操作系统原理课件第一章绪论

1、1,操 作 系 统 原 理,中国地质大学计算机学院 张 霞 zhangxia_ 电话QQ：10263317,2,教材与教学参考书,教 材： 操作系统原理 华中理工大学出版社 庞丽萍编 参考书： 计算机操作系统 西安电子科技大学出版社 汤子瀛等 操作系统 电子工业出版社 孟庆昌编,3,操作系统原理教学目标,掌握操作系统中所涉及的基本概念、基本组成和各部分的功能原理。 培养自学能力，开拓思路。 要不断总结，通过学习，充分理解操作系统在计算机中的重要作用,4,第一章 绪论,5,WINDOWS系列操作系统,WINX.X(1983年-1995年以前) WIN9X(1995年以后

2、-2001年初) WINNT（NT代表新技术） WIN2000(1999初) WIN2000 Professional Win2000 server（适合部门工作小组或中小公司） Win2000 Datacenter server（功能最强的服务器OS） WINCE（嵌入式操作系统） WINXP （ 2001年商用与家用型操作系统的整合） Vista(2007年1月) 要想替代XP可能需要近十年的时间,6,1.1 计算机系统结构 一、计算机系统组成,中央处理机（CPU） 硬件 内存 I/O设备（键盘、显示器、打字机、鼠标） 外部设备 存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带） 其它设备（MODEM、通

3、信口） 系统软件（操作系统、语言编译器、数据库管理系统） 软件 应用软件 （CAD、MIS、用户自己开发的系统等） 工具软件（软、硬件检测诊断程序,7,1.1 计算机系统结构 二、软件与硬件的关系,硬件是计算机系统的基础， 软件是提高计算机系统效率和方便用户使用计算机的程序， 它们二者相互依赖、相互促进 、 共同发展,8,1.1 计算机系统结构三、在计算机系统中必须配备操作系统的目标,裸机：未配置软件的计算机。 操作系统是为了建立用户与计算机之间的接口而为裸机配置的一种系统软件。 目标： 1、提供接口：提供一个计算机用户与计算机硬件系统之间的接口，使计算机系统更易于使用； 2、提高资源利用率：

4、有效地控制和管理计算机系统中的各种硬件和软件资源，使之得到更有效的利用； 3、改善性能：合理组织计算机系统的工作流程，改善系统性能,9,1.2 操作系统的形成与发展,一、手工操作阶段 用户在计算机上算题的所有工作都要用户人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等。 计算机没有配置操作系统。程序员直接与计算机硬件打交道。用机器代码或某种语言编写的程序通过输入设备装入计算机，再由程序员从控制台上通过设置开关或按按钮启动程序运行。 这种早期的计算机存在两个问题,10,1.人工负责计算机的调度 用户使用计算机时，首先向机房负责人说明，由机房负责人为他安排上机时间并预先登记在一张纸上。其中包括各用户几点

5、上机、大约使用计算机多长时间等。 2.人工负责作业编排顺序 用户自己安排上机所需的各种程序、数据以及上机的步骤。 这种操作方式导致：浪费大量的人力和机器的时间，系统利用率很低。 缺点： 用户独占资源；资源利用率低；CPU等待人工操作。 随着计算机速度的加快，人机矛盾越来越大。CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾也日益突出。必须寻求新的办法,11,二、批处理系统(BATCH PROCESS SYSTEM) 简单的批处理模式的中心思想是使用一个监控程序软件。在这种软件控制下，用户不再直接与计算机打交道，而是将自己的作业卡片叠或纸带交给机房的操作员。由操作员将多个作业的卡片或纸带按序成批地放在一个

6、输入设备上。 由监控程序自动启动输入设备将一个个作业读入到磁带上，再将一个个作业顺序装入内存，并控制作业的运行处理。从而实现了各作业之间的自动转接，提高了系统效率,12,手工操作阶段的两个问题已得到圆满解决：一方面由监控程序处理调度问题。一批作业排队，各作业以尽可能快的速度执行；另一方面监控程序负责作业的编排处理问题。从而不存在空闲的机器时间，减少了人工干预和等待时间。 为了使监控程序能代替用户完成对作业的编排控制，系统向用户提供了一套作业控制命令。用户使用系统提供的作业控制语言命令通过作业控制卡或作业说明书的形式把对作业的控制意图提交给监控程序,13,下图给出了以卡片形式提交作业的一个简单例

7、子。在这个例子中，用户提交一个用FORTRAN语言编写的程序及程序所用数据。其中包括以“$”开始的作业控制指令卡。监控程序使用的几个典型的控制卡如下,14,控制卡 功能 $JOB 启动一个程序 $FORTRAN 调用FORTRAN编译程序 $LOAD 调用装入程序 $RUN 运行程序 $END 作业结束卡,15,16,监控程序自动读和识别作业控制卡或作业说明书中的命令，并控制作业的执行。当计算机运行中发生错误或意外时，监控程序通过控制台打字机输出信息向操作员报告。 批处理系统的优点是系统吞吐量大，资源利用率高。缺点是作业的周转时间长，用户无法实现对作业的控制。 该系统适合处理计算量大的、自动化

8、程度高的成熟的作业。 这种简单的批处理在硬件结构上有两种不同的控制方式,17,18,由于输入或输出是在CPU直接控制下进行的，这样，主机的速度在输入或输出过程中，降低为慢速外设的水平。大大降低了CPU的利用效率。为此，引入早期的脱机批处理方式。 2.早期的脱机批处理 为了使CPU从慢速的外设控制中解脱开来， 提高CPU的利用效率，系统增设了一个小型的卫星机专门用来控制外部设备的输入、输出。其模型如下图所示,19,早期的脱机批处理,20,小型卫星机的作用代替主机完成作业的输入和输出工作: 把卡片输入机上的作业逐个地记到输入磁带上，以便主机执行。 控制打印机把主机送入输出带上的作业执行结果打印输出

9、。 由此可见，采用这种脱机技术后，主机的所有输入输出都是通过磁带进行，而且主机与慢速外设可以并行工作，从而提高了主机运行效率。从50年代后期到60年代中期，脱机批处理运行得相当成功,21,脱机技术的实质是用快速的输入输出设备代替慢速的设备。 计算机系统硬件的工作周期,22,三、多道成批处理系统 1.多道程序设计技术(MULTI_PROGRAMMING) 硬件通道和中断的出现，使得计算机在组织结构上发生了重大变革。使原先以CPU为中心的体系结构，转变为以主存为中心。 所谓通道，它是独立于CPU，专门用来控制输入、输出设备的I/O处理机。它可以控制一台或多台外设完成与主存之间的数据交换,23,当通

10、道控制设备完成传输后，通过中断机构向CPU报告完成情况。从而，一方面使CPU摆脱了对慢速外部设备的控制操作，另一方面使CPU与外设可以并行操作，提高了CPU的利用率,24,该技术的引入是为了进一步改善CPU的利用率。 该技术能提高系统的吞吐量和有效地改善资源利用率。 定义：多道程序设计技术是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。 运作方式： 同时把多个作业放入内存并允许它们交替执行，共享系统中的各类资源。当一道程序因某种原因而暂停时，CPU立即转去执行另一道程序。 特点： 多道；宏观上并行；微观上串行,25,1.2 操作系统的形成,26,假设一个计算机

11、系统有256k主存(不包含操作系统)，一个磁盘、一个终端和一台打印机。三个作业分别被命名为JOB1、JOB2、JOB3。各作业运行时间分别为5分钟、15分钟和10分钟。它们对资源的具体使用情况如下所示。 作业编号 JOB1 JOB2 JOB3 作业类型 计算型 I/O型 I/O型 占用主存 50k 100k 80k 需磁盘情况 NO NO Yes 需终端情况 NO Yes NO 需打印机情况 NO NO Yes 运行所需时间 5分钟 15分钟10分钟,27,由上看出，作业2主要使用终端（键盘和显示器）进行输入/出，作业3主要使用磁盘和打印机，JOB2和JOB3需要较少的CPU时间。 对于简单批

12、处理，这些作业是按顺序执行。作业1运行5分钟完成，作业2等待5分钟再用15分钟完成，20分钟后，作业3开始执行，30分钟后三个作业全部完成,28,若采用多道程序设计技术，让三个作业同时装入主存并运行。由于它们运行中几乎不同时使用同类资源，在作业1进行计算的同时作业2可在终端上进入输入/输出，而作业3在使用磁盘和打印机。这样，作业1仍需5分钟完成，但在作业1结束时，作业2已完成三分之一，而作业3已完成一半。这样，这三个作业在15分钟内将全部完成。显然整个系统处理效率明显提高,29,为了更好地理解引入多道程序的好处，下面先解释衡量操作系统或整个计算机系统性能指标的重要概念： 资源利用率 指在给定时

13、间内，系统中某一资源，如CPU、存贮器、外部设备等实际使用时间所占比率,30,多道程序与单道程序时资源利用率对比 单道 多道(三道作业) 处理机利用率 17% 33% 存贮器利用率 30% 90% 磁盘利用 33%=(10/30) 67%=10/15 打印机利用 33%=(10/30) 67%=10/15 完成所需时间 30分钟 15分钟 吞吐量 6 jobs/小时=(3/0.5) 12 jobs/小时=3/ 0.25 平均周转时间 18分钟=(5+20+30)/3) 10分钟=(5+15+10)/3,31,实现多道程序系统应解决的问题： CPU的分配与回收； 内存的分配与安全； I/O设备的

14、分配与回收； 程序和数据存储的安全性与一致性； 应用程序的管理与组织。 因此，在多道程序系统中必须设置一组软件，提供方便用户使用的计算机软件，操作系统就在这样的环境下应运而生。 操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程、方便用户使用的程序的集合,32,1.3 操作系统的基本类型,作业：用户在一次解题或一个事务处理过程中要求计算机系统所做工作的集合，包括用户程序、所需的数据及命令等。 1、批处理操作系统 单道批处理操作系统（早期） 多道批处理操作系统（引入多道程序设计技术） 缺点： 用户以脱机方式使用计算机，用户提交作业后，在作业运行过程中，不能加以干预，只能等该批

15、作业处理结束后，用户才能得到计算结果，根据结果再作下一步处理，如果有错，还要重复上述过程,从头开始,33,单道批处理操作系统（早期） 操作员先将若干个等处理的作业合成一批输入并传送到外存，然后将它们逐个送入内存并投入运行。 多道批处理操作系统（引入多道程序设计技术） 在该系统中，主存中可同时有多道作业在运行，而且作业可随时被调入系统，并存放在外存中形成作业队列；然后由操作系统按一定的原则从作业队列中调入一个或多个作业进入主存运行,1.3 操作系统的基本类型,34,1.3 操作系统的基本类型,2、分时操作系统 分时计算机系统：由于中断技术的使用，使得一台计算机能连接多个用户终端，用户可通过各自的

16、终端使用和控制计算机，我们把一台计算机连接多个终端的计算机系统称为分时计算机系统，或称分时系统。 分时技术：把处理机的响应时间分成若于个大小相等（或不相等）的时间单位，称为时间片（如100毫秒），每个终端用户获得CPU，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运行，当时间片到（用完），用户程序暂停运行，等待下一次运行,35,1.3 操作系统的基本类型,36,1.3 操作系统的基本类型,分时操作系统 分时操作系统利用分时技术实现多道程序设计的一种操作系统，它一般采用时间片轮转的办法，使一台计算机同时为多个终端用户服务，对每个用户都能保证足够快的响应时间，并提供交互会话功能。 特点： 1. 多路性：即

17、众多联机用户可以同时使用同一台计算机； 2. 独占性：各终端用户感觉到自己独占了计算机； 3. 交互性：用户与计算机之间可进行“会话,37,1.3 操作系统的基本类型,3、实时操作系统 早期计算机系统是用于科学与工程的数值计算，如第一台计算机（1944年）产生的原因就是解决大口径火炮设计中的计算问题：弹道轨迹、弹着点和材料的各种应力分布的计算。还有原子弹设计和实验中大量的计算问题，用当时的计算工具已经解决不了。 到了60年代初，计算机开始应用到生产过程控制、工业控制、防空系统、信息处理等，在这些应用中不但要解决计算问题，还要求在规定的时间内完成计算，即实时处理。在实时处理中的一个核心的问题就是

18、响应时间问题,38,1.3 操作系统的基本类型,响应时间： 指用户发出命令，到系统完成用户命令所需的时间。 批处理操作系统 没有 分时操作系统 秒级(一般情况） 实时操作系统 微秒级 甚至更小（经典说法） 系统满足用户时限（deadline)的要求(现代,39,1.3 操作系统的基本类型,实时操作系统： 实时操作系统是又一种类型的操作系统，对外部的请求，实时操作系统能够在规定的时间内处理完毕。 实时： 指计算机对于用户请求能足够快地进行处理，并做出反映。要求毫秒、微秒级。 实时操作系统的应用： 实时控制： 工业过程控制、防空系统等 实时信息处理：情报检索和查询、飞机订票系统、 银行信用卡系统,

19、40,1.3 操作系统的基本类型,实时操作系统特点： 1、系统对外部的信号必须能及时响应，(在规定的时间内（deadline）)； 2、要求高可靠性和安全性，效率则放在第二位； 3、系统整体性强； 4、不要求很强的“会话”能力,41,1.4 操作系统概念1.4.1 操作系统定义,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,42,1

20、.4 操作系统概念 1.4.1 操作系统定义,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、综合来看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,43,1.4 操作系统概念1.4.2 操作系统的功能一、操作系统作为虚拟机,44,1.4 操作系统概念1.4.2 操作系统的功能二、操作系统作为资源管理器,第二种观点是把操作系统看成一个资源管理器。换句话说，从

21、资源管理的角度看操作系统有如下四个功能： 处理机管理 存储器管理 设备管理 文件管理,45,1.4 操作系统概念1.4.2 操作系统的功能二、操作系统作为资源管理器,处理机管理:主要任务是对处理机的分配和运行实施有效的管理，在多道程序环境下，处理机的分配和运行是以进程为基本单位的，因此对处理机的管理可以归结为对进程的管理。 进程管理主要功能： 进程控制。负责进程的创建、撤消及状态转换。 进程同步。对并发执行的进程进行协调。 进程通信。负责完成进程间的信息交换。 进程调度。按一定算法进行处理机分配,46,1.4 操作系统概念1.4.2 操作系统的功能二、操作系统作为资源管理器,存储器管理:主要任

22、务是对内存进行分配、保护和扩充。 主要功能： 内存分配。按一定的策略为每道程序分配内存，并在程序运行结束时回收内存。 内存保护。保证各道程序在自己的内存区域内运行而不相互干扰。 地址变换。实现逻辑地址到物理地址的转换。 内存扩充。为允许大型作业或多个作业的运行，必须借助虚拟存储技术去获得增加内存的效果,47,1.4 操作系统概念1.4.2 操作系统的功能二、操作系统作为资源管理器,设备管理:主要任务是对系统内的设备进行管理，为用户分配设备，使设备与处理机并行工作，方便用户使用设备。 主要功能： 设备分配。根据一定的设备分配原则对设备进行分配。为了使设备与主机并行工作，常需采用缓冲技术和虚拟技术

23、。 设备传输控制。实现物理的输入/输出操作，即启动设备、中断处理、结束处理等。 设备独立性。用户向系统申请的设备与实际操作的设备无关,48,1.4 操作系统概念1.4.2 操作系统的功能二、操作系统作为资源管理器,文件管理:主要任务是有效地支持文件的存储、检索和修改等操作，解决文件的共享、保密和保护问题。 主要功能： 文件存储空间的管理。负责对文件存储空间进行管理，包括存储空间的分配与回收等功能。 目录管理。目录是为方便文件管理而设置的数据结构，它能提供按名存取的功能。 文件操作管理。实现文件的操作，负责完成数据的读写。 文件保护。提供文件保护功能，防止文件遭到破坏,49,1.5 操作系统的特

24、性及其应解决的基本问题1.5.1 操作系统的特性,这里讲的操作系统是指传统的操作系统，它主要指的是单CPU计算机系统上配置的操作系统。 为了充分地利用计算机系统资源，采用多道程序设计技术，即在计算机内存中同时存放多道相互独立的程序，这些程序要共享系统中的资源；为了保证系统高效率，又要求系统中的各种资源能最大限度的并行（如CPU与外设,50,1.5 操作系统的特性及其应解决的基本问题1.5.1 操作系统的特性,操作系统的特性： 1、并发concurrency（parallel) 2、共享 3、不确定性 4、虚拟,51,1.5 操作系统的特性及其应解决的基本问题1.5.1 操作系统的特性,并发：

25、并发性和并行性是两个既相似又有区别的概念。 并行性：是指两个或多个事件在同一时刻发生； 并发性：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 并发是指能处理多个同时性活动的能力。如CPU与I/O设备同时工作、显示器与打印机同时工作、鼠标与扬声器同时工作。 程序的并发执行能有效改善系统资源的利用率，但会使系统复杂化，操作系统必须具有控制和管理各种并发事件的能力。比如要实现如何从一个活动切换到另一个活动，怎样保护一个活动，如何实现相互依赖的活动之间的同步,52,1.5 操作系统的特性及其应解决的基本问题1.5.1 操作系统的特性,共享： 指多个计算任务（或多道程序）对系统资源的共同使用。即系统中的硬件

26、和软件资源不再为某个程序独占，而是供多个用户共同使用。 问题：资源的分配、对数据同时存取的保护,53,1.5 操作系统的特性及其应解决的基本问题1.5.1 操作系统的特性,并发和共享是操作系统的两大最基本的特征，二者之间互为存在条件。 一方面：资源的共享是以程序的并发执行为条件的； 另一方面：若系统不能对资源共享实施有效的管理，程序可能根本就无法并发执行,54,1.5 操作系统的特性及其应解决的基本问题1.5.1 操作系统的特性,不确定性： 在操作系统中，有两种含义： 1）程序执行结果不确定。即对同一程序，使用相同的输入、在相同的环境下运行却可能得到完全不同的结果。即程序是不可再现的。 2）程

27、序的执行是以异步的方式进行的。即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不确定,55,1.5 操作系统的特性及其应解决的基本问题1.5.1 操作系统的特性,虚拟： 指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理的实体是实际存在的，而其逻辑上的对应物是虚的，只是一种感觉,56,1.5 操作系统的特性及其应解决的基本问题1.5.2 操作系统的性能指标,1、系统的可靠性 2、系统吞吐率 3、系统的响应时间 4、系统资源的利用率 5、可移植性,57,1.5 操作系统的特性及其应解决的基本问题1.5.3 操作系统应解决的基本问题,1、提出解决各种冲突的策略 2、协调活动的关

28、系 3、保证数据的一致性 4、实现数据存取控制,58,1.6 操作系统的进一步发展,进入70年代中期以后，大规模集成电路的飞速发展，计算机系统结构发生了重大变化，微型计算机(又叫个人计算机)、多处理机相继出现和发展，使计算机大发展大普及，之后计算机网络、分布式系统、巨型机更是发展快速，促使操作系统技术也有了进一步的发展，产生了各具特点的操作系统。 1、个人计算机操作系统 个人计算机的操作系统是一个单用户的交互式操作系统，它是计算机应用普及的结果,59,它强调使用方便简单，不考虑资源的充分利用。因此，个人计算机结构简单，规模小，它以磁盘文件管理为主，配有简单的设备管理，并向用户提供了一组功能丰富

29、的键盘操作命令。80年代后期，产生了基于MS-DOS的具有图形用户界面的新型单用户多任务操作系统windows。 进入90年代，多媒体技术已成为个人计算机的重要发展方向,60,多媒体计算机技术是计算机综合处理多种媒体信息(文本、图形、图像和声音)，使多种信息建立逻辑连接，为用户提供一个具有交互性的集成环境。使计算机的应用更为直观、容易。这样的系统要求处理机具有高速的信息处理能力，大容量的主存和海量的外存，高速大容量光缆传输并为声音和图像的同步提供所需的实时多任务处理能力。总之，多媒体技术是90年代计算机的又一次革命，没有多媒体技术的计算机就不是真正的个人计算机,61,由于windows是基于D

30、OS的，使它的性能受到很多的限制。95年之后，先后制作了Windows 95、Windows 98、windows 2000等。Windows 95等以上操作系统完全脱离了DOS 的限制，是一个性能优良的系统。最近几年的类UNIX的LINUX系统发展很快，很受用户欢迎,62,2. 网络操作系统 计算机网络是通过通信设施将地理上分散的具有自治能力的多台计算机系统连接起来的一种网络。在计算机网络中的用户可以不受地理位置的限制，共享网络系统中的资源，彼此进行通信和信息交换。 网络操作系统是为计算机网络配置的操作系统，网络中的各台计算机配有各自独立的操作系统，网络操作系统把它们有机地联系起来，其主要功能是为网络中各台计算机间提供通信和提供网络资源的共享,63,因此，网络操作系统除了具有常规操作系统所应具有的处理机管理、存贮管理、设备管理、文件管理的功能外，还具有网络管理功能。 网络管理功能主要包括： (1) 提供高效、可靠的网络通信能力除了支持终端与计算机之间的通信外，还应支持网络中各计算机之间的通信。 (2) 提供多种网络服务,在网络协议控制下，各计算机之间可以协同工作。例如,64,文件传输服务：用于将一个计算机上的文件传输到另一个计算机