操作系统原理PrinciplesofOperatingSystem课件

操作系统原理

PrinciplesofOperatingSystem华中科技大学计算机学院邵志远操作系统原理

PrinciplesofOperatin使用过程中的问题遇到计算机运行或打开硬盘上的程序的速度变慢，该怎么办？

原因：硬盘上的卷可能有过多的碎片，可能是由于最近创建了大量的文件或文件夹，或安装了新软件。解决方案：如果必要，分析并整理硬盘上的卷碎片。为什么要学习操作系统？使用过程中的问题遇到计算机运行或打开硬盘上的程序的速度变慢，游戏中的现象

基本配置 推荐配置CPU Pentium3800MHz以上 Pentium41GHz以上内存 256M以上 512M以上显卡 GeForce2以上3D加速卡 Geforce4Ti以上3D加速卡硬盘 3G以上为什么要学习操作系统？游戏中的现象 基本配置 推荐配置为什么要学习操作系统操作系统做什么

#include<stdio.h>intmain(intargc,char*argv[]){puts("helloworld");return0;}

为什么要学习操作系统？操作系统做什么#include<stdio.h>为什么为什么要学习操作系统？掌握操作系统的基本理论，具备开发核心系统软件的技能，设计操作系统或者修改现有的系统掌握并行处理的思想方法，加深对使用的OS的理解，有利于深入编程用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他领域为后继课程打好基础——数据库、网络、分布式系统了解当前流行的实际操作系统的使用方法与实现技术——UNIX、Linux，Windows为什么要学习操作系统？掌握操作系统的基本理论，具备开发核心系应用软件用户程序操作系统裸机操作系统的工作：（1）程序的执行（2）完成与硬件有关的工作（3）完成与应用无关的工作（4）计算机系统的效率与安全问题操作系统课程特点涉及面广错综复杂实践性强怎样学习操作系统深入理解教学内容独立完成练习题做好阶段复习理论联系实际应用软件操作系统裸机操作系统的工作：操作系统课程特点怎样学习

教材：

操作系统原理(第四、三版)庞丽萍华中科技大学出版社

参考教材：

UNIX操作系统设计 莫里斯·

贝奇机械工业出版社

计算机操作系统汤子瀛等西安电子科技大学出版社

现代操作系统陈向群等译机械工业出版社

计算机操作系统教程张尧学史美林清华大学出版社

操作系统基础屠立德屠祁清华大学出版社教材：

操作系统原理(第四、三版)庞丽萍华中科技大讲课学时安排章节内容学时第一章绪论3第二章操作系统的逻辑结构3第三章用户界面3第四章并发处理10第五章资源分配与调度3第六章处理机调度4第七章主存管理8第八章输入/输出管理4第九章文件系统8机动、复习248＋16讲课学时安排章节内容学时第一章绪论3第二章操作系统的学习要求与成绩评定学习要求:课前预习，认真听讲，课后复习遵守课堂纪律成绩评定：平时成绩+考试成绩闭卷考试学习要求与成绩评定第一章绪论（一）操作系统在计算机系统中的地位（二）操作系统的形成和发展（三）操作系统的定义（四）操作系统的功能（五）操作系统的基本类型（六）UNIX和Windows第一章绪论（一）操作系统在计算机系统中的地位存储程序式计算机的结构和特点

存储程序式计算机(VonNeumann计算机)基本部件

CPU、主存储器、I/O设备、控制台特点 集中顺序过程控制集中控制：由CPU集中管理顺序性：程序计数器控制过程性：模拟人们手工操作过程存储程序式计算机的结构和特点存储程序式计算机(VonNe计算机系统的组成计算机系统

（层次结构）软件硬件及固件（裸机）应用软件系统软件编辑软件、编译软件操作系统计算机系统的基础提高系统效率方便用户使用计算机系统的组成计算机系统

（层次结构）软件硬件及固件（裸机管理信息系统、飞机订票系统、

银行系统、地理信息系统、

CAD系统、数字计算软件包…管理信息系统、飞机订票系统、

银行系统、地理信息系统、

CAD系统、数字计算软件包…语言编译程序、连接装配程序、

数据库管理系统、网络软件…操作系统（一）操作系统在计算机系统中的地位计算机硬件系统软件应用软件支撑软件用户用户用户用户与硬件的关系：

控制CPU的工作、

访问存储器、

设备驱动、中断处理与用户及应用程序的关系：

提供方便的用户界面、

提供优质的服务管理信息系统、飞机订票系统、

银行系统、地理信息系统、

CA（二）操作系统的形成和发展操作系统发展是随着计算机硬件技术的发展而发展的。目标：

充分利用硬件， 提供更好的服务手工操

作阶段批处理联机

批处理脱机

批处理执行

系统操作系统形成多道程序系统多道批处理系统分时系统实时系统个人计算机操作系统网络操作系统分布式操作系统（二）操作系统的形成和发展操作系统发展是随着计算机硬件技术的

没有程序设计语言（甚至没有汇编），更谈不上操作系统.程序员提前预约一段时间,然后到机房将他的插件板插到计算机里期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断,从而可以计算自己的题目ENIAC计算机(1946年，美国宾夕法尼亚大学)运算速度：1000次/每秒,数万个真空管,占地100平方米没有程序设计语言（甚至没有汇编），更谈不上操作系统.程第1阶段手工操作阶段

硬件非常昂贵，没有操作系统特点：工作效率极低：手工操作的慢速度与机器处理的高速度每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码工作量大，难度高，易出错，需要大量人力和物力独占性、串行性问题：人机矛盾 机器速度计算所需时间人工操作时间操作时间:机器运行时间

1万次/秒 1小时 3分钟 1:20 60万次/秒 1分钟 3分钟 3:1第1阶段手工操作阶段

第2阶段单道批处理阶段

硬件昂贵，人力便宜，单任务自动批处理简单批处理：装入程序、运行、打印结果、撤出、再重复用户把作业（卡片或磁带）交给负责调度的操作员（系统管理员），由操作员按作业类型分类编成一个作业序列，送到输入设备上。常驻监督程序自动地装入程序、运行、撤出作业（1）联机批处理（2）脱机批处理（3）执行系统第2阶段单道批处理阶段

硬件昂贵，人力便宜，单批处理1.联机批处理特点：有监督程序，作业自动过渡问题：CPU高速与I/O慢速的矛盾解决：由卫星机负责I/O2.脱机批处理特点：主机与卫星机并行操作问题：调度不灵活，保护问题解决：硬件技术的发展——

通道技术、中断技术批处理1.联机批处理3.执行系统：定义：

借助于通道与中断技术，由主机控制I/O工作。原有的监督程序不仅要负责调度作业自动的运行，而且还要提供I/O控制功能。它常驻内存，称为执行系统。特点：主机、外设并行操作；增加了保护能力问题：处理机仍有空闲等待现象通道

一种专用部件，负责外部设备与内存之间信息的传输。中断主机接到信号（来自CPU外部或内部）时，立即中止原来的工作，转去处理这一事件，处理完后，主机又回到原来工作点继续工作。3.执行系统：通道一种专用部件，负责外部设备与内存之间第3阶段

多道批处理阶段

硬件较以前便宜，人力昂贵处理过程

在内存中同时存放几道相互独立的程序在管理程序控制之下，相互穿插地运行，处理机和外设尽量处于忙碌状态交互式分时处理一台计算机，多个便宜终端所有用户可与系统立即交互调试比较方便第3阶段多道批处理阶段

多道程序设计技术多道程序设计技术多道程序设计技术

多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，在管理程序的控制下相互穿插地运行。当某道程序因某种原因不能继续运行下去时（如等待外部设备传输数据），管理程序便将另一道程序投入运行。

多道运行的特征:

多道宏观上并行微观上串行多道程序设计技术 多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几分时技术与分时处理分时技术：

把处理机的响应时间分成若于个大小相等（或不相等）的时间单位，称为时间片，每个终端用户获得CPU，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运行，当时间片到（用完），用户程序暂停运行，等待下一次运行。分时计算机系统：

由于中断技术的使用，使得一台计算机能连接多个用户终端，用户可通过各自的终端使用和控制计算机，我们把一台计算机连接多个终端的计算机系统称为分时计算机系统，或称分时系统。分时技术与分时处理分时技术：实时处理什么是“实时”计算机对外来的信息能够以足够快的速度进行处理，并且在被控对象允许的时间范围内作出快速反应。实时处理以快速反应为特征，对实时信号能在截止期限之内处理并作出反应。实时处理什么是“实时”第4阶段操作系统的进一步发展

硬件非常便宜、人力昂贵单CPU计算机方面

——

批量操作系统、分时系统向小型化、微型化计算机发展

——

个人计算机操作系统向网络化发展

——

网络操作系统向具有并行结构的计算机系统

——多处理机操作系统 集群系统 分布式操作系统第4阶段操作系统的进一步发展

硬件非常便宜、人力昂贵单（三）操作系统的定义

操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合——

以尽量有效合理方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活，方便，有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效的运行。资源共享：多个计算任务对计算机系统资源的共同享用。资源竞争：多个计算任务对计算机系统资源的争夺。（三）操作系统的定义操作系统是计算机系统中的一个系统软件操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动，实现信息的存取和保护。它提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。操作系统使整个计算机系统实现了高效率和高度自动化。操作系统是整个计算机系统的核心。

操作系统的定义操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部软、硬件资源操作系统的特征并发：系统中同时存在多个程序处理多个同时性活动宏观上：这些程序是同时在执行的微观上：任何时刻只有一个程序在执行，即微观上这些程序在CPU上轮流执行共享：多个计算任务对系统资源的共同享用操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统中的资源（共享有限的系统资源）操作系统要对系统资源进行合理分配和使用资源在一个时间段内交替被多个进程所用不确定性：操作系统能处理大量的、随机的事件序列，使各用户的计算任务正确地完成。操作系统的特征并发：系统中同时存在多个程序处理多个同时性活动（四）操作系统的功能虚拟机观点裸机：没有装配任何软件的计算机称为裸机。虚拟机：装配有相应软件的机器称为虚拟机。命令解释、图形用户界面、用户程序系统调用文件系统处理机调度、内存管理设备驱动，中断处理裸机（四）操作系统的功能虚拟机观点命令解释、图形用户界面、用户程操作系统的资源管理功能

把操作系统看成一个资源管理器。换句话说，从资源管理的角度看操作系统有如下四个功能：一处理机分配

1.制定调度策略（调度原则）

2.给出调度算法

3.具体的实施处理机分派二存储器管理

1.存储分配和存储无关性

2.存储保护

3.存储扩充操作系统的资源管理功能把操作系统看成一个资源管理器。换三设备管理1.设备无关性

2.设备分配

3.设备的传输控制四软件资源管理

为用户提供一种简便的、统一的存取和管理信息的方法，并要解决信息的共享、数据的存取控制和保密等问题。三设备管理1.设备无关性操作系统的资源管理功能处理机存储器I/O设备软件资源处理机

管理存储器

管理设备

管理文件

系统系统资源操作系统功能模块操作系统的资源管理功能处理机存储器I/O设备软件资源处理机

（五）操作系统的类型

批处理操作系统分时操作系统实时操作系统个人计算机操作系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统自由软件和LINUX操作系统（五）操作系统的类型批处理操作系统多道批处理系统在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了批量操作系统。该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作业调度程序自动地选择作业运行。优点： 缩短作业之间的交接时间，减少处理机的空闲等待时间，提高系统的吞吐量缺点： 用户响应时间较长。用户既不能了解自己程序的运行情况，也不能控制计算机。多道批处理系统在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了批特点：多路调制性：众多联机用户可同时使用同一台计算机独占性：各终端用户感觉到自己独占了计算机交互性：用户与计算机之间可进行“会话”分时操作系统特点：分时操作系统实时操作系统实时操作系统：对用户（外部）的请求，实时操作系统能在规定的时间内处理完毕。

响应时间

指用户发出命令，到系统开始执行命令所需的时间。批处理操作系统没有分时操作系统秒级(一般情况）实时操作系统微秒级甚至更小（经典说法）

系统满足用户时限（deadline)的

要求(现代）实时操作系统实时操作系统：对用户（外部）的请求，实时操作系统实时操作系统实时操作系统的类型：实时控制：工业过程控制、防空系统等实时信息处理：情报检索和查询、飞机订票系统实时操作系统特点：系统对外部的信号必须能及时响应要求高可靠性和安全性，效率则放在第二位系统整体性强不要求很强的“会话”能力实时操作系统实时操作系统的类型：网络操作系统

计算机网络:

计算机技术与通信技术相结合的产物,是互连起来的计算机的集合。主机：组成网络的独立自主的计算机系统。子网：将入网主机连接起来的实体，任务是在入网主机之 间传递信息,以提供通信服务。网络协议：网络中各主机之间传递信息的规则的集合。计算机网络的组成

网络操作系统：在通常的操作系统中增加了实现网络低层协议功能和网络设备管理功能的操作系统称为网络操作系统。网络操作系统计算机网络:主机：组成网络的独立自主的计算机系分布式系统分布式系统是网络操作系统的更高级的形式,它保持了网络操作系统的全部功能。从硬件上讲，它与计算机局域网没有任何区别。关键是软件。特征: 1.统一性： 一个统一的操作系统

2.共享性： 资源进一步共享

3.透明性: 在用户眼中分布式计算机就是一台计算机

4.自治性: 处于分布式系统的多个主机处于平等地位网络操作系统与分布式操作系统的主要不同是:网络操作系统可构架于不同的操作系统之上,即在异构系统上通过网络协议实现网络资源的统一配置,并不要求透明访问。分布式系统分布式系统是网络操作系统的更高级的形式,它保持了网分布式系统集群是分布式系统的一种。

集群（Cluster）：由高速局域网连接多台计算机组成的虚拟计算机系统。分布式系统集群是分布式系统的一种。嵌入式操作系统什么是嵌入式系统？在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机”通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统手持系统在嵌入式系统中的OS，称为嵌入式操作系统嵌入式操作系统什么是嵌入式系统？在嵌入式系统中的OS，称为嵌嵌入式操作系统的应用智能卡移动通信计算机外设机顶盒零售设备印刷机复印机互联网服务器电话交换设备嵌入式操作系统的应用智能卡移动通信计算机外设机顶盒零售设备印手持系统的特性

完成某一项或有限项功能；不是通用型的内存少，处理机速度慢，屏幕小为了减少手持设备尺寸，使用耗电更小，体积更小，速度更慢的处理器；操作系统和应用程序的设计不能加重处理器的负担有些手持设备可使用无线技术，允许远程访问电子邮件和浏览网页手持系统的特性完成某一项或有限项功能；不是通用型的个人计算机操作系统MicrosoftWindows系统

32位多任务操作系统MS-DOSWindows2000/2003WindowsNTWindowsXPUnix系统

32位多用户分时操作系统惠普计算机上的HP-UXIBM小型机上的AIX苹果Mac上的AUXLinuxMinix和FreeBSD个人计算机操作系统MicrosoftWindows系统操作系统原理PrinciplesofOperatingSystem课件（六）UNIX和WindowsUNIX系统是一个交互式的多用户分时操作系统Windows是一个图形化的多任务操作系统

（六）UNIX和WindowsUNIX系统是一个交互式的UNIX操作系统的发展1965年：麻省理工学院、BELL实验室、通用电器公司组成MAC课题组联合研制Multics操作系统。1969年Multics在GE645计算机上运行，但它既没有提供预定的综合计算服务，也不知什么时候算达到开发的目标。BELL实验室退出了该课题组。Multics操作系统设计目标是要向大的用户团体提供对计算机的同时访问，支持强大的计算能力与数据存储，以及允许用户在需要的时候容易共享他们的数据——“满足所有用户的所有要求”。UNIX操作系统的发展1965年：麻省理工学院、BELL实验UNIX操作系统的发展UNIX系统的作者：操作系统的设计不应也不可能做到“满足所有用户的所有要求”，而应为广大的计算机用户提供一种良好的程序设计环境。1969年K.Thompson和D.Ritchie为了改善他们的程序设计环境，设计了宇宙旅行的游戏，后来演化成unix系统早期的版本。DennisRitchie（创造了C语言）用C语言改写了早期的UNIX系统。1974年在《ACM通信》上发表了“TheunixTime-SharingSystem”的论文，unix正式公布于世。UNIX操作系统的发展UNIX系统的作者：操作系统的设计不应

UNIX操作系统的发展惠普计算机上的HP-UXIBM小型机上的AIX苹果Mac上的AUXMinix和FreeBSDLinux

UNIX操作系统的发展惠普计算机上的HP-UXUNIX操作系统的主要特点

UNIX系统的成功有以下三个方面的原因1.设计思想正确合理为广大的计算机用户提供一个良好的程序设计环境。代码有效，容易适应特殊的需求。

2.生逢其时、选择恰当生逢其时人们盼望有一个大小适中、功能齐全、使用方便的分时操作系统见世，就在人们翘首以待的时候，UNIX系统产生了。选择恰当，C语言编写，可移植。在PDP-11系列的计算机上实现，该系统当时占据小型计算机的主要市场。

3.特色明显、品质优良良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统UNIX操作系统的主要特点

UNIX系统的成功有以下三个方

UNIX操作系统的主要特点主要特点是：⑴系统用高级语言编写⑵一个简单的用户界面---shell⑶树形结构的文件系统⑷文件、设备统一处理⑸内核和核外程序的有机结合⑹丰富的核外系统程序

UNIX操作系统的主要特点主要特点是：1990年秋天，Linus在芬兰首都赫尔辛基大学学习操作系统课程，因为上机需要排队等待，Linus买了台PC机，开发了第一个程序，程序包括两个进程，向屏幕上写字母，然后用定时器来切换进程.Linus需要终端仿真程序来存取Usenet新闻组的内容，于是他写了从调制