第一章计算机操作系统概述.ppt

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1、操作系统课程介绍操作系统课程是为计算机专业学生开设的专业必修课程。总学时：90学时学时分配：教学54学时+实践36学时本课程要求学生具有C语言编程语言基础,课程介绍(2)课程特点:概念多、原理性强、较抽象课程学习目的：了解操作系统的内部结构，掌握操作系统的设计方法，熟悉操作系统的操作和使用课程学习方法：以问题驱动学习、理论联系实际课程学习难点：概念、原理、算法、数据结构教师姓名：孔宇彦,教材及参考书教材：操作系统原理、设计及应用刘乃琦 高等教育出版社参考书：Operating System Internals and Design principles,William Stallings,Ts

2、ingHua University PressApplied Operating System Concepts,Abraham Silberschatz etc,Higher Education Press计算机操作系统，汤子瀛 西安电子科技大学出版社,总评成绩评定平时成绩（含书面作业，出勤情况和课堂表现）实验成绩（提交的实验报告和完成的质量）实验项目检查，占实验成绩40%出勤及平时成绩，占实验成绩20%课程实验报告，占实验成绩40%期末考试成绩,请问操作系统是什么？请问操作系统有什么用？,1 操作系统是什么,1.1 你所用过的操作系统1.2 操作系统是什么,1.1.1 你所用过的操作系统,

3、你知道下列哪些是操作系统吗?星际 DOS LINUX WINDOWS TURBO-C WORD ACCESS UNIX TURBO-ASM QQ 一个C语言源程序,目前常见操作系统,微软：Windows系列（以前MS-DOS）UNIX：Solaris,AIX,HP UX,SVR4,BSD,ULTRIX自由软件：Linux,freeBSD,MinixIBM:AIX,zOS(OS/390),OS/2,OS/4000,PC DOS其他：Mac OS,NetWare,你用过的操作系统能做什么?,各种命令：dir copy del format 启动、结束用户程序系统调用：例如汇编语言里INT指令WIN

4、DOWS、UNIX 等提供多任务或多用户环境,你知道操作系统不能做什么?,不做天气预报不做房屋设计不是编译程序总之，操作系统不直接解决最终具体应用问题，也不负责编译源程序.,操作系统是什么,操作系统为你完成所有“硬件相关、应用无关”的工作，以给你 方便、效率、安全,操作系统的定义,操作系统（operating system，简称OS）是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调多个任务的活动，实现信息的存取和保护。它提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。,第 1 章计算机操作系统概论,主要内容,操作系统的目标、作用和模型操作系统的发展过程操作系统的基本特征

5、 OS（Operating Systems)的主要功能OS的结构设计,1.1 操作系统的目标、作用和模型,操作系统概念 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大、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。,方便性计算机只能识别0、1；用户熟悉的是各种语言。有效性使计算机的各类资源在系统的管理下得到更有效的利用，提高系统吞吐量。可扩充性便于修改和增加功能（如何设计？）。开放性系统能支持世界标准规范。,1.1.1 操作系统的目标,计算机只能识别0、1；用户熟悉的是各种语言。没

6、有操作系统的计算机的使用，现在很难想像。如果没有操作系统，要运行程序，必须用户自己用二进制的机器语言装载进内存，手动运行。,方便性,使计算机的各类资源在系统的管理下得到更有效的利用，提高系统吞吐量。方便性和有效性是设计操作系统最重要的两个目标，不同时期有不同的侧重点。,有效性,VLSI(Very large scale integration)超大规模集成电路。新的需求，需要新的功能。必须采用更好的结构设计，方能达到不断扩展的目的,可扩充性,操作系统的应用环境从 单机环境 网络环境要求OS必须具有开发性系统能支持世界标准规范。方能正确和有效地协同工作。,开放性,1.1.2 关于操作系统的四种认

7、识,1.虚拟机观点 2.用户环境观点3.资源管理观点4.作业（任务）组织观点,1.虚拟机观点,该观点认为，操作系统是建立在计算机硬件平台上的虚拟机器，它为应用软件提供了许多比计算机硬件功能更强或计算机硬件所没有的功能。操作系统把对硬件的低级操作全部隐藏起来，给用户一个友好的，易于操作的界面。扩充：功能、硬件数量,2.用户环境观点,作为用户与计算机硬件系统之间的接口,OS作为接口的从层状示意图,计算机硬件,操作系统,系统调用，命令，图标，窗口,应用程序及实用程序,系统设计者,程序员,用户,3.资源管理观点,该观点认为，操作系统是计算机系统中各类资源的管理者，它负责分配、回收以及控制系统中的各种软

8、硬件资源。跟踪资源的使用状况、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。监视资源 分配、回收资源 保护资源,4.作业（任务）组织观点,该观点认为，操作系统是计算机系统工作流程的组织者，它负责协调在系统中运行的各个应用软件的运行次序。用于服务器上，以批文件方式提交作业，请求主机逐个运行。主机操作系统负责组织、协调各个作业的运行，报告执行结果或错误信息。减少了人工干预，提高了系统的效率。这种工作方式有利于有效利用主机资源。,问题,操作系统在计算机系统什么地方？（习题2）什么是操作系统?（习题3）计算机要管理的资源有哪些？（习题4）什么是虚拟机，它与资源管理的观点有什么不同

9、？（习题5）系统资源管理的功能是什么？（习题6）,不断提高计算机资源利用率的需要如批处理系统的出现提供新的服务，方便实用如分时交互式系统的出现计算机硬件升级和新硬件的出现8位163264.计算机体系结构的不断发展：单机OS多机OS分布式OS网络OS,1.1.3 操作系统发展的主要动力,1.2 操作系统的发展过程,1.2.1 无操作系统时的计算机系统1.2.2 单道批处理系统1.2.3 多道批处理系统1.2.4 分时系统1.2.5 实时系统,1.2.1 无操作系统时的计算机系统,电子管计算机，无操作系统，由手工控制作业的输入输出,通过控制台开关启动程序运行。用户使用计算机的过程大致如下：先把程序

10、纸带装上输入机，启动输入机把程序和数据送入计算机，然后通过控制台开关启动程序运行，计算完毕后，用户拿走打印结果，并卸下纸带。人工操作方式如纸带输入机。特点是用户独占全机及CPU等待人工操作。脱机I/O方式引入I/O机的概念，解决前者的缺点。特点是减少了CPU的空闲时间且提高I/O速度。,脱机I/O示意图,外围机,磁盘,磁盘,主机,磁盘,外围机,输出设备,输入设备,磁盘,人工操作方式的特点,(1)单用户方式(2)输入输出设备主要是纸带和卡片(3)程序员上机必须预约机时(4)程序员自己上机操作(5)程序的启动与结束处理都以手工方式进行(6)程序员的操作以交互方式进行(控制台)(7)程序设计直接编制

11、二进制目标程序(8)程序执行过程得不到任何帮助,1.2.2 单道批处理系统,晶体管计算机，操作系统的雏形，称为监控程序（monitor）。单道批处理系统的工作过程：用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入到辅存（如磁带）上，形成一个作业队列。当需要调入作业时，监控程序从这一批中选一道作业调入内存运行。当这一作业完成时，监控程序调入下一道程序，直到这一批作业全部完成。,单道批处理系统的工作过程,还有下一个作业？,把下一个作业的源程序转换为目标程序,源程序有错吗？,装配目标程序,运行目标程序,开始,是,否,停止,是,否,单道批处理系统的特点,(1)作业（步）间不需要人的干预(2)监控程序常驻内存，

12、开机后第一个进入内存，直到关机一直驻留在内存中(3)专职操作员，程序员不在现场(4)单道(5)监控程序只为一个计算机系统设计(6)开发程序可以使用FORTRAN等高级语言，程序的最后一条指令需是返回控制到监控程序。,单道批处理系统的评价,解决了作业间的自动转动问题，减少了机器时间的浪费。不管作业大小，只要它一旦占用处理器开始执行，则他必须一直占据处理器，直到运行完毕。资源利用率低。对短作业不公平，因为他们等待执行的时间可能远远超过它们实际执行的时间。交互性差。作业由批处理程序控制运行，用户无法实时控制，如果运行中途出现故障，也只能停下来，重新运行。自动性 顺序性 单道性,1.2.3 多道批处理

13、系统,引入单道批处理系统中，任意时刻一道作业在内存中运行，资源利用率低。为了提高系统资源利用率和系统吞吐量，产生了多道批处理系统。多道程序设计技术：在内存中放多道程序,使它们在调度程序的控制下相互穿插地运行。,多道批处理系统的工作过程,用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入到辅存（如磁盘）上，形成一个作业队列。当需要调入作业时，作业调度程序从这一批中选几道作业调入内存，然后进程调度程序选取内存中一个作业调入处理器进行执行。当一些作业完成时，调度程序调入另一些程序，直到这一批作业全部完成。当某个程序占用处理器执行过程中遇到了输入/输出语句，可以启动专门负责输入/输出的系统服务程序完成输入/输出

14、操作，而处理机切换到另一个程序执行。,用户程序,监督程序,I/O操作,I/O中断请求,启动I/O,I/O完成,结束中断,I/O中断请求,启动I/O,I/O完成,完成,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,(a)单道程序运行情况,程序A,调度程序,I/O请求,(b)四道程序运行情况,程序B,程序C,程序D,I/O请求,I/O请求,I/O请求,I/O完成,I/O完成,I/O完成,A完成,表示获得CPU,C完成,多道运行的特征,多道性无序性调度性宏观上并行：同时有多道程序在内存运行，某一时间段上，各道程序不同程度地向前推进。微观上串行：任一时刻最多只有一道作业占用CPU，多道程序交替使用C

15、PU。,多道批处理系统的优点,资源利用率高。资源指CPU及设备。系统吞吐量大。系统吞吐量指系统在单位时间完成的总工作量。资源保持“忙碌”状态。作业完成或运行不下去才切换，系统开销小。,多道批处理系统的缺点,平均周转时间长 作业的周转时间是指作业进入系统开始，直到完成并退出系统为止所经历的时间。无交互能力用户不能与自己的作业进行交互，修改和调试不方便。,多道批处理系统出现的问题,处理器管理问题分配与回收内存管理问题分配与保护I/O 设备管理问题共享与效率文件系统管理问题有效管理作业管理问题组织,问题,为什么计算机要配置操作系统？（习题1）单道批处理和多道批处理有什么主要的不同?（习题10）多道批

16、处理主要优点是什么?（习题9）,画出单道和多道运行的时间关系图,在多道批处理运行环境下三个程序全部运行完毕的最短时间是多少，不考虑调度程序的运行时间。,1.2.4 分时系统,分时系统的产生概念：指一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，各个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机。是用户的需求：人机交互性 共享主机 便于用户上机,分时系统,实现的关键问题:及时,分时系统在实现中的关键问题及时接收：多终端卡、输入缓冲区及时处理：交互作业应在内存、响应时间应短,分时系统的实现方法,多用户作业直接进入内存;分时使用主机，每一用户分得一个时间片(主机CPU的运行

17、时间分割成一个个长度相等的微小时间片)，用完这个时间片后操作系统将处理器分给另一用户，如此循环，每一用户可以周期性地获得CPU使用权，这样每一用户都有一种独占CPU的感觉。交互式作业直接进入内存以分配时间片方式实现类型：单道分时系统具有前、后台的分时系统仅当前台无作业或在调进、出时，才运行后台批处理作业。多道分时系统不需要调入、出开销。,分时系统的特征,同时性：若干用户通过各自的终端同时使用一台计算机。独立性：每一用户独占一个终端。及时性：用户请求能及时响应。交互性：可人机对话。,多道分时系统,允许在内存中同时存放多道作业，并把具备运行条件的所有作业排成一个队列，让它们依次轮流地获得一个时间片

18、来运行。与单道分时系统相比较，由于作业数据都在内存，不需要调入、调出开销，所以多道分时系统具有较好的系统性能。现代分时系统都属于多道分时系统。,1.2.5 实时系统,引入：要求及时处理的场合概念：系统能及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成对该事件的处理。类型：实时控制:如工业控制,武器控制。实时信息处理:如联网订票系统。实时系统的特征：即时响应。高可靠性、高安全性。,批处理、分时、实时系统是三种基本的操作系统类型。一个实际的操作系统可能兼有三者或其中两者的功能,则被称为通用操作系统。,问题,试从交互性，及时性及可靠性三方面比较分时系统与实时系统。（习题11）试举例说明单道程序与多道程序的区

19、别。（习题14）,实时、分时的比较同时（多路）性：相同独立性：相同及时性：实时系统要求更高交互性：分时系统交互性更强可靠性：实时系统要求更高,1.3 操作系统的基本特征,1.3.1 并发（Concurrence）1.3.2 共享（Sharing）1.3.3 虚拟（Virtual）1.3.4 不确定性（Undetermined）,并发性,并行是指两或多个事件在同一时刻发生。存在于有多个CPU的环境中，在内存中放多道作业，在任一时间点上都可能有多道作业在不同的CUP上同时执行。并发是两或多个事件在同一时间间隔内发生。在内存中放多道作业，在一个时间段上来看，每一道作业都能不同程度地向前推进。但在任何

20、一个时间点上只能有一道占用CPU。单处理器情况下各作业只能交替执行。进程：系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。引入线程后，独立运行的单位变为线程。,共享性,系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。互斥共享：一段时间只允许一个进程访问该资源。而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。同时共享：宏观上同时访问资源，微观上仍是互斥的并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。,虚拟性,虚拟是指将一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。前者是实际存在的，而后者是虚的，是一种感觉性的存在。虚拟技术分为：时分复用技术和空分复用技术。通过某种技术把一

21、个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。若n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速度或占用空间必然是物理设备速度的1/n。,不确定性,进程的异步性：进程以人们不可预知的速度向前推进。多个进程并发执行，“走走停停”，无法预知每个进程的运行推进快慢。程序执行结果不确定，程序不可再现。即对同一程序，在相同的输入和相同的环境下运行，但经多次运行，却可能获得完全不同的结果。,执行结果不确定性,与时间有关的错误,a=n/n表示剩余的票数if(a=1)a=a-1;/售出一张票 n=a;,a=n/n表示剩余的票数if(a=1)a=a-1;/售出一张票 n=a;,因为这种错误和相对执行速度有关，因此

22、称为与时间有关的错误。,服务器,问题,操作系统具有哪几大特征?（习题8）试举例说明并发或并行的区别？（习题12）试举例说明两类共享资源的区别。（习题13）,1.4 OS的主要功能,1.4.1 进程管理1.4.2 存储器管理1.4.3 输入/输出设备管理1.4.4 数据文件管理1.4.5 接口管理,1.4.1进程管理,多道环境下，处理器的运行及分配都是以进程为单位，因此处理器管理可归结为进程管理。进程控制：创建和撤销进程以及控制进程的状态转换。进程同步：协调，互斥访问临界资源，协调执行进度。进程通信：进程间的信息交换。进程调度：按一定算法从进程就绪队列中选出一个进程，把处理器分配给它，使之运行。

23、,进程管理(2),一、进程控制创建/撤销进程迁移进程状态一般由进程控制原语完成二、进程同步为使多个进程有条不紊地运行，应建立同步机制。包括进程互斥/同步，次序协调。,进程管理(3),三、进程通信源于进程合作，如：输入进程、计算进程、打印进程相互间有信息传递类型：直接通信：进程A发message，进程B收message间接通信：进程A发message到中间实体（如mailbox），进程B从中间实体收message四、调度（作业与进程）作业调度：为作业分配必要资源，调入内存建立进程，并使之进入就绪队列。进程调度：从就绪队列中选出进程，分配CPU，使之运行。调度算法：FCFS、优先权等,1.4.2

24、存储管理,目的：方便用户使用，且提高存贮器利用率为多道程序的并发执行提供良好的环境；便于用户使用存储器；提高存储器的利用率；为尽量多的用户提供足够大的存储空间。,存储管理(2),一、内存分配：静态分配/动态分配、连续分配/非连续分配二、内存保护：系统内存空间、用户内存空间三、地址映射地址范围地址逻辑空间逻辑地址相对地址物理空间物理地址（绝对地址）四、内存扩充利用虚存技术，从逻辑上扩充内存容量系统应有：请求调入/置换功能以支持虚存技术,1.4.3 设备管理功能,任务：为用户程序分配I/O设备；完成用户程序请求I/O操作；提高处理器和I/O设备的利用率；改善人机界面。一、缓冲管理缓冲区：用来解决C

25、PUI/O矛盾，如：CPU快则应多创建缓冲区。二、设备分配包括：设备，设备控制器，I/O通信的分配和回收,设备管理功能（2）,三、设备处理指控制设备进行实际的操作，包括读、写等以及向CPU发中断。设备处理/驱动程序应能根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。,1.4.4 文件管理的功能,任务：管理用户文件和系统文件；管理文件的存储空间；保证文件数据的安全；方便用户使用文件。一、文件存贮空间的管理二、文件目录管理三、文件的读、写管理和存取控制（保护）,1.4.5 接口管理,接口，指操作系统为用户提供的人机交互界面命令式用户接口：以命令方式供用户通过键盘终端与计算机交互，如：UNIX、DOS。图

26、形化用户接口：Windows系列操作系统则提供了形象、生动的图形化界面，用户只需拖动并点击鼠标，便可轻松操作计算机。程序接口：以系统调用的形式供用户编程时使用，几乎各种操作系统都提供了系统调用，供程序设计。,1.5 OS的结构设计,无结构模块式层次式微内核,1.5.1 软件工程的基本概念,软件：软件工程：运用系统、规范和可定量的方法开发、运行和维护软件。,1.5.2 传统的操作系统结构,1.无结构操作系统一组过程集，各过程可相互调用，也叫整体系统结构。缺点：逻辑复杂，维护困难.,传统的操作系统结构（2）,2、模块化操作系统通过分解来控制大型软件复杂度。如：进程模块、内存模块，各模块内进一步划分

27、子模块。优点：提高了OS设计的可维护性增强的OS的可适应性加速了OS的开发过程：并行开发模块缺点：接口不易确定模块依赖关系可能复杂（对于大型软件而言）,传统的操作系统结构（3）,3、分层式操作系统有序分层的基本概念可简化设计的复杂度下层为上层提供服务层次的设置应考虑的因素程序嵌套：各模块间嵌套关系复杂运行频率：随层次的增高，相应软件的运行速度就随之下降公用模块：低层用户接口：高层,1.5.3 微内核操作系统结构,客户进程,进程服务器,终端服务器,文件服务器,存储服务器,核心,请求,回答,C/S服务器模式,提高了系统的灵活性和可扩充性提高了软件的可靠性适合于分布式系统,面向对象的程序设计技术概念：优点：a.可扩展性b.继承性微内核技术引入：提高系统的灵活性；采用C/S模式基本功能进程、内存、IPC等基本管理功能,微内核操作系统结构（2）,