操作系统第1章_dsf

1、第一章 操作系统引论 计算机操作系统(第四版） 汤小丹等主讲：代仕芳QQ:137275396第一章 操作系统引论 操作系统在教科书中的地位？操作系统在教科书中的地位？ 教科书中的课程地位教科书中的课程地位： 操作系统是最重要的计算机系统软件，也是最活跃的学科之一，其发展极为迅速。 教科书中课程的要求教科书中课程的要求： 真正学懂操作系统，理解操作系统的概念深切体会操作系统的实现技术和方法。2第一章 操作系统引论 如何学习这门课程？如何学习这门课程？ 课程特点课程特点： 概念多、原理性强，较抽象。 课程学习目的课程学习目的： 建立并行程序设计的思想方法、有利于对计算机系统的理解和软件开发。 学习

2、难点学习难点： 概念、原理、算法、数据结构3第一章 操作系统引论 教学安排教学安排总学时：80（上课64学时、上机16学时）主要讲授前八章教学理论和综合应用相结合基础课程考研的课程应用价值成绩构成：期末考试占70%考勤和作业占20%实验占10%4第一章 操作系统引论 第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 1.1 操作系统的概念操作系统的概念1.2 1.2 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用 1.3 1.3 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 1.4 1.4 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 1.5 1.5 操作系的主要功能操作系的主要功能5第一章 操作系统引论 1.1 操作

3、系统的概念操作系统的概念一、计算机系统的组成1计算机系统是由硬件和软件两部分组成。 6第一章 操作系统引论 硬件部分：构成了系统本身和用户作业赖以活动的物质基础 和环境。 系统软件：主要管理计算机系统本身的操作；应用软件: 主要解决用户的问题。2操作系统在计算机系统中的地位和作用 应 用 软 件 系 统 编译软件 软 程序设计语言 件 操作系统 裸 机7第一章 操作系统引论 计算机系统的层次结构计算机硬件操作系统系统工具应用软件应用用户应用开发人员操作系统开发人员操作系统的地位：是系统硬件之上的第一层软件，为其他软件提供单向支撑作用。裸机：没有任何软件支持的计算机。虚拟机：对裸机功能的首次扩充

4、，把裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。8第一章 操作系统引论 计算机系统中的一个大型的系统软件 它用来管理和控制计算机系统中的全部软、硬件资源 合理地组织计算机的工作流程 为用户应用程序的运行提供一个友好的界面和良好的工作环境。3操作系统的定义9第一章 操作系统引论 有效性(系统管理人员的观点)：合理地组织计算机系统的工作流程，管理和分配各种硬件和软件资源，提高计算机系统资源利用率和系统吞吐量。1.2 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用一、计算机系统的目标 方便性(用户的观点)：提供良好的、一致的用户接口。无需了解许多有关硬件和系统软件的细节。可扩充性：指OS应采用层次化、模块化结构

5、，给计算机系统的功能的扩展提供开放式的支撑平台。开放性：指系统遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互联0SI国际标准。10第一章 操作系统引论 二、操作系统的作用1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 图 1-1 OS作为接口的示意图 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OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。 11第一章 操作系统引论 1、命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(语言)， 用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统2、系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机。3、图

6、形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。 12第一章 操作系统引论 2.OS作为计算机系统资源的管理者处理器存储器I/O设备信息(数据和程序)资源处理器管理存储器管理I/O设备管理文件管理OS主要功能13第一章 操作系统引论 在裸机上添加：处理机管理(针对CPU)、存储管理(针对内存和外存)、设备管理 、文件管理 把覆盖了软件的机器称为扩充机或虚拟机器 合理组织工作流程：作业管理、进程管理3OS实现了对计算机资源的抽象14第一章 操作系统引论 图1-2 I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节15第一章 操作系统引论 不断提高计算机资源利用率 方便用户 器件的不断

7、更新换代 计算机体系结构的不断发展 不断提出的新的应用需求二、推动操作系统发展的动力16第一章 操作系统引论 一、 无操作系统的计算机系统 1人工操作阶段 电子管时代，1945-50年代 手工操作计算机，用机器语言编写程序，操作繁琐、易出错，效率低，CPU等待人工操作、利用率低手工操作计算机1.3 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 17第一章 操作系统引论 u 手工操作的缺点： 1.易出错、操作繁琐、难于掌握 2.CPU的利用率低和效率低u 提高效率低途径： 1.专门的操作员 2.脱机I/O 3.批量处理18第一章 操作系统引论 2. 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式 这种脱

8、机I/O方式的主要优点如下：(1)减少了CPU的空闲时间。 (2) 提高I/O速度。 输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备图 1-3 脱机I/O示意图19第一章 操作系统引论 1.单道批处理： 利用磁带把若干作用分类编成作业执行序列 每批作业由一个专门的监督程序自动依次处理 可使用汇编语言开发 晶体管时代，50年代末-60年代中，随着中央处理机速度的大幅度提高，人工操作的慢速度和中央处理机运算的高速度之间出现了矛盾，即所谓人机矛盾。为解决这一矛盾，只有设法去掉人工操作，实现作业的自动过渡，这样就出现了成批处理。监控程序：是一个常驻内存的小的核心代码，用于实现各作业之间的自动转接，提高了系统效率

9、。二、成批处理阶段 20第一章 操作系统引论 特点：自动性、顺序性、单道性特点：自动性、顺序性、单道性图 1-3 单道批处理系统的处理流程 把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？否装 配目标程序还有下一个作业？是否停止运 行目标程序是开始21第一章 操作系统引论 成批处理经历了两个阶段： 联机批处理阶段和脱机批处理阶段。联机批处理系统：作业的I/O和计算全部由CPU直接控制。 22第一章 操作系统引论 脱机批处理系统：由主机和外围计算机（卫星机）组成，外围计算机负责I/O处理，主机和外围计算机可以并行工作。系统带 应用带输出带输入带卫 星 机（外围机）打印机主机卡片输入机23第一章

10、操作系统引论 无论是联机批处理，还是脱机批处理CPU和I/O设备使用忙闲不均；对计算为主导作业，外设空闲；对I/O为主的作业，CPU空闲。 24第一章 操作系统引论 251 多道批处理系统 多道程序设计技术是指在计算机内存中同时存放多个作业，它们在管理程序控制之下交替执行，共享系统中的各种资源。60年代中-70年代中(集成电路) 多道程序运行的特征： 1）主存中存放多道程序； 2）宏观上并行； 3）微观上串行。三、 操作系统的完善第一章 操作系统引论 26第一章 操作系统引论 表示获得表示获得CPU27第一章 操作系统引论 多道批处理优点：资源利用率高 系统吞吐量大 平均周转时间长 无交互能力

11、 多道批处理缺点：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 作业管理问题特征：多道性、无序性、调度性特征：多道性、无序性、调度性28第一章 操作系统引论 2分时系统（70年代中期至今） 多用户交互式系统。多个用户通过交互方式分享使用同一台计算机。分时技术：把处理机的时间划分成很短的时间片，按时间片轮流地把处理机分配给各联机用户使用。29第一章 操作系统引论 主要特征：(1) 多路性多路性：指一台计算机与若干台终端相连，各终端用户可以同时操作，共同使用同一系统的资源。(2) 独占性独占性：由于分时操作系统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，因而每个终端用户

12、彼此之间都感觉不到别人也在使用这台计算机，好像自己独占整个计算机系统。 (3) 及时性及时性：用户的请求能在较短的时间内得到及时响应。(4) 交互性交互性：分时操作系统支持联机操作方式。用户可以通过终端，采用人机会话的方式直接控制程序运行，同程序进行会话。30第一章 操作系统引论 3.实时系统 实时操作系统实时操作系统按照用途按照用途分类分类： 实时控制系统：工业过程控制、军事实时控制 实时信息处理系统：如金融领域 多媒体系统 嵌入式系统 实时是指计算机系统要能够对及时响应外部事件的请求，并以足够快的速度完成对事件的处理。 引入引入：对可靠性、安全性要求比较严格的场合 要求要求：响应时间短，在

13、一定范围之内；系统可靠性高31第一章 操作系统引论 1. 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。 实时控制系统的应用：对导弹发射、飞机飞行、钢铁生产、电力生产、石油化工生产过程的自动控制等。 2. 实时信息处理系统。在这类系统中，用户通过终端提出服务请求，计算机系统根据用户提出的问题对信息进行检索和处理，并在很短的时间内通过终端对用户作出回答。 实时信息处理系统的应用：情报检索系统、航空订票系统、银行系统和图书管理系统等。32第一章 操作系统引论 实时操作系统的主要特点(1) 即时响应：系统必须保证对实时信息的分析和处理的速度比其进入系统的速度要快。(2) 高可靠性：与其它类

14、型系统相比，实时操作系统更注重其稳定性和可靠性。(3) 专业性双工系统：一台做为主机，另一台作为后备机与主机并行运行。一旦主机发生故障，后备机便立即代替主机继续工作，以保证系统不间断运行。33第一章 操作系统引论 实时任务类型：实时任务类型： 按任务执行时是否呈现周期性来划分(1)周期性实时任务。 (2) 非周期性实时任务。 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(Deadline)。它又可分为： 开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行； 完成截止时间任务在某时间以前必须完成。 34第一章 操作系统引论 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

15、(1) 多路性：相同 (2) 独立性：相同(3) 及时性：实时系统要求更高(4) 交互性：分时系统交互性更强(5) 可靠性：实时系统要求更高35第一章 操作系统引论 概念：多任务是指用户可以在同一时间内运行多个应用程序，每个应用程序被称作一个任务。 DOS是一个典型的字符界面的单用户单任务操作系统，16位 windows是一个图形界面的多任务操作系统(单用户多任务)，32位。 UNIX,LINUX都属于多用户多任务操作系统。附、 PC机操作系统的发展36第一章 操作系统引论 1969年，Ken thompson 用汇编语言写了一个简化的MULTICS系统，简称UNICS，即UNIX。 1973

16、年，Thompson和Retchie一起用C语言重写了UNIX之后免费扩散，80年代出现商业版本。 UNIX一开始就是一个多用户多任务操作系统已经应用于从嵌入式处理器到工作站、桌面系统乃至服务于大群用户的高性能多处理机系统。附、 UNIX系列的发展37第一章 操作系统引论 LINUX是UNIX的变种，是一个源代码开放的多用户多任务操作系统 LINUX支持几乎所有的硬件平台，并广泛支持各种周边设备，是自由软件 LINUX的起源和发展确实令人惊奇。他是芬兰人Linus Torvalds(二十三岁计算机系学生)的业余发明。如今已经发展成为一个羽翼丰满的32位计算机操作系统，其性能可与商业x86UNI

17、X操作系统相媲美附、 LINUX系列的发展38第一章 操作系统引论 并行：两或多个事件在同一时刻发生。 并发：两或多个事件在同一时间段内发生。1.4 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 一、并发：宏观上并行，微观上串行 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)。或多个事件在同一时刻发生。 进程的并发：宏观上多个任务在单个处理机上交替运行39第一章 操作系统引论 互斥共享：一段时间只允许一个进程访问该资源 同时访问：微观上仍是互斥的二、共享：系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。u资源共享性： 宏观上，指多个任务可以同时使用资源 微观上，指

18、多个任务可以交替互斥的使用系统中的某个资源40第一章 操作系统引论 三、虚拟：多道程序设计使每个用户感觉是独占计算机41 通过某种技术把一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设备数，则虚拟设备的速度必然是物理设备是1/n.第一章 操作系统引论 u时分复用-以时间为代价 处理机虚拟每个用户(进程)的“虚处理机” 设备虚拟一台物理设备可以虚拟为多台逻辑设备u空分复用-以空间为代价 存储器虚拟小内存运行大进程42u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。第一章 操作系统引论 四、异步：也称不确定性，指各进程之间存在直接或间接地联系，其执行顺序和执行时间

19、的不确定；43 多道程序系统中，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速度和花费的时间u正常系统的判断依据：物流进程快慢，统一运行环境应该结果相同通过进程互斥和同步手段来保证。第一章 操作系统引论 1.5 操作系统的主要功能操作系统的主要功能u从资源管理的角度看，操作系统的功能是协调协调、管理管理计算机的软硬件资源，提高其利用率提高其利用率。（系统资源分为四大类：CPU、内存、外部设备及信息文件）。u从用户角度看，操作系统的功能是提供使用计算机的环境和服务，方便用户方便用户使用。 通常的接口有两种方式： (1) 操作命令人机对话； (2) 系统功能调用在程序中调用44第一章

20、操作系统引论 一、处理机管理功能 处理机管理要解决处理机分配调度策略、实施和资源回收等问题。 多道环境下，处理机的分配及回收都是以进程为单位，因此处理机管理可归结为进程管理。1 1、进程控制、进程控制 创建/撤销进程 迁移进程状态 一般有进程控制原语完成2 2、进程同步：协调系统中并发执行的进程、进程同步：协调系统中并发执行的进程 控制它们以互斥方式访问共享资源 或协调合作完成同一作业45第一章 操作系统引论 3 3、进程通信、进程通信 相互合作的进程彼此间交换信息 类型：直接通信、间接通信4 4、调度（作业与进程）：按某种调度策略实现对、调度（作业与进程）：按某种调度策略实现对CPUCPU的

21、分的分配配 作业调度：从后备队列挑选合适的作业为其分配必要资源，调入内存建立进程，并进入就绪队列。 进程调度：从就是队列宣传进程，分配CPU,使之运行： 调度算法：FCFS、优先权46第一章 操作系统引论 二、存储管理：多道程序共享内存1 1、内存分配、内存分配 静态分配或动态分配 需要内存分配数据结构及内存分配回收算法2 2、内存保护、内存保护 保证程序在自己的存储器空间运行，互不干涉 一般是硬件实现3 3、地址映射、地址映射 将逻辑地址转换成物理地址 程序中，逻辑空间-逻辑地址（相对地址） 内存中，物理空间-物理地址（绝对地址）4 4、内存扩充：虚拟内存、内存扩充：虚拟内存 将内、外存结合

22、起来管理。利用虚拟存储技术，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需要内存分配数据结构及内存分配回收算法47第一章 操作系统引论 三、设备管理：提高I/O利用率和速度，方便用户 设备品种多样，性能差别很大。 设备管理是操作系统中最繁杂的部分。1 1、设备无关性：、设备无关性：programprogram与设备无关，增加可移植性与设备无关，增加可移植性2 2、设备分配策略：独占分配、共享分配，虚拟分配、设备分配策略：独占分配、共享分配，虚拟分配- -spoolingspooling技术技术3 3、设备处的传输控制：中断处理，缓冲技术等、设备处的传输控制：中断处理，缓冲技

23、术等48第一章 操作系统引论 四、文件管理： 文件是若干数据的集合，有的操作系统将程序、数据以及各种外部设备统统称为文件。 文件是程序与数据在磁盘、磁带上的最新管理单元。 文件有唯一的文件名，文件就是命名利的字节流。 对文件的操作包括文件的建立、修改、删除、重命名、设置访问权限等1 1、文件存储空间的管理：解决如何存放信息，以提高空间、文件存储空间的管理：解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能利用率和读写性能2 2、目录管理：使用户按名存取，提高速度。、目录管理：使用户按名存取，提高速度。3 3、文件读写管理与存取控制（保护）、文件读写管理与存取控制（保护）49第一章 操作系统引论 五、

24、用户与操作系统的接口： 命令接口：作业一级的接口，提供一组控制操作命令（作业控制语言）供用户去组织和控制自己作业的运行，分为联机用户接口与脱机用户接口。 图形接口：命令接口的图形化。 程序接口：程序一级接口，OS提供一组系统调用供用户程序和其他系统程序调用，完成数据传输，文件操作，资源分配等操作，表现为低级汇编指令和高级语言的库函数。50第一章 操作系统引论 基本概念基本概念-OS定义定义1 1、科普的观点：操作系统是计算机系统的管理和控制中心，、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组织和管理计算机系

25、统资源，使之能高效地运行资源，使之能高效地运行。2 2、功能的观点：操作系统是一个、功能的观点：操作系统是一个计算机管理系统计算机管理系统，它负责，它负责计算机系统的全部资源的分配、控制、调度和回收。计算机系统的全部资源的分配、控制、调度和回收。3 3、用户的观点：操作系统是、用户的观点：操作系统是计算机与用户间的接口计算机与用户间的接口，用户，用户通过这种接口使用计算机。通过这种接口使用计算机。综合来说，操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它综合来说，操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它是一个这样一些程序模块的集合是一个这样一些程序模块的集合它们它们管理和控制管理和控制计算计算机系统中

26、的硬件及软件资源，机系统中的硬件及软件资源，合理地组织合理地组织计算机工作流程，计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，从而在计算机与其用户之间起方便和可扩展的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到到接口的作用接口的作用。51第一章 操作系统引论 基本概念基本概念-多道程序设计多道程序设计多道程序设计：系统中允许多道程序同时进入内存，准备多道程序设计：系统中允许多道程序同时进入内存，准备运行，当正在运行的程序因某种原因暂时不能继续运行时运行，当正在运行的程序因某种原因暂时不能继续运行时系统将自动

27、启动另一道程序运行；一旦原因消除暂停运行系统将自动启动另一道程序运行；一旦原因消除暂停运行的那道程序在将来某个时候可以被系统重新启动继续运行。的那道程序在将来某个时候可以被系统重新启动继续运行。多重处理系统配置多个多重处理系统配置多个CPU,CPU,能真正同时运行多道程序。能真正同时运行多道程序。52多道程序设计带来的问题：多道程序设计带来的问题：1.1.协调因争夺协调因争夺CPUCPU或或I/OI/O而产生的冲突，解决同步、互斥和而产生的冲突，解决同步、互斥和死锁问题。死锁问题。2.2.防止各道程序之间的交叉和冲突、防止作业被无意地破防止各道程序之间的交叉和冲突、防止作业被无意地破坏。坏。3

28、.3.必须建立高效、可靠和方便的文件系统，有效地管理和必须建立高效、可靠和方便的文件系统，有效地管理和存取系统中的软件资源很辅存空间。存取系统中的软件资源很辅存空间。第一章 操作系统引论 基本概念基本概念-进程与线程进程与线程进程进程是指，程序的一次执行，包括可执行的程序、是指，程序的一次执行，包括可执行的程序、程序所需的数据和相关状态信息。进程是资源分程序所需的数据和相关状态信息。进程是资源分配的最小实体，在传统的配的最小实体，在传统的OSOS中，进程同时也是系中，进程同时也是系统调度的最小单位。统调度的最小单位。线程线程是指，程序的一次相对独立的运行过程；在是指，程序的一次相对独立的运行过程；在现代现代OSOS中，线程是系统调度的最小单位。中，线程是系统调度的最小单位。53第一章 操作系统引论 基本概念基本概念-作业作业 作业是指，计算机用户在一次上机过程中要求作业是指，计算机用户在一次上机过程中要求计算机系统为其所做工作的集合；作业中