西南交通大学 操作系统 第一章
嵌入式操作系统(西南交大)
1、嵌入式系统的特点：嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的软硬件综合体；嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支持；嵌入式系统通常极其关注成本；嵌入式系统有实时性和可靠性的要求；嵌入式系统使用的操作系统是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统；嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法。
2、嵌入式系统的分类：（1）按嵌入式处理器的位数来分类：4、8、16、32、64位嵌入式系统；（2）按应用来分类：信息家电类、移动终端类、通信类、汽车电子类、工业控制类；（3）按速度分类：强实时系统, 其系统响应时间在毫秒或微秒级。
一般实时系统, 其系统响应时间在几秒的数量级上,其实时性的要求比强实时系统要差一些。
弱实时系统, 其系统响应时间约为数十秒或更长。
这种系统的响应时间可能随系统负载的轻重而变化；（4）按确定性来分类：硬实时：系统对系统响应时间有严格的要求，如果系统响应时间不能满足，就要引起系统崩溃或致命的错误。
软实时：系统对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时间不能满足，不会导致系统出现致命的错误或崩溃；（5）按嵌入式系统软件复杂程度来分类：循环轮询系统、有限状态机系统、前后台系统、单处理器多任务系统、多处理器多任务系统。
3、嵌入式系统的应用领域：（1）嵌入式系统广泛地应用于消费电子、通信、汽车、国防、航空航天、工业控制、仪表、办公自动化等领域；（2）消费电子领域；（3）通信领域；（4）工控、汽车电子、仿真、医疗仪器等；（5）国防、航空航天领域。
4、嵌入式系统的发展趋势：（1）以信息家电、移动终端、汽车电子、网络设备等为代表的互联网时代的嵌入式系统，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，提出新的挑战；（2）形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台；（3）面向应用领域的、高度集成的、以32位嵌入式微处理器为核心的SOC将成为应用主流；（4）嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持；（5）嵌入式系统联网成为必然趋势，驱动了大量新的应用。
西安交通大学操作系统原理第一章
Resources in computer system
指构成计算机系统所 必须的那些“硬”设 备
硬件资源
计
算
机
系
统
资
源
软件资源
程序和数据的集合
主机
中央处理机CPU 内存
存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带） 外部设备 I/O设备（键盘、显示器、打字机、鼠标）
Common Functions of Interrupts
• Interrupt transfers control to the interrupt service routine generally, through the interrupt vector, which contains the addresses of all the service routines
– User mode and kernel mode – Mode bit provided by hardware
• Provides ability to distinguish when system is running user code or kernel code
• Some instructions designated as privileged, only executable in kernel mode
Computer-System Operation
• I/O devices and the CPU can execute concurrently • Each device controller is in charge of a particular device
操作系统第一章ppt课件
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1.1.2 操作系统的含义 • 操作系统是一个系统软件 • 操作系统管理和控制计算机系统的资源、
合理地组织计算机工作流程 • 操作系统给用户提供了一个方便、友好
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1.2 操作系统的历史
1.2.1 手工操作阶段
• 50年代早期，出现了穿孔卡片。程序写在卡片上然后读 入计算机，而不用插板，但计算过程则依然如旧。
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内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存利 用率、扩大进程的内存空间
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第一章 绪论
设备管理
– 管理目标：方便设备的使用、提高CPU与I/O 设备利用率
• 设备操作：利用设备驱动程序完成对设备的操作 • 设备独立性(device independence)：提供统一的I/O
设备接口，使应用程序独立于物理设备，提高可适 应性；在同样的接口和操作下完成不同的内容 • 设备分配与回收：在多用户间共享I/O设备资源 缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的 利用率。主机与外设并行
CPU
寄存器组
华东交通大学操作系统课件第一章
手工操作阶段
人工操作计算机，效率低下。
多道批处理阶段
支持多个程序同时执行。
实时操作系统阶段
处理对时间要求高的任务。
操作系统的应用领域
服务器操作系统
用于管理和提供服务的操作系统。
移动操作系统
为移动设备提供服务的操作系统。
实时操作系统
处理对时间要求严格的任务。
桌面操作系统
适用于个人计算机的操作系统。
嵌入式操作系统
操作系统的分类
操作系统根据不同的特点和应用领域进行分类，包括批处理系统、分时系统、 实时系统、嵌入式系统、个人计算机操作系统和分布式操作系统。
操作系统的发展历程
1
单道批处理阶段
2
引入批处理技术，自动执行程序。
3
分时操作系统阶段
4
实现多个用户共享计算机资源。
5
网络操作系统阶段
6
支持计算机网络的操作系统。
用于嵌入式系统的操作系统。
虚拟化操作系统
用于虚拟化技术的操作系统。
结语
操作系统在计算机系统中扮演着重要的角色。理解操作系统的定义、作用、 分类以及发展历程对于应用计算机系统有重要意义。
华东交通大学操作系统课 件第一章
欢迎来到华东交通大学操作系统课件第一章。在本章中，我们将介绍操作系 统的定义、作用、分类、发展历程以及应用领域。
什么是操作系统
操作系统是计算机系统中最基本的系统软件之一。它具有多种功能，如处理器管理、存储器管计算机系统中扮演着底层管理和上层管理的角色。它负责处理器 管理、存储器管理、设备管理，以及进程管理、文件管理和网络管理。
西南交大大学计算机基础课件-第1讲(定稿)
1674年，莱布尼茨发明乘法机。这是第 一台可以运行完整四则运算的计算机， 长100厘米、宽30厘米、高25厘米，主要 由不动的计数器和可动的定位机构两部 分组成，整个机器由一套齿轮系统传动。
15
2. 机械式计算机
•差分机和分析机
1822年，差分机 ——伦敦科学博物馆的复制品 Charles Babbage (1791- 1871) 现代计算机奠基人—— 英国剑桥大学教授查尔斯·巴贝奇
4. 电子计算机发展历史
集成电路计算机时代：20世纪60年代中～20世纪70年代初 (1)主要特点
逻辑元件——集成电路 主 存——半导体 辅 存——磁盘 软 件——高级程序设计语言、操作系统 应 用——科学计算、数据处理、过程控制
(2)主要成就
①IBM公司首次提出了系列机的概念，圆满地解决了计算机兼容的问题， 典型代表是IBM360系列机。 ②控制器设计使用微程序控制技术，使控制器的设计规整化。 ③ 结构化程序设计思想成熟，软硬件设计标准化。 31
我国古代数学家祖冲之（ 公元 429年─公元500年）就是用算 筹计算出圆周率值介于 3.1415926和3.1415927之间。 10
1. 计算机的史前时代
•石头计算到算盘
算圣刘洪及其发明 的珠算盘。
珠算被称为我国“第五 大发明”，最早记录于 汉朝人徐岳撰写的《数 术记遗》一书里。
11
1. 计算机的史前时代
• 信息安全技术与社会责任 （4学时）
• 多媒体技术 (5学时)
• 计算机的用（自学）
3
上机安排
• 上机时间和地点
教学34班 4-17周(二)11-12节 X7307
教学35班 4-17周(二)11-12节 X7105
OOP_1
4. 结构化程序设计的局限性 （1）数据与处理数据的过程互相独立，当数据结构改变时， 需要修改所有相关的过程，增加了程序变动和维护难度，并 给程序的可靠性及安全性带来潜在的隐患。 （2）可升级性及可重用性较差。 升级或重用若仅局限于模块内部，比较方便，但涉及几 个模块甚至模块的重新划分，最终可能导致全局性重新设计。 （3）对复杂问题的描述能力有限。 当程序描述的客观对象比较复杂（涉及大量数据），或 功能不容易划分为相对比较独立的模块时，则模块设计时数 据的共用，模块间的数据交换都变得十分复杂甚至难以设计。
Ch1-7
3. 结构化程序设计的优点 （1）自顶向下逐步求精的方法符合人类解决复杂问题的普 遍规律，因此可以显著提高编程效率。 （2）用先全局后局部、先整体后细节、先抽象后具体的逐 步求精过程开发出的程序有清晰的层次结构，因此容易阅读 和理解。 （3）不使用GOTO语句仅使用单入口单出口的控制结构， 使得程序的静态结构和它的动态执行情况比较一致，因此， 程序容易阅读和理解，开发时也较容易保证程序的正确性， 即使出现错误也比较容易诊断和纠正。 （4）控制结构有确定的逻辑模式，编写程序代码只限于使 用很少几种直截了当的方式，因此源程序清晰流畅。
Ch1-5
1
结果：于60年代末提出了软件工程方法学并逐步完善。
二、面向过程程序设计 1. 什么是面向过程程序设计? 指程序设计工作主要围绕设计解题过程来进行。传统 的程序设计语言称为过程性语言。 2. 什么是结构化程序设计思想？ 自顶向下、逐步求精；其程序结构是按功能划分为若 干个基本模块，这些模块形成一个树状结构；各模块之间 的关系尽可能简单，在功能上相对独立；每一个模块内部 均是由顺序、选择和循环三种基本结构组成；其模块化实 现的具体方法是使用子程序。
华东交大 操作系统习题集
华东交大操作系统基础习题解析及实验指导第一篇操作系统基础知识点及习题解答该部分罗列操作系统基础各章节的学习要点，指出学习的重点和难点，在回顾相关知识点的基础上，对典型习题进行分析和解答。
第一章操作系统引论本章学习要点【1】掌握操作系统的概念与作用【2】掌握操作系统的基本类型与特点【3】掌握操作系统的特征与功能【4】深入领会多道程序设计技术本章学习难点【1】多道程序设计技术【2】操作系统的特征知识点回顾一. 操作系统的概念一个完整的计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两部分组成。
操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统功能的第一次扩充。
图1-1 计算机系统的层次图1.操作系统（Operating System，简称OS）的作用（1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。
或者说，用户在OS 的帮助下能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。
（2）OS作为计算机系统资源的管理者这是广为流行的一个关于OS作用的观点。
在一个计算机系统中，通常都包含了各种各样的硬件和软件资源。
归纳起来可将资源分为四类：处理器、存储器、I／O设备以及信息(数据和程序)。
OS的主要功能正是针对这四类资源进行有效的管理。
（3）OS用作扩充机器对于一台完全没有软件配置的计算机系统(裸机)，即使功能再强，也必定难于使用。
OS在第 1 页共102 页裸机上分别覆盖I／O设备管理软件、文件管理软件等，此时用户所看到的机器，将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。
通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。
在计算机系统上覆盖上一层软件后，系统功能便增强一级。
由于OS自身包含了若干层软件，因此当在裸机上覆盖上OS后，便可获得一台功能显著增强，使用极为方便的多层扩充机器或多层虚机器。
2.操作系统的概念操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理组织计算机的工作流程，方便用户使用的程序的集合。
蒲晓蓉_操作系统第1章课件_操作系统概述
分时系统—联机系统
服务器
终端1 终端2 终端3
终端n
分时系统实例
• 第一个分时系统：MIT的兼容分时系统CTSS • 它是一个单道分时系统。在该系统中，每次只 能将一道程序（作业）装入并驻留内存。 • 时间片 • 为了减少磁盘I/O，只将新装入的程序需要覆 盖的那部分用户数据写出到磁盘。 • 假设有4个交互用户，其存储需求如下： JOB1(15000)，JOB2(20000)，JOB3(5000)， JOB4(10000) • 内存的0-5000区域被监控程序占用
操作系统的定义
操作系统是计算机系统中的一个系统软件, 管理和控制计算机系统中的硬件和软件 资源,合理地组织计算机的工作流程,以便 有效利用这些资源为用户提供一个功能 强、使用方便的工作环境 ,从而在计算机 与用户之间起到接口的作用。
1.3 操作系统的形成与发展
操作系统的简历
• 50 年代中期，第一个简单批处理操作系 统 • 60年代中期，多道程序批处理系统 • 不久，分时系统、实时系统 • 80年代，微机及网络操作系统
单道批处理系统，早期操作系统
• 程序员首先将命令、程序和数据用汇编 语言或FORTRAN语言写在纸上,然后用 穿孔机制成卡片,最后将这些卡片交给操 作员
$END $RUN $FORTRAN $JOB 9000 John
图1.2 作业卡片示意图
• 批处理程序 (又称为监督程序，或管理程序 ),管 理应用程序的运行。 • 操作步骤： 1.收集一批作业 (卡 ),用专用 I/O计算机将作 业逐个读到磁带上保存起来。 2. 批处理程序将磁带上的第一个作业读入 计算机，运算结束后将结果输出到输出磁带上。 3.自动读入下一个作业,并运行。 4. 当一批作业全部执行结束后 , 取下输入磁 带和输出磁带 , 用输入磁带录入下一批作业 , 将 输出磁带送到专用输出计算机,进行脱机打 印。
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学习方法Operating Systems Design and Implementation 主讲：周杲 Zhou GaoEmail:gzhou@操作系统: 设计与实现详细阅读和理解操作系统基本原理 (教材 和讲义) 针对MINIX操作系统研究具体的实现代 码，建立完整的操作系统概念 完成课后作业和上机编程12主要参考书(Reference books)汤子瀛, 哲凤屏, 汤小丹 “计算机操作系 统”(修订版), 西安电子科技大学出版社 William Stallings, 魏迎梅等译, “计算机－ 内核与设计原理”, 电子工业出版社 Andrew S. Tanenbaum, Operating Systems-Design and implementation(Second Edition), Prentice Hall & Tsinghua Univ. Press3第一章：引言主要内容：什么是操作系统 操作系统发展历史 现代操作系统特征 操作系统基本概念 用户接口 操作系统结构 操作系统的引导过程4§1.1 什么是操作系统1. 现代计算机系统的组成浏览器 编译器 计算机系统 银行系统 航空订票系统 编辑器 操作系统 机器语言 微程序 物理设备 硬件 ( 裸机 ) 命令解释器 系统程序 应用程序 软件2. 什么是操作系统用户 应用软件 其它系统软件 操作系统 硬件系统操作系统作为虚拟机 (Virtual Machine) 操作系统作为资源管理器5 61操作系统定义从用户的观点来看：操作系统就是将硬件细节 与程序员隔离开来，同时提供一个简洁的命名 文件方式的程序。
这样计算机成为了一个高度 抽象的设备——虚拟机。
从系统管理的观点来看：操作系统就是跟踪硬 件资源的使用状况，满足资源请求，提高资源 利用率，以及协调各程序和用户对资源的使用 冲突的软件——资源管理器7§1.2 操作系统发展历史1. 第一代计算机(1945~1955)电子管时代 操作系统：无 机器的使用方式：独占式&人工操作2. 第二代计算机(1955~1965)晶体管时代 操作系统：单道批处理系统 机器的使用方式：脱机输入输出&批处理8(1) 几个基本概念作业：指用户程序及其所需的数据和命令的集 合。
脱机输入输出：程序和数据的输入输出都是在 外围计算机的控制下完成的，或者说它们是脱 离主机进行的。
批处理(Batch Processing)：指计算机系统对 一批作业自动进行处理的一种技术。
(2) 单道批处理操作系统单道批处理操作系统：系统对作业的处理都是 成批进行的、且在内存中始终只驻留一个作业。
联机批处理：慢速的输入/输出设备是和主机直 接相连并打交道。
脱机批处理：显著待征是增加一台不与主机直 接相连专门用于与输入/输出设备打交道的卫星 机。
主机不再直接与慢速的I/O设备打交道，而 是与速度相对较快的磁带机发生关系。
主机与 卫星机可以并行工作，二者分工明确，以充分 发挥主机的高速度计算能力。
9 10执行带 系统带 纸带机 卡片机 打印机 …… 卫星机 输入带3. 第三代计算机(1965~1980)集成电路时代 操作系统：多种操作系统日志主机(1) 多道批处理系统基本技术多道程序技术(multiprogramming)：即同时把几个 作业放入内存，并允许它们交替执行，共享系统中 的各种硬、软件资源，使CPU达到最大利用率。
Spooling技术：即联机的即时外部设备操作 (Simultaneous Peripheral Operation On Line)。
它 利用程序分别模拟脱机输入、输出时的外围控制机 功能，这样外部设备获取的数据可以直接进入主机。
它可以使多个用户共享某一设备，提高了设备的利 用率，加快了程序的执行过程。
输出带典型操作系统：FMS(Fortran Monitor System， 即Fortran 监督系统)；IBM/7094机上的IBM操 作系统IBSYS。
11122单道程序的工作程序CPU执行 用户程序 监控程序 I/O操作 计算I/O请求 启动I/O I/O完成计算I/O请求 启动I/O I/O完成计算多道程序运行特点多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。
宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行 过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运 行完毕。
微观上串行：实际上，各道程序轮流地用CPU，交 替执行。
时间 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8多道程序的工作程序A程序 CPU工作 A: I/O工作 B: I/O工作A:I/O请求B程序B:I/O请求A程序A:I/O请求B程序A:I/O工作A:I/O工作 B:I/O工作多道批处理系统：采用多道程序技术设计的批 处理系统就是多道批处理系统。
典型操作系统：IBM360上运行的OS/360操作 系统 。
时间13 14(2) 分时操作系统 (Time Sharing OS)分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时 间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作 业使用。
用户程序5 用户程序4 用户程序3 用户程序2 用户程序1 T(ms) 0 20 40 60 80 100 120 140(3) 实时操作系统 (Real Time OS)实时系统：是指系统能及时响应外部事件的请 求，在规定的时间内(最后期限)完成对该事件 的处理，并控制所有实时任务协调一致的运行。
应用范围：实时控制和实时信息处理发展：已扩展了“最后期限”的范围，忙于其他 各种服务质量的问题。
例如：应用处理可以要 求信息通过网络传输，在一个指定的时间内实 现，或者以一定的传输速度进行。
15 16典型操作系统：分时系统CTSS和MULTICS4. 第四代计算机(1980~现在)大规模集成电路时代 特点：个人计算机和工作站 操作系统：现代操作系统(2) 网络操作系统 (Network OS)在个人操作系统基础上增加了网络功能，如网 络通信等的操作系统。
主要靠在个人操作系统 中配置一些附属软件来实现。
不归入基本的操 作系统。
(1) 主流的操作系统MS-DOS Windows ×× / Windows NT UNIX LINUX Mac OS17(3) 分布式操作系统 (Distributed OS)把一个任务划分为可以并行执行的多个子任务， 并动态地分配给组成计算机网络的各计算机的 处理器来并行地共同完成。
基本特征：处理上的分布，以及任务划分具有 透明性。
特点：运算速度快1835. MINIX的历史MINIX产生的背景(Andrew S. Tanenbaum) MINIX的特点MINIX最初版本用C基于IBM PC编写，源代码开放， 非常简洁。
MINIX 采用了比UNIX更模块化的组织方式，并着重 可读性，面向教学。
当代操作系统的演化多道程序、交互 多道程序 多道批处理 系统 分时共享 系统 人机交互 个人计算机 和工作站 系统软件 客户-服务器 人机界面 模型协议 网络通信 网络系统 实时、过程控制 实时系统 调度内存管理 调度 内存管理 保护 调度 保护 文件 设备MINIX & LINUX POSIX标准：相互兼容的UNIX系统必须支持 的一个最小的系统调用接口。
19现代操作系统20§1.3 现代操作系统特征并发(Concurrence) ：宏观上，在一段时间内 有多道程序在同一时间间隔内发生。
共享(sharing) ：主要指的是资源的共享。
即 系统中的软硬件资源不再为某个程序所独占， 而是供多个用户同时使用。
包含两种方式：互斥共享：某些资源虽可公用，在一段时间内只允 许一个作业访问该资源 。
同时访问：宏观上允许在一段时间内由多个进程同 时对它进行访问。
虚拟(Virtual) ：是指把一个物理上的实体，变 为若干个逻辑上的对应物。
例如：虚拟机……异步性(Asynchronism)多道程序环境下，进程的并发执行常常受限于资源 以及自身特性，在微观上不断进行切换运行，导致 进程的执行速度各不相同，即使先运行的进程也有 可能后执行完毕，此即进程的异步性。
每个程序在执行时，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的，因而也是不 可预知的。
但只要运行环境相同，作业经多次运行， 都会获得完全相同的结果。
21 22并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。
且这两个特征互为条件。
§1.4 操作系统基本概念1. 进程(Process)进程：本质上是一个程序在一个数据集上的执行。
是一个动态的概念。
进程的实体执行程序所需的上下文环境 一段可执行的程序代码 程序运行时所需的数据变量、缓冲区以及堆栈等 核心映像(Coreimage)：进程地址空间2. 文件 (File)文件和文件系统文件：简单的说，与设备无关，一段程序或数据的 集合就是文件。
文件系统：操作系统中与管理文件有关的软件和数 据称为文件系统。
文件的组织结构文件的构成：文件名+文件体；相关文件的存取说 明信息集合也组成文件－目录文件。
文件系统的构成：文件目录按层组织，一个目录下 可以有多个目录与文件，构成树状的层次结构。
目 录层次结构中的最顶端为根目录。
23 24进程的状态进程在其生命周期内可能包含的一个或几个阶段 进程树4根目录 目录1 目录1-1 文件1 文件2 文件3 目录2设备文件文件的分类：普通文件和设备文件 设备文件：把输入/输出硬件设备当作文件 来处理，每个设备都看成一个文件就是设备 文件。
块设备文件(Block Special Files)：指可以 随机存取数据块的设备； 字符设备文件(Character Special Files)： 指按字符流方式操作的设备。
虚拟文件－管道(Pipe)：用来连接两个进程的 虚拟文件。
其实质是一个虚拟了的输入输入 文件。
进程 管道 进程AB25 26§1.5 用户接口命令接口：用户利用操作命令来组织和控制作业的执 行或管理计算机系统。
程序接口：即系统调用。
编程人员使用系统调用在自 己的应用程序中请求操作系统提供服务，例如申请和 释放外设等资源。
图形、窗口方式：用户通过屏幕上的窗口和图标来操 作计算机系统和运行自己的程序 用户接口是衡量一个 操作系统好坏的重要标志。
应用程序系统调用 用 户 命令 图形, 窗口 操作系统 计算机硬件271. 联机命令接口联机命令接口：允许用户在终端上键入命 令，以取得OS的服务，并控制自己程序的 运行。
过程：在终端的键盘上打入命令 终端处理程序接收命令，并显示在终端屏幕上 命令解释程序对命令进行分析、执行28外壳(Shell)什么是Shell?Shell是一个命令解释器(Command Interpreter) ，它不是操作系统的一部分。