2012级讲义第1-8章操作系统概论

1、操作系统北京大学计算中心 付中南 第1章 导论1.1 操作系统做什么1.2 计算机系统组织1.3 计算机系统体系结构1.4 操作系统的形成与发展1.5 操作系统结构1.6 操作系统操作1.7 进程管理1.8 内存管理1.9 存储管理第1章 导论1.1 操作系统做什么操作系统是几乎所有计算机系统的一个重要部分。计算机系统可以大致分为4个组成部分：计算机硬件、操作系统、系统程序与应用程序和用户等。在计算机系统的操作过程中，操作系统提供了正确使用这些资源的方法。为了更加全面地理解操作系统所担当的角色，接下来从两个视角探索操作系统：用户视角和系统视角。第1章 导论1.1 操作系统做什么1.1.1 用户

2、视角计算机的用户观点因使用接口的不同而不同。绝大多数用户面对的是一台由显示器、键盘、鼠标和主机组成的PC。这类系统设计是为了让单个用户单独使用其资源，其目的是优化用户所进行的工作。对于这种情况，操作系统的设计目的是为了用户使用方便，性能是次要的，而且不在乎资源使用率。第1章 导论1.1 操作系统做什么1.1.1 用户视角在某些情况下，用户坐在与大型机或小型机相连的终端前，其他用户通过其他终端访问同一台计算机。这些用户共享资源并可交换信息。这时操作系统设计为资源使用做了优化：确保所有的CPU时间、内存和I/O都能得到充分使用，并且确保没有用户使用超出其权限的资源。第1章 导论1.1 操作系统做什

3、么1.1.1 用户视角在另一些情况下，用户坐在工作站前，工作站与其他工作站和服务器相连。这些用户不但可以使用专用的资源，而且可以使用共享资源，如果网络和服务器等。因此，这类操作系统的设计目的是个人使用性能和资源利用率的折中。第1章 导论1.1 操作系统做什么1.1.2 系统视角从计算机的角度来看，操作系统是与硬件最为密切的程序。我们可以将操作系统看做资源分配器。操作系统管理计算机资源并决定如何为各个程序和用户分配资源，以便计算机系统能有效而公平地运行。第1章 概述1.1 操作系统做什么1.1.3 定义操作系统一般来说，目前没有一个关于操作系统的十分完整的定义。操作系统之所以存在，是因为它们提供

4、了解决创建可用的计算机系统问题的合理途径。一个比较比较公认的定义是，操作系统是一直运行在计算机上的程序（通常称为内核），其他程序则为系统程序和应用程序。第1章 概述1.2 计算机系统组织1.2.1 计算机系统操作现代通用计算机系统由一个或多个CPU和若干设备控制器通过共同的总线相连而成，该总线提供了对共享内存的访问。每个设备控制器负责一种特定类型的设备。CPU与设备控制器可以并发工作，并竞争内存周期。为了确保对共享内存的有序访问，需要内存控制器来协调对内存的访问。第1章 导论1.2 计算机系统组织1.2.1 计算机系统操作内存CPU磁盘控制器USB控制器显卡磁盘显示器鼠标键盘打印机第1章 导论

5、1.2 计算机系统组织1.2.1 计算机系统操作事件的发生通常通过硬件或软件中断来表示。硬件可随时通过系统总线向CPU发出信号以触发中断。软件通过执行特别操作如系统调用，也能触发中断。当CPU中断时，它暂停正在做的事情并立即转到固定的位置去继续执行。该固定位置通常是中断服务程序开始位置的地址。中断服务程序开始执行，执行完毕后，CPU重新执行被中断的计算。中断体系结构保存被中断指令的地址。处理中断后，保存的返回地址会装入程序计数器，被中断的计算可以重新开始。第1章 导论1.2 计算机系统组织1.2.2 存储结构计算机程序必须在内存（RAM）中以便运行。内存是处理器可以直接访问的唯一的大容量存储区

6、域。一个典型的指令执行周期首先从内存中获取指令并保存在指令寄存器中。接着，指令被解码，并可能导致从内存中获取操作数或将操作数保存在内部寄存器中。在指令完成对操作数的执行后，其结果可以存回到内存。第1章 导论1.2 计算机系统组织1.2.2 存储结构理想情况下，程序和数据都永久驻留在内存中。由于以下原因，这是不可能的：内存太小，不能永久存储所有需要的程序和数据。内存是易失性存储设备，当掉电时会失去所有内容。因此，绝大多数计算机系统都提供辅存以作为内存的扩充。对辅存的要求是它要能够永久地存储大量的数据。最为常用的辅存设备是磁盘，它能存储程序和数据。第1章 导论1.2 计算机系统组织1.2.2 存储

7、结构寄存器高速缓存主存磁盘第1章 导论1.2 计算机系统组织1.2.3 I/O结构在计算机中，存储器只是众多I/O设备中的一种，操作系统大部分代码用来进行I/O管理，这既是因为它对系统可靠性和性能十分重要，也是因为设备变化的特性。现代计算机由设备控制器负责控制特定类型的设备。设备控制器维护一定量的本地缓冲存储和一组特定用途的寄存器，负责在其所控制的外部设备与本地缓冲存储之间进行数据传递。第1章 导论1.2 计算机系统组织1.2.3 I/O结构操作系统为每个设备控制器提供一个设备驱动程序。这些设备驱动程序驱动设备控制器并向操作系统其它部分提供设备的统一接口。要开始I/O操作，设备驱动程序首先将适

8、当的寄存器装载到设备控制器中。然后设备控制器检查寄存器中的内容后决定采取什么样的操作。数据传输完成后，控制器会通过中断通知设备驱动程序它已完成操作。最后，设备驱动程序将系统控制权交回给操作系统。第1章 导论1.2 计算机系统组织1.2.3 I/O结构上述I/O中断驱动适合移动少量数据，但对大块的数据移动，如磁盘I/O，就会带来超载问题。DMA（direct memory access）就是为了解决这个问题而设计的。在为这种I/O设备设置好缓冲、指针和计数器之后，设备控制器能在本地缓冲和内存之间传送一整块数据，并且无需CPU的干预。每块只产生一个中断，来告知设备驱动程序操作已完成。第1章 导论1

9、.3 计算机系统体系结构1.3.1 单处理器系统绝大多数系统采用单处理器。在单处理器系统中，有一个主CPU能够执行一个通用指令集，包括来自用户进程的指令。绝大多数的单处理器系统还包括其他特定目的的处理器，它们可能以专用设备处理器的形式出现。第1章 导论1.3 计算机系统体系结构1.3.2 多处理器系统多处理器的重要性日益突出，有三个主要优点：增加吞吐量：通过增加处理器的数量，能在更短的时间内做更多的事情。规模经济：多处理器系统比单处理器系统能节省资金，因为它们能共享外设、大容量存储和电源供给。增加可靠性：将功能分布在多个处理器上，那么单个处理器的失灵不会导致系统停止，只会使它变慢。第1章 导论

10、1.3 计算机系统体系结构1.3.2 多处理器系统现在使用的多处理器系统主要有两种类型：非对称多处理和对称多处理。非对称多处理中有一个主处理器控制系统，其他处理器向主处理器要任务或完成预定义的任务。对称处理中每个处理器都要完成操作系统中的所有任务。第1章 导论1.3 计算机系统体系结构1.3.3 集群系统多CPU系统的另一种类型是集群系统。与多处理器不同，它是由两个或多个独立的系统耦合起来的。集群系统可以是对称的，也可以是非对称的。第1章 导论1.4 操作系统的形成与发展1.4.1 顺序处理（手工操作）阶段早期的计算机（20世纪40年代50年代），程序员直接与计算机硬件打交道，没有操作系统。计

11、算机由CPU、主存、输入设备、打印机和操作开关组成。使用机器代码编写程序，通过输入设备装入计算机，然后通过操作开关启动程序运行。第1章 导论1.4 操作系统的形成与发展1.4.2 简单的批处理系统早期计算机造价昂贵，且人工调度和编排作业的方式浪费了大量的计算机时间。因此，要使计算机得到充分利用，必须改进使用方式，从而产生了操作系的概念。简单批处理模式使用一种监控程序软件。用户不再直接与计算机打交道，而是将自己的作业交给机房的操作员，操作员将多个程序放在输入设备上由监控程序自动控制输入设备。第1章 导论1.4 操作系统的形成与发展1.4.3 多道成批处理系统多道程序设计进入20世纪60年代中后期

12、，计算机硬件技术有了巨大的发展，产生了硬件通道、中断和缓冲技术。通道、中断的出现，使计算机在组织结构上发生重大变革，原先以CPU为中心的体系结构，转变为以内存为中心。通道，是一种比CPU速度慢、价格较便宜的硬件。专门用于控制输入/输出设备的I/O处理机。通道和中断的出现使CPU摆脱了对慢速设备的控制，从而提高系统的处理效率。第1章 导论1.4 操作系统的形成与发展1.4.3 多道成批处理系统多道程序设计的技术实现存储器的分配和存储保护处理机的管理和调度系统其它资源的管理和调度第1章 导论1.4 操作系统的形成与发展1.4.4 分时系统批处理系统使用多道程序技术后，提高了机器的利用效率。但这样的

13、系统仍存在以下两个问题：不能直接控制作业运行。作业的周转时间太长。分时系统提供了多个用户通过交互方式分享使用同一台计算机的环境。第1章 导论1.4 操作系统的形成与发展1.4.4 分时系统分时是指多个用户分时使用CPU的时间。将CPU的单位时间划分成若干个时间段，每个时间段称为一个时间片。时间片轮流把CPU分配给各联机用户使用，每个用户都能在很短时间内得到计算机的服务，彼此感觉不到别的用户存在，好像整个系统为他独占。这样的系统叫做分时系统。第1章 导论1.4 操作系统的形成与发展1.4.4 分时系统分时系统的特点：同时性。若干终端用户可以同时使用一台计算机。独立性。各用户之间彼此独立地占有一台

14、终端工作，互不干扰。交互性。所谓交互性是指用户从终端键盘上输入各种控制作业的命令，系统响应和处理这些命令，且将处理结果输出显示。用户可根据系统显示结果继续输入。及时性。用户的请求能在较短时间内得到响应。第1章 导论1.4 操作系统的形成与发展1.4.5 实时系统实时，是指计算机对随机发送外部事件能够做出及时的响应和处理。实时系统不同于作业处理系统。作业处理系统以作业为处理对象；而实时系统以数据或信息作为处理对象，既不接收用户作业，也没有作业的概念，只有几个有外部事件触发的任务。第1章 导论1.4 操作系统的形成与发展1.4.5 实时系统实时系统具有的主要特点实时性可靠性可确定性第1章 导论1.

15、5 操作系统结构操作系统最重要的一点是要有多道程序处理能力。单个用户通常不能总是使得CPU和I/O设备都忙。多道程序设计通过组织作业使CPU总有一个作业在执行，从而提高了CPU的利用率。多道程序系统提供了一个可以充分使用各种系统资源的环境，但是它们没有提供与计算机系统直接交互的能力。第1章 导论1.5 操作系统结构分时系统是多道程序设计的延伸。在分时系统中，CPU还是通过在作业之间切换来执行多个作业，但由于切换频率很高，用户可以在程序运行期间与之进行交互。分时操作系统允许许多用户同时共享计算机。由于分时系统的每个动作或命令都比较短，因而每个用户只要少量的CPU时间。随着系统从一个用户快速切换到

16、另一个用户，每个用户会感到整个系统只为自己所用。第1章 导论1.5 操作系统结构分时和多道程序设计需要在存储器中同时保存有几个作业。通常由于主存较小而不能容纳太多作业，所以这些作业刚开始存储在磁盘的作业池中。该池由所有驻留在磁盘中需要等待分配内存的作业组成。如果多个作业需要进入内存但又没有足够的内存，那么系统必须在这些作业中做出选择。这样的决策被称为作业调度。如果有多个任务需要同时执行，系统必须做出选择，这种选择称为CPU调度。第1章 导论1.6 操作系统操作现代操作系统是由中断驱动的。如果没有进程要执行，没有I/O设备要服务，也没有用户请求要响应，操作系统将会静待某事件的发生。由于操作系统和

17、用户共享了计算机系统的硬件和软件，必须保证用户程序出错时仅影响该程序自身。如果没有保护机制来处理这些错误，计算机一次只能执行一个进程。操作系统的合理设计必须确保错误程序不会造成其他程序的执行错误。第1章 导论1.6 操作系统操作双重模式操作为了确保操作系统的正常执行，必须区分操作系统代码和用户代码的执行。许多操作系统所采取的方法是提供硬件支持以允许区分各种执行模式。至少需要两种独立的操作模式：用户模式（user mode）和内核模式（kernel mode)在计算机硬件中增加一个名为模式位的位状态标记，值为0时表示系统当前运行在内核模式，值为1时表示系统当前运行在用户模式。第1章 导论1.6

18、操作系统操作双重模式操作user processkerneluser process executingcalls system callreturn from system callexecute system call user modekernel mode第1章 导论1.6 操作系统操作双重模式操作双重模式保证操作系统不受用户破坏，也保证用户不受其他用户影响。将可能引起损害的机器指令被设计成特权指令，这些指令仅在内核模式下可以执行，任何用户在用户模式下无法直接执行这类指令。第1章 导论1.7 进程管理程序在被CPU执行前不会做任何事情。正在执行中的程序称为进程。每个进程都需要一定的系统

19、资源，包括CPU时间，内存，文件和I/O设备等来完成它的任务。这些资源可以在进程被创建时分配给它也可以在进程运行中分配。程序本身并不是进程。进程是系统的工作单元。系统由多个进程组成，其中一些是操作系统进程，其余的是用户进程。第1章 导论1.7 进程管理操作系统负责下述与进程管理相关的活动：创建和删除用户进程及系统进程。挂起和重启进程。提供进程同步机制。提供进程通信机制。提供死锁处理机制。第1章 导论1.8 内存管理内存是现代计算机系统操作的中心。内存是一个大的字节或字的数组，每个字节或字都有其自己的地址。CPU在获取指令时从内存中读取指令，而在获取数据时对内存的数据进行读出或写入。内存通常是C

20、PU可以直接寻址和访问的唯一大容量存储设备。第1章 导论1.8 内存管理要执行一个程序，必须将它装入内存并映射到内存的绝对地址。程序在执行过程中通过产生绝对地址来访问程序指令和数据。为改善CPU的利用率和计算机对用户的响应速度，通用计算机必须在内存中保留多个程序，从而产生对内存管理的需要。第1章 导论1.8 内存管理操作系统负责下列有关内存管理的活动：记录内存的哪部分正在被使用以及被谁使用。当有内存空间时，决定哪些进程可以进入内存。根据需要分配和释放内存空间。第1章 导论1.9 存储管理为了便于使用计算机系统，操作系统提供了统一的逻辑信息存储观点。操作系统对存储设备的物理属性进行了抽象，定义了逻辑存储单元，即文件。操作系统将文件映射到物理介质上，并通过这些存储介质访问这些文件。第1章 导论1.9 存储管理1.9.1 文件系统管理文件管理是操作系统最为常见的组成部分。操作系统负责下列有关文件管理的活动：创建和删除文件。创建和删除目录来组织文件。提供操作文件和目录的原语。将文件映射到二级存储上。在稳定存储介质上备份文件。第1章 导论1.9 存储管理1.9.2 大容量存储器管理由于内存太小不能容纳所有数据和程序，并且掉电会失去所有数据，计算机系统必须提供二级存储器以备份内存。绝大多数现代计算机采用硬盘作