操作系统原理-导论.ppt
操作系统 Principles of Operating System,中国石油大学计算机鲁强2008,联系方式,电子邮件：计算机系-211室主页：http:/,教材,推荐教材 计算机操作系统(第三版)汤小丹等西安电子科技大学出版 现代操作系统（第二版）陈向群等 电子工业出版社参考教材 Modern Operating System(Second Edition)Andrew S.Tanenbaum Operating System:Design and Implementation(Second)Andrew 操作系统-精髓与设计原理 陈渝等 电子工业出版社 计算机操作系统教程 张尧学史美林 清华大学出版社,授课形式,理论+实践共64学时（理论-48+实践-16）主课、上机实践、课堂讨论、项目报告学习成绩课下作业+平时成绩（10%）项目实践（30%）课堂项目报告项目实现代码期末考试（60%）,学习要求按时上课，认真听讲阅读参考书整理笔记思考，讨论，提问项目实践要求项目小组由3-4人组成按时完成项目报告和项目代码小组成员定期讨论定期课堂进行项目成果报告每个小组成员都被进行提问上机实习,为什么学习操作系统,应用范围广大型机，微机，手机，电视机，工控设备，。涉及知识面广，有利于整合学习过的内容加深对OS的理解，有利于深入编程用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道编程时借鉴操作系统的设计思想和算法操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他领域,课程目的,OS工作方式不是如何使用操作系统 而是理解操作系统如何工作 OS内部算法和数据结构设计OS 过程中的问题、解决方案和折中权衡初步掌握操作系统设计过程和方法,课程特点,实践性强（从实践总结出原理）涉及面广（并行程序，性能问题，结构问题，程序方法论，计算机体系结构，软件工程等等）错综复杂：纵横交错Learn OS Concepts By Coding,第一章导论,操作系统的概念操作系统特征操作系统服务操作系统发展过程操作系统的进一步发展操作系统功能,1.1 操作系统的概念-计算机系统结构,1.问题的引入 下面列举了一些大家熟悉的软件，你能说出它们的区别吗？极品飞车、Realone Player播放器、Visual C+、Flash、Dreamweaver MX 2004、Linux、Unix、Windows XP、Word、Windows优化大师、Oracal、升达大学学生管理系统,1.1 操作系统的概念-计算机系统结构,计算机系统的层次结构,机器语言 微体系结构层物理设备,1.1 操作系统的概念-计算机系统结构,计算机系统的组成硬件系统（裸机）：CPU、存储器（主存、辅存）、I/O、I/O控制系统软件系统：系统软件、应用软件系统软件：管理计算机本身的操作。如操作系统、编译.应用软件：提供给用户进行解题。如，科学计算、事物管理,1.1 操作系统的概念-操作系统视图,操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。,用户A(上网）,用户B(欣赏音乐）,用户C(办公）,浏览器,播放器,办公软件,用户需求,操作界面,计算机硬件,操作系统屏蔽计算机硬件的物理特性差异，给用户提供了接口,1.1 操作系统的概念-操作系统视图,操作系统为用户提供虚拟计算机 裸机极难使用，虽有很强的指令系统，从功能上来说局限性很大。加上软件后，就可在硬件基础上，对其功能和性能进行扩充和完善。操作系统是紧靠硬件的第一层软件，计算机上覆盖操作系统后，可扩展基本功能，为用户提供一台功能显著增强，使用更加方便，安全可靠性好，效率明显提高的机器，称为扩展计算机，或操作系统虚拟机器（Virtual Machine）。,1.1 操作系统的概念-操作系统视图,操作系统作为计算机系统的资源管理者管理计算机系统中的资源，包括两大类：硬件资源和信息资源。处理机管理存储器管理I/O设备管理文件管理监视资源的状态，协调各程序对资源的使用冲突,1.1 操作系统的概念,操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各种资源进行分配和调度，规范计算机工作流程，方便用户使用的程序的集合。操作系统是计算机系统的基础软件，它常驻内存，给用户程序提供一个支撑环境.一个比较公认的定义是操作系统是一直运行在计算机上的系统程序（通常称为内核），其它程序则为应用程序，运行在操作系统提供的良好环境中。,1.2 操作系统特征,并发性（concurrence)并发性是指两个或多个事件或活动在同一时间间隔内发生。操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在若干个运行的程序，这些程序在执行时间上重叠。并发与并行的区别。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，但它使系统复杂化，操作系统必须具有控制和管理各种并发活动的能力。,1.2 操作系统特征,共享性操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统中的资源资源共享是指系统中的硬件和软件资源不再为某个程序所独占，而是供多个用户共同使用。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。资源共享方式：互斥共享，同时访问,1.2 操作系统特征,虚拟性 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应物。物理实体(前者)是实的，而后者是虚的，相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在OS中利用了多种虚拟技术，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。,1.2 操作系统特征,异步性(Asynchronism)在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但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“走走停停”的方式运行。多道程序环境下程序的执行，是以异步方式进行的；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可预知的。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。,1.3 操作系统服务,公共服务类型程序执行 I/O操作文件系统操作通信差错检测系统调用OS提供的服务，供高级语言进行调用。系统调用运行在系统态上。调用类型：进程控制，文件操作，设备管理，通信用系统，信息维护等。,1.4操作系统的发展过程,1.4.1 无操作系统的计算机系统-真空管和插件板人工操作方式特点:用户独占全机,CPU等待人工操作,独占性,串行性缺点:计算机的有效机时严重浪费,效率低脱机输入/输出方式优点：减少了CPU的空闲时间，提高I/O速度。,脱机I/O示意图,1.4.2 单道批处理系统-晶体管,单道批处理系统的处理过程 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。单道批处理在内存中仅有一道作业。,单道批处理系统的处理流程,单道批处理系统的特征 自动性顺序性单道性,1.4.2 单道批处理系统,早期批处理系统,$END,$RUN,Data for program,$LOAD,Fortran program,$FORTRAN,$JOB,10（时间）,429754（计费帐号）YongLi（程序员名）,典型的FMS 作业结构,1.4.3 多道批处理系统-集成电路,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未结束的程序，它们交替运行，共享系统中的各种硬、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存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，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CPU和系统中的各种资源。,图 1-6 单道和多道程序运行情况,1.4.3 多道批处理系统,多道批处理系统的特点多道：多道指某个作业占用CPU，若由于某种原因暂时不用CPU 则系统让第二个作业占用CPU成批处理：用户自己不能干预自己作业的运行，一旦发现作业错误不能及时改正，并延长开发软件时间，所以适用于成熟的程序。无序性调度性,1.4.3 多道批处理系统,多道批处理系统的优缺点资源利用率高 系统吞吐量大 可提高内存和I/O设备利用率平均周转时间长无交互能力。适合大型科学计算、数据处理。,多道批处理需要解决的问题处理机管理问题。内存管理问题。I/O设备管理问题。文件管理问题。作业管理问题。,1.4.3 多道批处理系统,1.4.4 分时系统,分时系统(Time-Sharing System)的产生人机交互 共享主机 便于用户上机,主机,终端,分时系统示意图,分时系统的思想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时间，并提供交互会话的功能。时间片：将CPU的时间划分成若干个片段,称为时间片，操作系统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务设计目标：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。适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。,1.4.4 分时系统,分时操作系统工作方式分时系统实现中的关键问题及时接收及时处理分时系统的实现方法单道分时系统-CTSS具有“前台”和“后台”的分时系统多道分时系统,1.4.4 分时系统,分时操作系统特点,多路性交互性“独占”性及时性,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CPU微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU,用户根据系统响应结果进一步提出新请求(用户直接干预每一步),用户感觉不到计算机为其他人服务（OS提供虚机器，各个用户的虚机器互不干扰）,系统对用户提出的请求及时响应,影响响应时间的因素终端数目多少调度算法（时间片的选取）信息交换量和信息交换速度机器处理能力请求服务的时间长短及服务请求的分布,1.4.4 分时系统,1.4.5 实时系统,“实时”，是表示“及时”，而实时系统(Real-Time System)是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。特点：及时性要求高，系统可靠性高。,实时操作系统的分类,实时控制系统 通常是指以计算机为中心的生产过程控制系统，又称计算机控制系统。如：钢铁冶炼和钢板轧制的自动控制、炼油、化工生产过程的自动控制,军事控制等。实时信息处理系统 计算机及时接收从远程终端发来的服务请求，根据用户提出的问题对信息进行检索和处理，并在很短时间内对用户做出正确回答。例如：银行，机票订购系统、股市行情实时信息处理系统等。,实时操作系统主要追求目标,对外部请求在严格时间范围内作出反应高可靠性安全性完整性实时系统必须和先进的技术装备相结合,多路性 独立性 及时性 交互性 可靠性,实时系统与分时系统特征的比较,1.5 操作系统的进一步发展,操作系统（包括其前身）成为独立的程序，已有40年的历史，它经过60和70年代的大发展时期，到80年代虽已趋于成熟，但它仍继续沿着两个方向继续向前发展，一个是随着计算机系统结构的发展，形成多处理机操作系统、网络操作系统和分布式操作系统；另一个则是把操作系统应用于微机，形成微机操作系统。,1.多处理机操作系统,将多个CPU连接成单个的系统多处理机系统类型紧密耦合松散耦合多处理机操作系统类型非对称多处理模式-主从模式对称多处理模式,多处理机类型,主从式 独立管理程序系统浮动式管理程序控制方式,2.网络操作系统,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，协调各主机上任务地运行，并向用户提供统一的、有效的网络接口的软件集合。网络OS的模式客户/服务器模式（C/S）对等模式（Peer-to-Peer）,网络操作系统的基本功能,网络通信 资源管理提供多种网络服务提供网络接口,网络操作系统,网络服务应用程序,通信软件（协议支持）,单机操作系统,用户应用程序,网络操作系统基本结构,通信软件（协议支持）,分布式操作系统的特征分布性并行性透明性共享性健壮性,3.分布式操作系统,4.嵌入式操作系统,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、指挥和控制的系统软件。特点完成特定功能-非通用性能和实时性有严格的要求能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要因素 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 以便满足最终产品的设计要求,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 丰富的同步原语 可选择的调度算法 可选择内存分配策略 定时器与计数器 多方式中断处理支持 多种异常处理选择 多种通信方式支持 标准语言库 数学运算库和开放式应用程序接口,1.6 操作系统的主要功能,处理机管理进程控制、同步、通讯和调度存储器管理内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充设备管理缓冲管理、设备分配、设备处理（设备驱动程序）文件管理文件存储空间管理、目录管理和文件的读写管理及保护,作业,查找相关资料，说明计算机系统实现启动的过程操作系统如何被引导？如何制作操作系统程序，使得其能够在开机后实现自引导，并说明它的引导过程？提示：可以阅读Linux有关实现代码，也可以是其它类型的操作系统实现方法。完成Nachos系统的环境安装了解Nachos系统的代码结构第一道题下周三完成，并提交纸质材料，参与讨论。,
