操作系统原理

操作系统原理讲课内容第一章操作系统概论

第二章用户与操作系统的接口第三章进程管理第四章存储管理第五章文件系统第六章输入/输出系统第一章操作系统概论1.1什么是操作系统1.2多道程序设计的概念1.3操作系统的功能和主要特征1.4操作系统的结构1.5操作系统的分类1.1什么是操作系统★几种常用的操作系统介绍：①DOS：

Microsoft公司开发的MS-DOS操作系统。DOS操作系统也就是磁盘操作系统(DiskOperatingSystem)，简称DOS。是一种单用户单任务操作系统。②Windows系列：

1990年，Microsoft公司推出了Windows3.0。③UNIX：

1970年，美国AT&T公司Bell实验室的KenThompson用汇编语言在PDP-7计算机上设计了一个小型的操作系统，取名为UNIX。多用户多任务分时系统。④Linux：

1991年由芬兰赫尔辛基大学计算机系学生LinuxTorvals初创。1.1什么是操作系统1.1.1操作系统作为最基本的系统软件1.1.2操作系统作为资源管理器1.1.3操作系统作为虚拟机1.1.1操作系统作为最基本的系统软件★计算机系统的组成①硬件系统（裸机）：CPU、存储器（主存、辅存）、输入/输出设备等。②软件系统：系统软件、应用软件。Ⅰ.系统软件：管理计算机本身的操作。如操作系统、编译……Ⅱ.应用软件：提供给用户进行解题。如科学计算、事物管理……1.1.1操作系统作为最基本的系统软件计算机系统的层次结构图形软件、财务软件、游戏软件编译、链接、编辑等1.1.1操作系统作为最基本的系统软件★计算机系统的层次结构①计算机系统由硬件和软件组成②操作系统是在硬件基础上的第一层软件③操作系统是其他软件和硬件之间的接口1.1什么是操作系统1.1.1操作系统作为最基本的系统软件1.1.2操作系统作为资源管理器

1.1.3操作系统作为虚拟机1.1.2操作系统作为资源管理器①处理机管理：分配和控制处理机。②存储器管理：主要负责内存的分配与回收

I/O。③设备管理：负责I/O设备的分配与操纵。④文件管理：负责文件的存取、共享和保护。1.1什么是操作系统1.1.1操作系统作为最基本的系统软件1.1.2操作系统作为资源管理器1.1.3操作系统作为虚拟机

1.1.3操作系统作为虚拟机①我们在系统中可以同时添加很多远程终端用户，共同使用同一个操作系统，每个终端用户都感觉是自己在独立使用设备。②在一台机器上可同时安装两个以上的操作系统，互不干扰，共同使用同一台主机的硬件资源。在一个已经安装了Windows的操作系统，可以利用VMWARE中安装Linux操作系统，两个系统共同使用。定义操作系统（OperatingSystem，简称OS），是控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，以及方便用户的程序的集合。它是系统软件的核心，是计算机处理时必不可少的非常重要的软件。第一章操作系统概论1.1什么是操作系统1.2多道程序设计的概念

1.3操作系统的功能和主要特征1.4操作系统的结构1.5操作系统的分类1.2多道程序设计的概念1.2.1多道程序设计的硬件支持

1.2.2多道程序设计原理1.2.3多道程序设计的实现1.2.1多道程序设计的硬件支持★批处理技术是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。①单道批处理系统：系统对作业的处理是成批地进行，且在内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理系统。②多道批处理系统：即主存中有两道或两道以上的程序正在运行，宏观上是并行的，微观上串行。1.2.1多道程序设计的硬件支持★多道程序设计要解决的问题：①存储保护：几道在主存中的程序共享同一主存，硬件必须提供必要的手段防止各道程序相互侵犯，特别是当某道程序出错时，不致影响到其他程序②重定位：多个程序同时存放在主存中，程序或其中一部分程序能随机地从一个主存区域移到另一区域，而不影响到程序的执行结果，这就是地址再定位或程序浮动。③资源的管理和调度：系统资源（CPU、打印机、内存）为多道程序所共享，需要进行分配和调度。1.2多道程序设计的概念1.2.1多道程序设计的硬件支持1.2.2多道程序设计原理

1.2.3多道程序设计的实现1.2.2多道程序设计原理★多道程序设计的基本思想：在计算机内存中同时存放若干道已开始运行且尚未结束的程序，它们交替运行，共享系统中的各种硬件、软件资源，从而使处理机得到充分利用。★多道程序设计的目的：提高CPU利用率,改善内存和I/O设备的利用情况。1.2.2多道程序设计原理★多道程序的运行特点：①多道：计算机内存中同时存放多道相互独立的程序。②宏观上并发执行：同时进入系统的几道程序都处于运行状态，但都未运行结束。③微观上串行运行：各作业交替使用CPU。1.2多道程序设计的概念1.2.1多道程序设计的硬件支持1.2.2多道程序设计原理1.2.3多道程序设计的实现1.2.3多道程序设计的实现★多道程序系统的技术问题①并行程序的运行需要共享软硬件资源，需要同步和互斥机制。②多道程序需要提高内存的使用效率，需要覆盖技术、交互技术、虚拟存储等技术。③多道程序在内存中要保证系统存储区和用户存储区安全可靠，需要内存保护。1.2.3多道程序设计的实现例：设在内存中有三道程序A、B和C，并按A、B、C的优先次序执行。其内部计算和I/O操作的时间如下表所示：操作ABC计算306020I/O403040计算101020

程序1.2.3多道程序设计的实现★要求：试画出按多道程序运行的时间关系图(调度程序的执行时间忽略不计)。完成这三道程序共花多少时间？比单道程序运行节省多少时间？若处理调度程序每次进行程序状态转换的时间为1ms，试画出在处理机调度程序管理下各程序状态转换的时间关系图。1.2.3多道程序设计的实现(2)若处理调度程序每次进行程序状态转换的时间为1ms，其程序运行时间关系如图1.3(d)所示，这三道程序的总运行时间为：

30+1+40+1+10+1+20+1+20+1+40+1+20=186ms程序运行时间关系图1.2.3多道程序设计的实现解(1)若采用单道方式运行这三道程序，其程序运行时间关系如图1.3(a)所示，总运行时间为:30+40+10+60+30+10+20+40+20=260ms。若采用多道方式运行(1个通道)这三道程序，其程序运行时间关系如图1.3(b)所示，总运行时间为：30+40+10+20+30+40+20=190ms，比单道可节省260－190=70ms。若采用多道方式运行(多个通道)这三道程序，其程序运行时间关系如图1.3(c)所示，总运行时间为:30+40+10+20+20+40+20=180ms，比单道可节省260－180=80ms。第一次课习题设在内存中有三道程序A、B和C，并按A、B、C的优先次序执行。其内部计算和I/O操作的时间如下表所示：(注意：系统中只有一个通道)试画出多道程序运行的时间关系图，并计算完成三道程序共花费多长时间？

操作ABC计算362I/O434计算112

程序第一章操作系统概论1.1什么是操作系统1.2多道程序设计的概念1.3操作系统的功能和主要特征

1.4操作系统的结构1.5操作系统的分类1.3操作系统的功能和主要特征1.3.1操作系统的功能

1.3.2操作系统的主要特征1.3.1操作系统的功能一、处理机管理：分配调度策略、分配实施和资源回收。二、存储管理：对内部存储器进行分配保护和扩充。①内存分配：内存中包含操作系统、系统软件和用户程序。分配内存，保证系统及各用户程序的存储区互不冲突。②存储保护：系统中同时运行多道程序，保证各运行程序之间不会互相破坏。③内存扩充：当用户作业所需要的内存量超过计算机系统所提供的内存容量，需要把内部存储器和外部存储器结合起来管理，为用户提供一个容量比实际内存打得多的虚拟存储器。1.3.1操作系统的功能三、设备管理①通道、控制器、输入输出设备的分配和管理。②设备独立性：人机友好界面，使用户不必对设备的具体性能了解，就能够方便对设备进行操作。四、信息管理（文件系统的管理）：对外部存储器上保存的大量文件进行管理（目录、文件）；管理信息的共享、保密和保护。五、用户接口：①程序级的管理：提供一组广义指令（或称系统调用、程序请求）供用户程序和其他系统程序调用。操作系统代为完成用户的一些指令。②作业级的管理：提供一组控制操作命令（或称作业控制语言，或像UNIX中的Shell命令语言）供用户去组织和控制自己作业的运行。1.3操作系统的功能和主要特征1.3.1操作系统的功能1.3.2操作系统的主要特征

1.3.2操作系统的主要特征★设置操作系统的目的是提高计算机系统的效率，增强系统的处理能力，充分发挥系统资源利用率，方便用户的使用。以多道程序设计为基础的现代操作系统具有以下特征：①并发性：操作系统中存在着许多同时的或并行的活动。②共享性：系统中存在的各种并发活动要求共享系统硬、软件资源。③不确定性：操作系统必须能够处理一些突发的不确定性的事件。第一章操作系统概论1.1什么是操作系统1.2多道程序设计的概念1.3操作系统的功能和主要特征1.4操作系统的结构

1.5操作系统的分类1.4操作系统的结构★操作系统包括四部分：①驱动程序-最底层的、直接控制和监视各类硬件的部分，它们的职责是隐藏硬件的具体细节，并向其它部分提供一个抽象的、通用的接口。②内核-操作系统之最核心部分，通常运行在最高特权级，负责提供基础性、结构性的功能。③支承库-（亦作“接口库”）是一系列特殊的程序库，它们指责是把系统所提供的基本服务包装成应用程序所能够使用的编程接口（API），是最靠近应用程序的部分。④外围-所谓外围，是指操作系统中除以上三类以外的所有其它部分，通常是用于提供特定高级服务的部件。例如，在微内核结构中，大部分系统服务，以及UNIX/Linux中各种守护进程都通常被划归此列。第一章操作系统概论1.1什么是操作系统1.2多道程序设计的概念1.3操作系统的功能和主要特征1.4操作系统的结构1.5操作系统的分类1.5操作系统的分类1.5.1单用户(微机)操作系统

1.5.2批处理系统1.5.3分时系统1.5.4实时系统1.5.5网络操作系统1.5.6分布式操作系统1.5.7多处理机操作系统1.5.1单用户(微机)操作系统定义：一个计算机系统内一次只能支持一个用户程序的运行。例：DOS1.5操作系统的分类1.5.1单用户(微机)操作系统1.5.2批处理系统

1.5.3分时系统1.5.4实时系统1.5.5网络操作系统1.5.6分布式操作系统1.5.7多处理机操作系统1.5.2批处理系统★突出特征是“批量”，把提高作业的吞吐量作为主要设计目标，同时兼顾作业的周转时间。①

单道批量系统：类似单用户操作系统②多道批量系统：（1）作业的提交；（2）作业的收容或作业的后备；（系统将作业存放到磁盘上并等待执行）（3）作业的执行：系统从磁盘中将作业送到主存，然后在处理机上执行；（4）作业的完成：作业执行结束，系统收回资源，取出作业输出结果。★缺点：（1）用户失去对作业的控制能力（作业提交给系统后，用户便失去对作业的运行控制）；（2）作业周转时间加长（必须等待所有作业运行完成后）；1.5操作系统的分类1.5.1单用户(微机)操作系统1.5.2批处理系统1.5.3分时系统

1.5.4实时系统1.5.5网络操作系统1.5.6分布式操作系统1.5.7多处理机操作系统1.5.3分时系统★分时：两个或两个以上事件按时间划分轮流地使用计算机系统中的某一资源。★分时系统：在一个系统中，如果多个用户分时地使用同一计算机，这样的系统称为分时系统。也称为多路存取系统。★时间片：在分时系统中，分时的时间单位叫做时间片，通常是几十毫秒。★时钟和中断：时钟使得CPU每运行一个时间片就产生一次时钟中断。中断后控制转向操作系统，操作系统轮流地处理各个用户作业，把时间片分给各个终端用户。1.5.3分时系统★分时系统的特点：①同时性：若干个用户可以同时操作，共同使用该系统。②独立性：每个终端用户都感觉独占整个系统的资源。系统以时间片为单位在各个用户之间迅速轮流服务，它充分利用了用户的思考时间、反应时间和I/O时间。③及时性：用户的请求能在较短的时间内得到响应。④交互性：用户与系统能进行人-机对话。1.5.3分时系统分时系统示意图1.5操作系统的分类1.5.1单用户(微机)操作系统1.5.2批处理系统1.5.3分时系统1.5.4实时系统

1.5.5网络操作系统1.5.6分布式操作系统1.5.7多处理机操作系统1.5.4实时系统一、实时系统的分类在操作对象允许的时间范围内做出响应。（1）实时控制系统：及时收集被控对象数据，并作出及时反应，对被控对象进行相应处理（2）实时处理系统：通常用于数据通信，包括数据的接收、处理和发送。1.5.4实时系统二、设计实时系统需要考虑的问题（1）实时时钟管理（2）连续人机对话：要求计算机能记住终端上次发来的消息，并根据本次接到的消息形成第二次回答。（3）过载的防护：保证及时出现过在，系统仍能正常运行。（过载：在某段时间内系统中任务数超过了它的处理能力）常采用的办法是抛弃一些不重要的任务或降低某些周期性任务的频率。（4）高可靠性：保证系统绝对安全和高度可靠。一般采用主备方式。1.5操作系统的分类1.5.1单用户(微机)操作系统1.5.2批处理系统1.5.3分时系统1.5.4实时系统1.5.5网络操作系统

1.5.6分布式操作系统1.5.7多处理机操作系统1.5.5网络操作系统★定义：通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机互连起来的，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。除了具备通常操作系统所具备的功能外，还具有网络管理模块、即通讯软件和网络控制软件。★网络管理模块的功能：(1)提供高效而可靠的网络通讯能力。(2)提供多种网络服务。（ftp,远程登录等）1.5操作系统的分类1.5.1单用户(微机)操作系统1.5.2批处理系统1.5.3分时系统1.5.4实时系统1.5.5网络操作系统1.5.6分布式操作系统

1.5.7多处理机操作系统1.5.6分布式操作系统★定义：通过通信网络将物理上分布的具有自治功能的数据处理系统或计算机系统互连起来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务的操作系统。1.5.6分布式操作系统★特点：（1）系统中任意两台计算机可以通过通信来交换信息。（2）系统中各台计算机无主次之分，即无控制整个系统的主机，也无受控于它机的从机。（3）系统中的资源为所有用户共享。（4）系统中若干台计算机可以互相合作完成一个共同任务。或者说，一个程序可以分布于几台计算机上并行地运行。1.5操作系统的分类1.5.1单用户(微机)操作系统1.5.2批处理系统1.5.3分时系统1.5.4实时系统1.5.5网络操作系统1.5.6分布式操作系统1.5.7多处理机操作系统

1.5.7多处理机操作系统同时管理多台处理机的操作系统。处理机

CPU习题1．操作系统是对（）进行管理的软件。A软件B硬件C计算机资源D应用程序答案：C2．从用户的观点看，操作系统是（）。A用户与计算机之间的接口B控制和管理计算机资