操作系统课件os01引论

1、操作系统操作系统operating systems 学时：学时：48+8闭卷，总成绩闭卷，总成绩= 平时成绩平时成绩*30%+期末成绩期末成绩*70%l平时成绩包括上机实验、平时成绩包括上机实验、作业作业、考勤等、考勤等.教材：教材：参考教材：参考教材：1操作系统教程操作系统教程(笫笫4版版)，孙钟秀，孙钟秀 主编主编 费翔林费翔林 骆斌骆斌 编著编著2 张尧学张尧学 等编著计算机操作系统教程北京：清华大学出等编著计算机操作系统教程北京：清华大学出版社，版社，2006课程目的课程目的不是如何使用操作系统；不是如何使用操作系统；而是而是理解操作系统如何工作理解操作系统如何工作los原理、设计方法

2、和实现技术原理、设计方法和实现技术los内部算法和数据结构内部算法和数据结构基本要求基本要求答疑时间：答疑时间：l周二上午第周二上午第5小节小节第一章第一章 操作系统引论操作系统引论 1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用 1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 1.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 1.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计 计计算算机机系系统统硬件资源硬件资源软件资源软件资源指构成计算机系统所指构成计算机系统所必须配置的那些必须配置的那些“硬硬的的”设备设备主主机

3、机中央处理机中央处理机cpu内存内存外部外部设备设备是一个计算机系是一个计算机系统必须配置的统必须配置的程程序和数据序和数据的集合的集合,即信息即信息系统软件（系统软件（操作系统操作系统、语言编译器、数据库管、语言编译器、数据库管理系统）理系统）应用软件应用软件 （mis、用户自己开发的系统等）、用户自己开发的系统等）工具软件（软、硬件检测诊断程序）工具软件（软、硬件检测诊断程序）i/o设备（键盘、显示器、鼠标）设备（键盘、显示器、鼠标）存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带）存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带）其它设备（其它设备（modem、通信口）、通信口）计算机系统的组成计算机系统的组成1.1

4、操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用操作系统在硬件基础上的第一层软件，是其他软件和硬件之操作系统在硬件基础上的第一层软件，是其他软件和硬件之间的接口间的接口目标：目标： 1. 方便性方便性 2. 有效性有效性 3. 可扩充性可扩充性 4. 开放性开放性 操作系统的作用操作系统的作用1. 从一般用户的观点从一般用户的观点可把操作系统看作是用户与计算机硬件系统之间可把操作系统看作是用户与计算机硬件系统之间的接口的接口 用 户应用程序系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算机硬件操作系统的作用操作系统的作用2 从资源管理观点从资源管理观点 可把操作系统视为可把操作系统视为计算机系统资源计算机系统资

5、源的的管理者管理者。 资源包括四类：资源包括四类：l处理器、存储器、处理器、存储器、i/o设备、设备、 信息资源（程序和数据）信息资源（程序和数据） 管理的内容：管理的内容：l资源的当前状态（数量和使用情况）资源的当前状态（数量和使用情况）l资源的分配、回收和访问操作资源的分配、回收和访问操作l相应管理策略（包括用户权限）。相应管理策略（包括用户权限）。操作系统的作用操作系统的作用3 os实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资源的抽象在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储器管理、处在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储器管理、处理机管理。理机管理。“虚拟机虚拟机”：一个裸机在每加上一层软件后

6、，就变成了：一个裸机在每加上一层软件后，就变成了一个功能更强的机器，把这一个功能更强的机器，把这“新的功能更强的机器新的功能更强的机器”称称作虚拟机。作虚拟机。每一层次都对上一层次扩充形成一个虚拟机；每一层次都对上一层次扩充形成一个虚拟机；高层次屏蔽低层次的功能细节，低层向高层提供服务。高层次屏蔽低层次的功能细节，低层向高层提供服务。os的地位：紧挨硬件层的第一层软件，对硬件进行的地位：紧挨硬件层的第一层软件，对硬件进行首次首次扩充，同时又是其他软件运行的基础。扩充，同时又是其他软件运行的基础。操作系统的定义操作系统的定义操作系统操作系统是一组用于控制和管理计算机系统硬件和软件资是一组用于控制

7、和管理计算机系统硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的源、合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程程序序集合。集合。1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程1.2.1无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统1.2.4 分时系统分时系统1.2.5 实时系统实时系统1.2.4 微机操作系统的发展微机操作系统的发展1.2.1无操作系统的计算机系统 cpu等待人工操作。等待人工操作。 1.2.1无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统 系统带系统带 应用带应用带输出带输出带输入带输

8、入带卫卫 星星 机机（外围机）（外围机）打印打印机机主主机机卡片输入机卡片输入机这种脱机这种脱机i/o方式的主要优点如下：方式的主要优点如下：(1) 减少了减少了cpu的空闲时间。的空闲时间。 (2) 提高提高i/o速度。速度。 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统 单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征单道批处理系统是最早出现的一种单道批处理系统是最早出现的一种os。l监督程序监督程序该系统的主要特征如下：该系统的主要特征如下： (1) 自动性。自动性。 (2) 顺序性。顺序性。 (3) 单道性。单道性。 1.2.3多道批处理系统多道批处理系统 1. 单道程序单道程序 内存中仅有单个程

9、序在运行。内存中仅有单个程序在运行。2. 多道程序设计技术多道程序设计技术用户所提交的作业都先存放在用户所提交的作业都先存放在外存上外存上并排成一个队列，称并排成一个队列，称为为“后备队列后备队列”；由由作业调度程序作业调度程序按一定的算法从后备队列中按一定的算法从后备队列中选择若干个选择若干个作作业调入内存，使它们共享业调入内存，使它们共享cpu和系统中的各种资源。和系统中的各种资源。 多道批处理系统多道批处理系统 2. 多道程序设计技术多道程序设计技术提高提高cpu的利用率、可提高内存和的利用率、可提高内存和i/o设备利用率、增加系设备利用率、增加系统吞吐量统吞吐量t1t2t3t4t5t6

10、t7t8结束中断i/o 完成启动 i/oi/o 中断请求i/o 完成启动 i/oi/o 中断请求用户程序监督程序i/o 操作(a) 单道程序运行情况程 序 a程序a i/o 请求程序a i/o 完成程 序 b程序b i/o 请求程 序 c程序c i/o 请求程 序 d程序d i/o 请求c i/o 完成c 再 被 调 度程序b i/o 完成程序a再被调度程 序 a程 序 b程 序 c程 序 d调 度 程 序(b) 四 道 程 序 运 行 情 况a完成结束中断多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点1. 资源利用率高资源利用率高2. 系统吞吐量大系统吞吐量大 3. 平均周转时间长平均周转时间

11、长 4. 无交互能力无交互能力多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统需要解决的问题 (1) 处理机管理问题。处理机管理问题。 (2) 内存管理问题。内存管理问题。(3) i/o设备管理问题。设备管理问题。(4) 文件管理问题。文件管理问题。 (5) 作业管理问题。作业管理问题。 1.2.4 分时系统分时系统用户的需求：用户的需求：(1)(1)人人机交互。机交互。 (2)(2)共享主机。共享主机。 (3)(3)便于用户上机。便于用户上机。 关键问题关键问题(1)(1)及时接收。及时接收。(2)(2)及时处理。及时处理。 分时系统的特征分时系统的特征（1）多路性。）多路性。允许多个终端用户同时

12、使用一个计算机系统，允许多个终端用户同时使用一个计算机系统，共享系统资源，提高了资源利用率，促进了计算机的普遍应共享系统资源，提高了资源利用率，促进了计算机的普遍应用；用；（2）独立性。）独立性。用户在各自的终端上请求系统服务，彼此独立，用户在各自的终端上请求系统服务，彼此独立，互不干扰；互不干扰；（3）及时性。）及时性。系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高调试和修改程序的效率，缩短了周转时间；调试和修改程序的效率，缩短了周转时间；（4）交互性。）交互性。采用联机（采用联机（on-line）的人一机对话的工作方）的人一机对话的工作方式，用户在终端上可

13、以直接输入、调试和运行自己的程序。式，用户在终端上可以直接输入、调试和运行自己的程序。 1.2.5 实时系统实时系统1.1. 应用需求应用需求 (1)(1)实时控制实时控制: : 工业过程控制、防空系统等工业过程控制、防空系统等(2)(2)实时信息处理实时信息处理: :情报检索和查询、飞机订票系统、银行信用卡系统。情报检索和查询、飞机订票系统、银行信用卡系统。 实时系统实时系统系统能及时系统能及时( (或即时或即时) )响应响应外部事件的请求，外部事件的请求，在在规定的时间规定的时间内完成对该事件的处理，内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务并控制所有实时任务协调协调一致地运行。一致地运行。

14、 实时任务实时任务 按任务执行时是否呈现周期性来划分按任务执行时是否呈现周期性来划分l周期性实时任务。周期性实时任务。 l非周期性实时任务。非周期性实时任务。n 外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性，但外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性，但都必须联系着一个截止时间都必须联系着一个截止时间(deadline)。开始截止时间开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行任务在某时间以前必须开始执行完成截止时间完成截止时间任务在某时间以前必须完成。任务在某时间以前必须完成。 实时任务实时任务 根据对截止时间的要求来划分根据对截止时间的要求来划分l硬实时任务硬实时任务(hard real-time

15、 task)。系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。现难以预测的结果。l软实时任务软实时任务(soft real-time task)。它也联系着一个截止时间，它也联系着一个截止时间， 但并不严格，若偶尔错但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，过了任务的截止时间， 对系统产生的影响也不会太对系统产生的影响也不会太大。大。 实时系统与分时系统特征的比较实时系统与分时系统特征的比较多路性。多路性。 独立性。独立性。 交互性。交互性。 及时性。及时性。 可靠性。可靠性。 1.2.6 微机操作系统的发展微机操作系统的发展常用的个人计

16、算机操作系统常用的个人计算机操作系统l单用户单任务：单用户单任务：ms-dosl单用户多任务：单用户多任务：os/2, windows xp, windows nt, windows 7l多用户多任务：多用户多任务：unix(sco unix, solaris os, linux, freebsd)1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 并发并发(concurrence) l最重要的特征最重要的特征共享共享虚拟虚拟异步性异步性并行和并发并行和并发并行性并行性l指两个或多个事件在指两个或多个事件在同一时刻同一时刻发生；发生；并发性并发性l指两个或多个事件在指两个或多个事件在同一时间间隔同一

17、时间间隔内发生。内发生。中央处理机中央处理机外部设备外部设备外部设备外部设备程序程序a程序程序b 程序程序a程序程序b 程序程序a程序程序b 输出结束输出结束输出结束输出结束光电光电输入输入输入输入结束结束打印打印输出输出光电光电输入输入输入输入结束结束绘图绘图输出输出运算处理运算处理光电输入数据光电输入数据运算处理运算处理输出打印输出打印运算处理运算处理光电输入数据光电输入数据等待等待运算运算绘图绘图引入进程引入进程进程的目的：进程的目的：l使多个程序能并发执行。使多个程序能并发执行。程序是静态实体程序是静态实体l不能独立运行的，更不能和其它程序并发执行。不能独立运行的，更不能和其它程序并发

18、执行。例如：例如：l在一个未引入进程的系统中在一个未引入进程的系统中: :l分别为输入、计算程序和输出程序各建立一个进程，分别为输入、计算程序和输出程序各建立一个进程，这这3 3个进程便可并发执行。个进程便可并发执行。 coi进程进程进程进程l是指在系统中能是指在系统中能独立运行，独立运行，并作为并作为资源分配资源分配的基本单的基本单位位l它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的l是一个能是一个能独立运行独立运行的活动实体。的活动实体。多个进程之间可以并发执行和交换信息。多个进程之间可以并发执行和交换信息。引入线程引入线程在一个进程中可以包含若干个线程在一个

19、进程中可以包含若干个线程l它们可以利用进程所拥有的资源。它们可以利用进程所拥有的资源。 input input = new input(in_c);input input = new input(in_c); computing coumpting= new computing (in_c,c_out); computing coumpting= new computing (in_c,c_out); output output = new output(c_out); output output = new output(c_out); input.start(); coumputing.s

20、tart(); output.start(); input.start(); coumputing.start(); output.start(); 线程：独立运行和独立调度的基本单位。线程：独立运行和独立调度的基本单位。线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，故对它的调度线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，故对它的调度所付出的开销就会小得多。所付出的开销就会小得多。1.3.2 共享共享(sharing)共享共享l指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程线程)共同使用。共同使用。主要有以下两种资源共享方式。主要有以下两种资源共享方式。l互斥共享

21、方式：如打印机、磁带机互斥共享方式：如打印机、磁带机把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临临界资源界资源或或独占资源独占资源l同时访问方式：如：磁盘设备同时访问方式：如：磁盘设备并发和共享并发和共享并发和共享是操作系统的两个并发和共享是操作系统的两个最基本的特征最基本的特征，它们又是互，它们又是互为存在的条件。为存在的条件。资源共享是以程序资源共享是以程序(进程进程)的并发执行为条件的的并发执行为条件的l若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；题；若系统不能对资源共享实施有效管理，若系统不能

22、对资源共享实施有效管理， 协调好诸进程对协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度，甚共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。至根本无法并发执行。 1.3.3 虚拟技术虚拟技术“虚拟虚拟”l指通过某种技术把一个指通过某种技术把一个物理实体物理实体变为若干个变为若干个逻辑上逻辑上的的对应物对应物。虚拟技术虚拟技术l时分复用技术：实现时分复用技术：实现虚拟处理机、虚拟设备虚拟处理机、虚拟设备l空分复用技术空分复用技术时分复用技术时分复用技术虚拟处理机技术：虚拟处理机技术：分时使用方式分时使用方式l利用多道程序设计技术，把一台物理上的处理机虚拟利用多道

23、程序设计技术，把一台物理上的处理机虚拟为多台逻辑上的处理机，在每台逻辑处理机上运行一为多台逻辑上的处理机，在每台逻辑处理机上运行一道程序。道程序。虚拟设备技术虚拟设备技术l允许每个用户占用一台逻辑上的允许每个用户占用一台逻辑上的i/o设备设备l在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。空分复用技术空分复用技术虚拟磁盘技术虚拟磁盘技术 l通过虚拟磁盘技术将一台硬盘虚拟为多台虚拟磁盘，通过虚拟磁盘技术将一台硬盘虚拟为多台虚拟磁盘，这样使用起来既方便又安全。这样使用起来既方便又安全。虚拟存储器技术虚拟存储器技术 l利用存储器的空闲空间来存放其它的程序。利

24、用存储器的空闲空间来存放其它的程序。l单纯的单纯的空分复用存储器空分复用存储器只能提高内存的利用率，并不只能提高内存的利用率，并不能实现在逻辑上扩大存储器容量的功能能实现在逻辑上扩大存储器容量的功能虚拟存储技术在本质上就是虚拟存储技术在本质上就是内存分时复用：内存分时复用：l“请求调入功能请求调入功能”和和“置换功能置换功能”。1.3.4 异步性异步性(asynchronism) 在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，在多道程序环境下，允许多个进程并发执行， 但只有进但只有进程在获得所需的资源后方能执行。程在获得所需的资源后方能执行。中央处理机中央处理机外部设备外部设备外部设备外部设备进程进

25、程b 进程进程a进程进程b 进程进程a进程进程b 输出结束输出结束输出结束输出结束光电光电输入输入输入输入结束结束打印打印输出输出光电光电输入输入输入输入结束结束绘图绘图输出输出运算运算处理处理光电输入光电输入数据数据等等待待运算运算绘图绘图1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 从资源管理和面向用户的角度看，操作系统的功从资源管理和面向用户的角度看，操作系统的功能主要包括：能主要包括：1.处理机管理处理机管理2.存储管理存储管理3.设备管理设备管理4.文件管理文件管理5.用户接口用户接口1.4.1处理机管理处理机管理 处理机调度的单位可为进程或线程。处理机调度的单位可为进程或线程。 完

26、成处理机资源的分配调度等功能。完成处理机资源的分配调度等功能。 进程控制：主动改变进程的状态进程控制：主动改变进程的状态 进程同步：协调并发进程之间的推进步骤；进程同步：协调并发进程之间的推进步骤； 进程通信：相互合作的进程之间的信息交换进程通信：相互合作的进程之间的信息交换 调度：作业和进程的运行切换调度：作业和进程的运行切换1.4.2.存储管理存储管理管理存储器资源管理存储器资源为多道程序运行提供有力的支撑，便于用户使用存储资源，为多道程序运行提供有力的支撑，便于用户使用存储资源，提高存储空间的利用率。提高存储空间的利用率。 存储管理的主要功能包括：存储管理的主要功能包括：（1）内存分配内

27、存分配（2）内存保护内存保护（3）地址映射地址映射（4）内存扩充内存扩充1.4.3.设备管理设备管理1 1缓冲管理缓冲管理2 2设备分配设备分配3 3设备处理设备处理1 1文件存储空间的管理文件存储空间的管理主要任务是为每个文件分配必要的外存空间。主要任务是为每个文件分配必要的外存空间。2 2目录管理目录管理为了使用户能方便地在外存上找到自己所需的文件，通常为了使用户能方便地在外存上找到自己所需的文件，通常由系统为每个文件建立一个目录项。由系统为每个文件建立一个目录项。3 3文件的读文件的读/ /写管理和保护写管理和保护该功能是根据用户的请求，从外存中读取数据，或将数据该功能是根据用户的请求，

28、从外存中读取数据，或将数据写入外存。写入外存。在文件系统中必须提供有效的存取控制功能。在文件系统中必须提供有效的存取控制功能。1.4.4.文件管理文件管理1.4.5 操作系统与用户之间的接口操作系统与用户之间的接口用户接口用户接口1.1. 联机用户接口。联机用户接口。 一组键盘操作命令一组键盘操作命令+ +命令解释程序命令解释程序2.2. 脱机用户接口（批处理用户接口）。脱机用户接口（批处理用户接口）。作业控制语言作业控制语言(jcl)+作业说明书作业说明书+ +命令解释程序命令解释程序3.3. 图形用户接口图形用户接口 程序接口程序接口它是由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定

29、功它是由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序。能的子程序。如如unix、os/2版本中，其系统调用本身已经采用版本中，其系统调用本身已经采用c语言编写，以函语言编写，以函数形式提供。数形式提供。1.5 os结构设计结构设计 传统的操作系统结构传统的操作系统结构1.1. 无结构操作系统无结构操作系统2.2. 模块化结构模块化结构osos3.3. 分层式结构分层式结构osos微内核微内核osos结构结构无结构操作系统（整体系统结构）无结构操作系统（整体系统结构）注重：功能实现和高的效率。注重：功能实现和高的效率。此时的此时的os是为数众多的一组过程的集合，每个过程可以是为

30、数众多的一组过程的集合，每个过程可以任意地相互调用其它过程任意地相互调用其它过程操作系统内部既复杂又混乱。（没有清晰的结构）操作系统内部既复杂又混乱。（没有清晰的结构）进程管理进程管理内存管理内存管理设备管理设备管理文件管理文件管理模块化结构模块化结构osos将将os按其功能精心地划分为模块；按其功能精心地划分为模块；仔细地规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过该接仔细地规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过该接口实现交互口实现交互进程控制 进程调度内存分配内存保护磁盘管理目录管理进程管理存储器管理文件管理操作系统模块子模块分层式结构分层式结构osos为了将模块为了将模块接口法中接口法中“决定顺序决定顺序”的无序性变为有序性的无序性变为有序性，引入了有序分层法。，引入了有序分层法。自下而上的设计方式自下而上的设计方式同层内可用模块化同层内可用模块化分层结构的优缺点分层结构的优缺点分层结构的主要优点有：分层结构的主要优点有：l易保证系统的正确性。建立在较为可靠的基础上的，易保证系统的正确性。建立在较为可靠的基础上的，这样比较容易保证整个系统的正确性。这样比较