作现代操作系统的一个重要标致。1.3.2 共享性v共享共享是指系统中的所有资源是指系统中的所有资源不再为一个不再为一个程序程序所独占，而是供同时存在于所独占，而是供同时存在于系统中系统中的多道程序的多道程序所共同使用。根据所共同使用。根据资源属性资源属性不同，可有不同，可有互斥共享互斥共享和和同步共享同步共享两种不两种不同的共享方式。同的共享方式。1互斥共享方式系统中的某些资源，应规定在一段时间内只允系统中的某些资源，应规定在一段时间内只允许一个进程许一个进程(线程线程)访问该资源。访问该资源。为此，系统中应建立一种机制，以保证对这类为此，系统中应建立

42、一种机制，以保证对这类资源的互斥访问。资源的互斥访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享，而我们把这种资源共享方式称为互斥式共享，而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。称为临界资源或独占资源。2同时访问方式v 系统中还有另一类资源，允许在一段系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程时间内由多个进程“同时同时”对它们进行访对它们进行访问。这里所谓的问。这里所谓的“同时同时”，在单处理机环，在单处理机环境下往往是宏观上的，而在微观上，这些境下往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。进程可能是交替地对

43、该资源进行访问。v典型的可供多个进程典型的可供多个进程“同时同时”访问的访问的资源是磁盘设备。资源是磁盘设备。v并发和共享是操作系统两个最基本的特征，并发和共享是操作系统两个最基本的特征，这两者之间又是互为存在条件的。这两者之间又是互为存在条件的。v资源共享是以程序的并发为条件的，若系资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题。共享问题。v若系统不能对资源共享实施有效的管理，若系统不能对资源共享实施有效的管理，也必将影响到程序的并发执行，甚至根本也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。无法并发执行。1.3.3

44、虚拟性 在操作系统中，所谓虚拟，是指把一个在操作系统中，所谓虚拟，是指把一个物理上的实体，变为若干个逻辑上的对物理上的实体，变为若干个逻辑上的对应物。应物。物理实体物理实体(前者前者)是实的，是实的，而后者而后者是虚的，相应地，用于实现虚拟的技术，是虚的，相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在称为虚拟技术。在OS中利用了多种虚拟中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等。内存、虚拟外部设备和虚拟信道等。1时分复用技术v时分复用，亦即分时使用方式，它最早时分复用，亦即分时使用方式，它最早用于电信业中。为了提高信道的利用

45、率，人用于电信业中。为了提高信道的利用率，人们利用时分复用方式，将一条物理信道虚拟们利用时分复用方式，将一条物理信道虚拟为多条逻辑信道，将每条信道供一对用户通为多条逻辑信道，将每条信道供一对用户通话。在计算机领域中，广泛利用该技术来实话。在计算机领域中，广泛利用该技术来实现虚拟处理机、虚拟设备等，以提高资源的现虚拟处理机、虚拟设备等，以提高资源的利用率。利用率。2空分复用技术v早在上世纪初，电信业中就使用频分复早在上世纪初，电信业中就使用频分复用技术来提高信道的利用率。它是将一个频用技术来提高信道的利用率。它是将一个频率范围非常宽的信道，划分成多个频率范围率范围非常宽的信道，划分成多个频率范围

46、较窄的信道，其中的任何一个频带都只供一较窄的信道，其中的任何一个频带都只供一对用户通话。对用户通话。v之后，在计算机中也使用了空分复用技术来之后，在计算机中也使用了空分复用技术来提高存储空间的利用率。提高存储空间的利用率。1.3.4 异步性(Asynchronism)v在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但但由于竞争资源等因素的限制，使进程的执行不是由于竞争资源等因素的限制，使进程的执行不是“一气呵成，而是以一气呵成，而是以“走走走走停停停停”的方式运行。的方式运行。v多道程序环境下程序的执行，是以异步方式进行多道程序环境下程序的执行，是以异步方式进

47、行的；每个程序在何时执行，多个程序间的执行顺的；每个程序在何时执行，多个程序间的执行顺序以及完成每道程序所需的时间都是不确定和不序以及完成每道程序所需的时间都是不确定和不可预知的。可预知的。进程是以人们不可预知的速度向前推进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。进，此即进程的异步性。1.4 操作系统的主要功能 从资源管理观点看，操作系统具从资源管理观点看，操作系统具有五大功能：有五大功能：v处理机管理处理机管理v存储器管理存储器管理v设备管理设备管理v文件管理文件管理1.处理机管理 主要任务：是对处理机的分主要任务：是对处理机的分配和运行实施有效管理。对处配和运行实施有效管理。对

48、处理机管理，可归结为对进程的理机管理，可归结为对进程的管理。管理。1.进程控制v当用户作业要运行时，应为之建立一个当用户作业要运行时，应为之建立一个或多个进程，并为它分配除处理机以外或多个进程，并为它分配除处理机以外的所有资源，将它放入进程就绪队列。的所有资源，将它放入进程就绪队列。当进程运行完成时，立即撤消该进程，当进程运行完成时，立即撤消该进程，以便及时释放其所占有的资源。以便及时释放其所占有的资源。v进程控制的基本功能就是创建和撤消进进程控制的基本功能就是创建和撤消进程以及控制进程的状态转换。程以及控制进程的状态转换。2.进程同步所谓进程同步是指系统对并发执行的进程进所谓进程同步是指系统

49、对并发执行的进程进行协调。行协调。有两种协调方式：有两种协调方式：v(1)进程互斥方式。这是指诸进程进程互斥方式。这是指诸进程(线程线程)在在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式；对临界资源进行访问时，应采用互斥方式；v(2)进程同步方式。这是指在相互合作去完进程同步方式。这是指在相互合作去完成共同任务的诸进程成共同任务的诸进程(线程线程)间，由同步机间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。构对它们的执行次序加以协调。3进程通信v对于相互合作的进程，在它们运行时，相对于相互合作的进程，在它们运行时，相互之间往往要交换一定的信息，这种进程互之间往往要交换一定的信息，这种进程间所进行的信息交换称为

50、进程通信。间所进行的信息交换称为进程通信。4.调度v进程调度是指按一定算法，如最高优先算进程调度是指按一定算法，如最高优先算法，从进程就绪队列中选出一进程，把处法，从进程就绪队列中选出一进程，把处理机分配给它，为该进程设置运行现场，理机分配给它，为该进程设置运行现场，并使之投入运行。并使之投入运行。v在传统的操作系统中，包括作业调度和进在传统的操作系统中，包括作业调度和进程调度两步。程调度两步。v(1)作业调度。作业调度。v(2)进程调度。进程调度。1.4.2存储器管理功能存储器管理的主要任务存储器管理的主要任务:v为多道程序的并发运行提供良好环境；为多道程序的并发运行提供良好环境；v便于用户