第1章 操作系统引论

操作系统李新荣联系方式姓名：李新荣Qq：42658795电话公室：教10605联系方式课件上传地址：邮箱：li42658795@126.com密码：42658795本课程要学习的知识什么是操作系统？为什么需要操作系统？操作系统是怎样编写和运行的？Linux操作系统的基本命令和编程。学习操作系统的方法课程的特点概念多，理论性强，实践性强方法：古代哲人：听而易忘，见而易记，做而易懂。多做实验：没有听会的，没有看会的，只有做会的复习C语言，熟练掌握C编程作业、实验、考勤和成绩作业提交每章交一次，章节结束后，周一课前交实验报告两周交一次,实验课课前交成绩平时成绩*30%+考试成绩*70%考勤缺课和缺少作业1/3不允许参加考试作业、实验、考勤和成绩环境：Linux实验分组验收，每组3人，由验收组长验收，组长总结这次实验效果，并给组员打分，分数分等级:A、B、C、D。组员共同给组长打分。打分情况要真实，指导教师根据打分情况进行抽查，若完成情况与打分情况不符，等级将为D。作业、实验、考勤和成绩请在周五上课前将分组情况上报，每组组长排名写在第一位。3人一组，最后一组允许4人。第1章操作系统引论作业P31：1、2、3、11、12、14-18P33：1、2、3、13-18(第三版)本章内容操作系统的目标和作用（重点）操作系统的发展过程操作系统的基本特征（重点）操作系统的主要功能（重点）操作系统的结构设计1.1操作系统的目标和作用问题：常用的操作系统有哪些？操作系统有什么作用？1.1操作系统的目标和作用目标与计算机系统应用环境有关查询系统：交互性好工业控制、武器控制：实时性和可靠性高微机上：方便性1.1.1操作系统的目标方便性有效性可扩充性开放性方便性配置OS后可使计算机系统更容易使用。可通过OS命令使用计算机比如，用编译命令可方便地把用户用高级语言书写的程序，翻译成机器代码，大大方便了用户，从而使计算机变得易学易用。方便性有效性可扩充性开放性有效性第一层含义提高系统资源的利用率比如处理器、I/O设备第二层含义提高系统的吞吐量方便性有效性可扩充性开放性可扩充性能够添加新的功能和模块，能够对原有的模块进行修改等目的就是能够适应计算机硬件、体系结构、以及应用发展的要求。方便性有效性可扩充性开放性开放性开放性是指系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连OSI国际标准。凡遵循国际标准所开发的硬件和软件，能彼此兼容，可方便地实现互连。开放性是一个计算机的核心问题，也是一个新推出的系统或软件能否被应用的重要因素。方便性有效性可扩充性开放性1.1.2操作系统的作用OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS作为计算机系统资源的管理者OS实现了对计算机资源的抽象1.用户与计算机硬件系统之间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图1-1OS作为接口的示意图用户可通过这三种方式使用OS含义：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2.操作系统是计算机系统资源的管理者资源处理器、存储器、I/O设备信息（数据和程序）功能处理机管理：用于分配和控制处理机存储器管理：主要负责内存的分配与回收I/O设备管理：负责I/O设备的分配与操纵文件管理：负责文件的存取、共享和保护3.OS实现了对计算机资源的抽象用户机器指令物理接口硬件用户I/O软件物理接口硬件I/O操作命令（read、write）虚拟机实现了对计算机资源的抽象虚拟机通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。在第一层软件上再覆盖上一层文件管理软件，则用户可利用该软件提供的文件存取命令，来进行文件的存取。此时，用户所看到的是台功能更强的虚机器。在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件，则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能更强的虚机器。实现了对计算机资源的抽象OS是铺设在计算机硬件上的多层系统软件，它们不仅增强了系统的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，由它们实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象。值得说明的是，对一个硬件在底层进行抽象后，在高层还可再次对该资源进行抽象，成为更高层的抽象模型。随着抽象层次的提高，抽象接口所提供的功能就越来越强，用户使用起来也更加方便。1.1.3操作系统发展的主要动力不断提高计算机资源利用率方便用户器件的不断更新换代计算机体系结构的不断发展不断提出新的应用需求批处理系统人机交互系统分时系统1.2操作系统的发展过程在20世纪50年代中期出现了第一个简单的批处理操作系统。20世纪60年代中期产生了多道程序批处理系统；不久又出现了基于多道程序的分时系统20世纪80年代至90年代微型机、多处理机和计算机网络大发展的年代，同时也是微机OS、多处理机OS和网络OS的形成和大发展的年代。1.2.1未配置操作系统的计算机系统1.人工操作方式第一代计算机1.2.1无操作系统的计算机系统人工操作方式1.人工操作方式特点：先由程序员将事先已穿孔（对应于程序和数据）的纸带（卡片）装入纸带输入机（或卡片输入机），再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果，才让下一个用户上机。1.人工操作方式人工操作方式缺点：用户独占全机。此时，计算机及其全部资源只能由上机用户独占。CPU等待人工操作。当用户进行装带（卡）、卸带（卡）等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。后果：严重降低了资源的利用率,产生了所谓的人机矛盾2.脱机输入输出方式该技术是指事先将装有用户程序和数据的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片机），在一台外围机的控制下，把纸带（卡片）上的数据（程序）输入到磁带上。当CPU需要这些程序或数据时，再从磁带高速地调入内存。当输出时，在另一台外围机的控制下，将磁带上的结果通过相应的设备输出。脱机输入输出方式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示意图脱机输入输出方式图1-3脱机I/O示意图脱机输入/输出方式与联机输入/输出方式的含义：前者由于程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下完成的，或者说，它们是在脱离主机的情况下进行的，故称为脱机输入/输出方式。在主机的直接控制下进行输入/输出的方式称为联机输入/输出（On-LineI/O)方式。脱机输入/输出的优点：减少了CPU的空闲时间：装带（卡）、卸带（卡）以及将数据从低速I/O设备送到高速磁带（或盘）上，都是在脱机情况下进行的，都不占用主机时间，从而有效减少了CPU的空闲时间。提高I/O速度：当CPU在运行中需要数据时，是直接从高速的磁带或磁盘上将数据调入内存的，不再是从低速I/O设备上输入，从而大大缓和了CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾。1.2.2单道批处理系统处理过程：通常是把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序，在它的控制下使这批作业能一个接一个地连续处理。图1-4单道批处理系统的处理流程是还有下一个作业？把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？是装配目标程序运行目标程序否否停止开始缺点：系统资源利用率低用户程序监督程序I/O操作t1t2t3t4t5t6t7t8图1-5单道程序运行情况I/O中断请求I/O中断请求启动I/OI/O完成启动I/OI/O完成结束中断结束中断1.2.3多道批处理系统为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统。20世纪60年代，由IBM生产的第一台小规模集成电路计算机-IBM360，为它开发的OS/360操作系统，是第一个能运行多道程序的批处理系统。1.多道程序的概念在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。CI/O请求C再被调度程序BI/O请求程序A程序B程序D调度程序程序C程序A程序AI/O请求程序AI/O完成程序A再被调度A完成程序B程序BI/O完成程序CCI/O完成程序D程序DI/O请求(b)四道程序运行情况2.多道批处理系统的优点（1）资源利用率高由于内存中驻留了多道程序，它们共享资源，可保持资源处于忙碌状态，从而使各种资源得以充分利用。（2）系统吞吐量大第一、CPU和其他资源保持“忙碌状态”；第二、仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销3.多道批处理系统的缺点（1）平均周转时间长作业的周转时间：是指作业进入系统开始，直至完成并退出系统为止所经历的时间。在批处理系统中，由于作业要排队，依次进行处理，因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。（2）无交互能力用户一旦把作业提高给系统后，直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，这对修改和调试程序是极不方便的。4.多道批处理系统需要解决的问题（1）处理机管理问题（2）内存管理问题（3）I/O设备管理问题（4）文件管理（5）作业管理问题（6）用户与系统的接口问题问题的解决在计算机系统中增加一组软件，用于对上述问题进行妥善、有效地处理。这组软件应包括：能控制和管理四大资源的软件、合理地对各类作业进行调度的软件，以及方便用户使用计算机的软件。正是这组软件构成了操作系统。操作系统的定义操作系统是一组组织和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。1.2.4分时系统分时系统分时系统是指，在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源的系统。分时操作系统计算机硬件…………终端终端终端终端命令系统回答分时系统示意图产生动力：用户需求用户的需求具体表现：（1）人-机交互（2）共享主机（3）便于用户上机分时系统实现中的关键问题及时接收及时处理分时系统的特征（1）多路性（2）独立性（3）及时性通常1~3s（4）交互性1.2.5实时系统所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统（Real_TimeSystem)是指系统能及时（或实时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。1.实时系统的类型工业控制系统信息查询系统多媒体系统嵌入式系统2.实时任务的类型按任务执行时是否呈现周期性来划分周期性实时任务非周期性实时任务根据对截止时间的要求来划分硬实时任务软实时任务图硬实时系统的实例3.实时系统与分时系统特征的比较从多路性、独立性、交互性、及时性和可靠性五个方面加以比较多路性实时信息处理系统的多路性与分时系统一样，系统也按分时原则为多个终端服务；实时控制系统，其多路性表现在：系统经常对多路的现场信息进行采集，以及对多个对象或多个执行机构进行控制。独立性实时信息处理系统，每个终端用户在与系统交互时，彼此相互独立，互不干扰；实时控制系统中，对信息的采集和对对象的控制，也都是互不干扰的。及时性实时信息处理系统实时性的要求同分时系统；实时控制系统则以控制对象所要求的开始与完成截止时间来确定，一般为秒级、百毫秒级直至毫秒级，甚至有的要低于100微秒。交互性实时信息处理系统中，人与系统的交互，仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。它不象分时系统那样能向终端用户提供数据处理服务、资源共享服务。可靠性实时系统要求系统可靠度更高。1.2.6微机操作系统的发展(自己看)1．单用户单任务操作系统主要配置在8位和16位微机上。最有代表性的单用户单任务微机操作系统是CP/M和MS-DOS。2．单用户多任务操作系统3．多用户多任务操作系统1.3操作系统的基本特征1.3操作系统的基本特征四个基本特征并发共享虚拟异步1.3.1并发性1.并发和并行并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。1.3.1并发性并发和并行的联系与区别在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行。在单处理机系统时，每个时刻却仅有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。在多处理机系统中，则这些并发执行的程序便可被分配到多个处理机，实现并行执行。2.引入进程通常的程序是静态实体，它们是不能并发执行的。为使多个程序能并发执行，系统要为每个程序建立进程（Process),只有进程才能独立运行并作为资源分配的基本单位，多个进程之间可以并发执行和交换信息。3.引入线程通常在一个进程中可以包含若干个线程，它们可以利用进程所拥有的资源。在引入线程的OS中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。近年来推出的通用操作系统都引入了线程，以便进一步提高系统的并发性，并把它视作现代操作系统的一个重要标志。1.3.2共享所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程（或线程）共同使用。两种资源共享方式互斥共享方式同时访问方式1.互斥共享方式如打印机、磁带机等可以被多个进程共享，但在一段时间内，只能有一个进程来访问，只有当该进程释放该资源后，才允许其它的进程来使用。这样的资源称为临界资源或独占资源。2.同时访问方式如磁盘，允许在一段时间内有多个进程“同时”访问，但这个“同时”是宏观上的，在微观上，这些进程可能使交替地对该资源进行访问。并发和共享的关系：并发和共享都是操作系统的两个最基本特征，他们又是互为存在的条件。一方面，资源共享是以程序（进程）的并发为条件的，若系统不允许并发执行，自然不存在资源共享问题。另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，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，甚至无法并发执行。1.3.3虚拟定义是指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。物理实体是实的，即实际存在的，而后者是虚的，是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术，称作虚拟技术。分类时分复用：处理机、虚拟设备空分复用：存储器1.3.4异步含义进程是以不可预知的速度向前推进。异步发生的原因：多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但只有进程在获得资源后方能继续执行。内存中的每个进程何时能获得处理机，何时又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成，等等，都是不可预知的。1.4操作系统的主要功能引入操作系统的目的是为多道程序的运行提供良好的运行环境，以保证多道程序能有条不紊地、高效地运行，并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率和方便用户的使用。操作系统的功能处理机管理存储器管理设备管理