第1章-操作系统概论

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1、操作系统北京大学计算中心付中南fuzhongnan@pku.edu.cn第1章导论1.1操作系统做什么1.2计算机系统组织1.3计算机系统体系结构1.4操作系统的形成与发展1.5操作系统结构1.6操作系统操作1.7进程管理1.8内存管理1.9存储管理第1章导论1.1操作系统做什么操作系统是几乎所有计算机系统的一个重要部分。计算机系统可以大致分为4个组成部分：计算机硬件、操作系统、系统程序与应用程序和用户等。在计算机系统的操作过程中，操作系统提供了正确使用这些资源的方法。为了更加全面地理解操作系统所担当的角色，接下来从两个视角探索操作系统：用户视角和系统视角。第1章导论1.1

2、操作系统做什么1.1.1用户视角计算机的用户观点因使用接口的不同而不同。绝大多数用户面对的是一台由显示器、键盘、鼠标和主机组成的PC。这类系统设计是为了让单个用户单独使用其资源，其目的是优化用户所进行的工作。对于这种情况，操作系统的设计目的是为了用户使用方便，性能是次要的，而且不在乎资源使用率。第1章导论1.1操作系统做什么1.1.1用户视角在某些情况下，用户坐在与大型机或小型机相连的终端前，其他用户通过其他终端访问同一台计算机。这些用户共享资源并可交换信息。这时操作系统设计为资源使用做了优化：确保所有的CPU时间、内存和I/O都能得到充分使用，并且确保没有用户使用超出其权

3、限的资源。第1章导论1.1操作系统做什么1.1.1用户视角在另一些情况下，用户坐在工作站前，工作站与其他工作站和服务器相连。这些用户不但可以使用专用的资源，而且可以使用共享资源，如果网络和服务器等。因此，这类操作系统的设计目的是个人使用性能和资源利用率的折中。第1章导论1.1操作系统做什么1.1.2系统视角从计算机的角度来看，操作系统是与硬件最为密切的程序。我们可以将操作系统看做资源分配器。操作系统管理计算机资源并决定如何为各个程序和用户分配资源，以便计算机系统能有效而公平地运行。第1章概述1.1操作系统做什么1.1.3定义操作系统一般来说，目前没有一个关于操作系统的十分完

4、整的定义。操作系统之所以存在，是因为它们提供了解决创建可用的计算机系统问题的合理途径。一个比较比较公认的定义是，操作系统是一直运行在计算机上的程序（通常称为内核），其他程序则为系统程序和应用程序。第1章概述1.2计算机系统组织1.2.1计算机系统操作现代通用计算机系统由一个或多个CPU和若干设备控制器通过共同的总线相连而成，该总线提供了对共享内存的访问。每个设备控制器负责一种特定类型的设备。CPU与设备控制器可以并发工作，并竞争内存周期。为了确保对共享内存的有序访问，需要内存控制器来协调对内存的访问。第1章导论1.2计算机系统组织1.2.1计算机系统操作内存CPU磁盘控制器

5、USB控制器显卡磁盘显示器鼠标键盘打印机第1章导论1.2计算机系统组织1.2.1计算机系统操作事件的发生通常通过硬件或软件中断来表示。硬件可随时通过系统总线向CPU发出信号以触发中断。软件通过执行特别操作如系统调用，也能触发中断。当CPU中断时，它暂停正在做的事情并立即转到固定的位置去继续执行。该固定位置通常是中断服务程序开始位置的地址。中断服务程序开始执行，执行完毕后，CPU重新执行被中断的计算。中断体系结构保存被中断指令的地址。处理中断后，保存的返回地址会装入程序计数器，被中断的计算可以重新开始。第1章导论1.2计算机系统组织1.2.2存储结构计算机程序必须在内存（RA

6、M）中以便运行。内存是处理器可以直接访问的唯一的大容量存储区域。一个典型的指令执行周期首先从内存中获取指令并保存在指令寄存器中。接着，指令被解码，并可能导致从内存中获取操作数或将操作数保存在内部寄存器中。在指令完成对操作数的执行后，其结果可以存回到内存。第1章导论1.2计算机系统组织1.2.2存储结构理想情况下，程序和数据都永久驻留在内存中。由于以下原因，这是不可能的：内存太小，不能永久存储所有需要的程序和数据。内存是易失性存储设备，当掉电时会失去所有内容。因此，绝大多数计算机系统都提供辅存以作为内存的扩充。对辅存的要求是它要能够永久地存储大量的数据。最为常用的辅存设备是磁

7、盘，它能存储程序和数据。第1章导论1.2计算机系统组织1.2.2存储结构寄存器高速缓存主存磁盘第1章导论1.2计算机系统组织1.2.3I/O结构在计算机中，存储器只是众多I/O设备中的一种，操作系统大部分代码用来进行I/O管理，这既是因为它对系统可靠性和性能十分重要，也是因为设备变化的特性。现代计算机由设备控制器负责控制特定类型的设备。设备控制器维护一定量的本地缓冲存储和一组特定用途的寄存器，负责在其所控制的外部设备与本地缓冲存储之间进行数据传递。第1章导论1.2计算机系统组织1.2.3I/O结构操作系统为每个设备