第一章操作系统引论-烟台大学计算机及控制工程学院

1、第一章操作系统引论-烟台大学计算机及控制工程学院第一页，共81页。吴企渊梁燕编著计算机操作系统清华大学出版社第二页，共81页。课程学习要领登高望远：“会当凌决顶，一觅众山小”三大宇宙观：时空观： 计算机发展特点：速度加快和容量增大； 计算机工作：在特定时刻、特定地点建立“0”和“1” ；静动观： 软硬件新产品不断涌现；阴阳观（ “对立统一” ）： 计算机人才和行业的剧烈竞争； 用户需求和产品的矛盾。第三页，共81页。基本要求掌握基本原理熟悉常用主要功能特点了解操作系统设计思想与结构 第四页，共81页。传统课程的“共性”和“个性”教师、学生和环境（教室，教材，实验，纸，笔）“共性”：新概念、术语

2、、新名词、定理、思路、结构；技巧、实现方法、算法、评述等“个性”：具体内容的联想、对比、实践第五页，共81页。学习方法知识：需要记忆、积累 联想、对比 抓重点技能：需要训练、经验 方法、技巧 抓特点思路：逻辑思维 形象思维第六页，共81页。操作系统知识体系结构知识结构： 操作系统是计算机技术与管理技术的结合知识面：至少记住以下两句话：.操作系统是方便用户，管理和控制整个计算机软硬件资源的程序系统（系统软件）.操作系统有“五大类型”和“五大功能”（批处理，分时，实时，网络，分布； 作业，文件，存储，设备和进程管理）知识点： “五大类型”和“五大功能” 的基本知识和应用技能第七页，共81页。计算机

3、操作系统是计算机技术和管理技术的结合。管理技术：1. 分门别类 2. 详细记录 3. 调度策略第八页，共81页。数据结构(堆)栈 Stack队(列) Queue表(格) Table树(型) Tree图(论) Graphic、Chart、Map、Picture、Drawing场(论) Field第九页，共81页。计算机操作系统第一章 操作系统引论第二章 作业管理第三章 文件管理第四章 存储管理第五章 设备管理第六章 进程及处理机管理第七章 操作系统结构和程序实现第十页，共81页。第十一页，共81页。第一章 操作系统引论操作系统的概念操作系统的形成和五大类型操作系统的五大功能表征操作系统的属性第十

4、二页，共81页。操作系统的概念(1)操作系统的英文名是Operating System，缩写成OS操作系统是一种软件，属于一种系统软件 从用户角度看，操作系统可以看成是计算机的硬件扩充人机交互方式来看，操作系统是用户与机器的接口管理者角度看，操作系统也是管理资源的程序扩充第十三页，共81页。操作系统的概念(2)从计算机的系统结构看，操作系统是一种层次、模块结构的程序集合，属于有序分层法，是无序模块的有序层次调用。操作系统是计算机技术和管理技术的结合操作系统相当于计算机系统的“管理机构”。操作系统是为计算机用户服务，它的主人就是用户。OS是方便用户管理和控制计算机软硬件资源的系统软件或程序集合O

5、S的核心管理机构是“内核”（Kernel）第十四页，共81页。操作系统的设计观点用户观点：方便用户资源观点：充分利用资源第十五页，共81页。操作系统形成的历史(1)1946年50年代末当时计算机处于电子管时代，根本没有操作系统。人们把这个时期称为“手工操作阶段”。顾名思义人们当时使用的计算机大量需要人工控制，还没有“管家”来为他们服务。50年代后期计算机的运行速度有了很大的提高，从每秒几千次、几万次发展到每秒几十万次、上百万次。第十六页，共81页。操作系统形成的历史（2）50年代末60年代中期此时计算机进入了第二代晶体管时代。为了解决人机矛盾，提高自动化程度，设计了批处理系统。联机批处理系统：

6、人们研制了监督程序，由该程序自动依次处理一系列任务脱机批处理系统：“主机-卫星机”模式执行系统：“CPU通道中断”模式第十七页，共81页。操作系统形成的历史（3）60年代中期70年代中期计算机进入第三代集成电路时代。在这一时期操作系统初步形成并完善。出现了三种最基本的操作系统类型：多道批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。第十八页，共81页。操作系统形成的历史(4)80年代至今第四代计算机，大规模集成电路工艺技术飞速发展。操作系统也有了进一步发展：出现了个人计算机上的操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。第十九页，共81页。操作系统的类型五大类型：批处理操作系统 （单道批处理系统 、多

7、道程序设计技术、 多道批处理操作系统）分时操作系统实时操作系统网络操作系统分布式操作系统第二十页，共81页。多道批处理操作系统=批处理系统+多道程序设计技术单道运行：每次只调一个用户程序进入内存让它运行多道程序设计：即在系统内（内存）同时存放并运行几道相互独立的程序。多道程序设计的基础：是将运行过程进一步细化成几个小的步骤，从而实现宏观上的并行。但从微观上看，内存中的多道程序轮流地或分时地占用处理机，交替执行。第二十一页，共81页。多道程序系统 多重处理系统 多用户 多终端多道是指内存中驻留多个程序或一个程序的多个程序段，因此，多用户系统一定是采用多道技术。而多道系统不一定是多用户系统。多重处

8、理系统一般指多CPU系统。当然，一个CPU的系统采用分时技术可以为多用户服务。多用户的关键技术是在用户之间要有保密保安措施。终端指用户使用的硬件设备，即使一个终端也可为多用户用，例如，银行的自动取款机(ATM)。纯码 = 可重入代码（当多用户使用相同程序时采用此技术）第二十二页，共81页。 分时 实时分时技术：把CPU的时间分成很短的时间片（例如，几十至几百毫秒）工作随着时间片的时间减少，对换时间所占的比例随之增大。随着用户数目的不断增加，这种矛盾会越来越突出，所以有用户数限制。特点是计算机规定特点是人（用户）实时是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内作

9、出快速反应交互作用能力较差特点是人（用户）规定计算机第二十三页，共81页。网络操作系统=计算机技术+通信技术网络操作系统：NetwareWindows NTLinuxNFS网络软件配置：网络通信协议、网址（IP地址或域名地址）网络硬件配置：服务器、配置了网卡的工作站、路由器、交换机、HUB等第二十四页，共81页。分布操作系统：全分布式：系统自动寻找地址，并合理分配各种资源。半分布式：需用户进行适当干预。第二十五页，共81页。操作系统的五大功能(1)作业管理 包括任务管理、 界面管理、人机交互、形界面、语音控制和虚拟现实等文件管理 又称为信息管理存储管理 实质是对存储“空间”的管理，主要指对内存

10、的管理第二十六页，共81页。操作系统的五大功能(2)设备管理 实质是对硬件设备的管理，其中包括对输入输出设备的分配、启动、完成和回收进程管理 又称外理机管理，实质上是对处理机执行“时间”的管理，即如何将CPU真正合理地分配给每个任务第二十七页，共81页。表征操作系统的属性(1)响应比，响应系数：Rp = 作业响应时间/运行时间（估计值） 影响因素:CPU速度，内外存对换，I/O调度，用户数，时间片，事件优先权等第二十八页，共81页。表征操作系统的属性(2)并发性也叫“共行性”（concurrent）, 表现在：多个作业并发执行或一个用户作业的多个程序段间并发执行多个输入输出设备间并发工作信息的

11、共享、保密与保护,常见方法有：给用户设置登录口令给文件加权限给文件加密第二十九页，共81页。表征操作系统的属性(3)可扩充性、可移植性、可读性、可“生成”性“可扩充性”表示该操作系统可灵活地按照用户的需要增加功能“可读性”和“可移植性”均表现操作系统的适应性安全可靠性“行业评测性能比较”法第三十页，共81页。表征操作系统的属性(4)可测试性测试程序（Benchmark）有：中央处理单元（CPU）：每秒百万条指令MIPS事件（Event）：每秒处理事务数TPSMIPS是指CPU速度，对于数学运算的应用项目有重要意义。但对于一般的数据处理，涉及输入输出的动作较多，TPS测试更为切合实际。第三十一页

12、，共81页。操作系统的生成、设置和配置概念生成目的：产生最适合用户自己工作环境的操作系统内核生成过程：UNIX中用NEWCONFIG命令。WINDOWS中用SETUP命令。生成范围：不可能任意按用户要求产生。生成方式（安装方式）：最小安装、典型安装、完全安装、自定义安装第三十二页，共81页。计算机操作系统第一章 操作系统引论第二章 作业界面管理第三章 文件管理第四章 存储管理第五章 设备管理第六章 进程及处理机管理第七章 操作系统结构和程序实现第三十三页，共81页。第二章作业管理（高级处理机管理）作业管理作业(Job) ,任务(Task):让计算机完成一件事或任务,可大可小,可多可少作业步(J

13、ob steps) ：顺序执行的工作单元作业流(Job Stream) ：作业步控制流程作业同步(Job Synchronization) ：工作条件作业类别： 终端交互，批处理作业， 用户界面，人机界面，图形用户界面（GUI）（Graphic User Interface），多媒体技术，科学计算可视化，虚拟现实（VR）第三十四页，共81页。三代用户界面第一代用户界面：操作命令和系统调用在一维空间(命令行界面),操作员记、击（键盘）；第二代用户界面：图形界面在二维空间(图形界面),用户看、点（图符）；第三代用户界面：虚拟现实在三维空间(虚拟现实的界面元素),计算机对人（语音、视点、姿势）作出反

14、应。用户界面的设计特点 计算机不断适应人的需求,以方便用户为目标。 将涉及现代操作系统代码中的80%以上。第三十五页，共81页。传统的人机接口 操作命令： 联机（键盘操作命令） 脱机（作业控制语言） 用户组合自编（Shell语言）：DOS Shell；UNIX ；BShell、CShell等 系统调用（System Call）： 程序请求（Program Request）、任务调用（Task Call）、宏指令（Macro Instruction）、广义指令（Generalized Instruction）、（访问）内部指令（DOS 系统）、“开放”子程序第三十六页，共81页。Shell语言现

15、有编程语言的综合扩大到文件间的控制流转移一个命令做成一个文件外部编程可以进行适当的进程控制 举例：DOS Shell（DOS5.0以上） UNIX B Shell,C Shell第三十七页，共81页。作业输入输出方式输入、处理和输出输入输出方式：脱机、直接耦合（交互联机）和SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operation On Line）（联机外围同时操作，假脱机）（排队转储，设备虚拟技术）JCB(作业控制块)内容简介：作业名、当前状态、资源要求清单（外设号、内存大小、文件量）、资源使用情况（时间记录：进入、开始运行、已运行时间、内存地址）、作业类型（占CP

16、U时间、I/O吞吐量、响应时间要求）、优先权等注：管理表格设计要记住设计原则，即要想管理得好其表项内容要记录必要的详细内容第三十八页，共81页。作业调度收容队列运行完成选中提交进入SPOOLingCPU执行第三十九页，共81页。作业调度功能1.采用JCB（Job Control Block）表格，记录各作业状况2.按选定的算法，从后备作业队列中选出一部分（多道）或一个作业投入运行3.为被选中的作业做好运行前的准备工作。例如，建立相应的执行单元（进程）和分配系统资源4.作业运行结束的善后处理工作第四十页，共81页。JCB内容举例作业类型、作业名资源要求清单。例如，要求外设的类型和台数；要求内存的

17、容量作业建立时间、估计运算时间、最迟完成时间优先数当前状态其它第四十一页，共81页。作业调度算法 作业调度（Scheduler） 、任务调度先来先服务(FCFS)(First Come First Serve ）作业平均周转时间=(作业完成时刻i-作业提交时刻i)/N个作业最短作业优先：在作业内容参差很不均衡时有合理性“响应比”最高的优先：“响应(系数)比”: 作业响应时间(等待和运行)/作业运行时间定时轮转法(按时间片) ：适合作业不定情况优先数法：例如，JUNE O.S. 优先数 =（等待时间）2-要求运行时回-16x输出量事件驱动法：例如，用户窗口控制第四十二页，共81页。UNIX, L

18、inux联机命令手冊索引/usr/man/目录下分类:man1 系统常用命令 (/bin;/usr/bin)man2 系统调用（原语）大部分用C语言编写man3 文本调用 (libc); 语言函数子过程(*.o;/lib;/usr/lib)man4 特殊文件（设备管理） (/dev)man5 文件格式man6 游戏（games）说明man7 杂項（miscellaneous）(UNIX) ；宏命令包 (Linux)man8 系统管理与维护工具（/etc目录下）man9 核心例程(Linux)第四十三页，共81页。计算机操作系统第一章 操作系统引论第二章 作业界面管理第三章 文件管理第四章 存储

19、管理第五章 设备管理第六章 进程及处理机管理第七章 操作系统结构和程序实现第四十四页，共81页。第三章 文件管理文件管理任务与功能文件的分类文件的物理结构和逻辑结构文件目录文件存取控制文件系统的数据结构和表示第四十五页，共81页。文件管理任务与功能文件管理任务文件管理功能文件组织机构第四十六页，共81页。文件管理任务文件管理是软件（程序与数据集合）资源管理，是涉及用户作业和内部硬件管理任务：把存储、检索、共享和保护文件的手段，提供给本身和用户，以方便用户及资源利用功能：分配与管理外存提供合适的存储方法文件共享，保护解决冲突第四十七页，共81页。文件管理功能分配与管理外部存储器，用户以文件形式存

20、放信息，“按名存取”，文件的机内码与磁盘、光盘等外存的地址建立起相对应的表格联系提供合适的存储方法，例如，鍵盘命令以及程序中使用系统调用控制。包括文件的创建(Create)、打开(Open)、关闭(Close)、读写(Read/Write)、刪除(Delete, Erase)和重命名或改名(Rename)等文件的共享与保护，解决文件命名中的冲突和存取权限的控制第四十八页，共81页。文件组织结构文件（File）文件元素(File Element)文件系统(File System)第四十九页，共81页。文件文件是软件机构，软件资源的管理方式具有符号名的一组相关元素的有序序列，是一段程序或数据的集合

21、一组赋名的相关联字符流的集合，或者是相关联记录。而记录是有意义的信息集合OS 中文件特点第五十页，共81页。OS 中文件特点本身作成文件，系统启动后引导入内存常驻仅涉及简单逻辑组织把慢速I/O设备也看成一文件比较 结构 解释O S 无 无D S 有 无D B 有 有第五十一页，共81页。文件元素物理上: 由位（bit）、字节（byte）、块（block）、页（page）、盘(disk)等组成逻辑上: 有字（word）、字段（segment）、记录（record）、虚拟块（virtual block）、文件（file）、文件目录(file directory) 、文件夹（Folder）和文件卷（

22、volume）等第五十二页，共81页。文件系统文件系统包含文件管理程序（文件与目录的集合）和所管理的全部文件是用户与外存的接口系统软件为用户提供统一方法（以数据记录的逻辑单位），访问存储在物理介质上的信息文件系统=文件管理程序（文件和目录的集合）+它所管理的全部文件文件系统特点第五十三页，共81页。文件系统特点使用方便，灵活，用户按名存取安全可靠， 保护系统和用户提供保密与共享UNIX文件系统特点分层“倒树”型文件系统每一用户可以是树的一个分支，分支独立，可以与别的“叶”重名“树根”是所有用户有用的工具性程序第五十四页，共81页。文件分类原因分类按文件性质与用途分类按操作保护分类按使用情况分类

23、按用户观点分类(UNIX或Linux操作系统)按存取的物理结构分类按文件中的数据形式分类第五十五页，共81页。文件分类原因文件的分类是为了更好地管理和使用，要科学地分门别类，对不同的文件进行不同的管理。这样，不仅提高了文件的存取速度，对文件的共享和保护也有利一般系统级与用户级要进行不同的管理，例如，一个系统文件工作时要读入内存，放在内存的某一固定区，有较高的保护级别，一般用户不允许进入。而一般用户的用户文件是在另外管辖的可用区有空闲时才能被调入指定的内存用户区第五十六页，共81页。按文件性质与用途分类（1）系统文件由系统软件构成的文件，只允许用户通过系统调用或系统提供的专用命今来执行它们，不允

24、许对其进行读写和修改主要有操作系统核心和各种系统应用程序或实用工具程序和数据组成例如：,/unix第五十七页，共81页。按文件性质与用途分类（2）库文件文件允许用户对其进行读取和执行，但不允许对其进行修改主要由各种标准子程序库组成例如：C语言、FORTRAN子程序库存放在子目录下 *.LIB,/lib/,/usr/lib/第五十八页，共81页。按文件性质与用途分类（3）用户文件是用户通过操作系统保存的用户文件，由文件的所有者或所有者授权的用户才能使用主要由用户的源程序源代码、可执行目标程序的文件和用户数据库数据等组成例如：*.c,*.for,*.f,*DBF,*.OBJ,*.o第五十九页，共8

25、1页。按操作保护分类只读文件：只允许文件主及被核准的用户去读文件，而不允许写文件。标记为：-r可读可写文件：允许文件主及被核准的用户去读和写文件。标记为： -rw可执行文件：允许文件主及被核准的用户去调用执行该文件而不允许读和写文件，标记为： x各个操作系统的保护方法和级别有所不同DOS操作系统三种保护：系统、隐藏、可写UNIX或Linux操作系统有九个级别的保护第六十页，共81页。按使用情况分类临时文件：用于系统在工作过程中产生的中间文件，一般有暂存的目录，正常工作情况下，工作完毕会自动删除，一旦有异常情况往往会残留不少临时文件永久文件: 指一般受系统管理的各种系统和用户文件，经过安装或编辑

26、、编译生成的文件，存放在软盘、硬盘或光盘等外存上档案文件: 系统或一些实用工具软件包在工作过程中记录在案的文挡资料文件，以便查阅历史挡案第六十一页，共81页。按用户观点分类（1）普通文件(常规文件) 是指系统中最一般组织格式的文件，一般是字符流组成的无结构文件用ls -l命令列文件清单，首项特征为： “-”，即 -rwxrwxrwx目录文件是由文件的目录信息构成的特殊文件，操作系统将目录也做成文件，便于统一管理用ls -l命令列文件清单时，可见到首项特征为“d”（directory）： drw-rw-rw-第六十二页，共81页。按用户观点分类（2）特殊文件（设备驱动程序）在UNIX或Linux

27、操作系统中，所有的输入输出外部设备都被看作特殊文件便于统一管理操作系统会把对特殊文件的操作转接指向相应的设备操作，真正的设备驱动程序不包含在这特殊文件中，而是指向与链接到操作系统核心中存放在内存高端部分用ls -l命令列文件清单，首项特征为： “c” ，即crw-rw-rw- （character,字符型）以及“b”，即 brw-rwrw-（block,块型）第六十三页，共81页。按存取的物理结构分类(1)顺序（连续）文件文件中的纪录，顺序地存储到连续的物理盘块中，顺序文件中所记录的次序，与它们存储在物理介质上存放的次序是一致的链接文件文件中的纪录可存储在并不相邻接的各个物理块中，通过物理块中

28、的链接指针组成一个链表管理，形成一个完整的文件,又称指针串连文件或直接存取文件第六十四页，共81页。按存取的物理结构分类(2)索引文件文件中的纪录可存储在并不相邻接的各个物理块中，纪录和物理块之间通过索引表项按关键字存取文件，通过物理块中的索引表管理，形成一个完整的文件第六十五页，共81页。按文件的逻辑存储结构分类有结构文件 由若干个记录所构成的文件，故又称为记录式文件无结构文件 这是直接由字符序列所构成的文件，故又祢为流式文件第六十六页，共81页。按文件中的数据形式分类源文件由源程序和数据构成的文件一般是由美国信息交换标准码（ASCII）、EBCD码或汉字编码组成目标文件由源程序经过相应的计

29、算机语言编译程序编译，但尚未经过链接程序链接的目标代码所形成的文件后缀名为“.OBJ”（DOS系统）或“.o”（UNIX或Linux操作系统）第六十七页，共81页。文件的逻辑结构文件的逻辑结构从用户观点看按文件名及记录号存取文件是一维,连续,字符,序列等为存储检索或加工方便文件由若干个逻辑记录组成命名或编号第六十八页，共81页。文件的物理结构(1)又称文件的存储结构，是指文件在外存上的存储组织形式，是与存储介质的存储性能有关操作系统在各项管理中主要采用大量的表格数据结构空闲表法为每个文件分配一个连续的存储空间第六十九页，共81页。文件的物理结构(2)空闲(自由)链表法 增加一项存放指向空闲块的指针成组链接法 在UNIX或Linux操作系统中采用,兼备了两种方法的优点而克服了两种方法表格太长的缺点第七十页，共81页。成组链接法第七十一页，共81页。文件目录是文件系统中主要数据结构之一,文件存储后用户通过用户文件逻辑结构的索引链接找到对应的物理结构分类文件目录的管理第七十二页，共81页。文件目录分类(1)一级文件目录DOS2.0版本以下采用，一个磁盘一个目录，一个文件一个说明表目优点是简单，缺点是无法防止重名或被刪，安全保密性差，目前已淘汰二级文件目录产生于多用户分时系统，DOS2.0版本