操作系统原理课件

操作系统毕野计算机科学系（407室）操作系统毕野前言课程地位：操作系统是计算机本科学生一门重要的专业必修课，也是一门核心主干课。课程影响：提高专业理论水平和基本操作技能；培养较高层次的应用开发和实践创新能力；提高未来发展机遇和竞争能力。课程目标：主要掌握操作系统的基本概念，基本组成和基本功能，以及实现各功能的基本原理、技术和方法。前言课程地位：操作系统是计算机本科学生一门重要的专前言课程特点：概念多，理论深，方法活。学习要求：认真读书、理解概念、完成作业、上机实验。考试形式：理论闭卷：70%；作业、实验平时考查：30%前言课程特点：概念多，理论深，方法活。第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用1.2操作系统的发展过程1.3操作系统的基本特性1.4操作系统的主要功能1.5操作系统的结构设计补充：操作系统的运行环境

第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用学习目标重点OS发展过程中的相关技术、概念（1.2节）多道程序设计技术（1.2节）OS目标、作用、基本特性（1.1、1.4节）学习目标重点1.1操作系统的目标和作用分析：从应用需求看OS的产生背景用户——应用程序——计算机硬件（低效、困难）用户——应用程序——公共的底层硬件操作或公共服务——计算机硬件（高效、方便）结论：OS有利于填补用户与机器硬件之间的鸿沟，为创建可用的计算环境提供了合理途径OS（类似于政府）1.1操作系统的目标和作用分析：从应用需求看OS的产生背景OS的定义没有一个精确统一的定义，一种使用比较普遍的说法（P9）：OS作为一种系统软件，是一组能够控制和管理计算机系统的硬软件资源、合理组织计算机工作流程、方便用户使用计算机的程序的集合。OS在系统中的地位政府：组织社会资源、制定发展规划、坚持民本思想（便民、利民）OS的定义没有一个精确统一的定义，一种使用比较普遍的说法（P1.1.1操作系统的目标有效性（针对硬软件——自底向上的观点）OS有利于提高系统的资源利用率OS有利于提高系统的吞吐量（通过合理地组织计算机的工作流程，缩短程序的运行周期）方便性（针对用户——自顶向下的观点）OS为方便用户使用计算机提供了多种接口注意：有效性和方便性在不同系统中各有侧重，可能需要折中考虑！?1.1.1操作系统的目标有效性（针对硬软件——自底向上的1.1.1操作系统的目标（续）可扩充性OS要适应计算机硬件、体系结构（多机系统、分布式系统）以及应用发展（例如语音输入）的要求。开放性开放性是指系统能遵循世界标准规范，便于软硬件兼容和系统互连。POSIX：OS的应用程序接口（API）标准（P265）Window、X-Window：图形用户界面标准TCP/IP：网络互联的事实标准1.1.1操作系统的目标（续）可扩充性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处于用户与计算机硬件系统之间，是一种软件接口。用户通过OS来使用计算机。分为用户接口程序接口（也称系统调用或API）——>针对程序员联机用户接口（命令——>图形用户接口）脱机用户接口（作业控制语言JCL）——>针对批处理作业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1.1.2操作系统的作用（续）OS作为计算机系统资源的管理者资源分为四类：处理器（CPU）、存储器、I/O设备以及信息（数据和程序）。OS的资源管理功能：进程管理（或处理机管理）：用于分配和控制处理机；存储管理：主要负责内存的分配与回收；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。1.1.2操作系统的作用（续）OS作为计算机系统资源的管理1.1.2操作系统的作用（续）OS实现了对计算机资源的抽象OS是裸机上的第一层软件，实现了对硬件功能的首次扩充，将用户（程序员）从复杂硬件控制中解脱出来，为用户提供的是一台使用更为方便的虚拟机。裸机：不配备任何软件的计算机系统。裸机对外提供的接口是指令系统和中断捕获能力。虚拟机：在原有机器的基础上，增加一层或多层软件后得到的功能更强大的新机器。经OS扩充产生的虚拟机对用户提供了更强大易用的用户接口和程序接口。1.1.2操作系统的作用（续）OS实现了对计算机资源的抽象虚拟机的示意图图1-2

I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节,形成了第一层虚拟机

虚拟机的示意图图1-2I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节经OS多层软件包装产生的更强大、易用的虚拟机OS经Java运行环境包装产生的Java虚拟机红色边界：OS与硬件的边界，属于系统结构的研究范畴（确定软硬件的边界）！虚拟机示意图（续）经OS多层软件包装产生的更强大、易用的虚拟机OS经Java运1.1.3推动操作系统发展的主要动力不断提高计算机资源利用率（例如：批处理系统和多道程序设计技术）方便用户使用（例如：分时系统、图形用户界面）器件的不断更新换代（32位OS——>64位OS）计算机体系结构的不断发展（单机OS——网络OS——分布式OS）注意：前两个是最重要的发展主线1.1.3推动操作系统发展的主要动力不断提高计算机资源利用1.2操作系统的发展过程1.2.1无操作系统的计算机系统1.2.2单道批处理系统1.2.3多道批处理系统1.2.4分时系统1.2.5实时系统1.2操作系统的发展过程1.2.1无操作系统的计算机系1.2.1无操作系统的计算机系统1.人工操作方式从1945年到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。由用户（即程序员）采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统：预约上机（联机——On-Line）程序和数据事先穿孔到纸带(或卡片)上，然后装入纸带输入机(或卡片输入机)再启动这些输入设备将程序和数据输入计算机内存，然后启动计算机运行当程序运行完毕并取走计算结果之后，才让下一个用户上机。1.2.1无操作系统的计算机系统1.人工操作方式1.2.1无OS的计算机系统（续）缺点：用户独占全机资源独占，资源利用率低用户人工干预，不方便CPU等待人工操作I/O与CPU串行工作，用户操作与CPU串行工作，CPU时间浪费严重结论：人机矛盾突出1.2.1无OS的计算机系统（续）缺点：1.2.1无OS的计算机系统（续）2.脱机输入/输出(Off-LineI/O)方式——50年代末随着硬件发展，引入了外围机，并出现了程序员和操作员的分工优点：减少了CPU的空闲时间实现了CPU与I/O的并行工作提高I/O速度使用了更熟练的操作员使用了更快速的磁带缺点：仍需人工干预图1-3脱机I/O示意图

1.2.1无OS的计算机系统（续）2.脱机输入/输出(O1.2.2单道批处理系统主要改进引入监督程序（monitor），实现作业间的自动切换。监督程序常驻内存——OS的雏形工作方式作业成批组织作业单道执行图1-4单道批处理系统的处理流程

1.2.2单道批处理系统主要改进图1-4单道批处理系统1.2.2单道批处理系统（续）主要特征自动性顺序性单道性主要缺点：资源利用率仍有待提高单道作业独占资源CPU与外设之间仍然是串行工作（见后图1-5）原因：内存中只有单道作业1.2.2单道批处理系统（续）主要特征1.2.3多道批处理系统多道批处理系统（MultiprogrammedBatchProcessingSystem）在60年代中期产生，产生基础：硬件基础：中断、通道技术软件基础：多道程序设计技术多道程序设计技术在内存中同时保持多道程序，主机以交替方式同时处理多道程序。可以实现CPU与I/O设备的并行工作，有利于提高系统资源的利用率。标志着OS的形成一种专用于I/O的处理机1.2.3多道批处理系统多道批处理系统（Multiprog图1-5单道和多道程序运行情况

图1-5单道和多道程序运行情况1.2.3多道批处理系统（续）多道批处理系统：多道技术+批处理方式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”；——成批处理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。——多道多道批处理系统的特征多道性无序性：并非乱序，而是执行顺序不确定调度性：两级调度（高级调度---进程调度低级调度---作业调度）1.2.3多道批处理系统（续）多道批处理系统：多道技术+批1.2.3多道批处理系统（续）多道批处理系统的优缺点资源利用率高系统吞吐量大吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量平均周转时间长作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。由成批处理的作业组织方式所决定无交互能力用户（指程序员）一旦把作业提交给系统后，直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，对修改和调试程序很不方便满足了提高资源利用率的要求不利于方便用户1.2.3多道批处理系统（续）多道批处理系统的优缺点满足了1.2.3多道批处理系统（续）多道批处理系统需要解决的问题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1.2.3多道批处理系统（续）多道批处理系统需要解决的问题1.2.4分时系统分时系统(Time-SharingSystem)的产生推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，是提高资源利用率和系统吞吐量推动分时系统形成和发展的主要动力，则是用户的需求用户的需求人—机交互（关键）共享主机（要求互不影响）便于用户上机（TS系统的直接目标）1.2.4分时系统分时系统(Time-SharingSy1.2.4分时系统（续）分时系统——交互式系统+多道程序设计在一台主机上连接多个终端（键盘、显示器），同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式分时使用计算机，共享主机的资源。分时系统实现中的关键问题及时接收——键盘缓冲区+多路采集卡及时处理——作业直接入内存，不允许一个作业长期占用处理机1.2.4分时系统（续）分时系统——交互式系统+多道程序设1.2.4分时系统（续）分时系统的工作方式用户作业直接进入内存（批处理是先入磁盘）基于时间片轮转分配CPU时间分时系统的特征多路性——宏观上同时，微观上轮流独立性——虚拟CPU及时性以人们所能接受的等待时间来确定的，通常仅为1～3秒钟交互性——最重要特征1.2.4分时系统（续）分时系统的工作方式1.2.5实时系统实时系统(RealTimeSystem)是指系统能及时(或即时)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。“实时”是表示“及时”实时系统与分时系统特征的比较多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性更强调及时性：以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的，通常较短。1.2.5实时系统实时系统(RealTimeSyste1.2.6微机操作系统的发展按字长：8位、16位、32位、64位OS按运行方式：单用户单任务操作系统CP/M（8位）和MS-DOS（16位）单用户多任务操作系统Windows系列（32位、64位）多用户多任务操作系统UNIX（变体：Linux、Solaris）、VMS等（32位、64位）1.2.6微机操作系统的发展按字长：8位、16位、32位1.3操作系统的基本特性三种基本操作系统多道批处理系统——侧重系统性能高分时系统——侧重交互性实时系统——侧重及时性操作系统的基本特征并发（最重要特征）共享虚拟异步两个最基本特征1.3操作系统的基本特性三种基本操作系统两个最基本特征1.3.1并发性并行性（Parallel）指两个或多个事件在同一时刻发生并发性（Concurrence）指两个或多个事件在同一时间间隔内发生在单处理机系统和多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但微观上这些程序只能是交替执行并发执行的基本单位——进程或线程严格说，程序（Program）是不能并发执行的。为实现并发执行，须将程序改造成进程（Process）进一步提高系统的并发性，在进程基础上引入线程（Thread）多个老师同时为一个班上课——并发1.3.1并发性并行性（Parallel）多个老师同时为1.3.2共享性共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用。两种资源共享方式互斥共享——如何实现是OS的一个重要问题！一段时间内只允许一个进程(线程)访问特定资源临界资源或独占资源：大多数物理设备，以及软件中所用的栈、变量和表格等。它们要求被互斥地共享。同时访问针对磁盘、可重入文件等宏观上同时，微观上交替访问1.3.2共享性共享1.3.3虚拟技术虚拟（Virtual）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。虚拟性是用户的一种感觉。OS中的虚拟技术虚拟处理机：多道程序设计技术（分时系统）虚拟内存：虚拟存储技术虚拟外部设备：SPOOLing技术（实现虚拟打印机）虚拟信道：多路复用技术1.3.3虚拟技术虚拟（Virtual）实现虚拟技术的两种方式时分复用技术亦即分时使用方式。可以实现虚拟处理机、虚拟外部设备等，以提高资源的利用率。空分复用技术用来提高存储空间的利用率。虚拟磁盘技术允许将一个硬盘划分为多个逻辑驱动器；虚拟内存技术使用外存空间从逻辑上扩充内存空间。实现虚拟技术的两种方式时分复用技术1.3.4异步性异步性（Asynchronism）多道程序环境下，进程是以人们不可预知的速度向前推进（走走停停而非一气呵成），此即进程的异步性。异步性也称为不确定性。不确定性并非运行结果的不确定，而是执行顺序、执行进度的不确定（只要运行环境相同，同一个作业经多次运行，都会获得完全相同的结果）。1.3.4异步性异步性（Asynchronism）1.4操作系统的主要功能1.4.1处理机管理功能（第２、３章）1.4.2存储器管理功能（第４章）1.4.3设备管理功能（第５章）1.4.4文件管理功能（第６章）1.4.5操作系统与用户之间的接口（第７章）1.4操作系统的主要功能1.4.1处理机管理功能（第２、1.4.1处理机管理功能进程控制创建和撤消进程（线程），实现进程（线程）运行过程中的状态转换。重点介绍状态转换图、控制原语进程同步为多个进程（线程）的运行进行协调：包括互斥访问临界资源、相互合作完成特定任务等。重点介绍实现同步的信号量机制（课程难点！）进程通信实现相互合作的进程之间的信息交换。包括：共享存储器、消息传递、管道通信。调度包括作业调度和进程调度。重点介绍一些调度算法教师为一个班上课可认为是一个进程！1.4.1处理机管理功能进程控制教师为一个班上课可认为是