操作系统第一章清华版.ppt

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1、操作系统原理,徐伶伶,课程简介,计算机操作系统是计算机及其相关专业的一门重要的专业基础课，是计算机及其相关专业主干课程之一。操作系统是计算机系统不可缺少的重要组成部分，是计算机硬件功能的首次扩充，任何计算机的使用都离不开操作系统。操作系统对计算机系统资源实施全面管理，是所有其他软件与计算机硬件的唯一接口，所有用户都要在操作系统上使用计算机，都要得到操作系统提供的服务。,学习目的,本课程的教学目的是培养学生理解和掌握计算机操作系统的基本工作原理、设计技术及设计方法。通过本课程的学习，要求学生理解操作系统的基本概念和主要功能，掌握常用操作系统（如Windows、Unix、Linux）的使用和一般管

2、理方法，理解它是如何组织和运作的，从而为以后的学习和工作打下坚实的基础。,教材计算机操作系统教程 张尧学 史美林 清华大学出版社参考教材计算机操作系统教程 徐甲同 西安电子科技大学出版社计算机操作系统 许曰滨 北京邮电学院出版社 操作系统基础 屠祁 清华大学出版社计算机操作系统 汤子瀛 西安电子科技大学出版社考核：平日（30%）+期末（70%）,第一章 绪论,1.1 操作系统概念1.2 操作系统的历史1.3 操作系统的基本类型1.4 操作系统功能1.5 计算机硬件简介1.6 算法的描述1.7 研究操作系统的几种观点,本章学习目标,掌握操作系统的概念了解操作系统的发展掌握操作系统的类型和功能了解

3、计算机硬件掌握算法的描述了解研究操作系统的意义,1.1 操作系统概念,1.计算机系统2.操作系统的定义3.操作系统和硬件软件的关系4.引入操作系统的目的,1.计算机系统,一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。计算机硬件：各种物理设备的总称，是完成工作任务的物质基础。计算机软件：程序和与程序相关的文档的集合，按功能划分，可分为系统软件和应用软件。,2.操作系统的定义,通常，把未配置任何软件计算机叫做“裸机”。操作系统是在裸机上加载的第一层软件，是对计算机硬件系统功能的首次扩充。操作系统是控制和管理计算机系统的硬件和软件资源，合理的组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序和数据的集

4、合。,3.操作系统和硬件软件的的关系,4.引入操作系统的目的,用户：提供良好的界面，使得用户和计算机之间和谐交互；提供可靠安全的服务管理。系统管理者：合理组织计算机工作流程，管理和分配系统硬件及软件资源。发展：为计算机系统的功能扩展提供支撑平台，追加新的功能和服务时不影响原有功能和服务。,1.2 操作系统的历史,1.2.1 手工操作阶段1.2.2 早期批处理1.2.3 多道程序系统1.2.4 分时操作系统1.2.5 实时操作系统1.2.6 通用操作系统1.2.7 操作系统的进一步发展,1.2.1 手工操作阶段,从第一代计算机诞生到20世纪50年代中期还未出现操作系统，这时的计算机采用人工操作方

5、式。其过程是：,1.2.1 手工操作阶段,【工作方式】：用户：用户既是程序员、操作员，还是计算机专业人员；编程语言：为机器语言；输入输出：纸带或卡片；【计算机的工作特点】：用户独占全机：用户独占计算机所有资源，资源利用率低；CPU等待用户：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；CPU利用率低；【主要矛盾】：计算机处理能力的提高，手工操作的低效率用户独占全机的所有资源；,1.2.2 早期批处理联机批处理,所谓批处理系统是指加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地成批地处理一个或多个用户的作业。首先出现的是联机批处理系统。如下图所示。,1.2.2 早期批处

6、理联机批处理,用户提交作业：以纸带或卡片为介质；操作员合成批作业：结果为磁带介质；批作业处理：对批作业中的每个作业进行相同的处理：从磁带读入用户作业和编译链接程序，编译链接用户作业，生成可执行程序；启动执行；执行结果输出。【存在的问题】：慢速的输入输出处理仍直接由主机来完成。输入输出时，CPU处于等待状态。,1.2.2 早期批处理脱机批处理,在外设处理数据时，主机处理“忙等”状态，这样高速的主机与慢速的外设矛盾就显现出来。为了克服与缓解主机与外设的矛盾。我们引入脱机批处理系统，即脱离主机控制的输入/输出批处理系统。,1.2.2 早期批处理脱机批处理,利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并

7、行工作。卫星机：完成面向用户的输入输出（纸带或卡片），中间结果暂存在磁带或磁盘上。作业控制命令由监督程序(monitor)来执行，完成如装入程序、编译、运行等操作。【优点】：同一批内各作业的自动依次更替，改善了主机CPU和I/O设备的使用效率，提高了吞吐量。【缺点】：磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分类，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预才可恢复）。,回顾,操作系统的概念控制和管理计算机系统的硬件和软件资源，合理的组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序和数据的集合。操作系统的历史手工操作阶段早期批处理阶段,60年代计算机硬件获得两个重大的进展：通道技术和中断技术。通道:是一种专用部

8、件，负责外部设备与内存之间信息的传输。中断:指主机接到外界的信号（来自CPU外部或内部）时，立即中止原来的工作，转去处理这一外来事件，处理完后，主机又回到原来工作点继续工作。借助通道、中断技术和输入输出可在主机控制下完成批处理。,1.2.2 执行系统,执行系统中的监督程序常驻内存。执行系统不仅负责调度作业自动地运行，而且还要控制I/O，通道完成，主机和通道、主机和输入输出设备都可以并行操作。和早期批处理系统不同的是:输入输出工作在主机控制下的虽然批处理系统能调度作业自动地运行，但存在如下缺点：系统没有任何保护自己的措施；程序进入死循环必须要程序员干预。上述批处理系统，每次只调用一个用户作业程序

9、进入内存并运行，成为单道运行。,1.2.3 多道程序系统,多道程序设计技术：在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。宏观上并行，微观上串行。多道批处理系统：在批处理系统的中采用多道程序设计技术就形成了多道批处理系统。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择作业运行。,1.2.3 多道程序系统,1.2.3 多道程序系统,这种处理方式，在内存中总是同时存在几道程序，系统资源得到比较充分的利用。【优点】：缩短作业之间的交接时间，减少处理机的空闲等待时间，提高系统的吞吐量。【缺点】：用户响应时间较长。用户既不能了解自己程序的运行情

10、况，也不能控制计算机。【技术问题】：同步和互斥机制；提高内存的使用率；内存保护。,1.2.4 分时操作系统概念,分时技术是把处理机的时间分成很短的时间片，这些时间片轮流地分配给各个联机的各作业使用。如果某作业在分配给它的时间片用完时仍未完成，则该作业就暂时中断，等待下一轮运行，并把处理机的控制权让给另一个作业使用。这样在一个相对较短的时间间隔内，每个用户作业都能得到快速响应，以实现人机交互。,1.2.4 分时操作系统 特性,多路性：在一台主机上连接多个用户终端。从宏观上看，多个用户同时工作，共享系统的资源；从微观上看，各终端程序是轮流使用一个时间片。多路性提高了系统资源的整体利用率。交互性：用

11、户在终端上能随时通过键盘与计算机进行“会话”，从而获得系统的各种服务，并控制作业程序的运行。独立性：每个用户在自己的终端上独立操作，互不干扰，感觉不到其他用户的存在，就如同自己“独占”该系统似的。及时性：用户程序是轮流执行CPU的一个时间片，但由于计算机的高速处理能力，能保证在较短和可容忍的时间内响应和完成处理用户请求。,1.2.5 实时操作系统概念,所谓“实时”，是指能够及时响应随机发生的外部事件并对事件做出快速处理的一种能力。而“外部事件”，是指与计算机相连接的设备向计算机发出的各种服务请求。实时操作系统是能对来自外部的请求和信号在限定的时间范围内做出及时响应的操作系统。,1.2.5 实时

12、操作系统分类,实时控制：要求与被控制的变化速度相比，其反应速度足够快；工作安全；需要人工干预时，操作简便。如生产过程控制，宇航自动控制等。实时信息处理系统：要求计算机能够在容许的延迟时间内，相应外部的事件请求，完成对该事件的处理，并控制所有的实时设备和实时任务协调运行。如飞机订票系统,期货、股票交易系统等。,1.2.5 实时操作系统特性,系统对外部的信号必须能及时响应，(在规定的时间内（deadlin）)；要求高可靠性和安全性，效率则放在第二位；系统整体性强；不要求很强的“会话”能力。,1.2.6 通用操作系统,目前的操作系统，通常具有分时、实时和批处理功能，又称作通用操作系统。可适用于计算、

13、事务处理等多种领域，能运行在多种硬件平台上，如 UNIX系统、Windows NT等。通用化、小型化,1.2.7 操作系统的进一步发展,随着微处理器的出现和发展，操作系统有了进一步的发展：1.个人计算机上的操作系统；2.嵌入式操作系统；3.网络操作系统；4.分布式操作系统；5.智能化操作系统。,1.3 操作系统的基本类型,批处理操作系统分时操作系统实时操作系统个人计算机操作系统网络操作系统分布式操作系统,基本类型,1.3.5 个人计算机上的操作系统,联机的交互式单用户操作系统。多媒体技术的发展要求计算机具有高速信号处理、大容量内存等能力。目前个人计算机上使用的操作系统以Windows系列和Li

14、nux系统为主。,1.3.6 网络操作系统概念,计算机网络：通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互联起来的，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。简言之，是计算机技术与通信技术相结合的产物,是互连起来的计算机的集合。网络操作系统：在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。如UNIX、LINUX,WINDOWS NT都是网络操作系统。,1.3.6 网络操作系统功能,高效、可靠的网络通信对网络中共享资源（在LAN中有硬盘、打印机等）有效的管理提供电子邮件、文件传输、共享硬盘、打印机等服务网络安全管理提供互操作能力,1.3.7 分布式操作系统概念,

15、分布式计算机系统：以计算机网络为基础的计算机系统，包含多台处理机，每台处理机完成系统中指定的一部分功能。从硬件上讲，它与计算机局域网没有任何区别，关键是软件。计算机网络也可认为是一种分布式系统。分布式操作系统：在各处理机之间采用无主从关系来设计的操作系统。除了最低级的输入输出支援外，所有的系统任务可以在系统中任何处理机上运行。系统有高度的并行性和有效的同步方法。,1.3.7 分布式操作系统功能,进程迁移 分布式同步任务分配 资源管理,网络和分布式的区别,1)分布式系统的各个计算机之间处于平等地位无主从关系；网络有一些主从关系2)分布式系统资源为所有用户共享；而网络有限制地共享。3)分布式系统中

16、一项任务可分给若干处理单元相互协作共同完成，而网络往往是各司其责,现代操作系统的主要特征,现代操作系统的主要特征 设置操作系统的目的就是提高计算机系统的效率，增强系统的处理能力，充分发挥系统的利用率，方便用户使用。因此现代操作系统普遍采用以多道程序设计为基础的并行操作技术。主要特征如下：1）并发性(concurrency)2）共享性(sharing)3）虚拟性(virtual)4）异步性(asynchronism),1.并发性,并发性(concurrency)多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。并行(para

17、llel)是指在同一时刻发生。在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称作任务），并发指的是进程。并行（parallel）：指多个事件在同一时刻发生。,2.共享性,共享性(sharing)多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。资源在一个时间段内交替被多个进程所用。互斥共享方式（如音频设备），资源分配后到释放前，不能被其他进程所用。同时访问方式，（如可重入代码，磁盘文件）。资源分配难以达到最优化,3.虚拟性,虚拟性(virtual)一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体（分时或分空间）。

18、虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。CPU每个用户（进程）的“虚处理机”。存储器每个进程都占有的地址空间（指令数据堆栈）。显示设备多窗口或虚拟终端如虚拟光驱，虚拟机（VMWare，Virtual PC等）,4.异步性,异步性(asynchronism)异步性也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间及执行结果的不确定性：程序执行结果不确定，不可再现。相同输入与环境下多次运行结果不同。多道程序设计环境下，程序按异步方式运行。多个进程并发执行，“时走时停”，不可预知每个进程的运行推进快慢，引发执行顺序与时间的不确定。,回顾,现代操作系统的主要特征：以多道程序设计为基础的并行操作

19、1）并发性(concurrency)2）共享性(sharing)3）虚拟性(virtual)4）异步性(asynchronism),1.4 操作系统功能,操作系统的主要任务是对系统中的软件、硬件实施有效的管理，以提高系统资源（主要包括处理机、主存储器和外存储器、文件系统）的利用率。主要功能:处理机管理存储管理设备管理信息管理（文件系统管理）用户接口进程迁移,1.4.1 处理机管理,对CPU进行分配，并对其进行管理和控制。可归结为进程管理，包括以下方面 进程控制。创建进程，撤销进程，控制进程的运行状态转换。进程调度。从就绪的进程队列中选择一进程并把处理机分配给它，设置现场并使之投入运行。进程同步

20、。设置进程同步信息，以协调系统中各进程的运行。进程通讯。负责进程间的信息交换。,1.4.2 存储管理,为多道程序的运行提供良好的环境，并提高利用率，包括以下方面：地址重定位。实现逻辑地址到物理地址的转换。存储分配。为每道程序分配内存空间，并在作业结束后收回其所占用内存。存储保护。保证每道程序之间不能互相侵犯，尤其是不能侵犯操作系统。存储扩充。通过建立虚拟存储系统来实现内存逻辑上的扩充。,1.4.3 设备管理,设备管理的主要目标是方便的设备使用、提高CPU与I/O设备利用率。主要包括：缓冲管理：设立I/O缓冲区，并对缓冲区进行有效管理。设备分配：按一定策略和设备使用情况，分配并回收设备。设备处理

21、：即设备驱动程序，实现CPU和设备控制器之间的通讯等。设备独立性和虚拟设备：独立性指应用程序独立于物理设备，使用户编程与实际使用的设备无关，增强了可移植性。虚拟设备指将低速的设备改造为高速的共享设备。,1.4.4 信息管理（文件系统管理）,对用户文件和系统文件进行管理，解决文件资源的存储、共享、保密和保护。包括以下方面：目录管理：为每一文件建立目录项，并对目录实施有效的组织与管理。文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。系统设口令“哪个用户”、用户分类“哪个用户组”、文件权限“针对用户或用户组的读写权”。文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能。软件管理：软件的版本、

22、相互依赖关系、安装和拆除等。,1.4.5 用户接口,目标是提供一个友好的用户访问操作系统的接口。操作系统提供三种接口：命令接口：亦称为作业控制机接口，分为联机命令和脱机命令接口。供用户用于组织和控制自己的作业运行。命令行；命令脚本“脱机”。程序接口：用户获得操作系统服务的唯一途径。供用户程序和系统程序调用操作系统功能。系统调用和高级语言库函数。图形接口：图形用户界面GUI，方便用户使用。如窗口、菜单等。,1.5 计算机硬件简介,计算机的基本硬件元素与操作系统相关的几种主要寄存器存储器的访问速度指令的执行与中断操作系统的启动,1.5.1 计算机的基本硬件元素,基本硬件元素有以下四种：处理器、存储

23、器、输入输出控制与总线、外部设备等。元素的逻辑关系如下：,1.5.2 几种主要的寄存器,数据寄存器：存放程序中的数据；地址寄存器：存放内存中某个数据或者指令的地址；条件码寄存器：标志寄存器；程序计数器PC：装有下一个周期被执行指令的地址；指令寄存器IR：装有待执行指令；程序状态字PSW：代表系统中当前的各种不同状态与信息；中断现场保护寄存器：保护被中断程序的现场和链接中断恢复处。过程调用用堆栈：存放过程调用时的调用名、调用参数以及返回地址等。,1.5.3 存储器的访问速度,存储器件主要包括：可移动存储介质，例如光盘，磁盘等；硬盘。磁盘缓存内存，高速缓存以及寄存器等；一般来说，容量越大的存储介质

24、，访问速度会越慢；,1.5.4 指令的执行和中断,指令执行分两步：处理器从内存把指令读入的过程和执行的过程。中断：在指令执行过程中或者一条指令结束时，外部或内部发生亟待处理的情况，这时需要处理机暂停正在执行的程序，去处理紧急事件，处理完毕再返回原处执行。,图1.8指令的执行周期,图1.9中断执行过程,图1.10中断处理时的指令执行周期,1.5.5 操作系统的启动,当用户启动计算机的电源时，计算机硬件会自动产生一个中断信号，这个中断信号将触发计算机处理器CPU中的一段指令执行，该段指令的执行结果将是发现外部存储设备中操作系统引导区的位置。如果计算机的外部存储设备中已经安装了操作系统，则操作系统引

25、导区中的代码将被自动导入计算机内存，并开始执行。,1.6 算法的描述,本书中采用类Pascal语言,1.7 研究操作系统的几种观点,1、科普的观点 操作系统是计算机系统的管理和控制中心，它依照设计者制定的各种调度策略组织和管理计算机系统资源，使之能高效地运行。2、功能的观点 操作系统是一个计算机资源管理系统，它负责计算机系统的全部资源的分配、控制、调度和回收。3、用户的观点 操作系统是计算机与用户之间的接口，用户通过这种接口使用计算机。,4、软件的观点 操作系统是程序和数据结构的集合。5、管理的观点 操作系统是计算机硬件和软件资源的合理而协调的管理者。6、操作系统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，控制并协调并发活动，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。操作系统使整个计算机系统实现了高效率和高度自动化。,本章小结,操作系统的基本概念计算机系统的组成配置操作系统的目的操作系统的形成与发展多道、分时标志现代操作系统的形成操作系统的类型基本类型、通用操作系统的特性并发、共享、虚拟、异步,本章小结,操作系统的功能处理机管理、存储管理、设备管理 信息管理、用户接口操作系统的硬件基础算法描述,68|Presentation Title|Month 2006,Thanks！,