课件：操作系统_第一章

1、课程安排教材:计算机操作系统教材（第4版）张尧学，宋虹，张高编著。参考书：现代操作系统AndrewSTenenbeum著。考核：平时作业：20%， 期中考试：20%，期末考试：60%。授课老师：徐泽林，操作系统第一章 绪论第一章 绪论操作系统概念操作系统历史操作系统的基本类型操作系统功能计算机硬件简介算法的描述研究操作系统的几种观点1. 操作系统概念什么是操作系统？计算机系统的组成：硬件和软件。硬件：中央处理机（运算器和控制器）、存储器、输入设备、输出设备。软件：系统软件和应用软件。系统软件：操作系统、多种语言处理程序（汇编和编译程序）、连接装配程序、系统实用程序和多种工具软件。应用软件：各种

2、为应用而编制的软件。裸机操作系统编辑和编译软件各种应用软件1. 操作系统概念引入操作系统的目的用户：满足计算和处理需求和谐的交互环境安全可靠的服务管理 系统管理员：合理地组织计算机工作流程合理地分配计算机软硬件资源满足多用户高效率共享发展的观点：为计算机系统功能拓展提供支撑平台1. 操作系统概念操作系统的定义和特点定义：操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它是这样一些程序模块的集合它们管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个具有足够的功能、使用方便、可拓展、安全和可管理的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作用。特点：可靠

3、性、安全性、可用性和可管理性。2. 操作系统历史人们通常按照器件工艺的演变把计算机发展过程分为4个阶段。1946年至20世纪50年代末：第一代，电子管时代，无操作系统。20世纪50年代末至60年代中期：第二代，晶体管时代，批处理系统。20世纪60年代中期至70年代中期：第三代，集成电路时代，多道程序设计。20世纪70年代中期至20世纪末：第四代，大规模和超大规模集成电路时代，分时系统。21世纪初：移动、分布和网络计算等。2. 操作系统历史手工操作阶段特点：没有操作系统，没有任何软件。输入输出设备为纸带（卡片）。上机完全手工操作。所有运行管理和作业步由 用户自己承担。2. 操作系统历史早期批处理

4、手工操作的问题：CPU利用率太低。解决途径：配备专门的计算机操作员，程序员不再直接操作计算机；进行批处理：把用户的作业分类，由专门程序依次处理一批作业。早期批处理分类：联机批处理脱机批处理2. 操作系统历史早期批处理联机批处理用户提交作业程序、数据以及作业说明书；作业被做成穿孔纸带或卡片；操作员选择若干作业合成一批，通过纸带输入机存入磁带；监督程序读入一个作业；从磁带调入汇编程序和编译程序，将用户作业源程序翻译成目标代码；连接装配程序把目标代码及其所需子程序装配成可执行程序；启动执行；执行完毕，输出计算结果；再读入一个作业，重复（5）-（9）；一批处理完，返回到（3），处理下一批作业。2. 操

5、作系统历史早期批处理脱机批处理卫星机：作为输入输出设备与主机之间的桥梁。输入设备通过卫星机把作业输入到输入带；输出带通过卫星机将作业执行结果输出到输出设备。主机和卫星机可以并行工作。纸带机卡片机打印机卫星机主机输入带输出带2. 操作系统历史批处理的特点：优点：改善了主机CPU和输入输出设备的使用情况，提高了计算机系统的处理能力。缺点：磁带需要人工拆装；系统的保护问题：在批处理过程中，监督程序、系统程序和用户程序之间存在着一种调用关系，任何一个环节出现问题，整个系统都会停顿。执行系统通道： 专用部件，负责输入和输出设备与主存之前的信息传输。中断技术：当主机接收到外部信号时，马上停止原来的工作，转

6、去处理这一事件，处理完毕后，主机回到原来的断点继续工作。执行系统利用通道和中断技术，输入输出可在主机下完成批处理。2. 操作系统历史执行系统的特点：优点：输入输出工作是由主机控制下的通道完成的，主机和通道、主机和输入输出设备可以并行工作。用户的输入输出工作由系统执行没有人工干预，由系统检查其合法性，提高了系统的安全性。中断技术。除了输入输出的中断外，其他中断如算术溢出和非法操作码中断等可以克服错误停机，时钟中断可以解决用户程序中出现的死循环等。缺点：执行系统是单道顺序地处理作业，外围设备与主机可能会出现空闲。2. 操作系统历史多道程序系统输入输出设备CPU输入数据运行处理运行处理输出数据输入数

7、据输入输出设备CPU输入数据运行处理运行处理输出数据输入数据单道程序多道程序2. 操作系统历史多道程序系统多道程序系统特点：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。宏观上并行。微观上串行，各道程序轮流使用CPU，交替执行。多道程序系统技术问题：并行运行程序的同步与互斥机制问题。对内存的使用问题（覆盖技术、交换技术、虚拟存储技术）。系统程序存储区与用户程序存储区的内存保护问题。2. 操作系统历史多用户分时操作系统技术基础：CPU速率的提高和分时技术的出现。概念：把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。特点：交互性。可以在程序运行状态下加以控制。多用户同时性。

8、共享CPU和其他资源。独立性。每个用户有独占计算机的错觉。2. 操作系统历史实时操作系统概念：实时操作系统是以在允许的时间范围之内做出响应为特征的。它要求计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许时间范围内做出快速响应。特点：即时响应。保证对实时信息的分析和处理速度比进入系统速度快。高可靠性。系统本身安全可靠。专用性。大多用于嵌入式设备中。常用领域：实时生产控制、武器系统、航空订票、银行业务。2. 操作系统历史通用操作系统概念：可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。举例：实时批处理系统：优先处理实时任务，插空进行批处理。分时批处理系统：无分时用

9、户前提下进行批处理。Unix：通用的多用户分时交互型操作系统。2. 操作系统历史个人计算机上的操作系统概念：联机的交互式单用户，具有高速数据处理能力的实时多任务操作系统。特点：用户友好，多媒体技术丰富。高速信号处理；大容量内存、外存；大数据量宽频带传输举例：Windows系列、Linux。2. 操作系统历史网络操作系统概念：网络操作系统的研制开发是在原来各自的计算机操作系统的基础上进行的，按照网络体系结构的各个协议标准进行开发，包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和多种网络应用服务等达到上述诸方面的要求。特点：通过通信设施执行信息交换、资源共享、互操作和协作处理，实现多种应用要求。举例：No

10、vell公司的NetWare。2. 操作系统历史分布式操作系统概念：通过通信网络将物理上分布的、具有自治功能的数据处理系统或计算机系统互联起来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务。与网络操作系统的区分：分布式操作系统没有明确的通信协议（诸如ISO/OSI一系列协议）；分布式操作系统需要一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性：高级操作系统（各处理机有自己的私有操作系统，必须有一个策略使整个系统融为一体）。高级操作系统的两种形式:独立于私有操作系统，私有操作系统识别并调用；作为私有操作系统的扩展。2. 操作系统历史与网络操作系统的区分：系统的透明性。系统对用户透明，提供统一的界面和标准的接口，

11、为用户提供所需的操作和使用系统资源。分布式系统是物理上的松耦合，逻辑上的紧耦合系统。由于分布式系统更强调分布式计算和处理，因此对于多机合作和系统重构、坚强性和容错能力有更高的要求，希望系统有更短的响应时间、高吞吐量和高可靠性。分布式系统目前还没有真正实用的系统。3. 操作系统功能处理机管理单道作业或单用户情况下：处理机为一个作业或用户独占。多道程序、多用户下：处理机管理要解决处理机分配调度策略、分配实施和资源回收等问题。操作系统对处理机管理策略不同作业处理方式不同不同性质的操作系统3. 操作系统功能存储管理对存储器进行分配、保护和扩充的管理。内存分配：保证系统和各用户程序的存储区互不冲突。存储

12、保护：系统中有多个程序运行，一道程序在执行过程中不会有意或无意破坏另一道程序。内存扩充：把内部存储器和外部存储器结合起来管理，可以为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟内存器。3. 操作系统功能设备管理通道、控制器和输入输出设备的管理。根据一定的分配策略，把通道、控制器和输入输出设备分配给请求输入输出操作的程序。虚拟技术和缓冲技术。设备独立性。设备管理不应设计具体的设备特性。3. 操作系统功能信息管理（文件系统管理）软件资源的管理程序和数据统称为信息或文件。管理文件在外存中的存储。负责文件的共享、保密和保护。 避免非授权用户访问修改文件，实现系统的安全可靠。3. 操作系统功能用户接口程序一级

13、接口：提供一组广义指令供用户或其他系统程序调用，诸如数据传输、文件操作等。作业一级接口：提供一组控制操作指令共用户去组织和控制自己作业的运行。Shell。脱机控制、联机控制 。4. 计算机硬件简介计算机的基本硬件元素处理器、存储器、输入输出控制与总线、外部设备。PCIRMARMBRI/OARI/OBR程序数据I/O控制器缓冲外部设备处理器I/O控制器总线PC: 程序计数器IR: 指令寄存器MAR: 内存地址寄存器MBR: 内存缓冲寄存器I/OAR: I/O地址寄存器I/OBR: I/O缓冲寄存器4. 计算机硬件简介计算机的基本硬件元素处理器、存储器、输入输出控制与总线、外部设备。处理器：控制和

14、执行计算机的指令操作。在每个CPU基本周期内，从内存中取出指令，解码以确定其类型和操作数，执行后再取指、解码下一指令。每个CPU有一套可执行的专门指令集。CPU内有一些保存关键变量和临时数据的寄存器，避免频繁读取内存。多数计算机还有一些对程序员可见的专门寄存器：程序计数器、堆栈指针、程序状态字（PSW）等。4. 计算机硬件简介计算机的基本硬件元素处理器、存储器、输入输出控制与总线、外部设备。存储器：用来存储数据和程序。分为：寄存器、高速缓存、内存和外存。各级存储器的访问速度、存储容量、职能和造价各不相同。4. 计算机硬件简介计算机的基本硬件元素处理器、存储器、输入输出控制与总线、外部设备。输入

15、输出控制器与缓冲器：控制和暂存外部设备与计算机内存之间交换的数据和程序。实现I/O的方式：忙等待：CPU一直轮询设备，直到对应的I/O操作完成。中断：设备驱动程序启动设备，并在该设备完成时发出一个中断。直接存储器访问（DMA）芯片：可以控制在内存和某些控制器间的位流而无须持续的CPU干预。 4. 计算机硬件简介计算机的基本硬件元素处理器、存储器、输入输出控制与总线、外部设备。外部设备：获取和输出数据与程序的基本单位。模拟式设备要通过模/数，数/模转换才能与计算机通信。 4. 计算机硬件简介计算机的基本硬件元素处理器、存储器、输入输出控制与总线、外部设备。总线：连接计算机各部件的通信线路。 单总

16、线：处理机、外部设备和存储器都连接在一起。多总线：CPU和内存分开连接，外部设备和外存也用其他总线分开连接进行管理和数据传送。高速缓存总线、内存总线、PCI总线、SCSI总线、USB总线、IDE总线等。4. 计算机硬件简介与操作系统相关的几种主要寄存器寄存器：在处理机中交换数据的速度比内存更快、体积更小、价格又更贵的暂存器件。用户可编程寄存器：机器语言或汇编语言的程序员可对用户可编程寄存器进行操作，以获得更高的执行效率。控制与状态寄存器：对处理机的优先级、保护模式或用户程序执行时的调用关系等进行控制和操作。4. 计算机硬件简介与操作系统相关的几种主要寄存器用户可编程寄存器： 数据寄存器：功能丰

17、富。地址寄存器：一般用来存放内存中某个数据或指令的地址，或某段数据和指令的入口地址，或用来计算更复杂的地址。地址标识位寄存器内存管理用的各种始地址寄存器堆栈指针设备地址寄存器等。条件码寄存器：标志寄存器，其比特位由处理机硬件设置。例如一次算术运算，可能导致条件码寄存器被设置正、负、零或溢出。4. 计算机硬件简介与操作系统相关的几种主要寄存器控制与状态寄存器：程序计数器（PC）。装有下一周期被执行指令的地址。指令寄存器（IR）。装有待执行的指令。程序状态字（PSW）寄存器。各个比特位代表系统中当前的各种不同的状态和信息，例如执行模式，是否允许被中断等。中断现场保护寄存器。保存被中断程序的现场和链

18、接中断恢复处。过程调用堆栈。存放过程调用时的调用名、调用参数以及返回地址等。4. 计算机硬件简介存储器的访问速度寄存器高速缓存内存硬盘缓存硬盘光盘、磁盘访问速度存储量4. 计算机硬件简介指令的执行与中断指令的读入和执行过程为一个执行周期。执行指令的基本过程：处理机从内存根据程序计数器（PC）所指地址读入指令的过程。执行指令寄存器（IR）中的指令。读入下一条指令执行当前指令开始结束4. 计算机硬件简介指令的执行与中断指令的读入和执行过程为一个执行周期。指令的执行涉及范围：处理机与内存之间的数据传输；处理机与外部设备之间的数据传输；数据处理（算术运算、逻辑运算等）；对其他指令的控制；以上几种情况的

19、组合。4. 计算机硬件简介指令的执行与中断中断：在指令的执行过程中或一条指令执行结束后，处理机暂停正在执行的程序，转去处理外部设备或计算机内部发生的紧急事件，处理完毕后，返回原处继续执行的过程。用户程序中断处理程序中断指令i指令i+14. 计算机硬件简介指令的执行与中断中断好处：可以实时处理许多紧急事件；增加处理机的效率；简化操作系统的程序设计。读入下一条指令执行当前指令开始结束允许中断？检查中断位读入中断处理指令NY4. 计算机硬件简介操作系统的启动启动计算机电源。计算机硬件自动产生一个中断信号，这个中断信号触发处理器中的一段指令执行。该段指令执行的结果将是发现外部存储设备中操作系统引导区（boot block）的位置。操作系统引导区中的代码将被自动导入计算机的内存，并开始执行。操作系统程序加载到计算机内存中的指定区域，并