操作系统课件

自我介绍

■蔡利平

■电子由F件：clping徐swim,cn

■电话/p>

课程形式

课堂教学、习题课

课后作业

上机实验

3

1、总课时68+实验课时20（12T6周）

2、考核：期末闭卷70%,平时成绩30%

平时成绩：考勤

平时作业

实验

3、问题：课堂、课后、电子邮件

为什么学习操作系统

•设计操作系统或者修改现有的系统

存在人们意识不到的大量〃操作系统“

嵌入式系统(EmbeddedOS)

•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

•编程时借鉴操作系统的设计思想和算法

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

・选择购买操作系统

•我们并不总使用Win95/NT/2000/XP

5

参考书

♦《4.4BSD操作系统的设计与实现》

MarshallKirkMcKusick：Keith

Bostic;MichcelJ.Karels;JohnS.Quarterman

♦:♦《操作系统的设计与实现》

AndrewS.Tanenbaum

6

第

A-章

弓

一操作系统引论

笋

章

/T-

弓

二进程管理

笋

章

A-三

弓处理机调度与死锁

笋

章

/T-四

弓存储器管理

等

章

A-五

弓设备管理

笋

章

/T-六

弓文件管理

第

章

七

A-

弓操作系统接口

士

一

一

一

7

®

®

窈

箍第一章操作系统引论

§0

舲主要内容

。操作系统的目标、作用

。操作系统的发展过程

。操作系统的基本特征

❖OS(OperatingSystems)的主要功能

OS的结构设计

8

®

®

窈

箍1.1操作系统的目标、作用和模型

§0

舲

♦:♦操作系统概念（P9）

■一组控制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

以及方便用户的程序集合。

9

®

®

窈

箍1.1.1操作系统的目标

§01.方便性

舲

■计算机只能识别0、I；用户熟悉的是各种语言。

2.有效性

■使计算机的各类资源在系统的管理下得到更有效的利

用，提高系统吞吐量。

3.可扩充性

■便于修改和增加功能（如何设计？）。

10

®

®

窈

箍1.1.2操作系统的作用(1)

§0作为用户与计算机硬件系统之间的接口

舲

系统设计者

V)

操作系统

计算机硬件

图1—1OS作为接口的层状示意图

®

®

窈

箍操作系统的作用⑵

§0

舲

♦:♦作为计算机系统资源的管理者

•处理机管理：分配和控制处理机

•存储器管理：分配及回收内存

•I/O(Input/Output)设备管理：I/O分配与操作

•文件管理：文件存取、共享和保护

跟踪资源的使用状况，满足资源请求,提高资源利

用率，以及协调各程序和用户对资源的使用冲突.

♦:♦作为扩充机器

•把覆盖了软件的机器称为扩充机或虚拟机。

•分层扩充的特点。

12

®

®

窈

箍1.1.3操作系统发展的主要动力

§0

舲

♦：♦不断提高计算机资源利用率的需要

•如批处理系统的出现

方便用户

•如分时交互式系统的出现

器件的不断更新换代

•8位―16—32—64—...

计算机体系结构的不断发展：

•单机os—多机OS—网络OS—...

13

1.2操作系统的发展过程

如同任何其他事物一样，操作系

统也有它的诞生、成长和发展过程。

为了更清楚地把握操作系统的实质，

了解操作系统的发展是很有必要的，

因为操作系统的许多概念都是在操作

系统的发展过程中出现并逐步得到发

展和成熟的。

14

1.2.1无操作系统时的计算机系统

在第一代计算机时期，构成计算机的主要器件是电子

■计算机运行速度慢，没有操作系统。用户直接用机器

语言编制程序，并在上机时独占全部计算机资源，用户既

是程序员，又是操作员

।

穿乳

许多机时被操

作员在机房里走来走

去的过程浪费了。

摇作员

科算机宦

t1

卡片盒15

®

®

窈

箍

§0

舲

1.2.1无操作系统时的计算机系统

♦：♦人工操作方式（40年代末-50年代初）

。脱机I/。方式（50年代中-50年代末图L2）

16

人工操作方式

操作过程

穿孔-〉纸带（卡片）装上输入机一〉程序和数据送入

计算机

-〉控制台开关启动程序运行-〉计算-〉输出结果-〉取

走纸带。

运行时间工作业时间+操作时间

17

®

®

窈

箍人工操作方式

§0o特点：

舲♦*机运行速度慢，没有操作系统

用户直接用机器语言编制程序

并在上机时独占全部计算机资源，

♦用户既是程序员，又是操作员

。缺点：

•用户独占资源

•CPU等待人?操作（人工干预较多、浪费处理机时间，极易

出错）

•计算时间拉长

。例子:

计算机速度计算时间作业建立和人工干预手工占的比例

❖每秒1万次运行1个小时花了3分钟5%

每秒10万次运行6分钟花了3分钟50%

每秒100万次运行36秒花了3分钟83%

®

®

窈

箍人工操作方式

§0

舲

♦:♦改进的两个重点：

・缩短手工操作和人工干预时间（人机矛盾）

•CPU和I/O速度不匹配，矛盾越来越突出。

19

®

®

窈

箍

§0

舲

♦:♦人工操作方式

♦:♦脱机I/O方式（50年代中-50年代末

图L2）

•引入I/。机的概念，解决前者的缺点。

•特点是减少了CPU的空闲时间且提高I/O

速度。

20

遇

®

窈

跳

§舲0

21

®

®

窈

箍1.2.2单道批处理系统

§0

舲

处理过程（图L3）

监督程序（monitor）

概念：系统对作业的处理都是成批进行的、

且内存中始终只保持一道作业，称为单道

批处理系统（simplebatchsystem）o

批处理系统的引入是为了提高系统资源的

利用率和吞吐量

概念：运行控制权

❖特征

自动性、顺序性、单道性

22

遇

®

窈

图1

绕±a

台

女

开

§舲0

23

®

®

窈

箍

§0

舲

在早期的单道批处理系统中，内

存中仅有单个作业在运行，致使

系统中仍有许多资源空闲，设备

利用率低，系统性能较差。

24

®

®

窈

箍

§0

舲。例子：

计算某个数据处理问题，要求从输

入机（速度为6400字符/秒）输入500

个字符，经处理（费时52毫秒）后，将

结果（假定为2000个字符）存到磁带上

（磁带机速度为10万字符/秒），然后,

再读500个字符处理，直至所有的输入

数据全部处理完毕。

25

遇

®

窈

皖

创

单道算题运行时处理器的使用效率

26

®

®

窈

箍

§0

舲

。处理器的利用率为：

52/（78十52十20）«35%

。分析上面的例子，可以看出效率

不高的原因，当输入机输入500个字

符后，处理器只花了52毫秒就处理完

了，而这时第二批输入数据还要再等

98毫秒时间才能输入完毕，在此期间

CPU一直空闲着。

27

®

®

窈

箍

§0

舲。这个例子说明单道程序工作时，计算机系

统的各部件的利用率没有得到充分发挥。

。为了提高效率，考虑让计算机同时接受两

道算题，当第一道程序在等待外围设备的

时候，让第二道程序运行,以降低CPU空

闲等待时间，那么，处理器的利用率显然

可以有所提高。

28

1.2.3多道批处理系统

。60年代计算机硬件获得了两个重大进展

通道技术和中断技术

通道是可以与CPU并行操作，是一种专用部

件，免责外部设备与内存之间信息的传输。

中断指主机接到外界的信号时立即终止原

来的工作，转去处理这一外来事件，处理

完后，主机又回到原来工作点继续工作。

29

®

®

窈

箍1.2.3多道批处理系统

§0

舲基本概念

•多道：系统中同时驻留多个作业

•多道引入的优点：

■提高CPU利用率（图L4）

■提高内存和I/O设备利用率

■提高了系统吞吐量

。特征

•多道性、无序性、调度性：作业调度、进程

调度

。缺点

•平均周转时间长、无交互能力

30

®

®

窈

箍

。例如，计算机在接受上述算题时还接受了另一

§舲0

道算题：从另一台磁带机上输入2000个字符，

经42毫秒的处理后，从行式打印机（速度为

1350行/分）上输出两行。

78130150228280300378130（50

输Ml

处理器

遨带机

磁带机

•IJ印机

图1-4两道克题运行时处理器的使用效率

31

®

®

窈

箍

§舲0

♦:♦不难算出，此时处理器的利用率为:

(52+42)/150x63%

32

®

®

窈

箍多道批处理系统（2）

§0

舲

需解决的问题

■处理机管理问题

■内存管理问题

・I/O管理问题

■文件管理问题

■作业管理问题

33

®

®

窈

箍图1-4

§舲0

I/O中断请求I/O中断请求

-1

1

用户程序1।

1

1

1

1

I/O完成1

；启动I/OI/O完成(；启动I/O

1寤策市断

监督程序1

1;结束中断；

1

1

1

1

:;1

1

1

1

1

1；

I/O操作i__________1

t1t2t3t4t5t6t7t8

(a)单道程序运行情况

34

®

®

窈

箍图1—4

§0I/O请求I/O完成

舲程序AA完成

I/O请求I/O完成

程序B

I/O请求I/O完成C再运行

程序c

I/O请求

程序D

调度程序

(b)四道程序运行情况

表示获得

CPU35

®

®

窈

箍

§0

舲

♦:♦仍需要进行的改进：

•在批处理系统中，用户不能干预自己

程序的运行，无法得知程序运行情况,

对程序和排错不利。

•单用户

36

®

®

窈

箍1.2.4分时系统

§0

舲♦：♦分时系统的产生

•概念：由于中断技术的使用，一台主机上可以连接

多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户

共享主机中的资源，各个用户都可通过自己的终端

以交互方式使用计算机。

。分时技术

•这种系统是在一台计算机上挂若干台联机终端，用

户通过自己的终端与计算机对话来控制、调试、干

预他的程序。而系统则是将处理机的时间划分为小

的时间间隔（又称时间片），轮流地为每个终端上

的作业服务，使每个用户都感觉好象自己在使用计

防算机。系统则是将处理机的时间划分为小的时间间

念隔（又称时间片），轮流地为每个终端上的作业服

务，使每个用户都感觉好象自己在使用计算机

37

®

®

窈

箍

§舲0

。日常生活例子：律师

38

分时系统（2）

分时系统在实现中的关

键问题

及时接收：多终端卡、

输入缓冲区

及时处理：交互作业应

在内存、响应时间应短

39

遇

®

窈

跳分时系统（3）

§舲0

分时系统的实现方法

•交互式作业直接进入内存

•以分配时间片方式实现

•类型：

■单道分时系统

■具有前、后台的分时系统

■仅当前台无作业或在调进、出时,

才运行后台批处理作业。

'"多道分时系统

1■不需要调入、出开销。

40

®

®

窈

箍分时系统(4)

§舲0

♦：♦分时系统的特征

•多路性、独立性、及时

性、交互性

41

♦:♦分时操作系统与多道批处理操作系统的

区别

分时操作系统和批处理操作系统都基于多道程序

I设计技术，但存在下列区别：

•目标不同：批处理（提高系、统资源利用率和作

业吞吐率）、分时（多个用户快速响应）

•适应作业的性质不同：批处理（适应已经调试

好的大型作业）、分时（正在调试的小作业）

•资源使用率不同：批处理（合理安排不同负载

的作业，使资源利用率较佳）、分时（终端用户

使用相同程序时，调用开销较小）。

•作业控制方式不同：批处理（用户通过JCL语句

书写作业控制流，预先提交，脱机工作）、分时

（用户键盘输入，交互方式，联机作业）一

42

®

®

窈

箍

§0

舲

。多道批处理程序=〉充分利用系统资源

（CPU、内存、外设）

♦:♦分时系统=〉为用户提供与计算机系统

直接交互的能力，允许许多用户共享

计算机系统

43

®

®

窈

箍1.2.5实时系统

§0

舲务早期的计算机系统是用于科学与工程的数值

计算

♦：♦到了60年代初，计算机开始应用到生产过程

控制、工业控制、防空系统、信息处理等，

在这些应用中不但要解决计算问题，还要求

在规定的时间内完成计算，即实时处理，在

实时处理中一个核心问题就是响应时间问题。

引入：应用需求（要求及时处理的场合）

■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，银行信用卡系统.座？】

44

®

®

窈

箍实时系统

§0

舲响应时间

指用户发出命令，到系统完成用户命令所需的时间

•批处理操作系统：没有

•分时操作系统：秒级（一般）

•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）要

求（现代）

45

®

®

窈

箍实时系统

§0

舲O实时任务类型

•按任务执行是否呈现周期性

来划分

■周期性的（联系周期）；

■非周期性的（联系开始或

完成截止时间）

•根据对截止时间的要求来划

分

'硬实时任务

・软实时任务

46

实时系统

实时、分时的比较

多路性相同

独立性相同

及时性实时系统要求更高

交互性分时系统交互性更强

可靠性实时系统要求更高

47

®

®

窈1.2.6网络操作系统

箍(NetworkOperatingSystem,NOS)

§0

1篱网络操作系统定义

。计算机网络可以定义为一些互连的自主计算机系统

的集合，所谓自主计算机是指计算机具有独立处理能力,

而互连则表示计算机之间能够实现通信和相互合作。

。按网络所覆盖的地理范围大小可把计算机网络分成广域

网WAN(WideAreaNetwork)和局域网LAN(Lacal

AreaNetwork)两类。

。网络操作系统定义为：网络操作系统是使网络上各计算

机能方便地进行网络通信、有效地共享网络资源，为网

络用户提供所需各种服务的软件和有关规程的集合。

48

网络操作系统⑵

2.网络OS功能：

•高效、可靠的网络通信

•对网络中共享资源（在LAN中有硬盘、打印机等）有

效的管理

•提供电子邮件、文件传输、共享硬盘、打印机等服

务

•网络安全管理

•提供互操作能力

49

网络操作系统⑶

3.网络OS的模式

⑤客户/服务器C/S(Client/Server)模式

客户/服务器的模式是流行的网络工作模式，该

种模式网络可分为以下二大类：

・服务器:它是网络的控制中心，其任务是向客户提

供一种或多种服务，服务器可有多种类型，如提供

文件/打印服务的文件服务器等。

•客户：这是用于本地处理和访问服务器的站点，在

客户中包含了本地处理软件和访问服务器上服务程

序的软件接口。

50

网络操作系统(4)

①对等模式(peer-to-peer)

采用这种模式的操作系统网络中，各个站

点是对等的。它既可作为客户去访问其它站

点，又可作为服务器向其它站点提供服务，

在网络中既无服务处理中心，也无控制中心，

或者说，网络的服务和控制功能分布在各个

站点上。可见该模式具有分布处理及分布控

制的特征。

51

1.2.7分布式操作系统

1.分布式操作系统定义

分布式计算机系统是为分散处理、协同完

成任务而将多个分散的计算机经互连网络连

接而成的计算机系统，分布式操作系统是在

它上配置的操作系统。分布式操作系统是能

直接对系统中各类资源进行动态分配和管理，

有效控制和协调诸任务的并行执行，允许系

统中的处理单元无主、次之分，并向系统提

供统一的、有效的接口的软件集合。

52

®

®

窈分布式操作系统(2)

箍2.分布式操作系统与网络操作系统的区别

§0网络操作系统是服务于计算机网络，按照网络体系结构的

舲歌盛容完成网络的通信、资源共享、网络管理和安全管理

“嚼第些独作系统是建立在网络操作系统之上，对用户屏蔽

了系统资源的分布而形成的一个逻辑整体系统的操作系统。

♦:♦分布性

处理上的分布性是分布式操作系统的最基本特征。网络虽

有分布处理的功能，但网络的控制功能，则大多集中在某个主

机或服务器上，它的控制方式集中的，分布式系统的处理分布

是资源、功能、任务和控制都是分布的。

。透明性

分布操作系统负责全系统的资源分配和调度、任务划分、

信息传输协调工作，并为用户提供一个统一的界面，标准的接

□,用户通过这一界面实现所需要的操作和使用系统资源。分

布式OS通常很好地隐藏系统内部的实现细节，如对象的物理位

置、并发控制、系统故障等对用户都是透明的。_

分布式操作系统(3)

卜统一性

I分布式系统要求一个统一的操作系统，实现系统

操作的统一性，而网络系统一般是在各自操作系统

基础上加上负责网络访问功能模块，网络各系统操

作不一致。

♦:♦健壮性

由于分布式系统的处理和控制功能是分布的，设

备出现故障时，可通过容错技术实现系统重构，从

而仍保持系统的正常运行，因而系统具有键壮性，

即具有较好的可用性和可靠性。而网络系统其控制

功能大多集中在主机和服务器中，使系统具有潜在

的不可靠性。

54

1.3操作系统的基本特征

。并发

•并行是指两或多个事件在同一时

刻发生。

•并发是两或多个事件在同一时间

间隔内发生。

•进程：系统中能独立运行并作为

资源分配的基本单位。引入线程

后，独立运行的单位变为线程。

55

®

®

窈

箍操作系统的基本特征(2)

§0

舲。共享

•系统中资源可供内存中多个并发执行

的进程共同使用

•互斥共享：一段时间只允许一个进程

访问该资源

•同时访问：微观上仍是互斥的

56

操作系统的基本特征（3）

虚拟

•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。若n是某一物理设备所对

应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速

度必然是物理设备速度的1/n。

♦:.CPU-每个用户（进程）的，嘘处理机”

存储器-每个进程都占有的地址空间（指

令+数据+堆栈）

显示设备-多窗口或虚拟终端

57

操作系统的基本特征⑷

卜异步

•运行进度不可预知。分时系统中,多个进

程并发执行:'走走停停"，无法预知每个进

程的运行推进快慢难以重现系统在某个时

刻的状态（包括重现运行中的错误）

•操作系统必须随时对以不可预测的次序发

生的事件进行响应.如何考虑周密,设计适

当

•性能保证:实时系统与分时系统相似，但通

过资源预留以保证性能

58

1.4操作系统的主要功能

实现资源共享

提高资源利用率

♦:♦操作系统的主要功能：

•CPU（进程）管理

•存储管理

•文件管理

•设备管理

59

OS的主要功能(1)

♦:4.1处理机管理功能

•多道环境下，处理机的运行及分配

都是以进程为单位，因此处理机管

理可归结为进程管理。

❖一、进程控制

•创建/撤消进程

•迁移进程状态

般由进程控制原语完成

60

OS的主要功能⑵

♦:♦二、进程同步

•为使多个进程有条不紊地运行，应

建立同步机制。

•包括进程互斥/同步，次序协4qjo

61

OS的主要功能（3）

♦:♦三、进程通信

•源于进程合作，如：输入进程、计算

进程、打印进程相互间有信息传递

•类型：

•直接通信：进程A发message,进程B

收message

•间接通信：

・进程A发!nessage到中间实体（如

mailbox）,进程B从中间实体收

message

62

OS的主要功能（4）

♦:♦四、调度（作业与进程）

•作业调度：

■为作业分配必要资源，调入内存建

立进程，并使之进入就绪队列。

•进程调度：

■从就绪队列中选出进程，分配CPU,

使之运行。

•调度算法：

•FCFS、优先权等

OS的主要功能(5)

❖1.4.2存储管理

•目的：方便用户使用，且提高存

贮器利用率

♦:♦一、内存分配

•静态分配:

•动态分配：作业在内存中可移动

•为此，需内存分配的数据结构及气

内存分配和回收功能

64

®

®

窈os的主要功能⑹

箍

§0

舲♦:♦二、内存保护

•例：设置上、下界寄存器，每条指令

进行越界检查（一般是硬件实现）

♦:♦三、地址映射

•地址范围地址

・逻辑空间逻辑地址（相对地址）

・物理空间物理地址（绝对地址）

65

OS的主要功能⑺

♦:♦四、内存扩充

•利用虚存技术，从逻辑上

扩充内存容量

•系统应有：请求调入/置换

功能以支持虚存技术

66

OS的主要功能（8）

[1.4.3设备管理功能

•任务：提高I/O利用率和速度，方便用户

・一、缓冲管理

・缓冲区：用来解决CPU-I/O矛盾,如：CPU

1快则应多创建缓冲区。

•二、设备分配

•包括：设备，设备控制器，I/O通道的分配

和回收

67

®

©

窈

皖os的主要功能⑼

卯

舲>1.4.3设备管理功能

•三、设备处理

•指控制设备进行实际的操作，包括读、写等以

及向CPU发中断。

・设备处理/驱动程序应能根据用户的I/。请求，

自动地构成通道程序。

•四、设备独立性和虚拟设备

■独立性，即program与设备无关性，使program

易于重定向，增加了可移植性。

■虚拟设备

68

OS的主要功能(10)

❖1.4.4文件管理的功能

•任务：方便用户，提供安全性

•一、文件存贮空间的管理

•例：creatfile:文件系统根据文件长度

自动分配连续或离散的扇区，并提供“一

句柄”表示该文件。

•二、目录管理

・使用户按名存取，提高速度。

一二三、乂件阻读、写管理和存取控制(保护)

.I69

os的主要功能（H）.

；L4.5用户接口

目标:提供一个友好的用户访问操作系统的接口

・一、命令接口

■由一组“命令”集组成，分为联机和脱机用

户接口

・L联机用户接口

■由一组键盘操作命令及命令解释程序所组

成

■2.脱机（批处理用户接口）

■用JCL写作业说明书

70

OS的主要功能（12）

。二、程序接口

•系统调用

•高级语言的库函数

♦:♦三、图形接口

•如win的copy文件，采用

“拖”来完成，生动，不需记

忆

71

®

®

窈

箍1.5OS的结构设计

§舲0

♦:♦无结构

♦:♦模块式

♦:♦层次式

。微内核

72

操作系统结构设计概况(1)

操作系统设计呈现出以下特征：

一■是复杂程度局，

二是生成周期长，

三是正确性难保证。

例如，IBMOS/360、Windows2000

73

®

®

窈

箍软件工程的基本概念

§0

舲

♦:♦软件工程：运用系统、规

范和可定量的方法开发、

运行和维护软件。

74

1.5.2传统的操作系统结构

01.无结构操作系统

•一组过程集，各过程可相互调

用，也叫整体系统结构。

75

功能10

♦:♦缺点：逻辑复杂，维护困难.

•由于OS日趋庞大，结构日益复杂，错

误增加以至不可避免

•其次由于OS存在并发性，进程间执行

序列数量巨大，推进序列不确定性，

程序错误的某种表现形式不重复出现,

可能使人误解为一次偶然性机器的故

障。这给OS调试带来了困难。

•为了使OS高可靠、高效能、可理解和

可修改，操作系统必须采用结构程序

设计方法。

77

2模块化操作系统

设计思想

♦:♦这是早期使用的一种结构设计方法。

“模块接口”,一是“模块化”，二是

“接口”O将一个大型软件系统通过分解

按功能划分成若干相对独立的模块，并规

定好模块之间的接口，使模块之间的联系

尽可能少。然后对模块分别进行设计、调

试，最后将模块按规定的接口连接起来，

形成完整的、模块化的操作系统。

78

遇

®

窈

跳

操作系统

§舲0

文件管理

进程调度

进程控制

磁盘管理目录管理

内存分配内存保护

79

模块接口法

♦:♦优点：

•提高了OS设计的可维护性

•增强的OS的可适应性

•加速了OS的开发过程：并行开发模块

♦:♦缺点：

•接口不易确定

•模块依赖关系可能复杂（对于大型软件而言）

80

®

®

窈

箍

§舲0

♦:♦为了克服模块接口法的缺点，人们又进

一步提出了有序分层法。

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传统