操作系统第一章引论.ppt

1、1,计算机操作系统 Operating System of Computer,潘东静,2,教材： 汤小丹，梁红兵， 哲凤屏 ，汤子瀛 .计算机操作系统.西安电子科技大学出版社 参考书： 孟静. 操作系统教程原理和实例分析. 高等教育出版社 曾平 操作系统习题与解析 清华大学出版社,3,本课程地位,专业核心课程 考研核心课程 技术开发的理论基础,4,学习方法,掌握操作系统的基本概念、基本原理、实现技术。 知识：需要记忆、积累 联想、对比 抓重点 技能：需要训练、经验 方法、技巧 抓特点 思路：逻辑思维 形象思维,5,本课程内容,第一章 操作系统引论 第二章 进程管理 第三章 处理机调度与死锁 第

2、四章 存储管理 第五章 设备管理 第六章 文件系统,6,第七章 操作系统接口 第八章 网络操作系统 第九章 系统安全性 第十章 UNIX系统内核结构,7,第一章 操作系统引论,8,操作系统OS(Operating System)的重要性： 掌握核心系统软件 掌握并发处理的思想方法 为后继课程打好基础,9,你所用过的操作系统,你知道下列哪些是操作系统吗? 极品飞车 DOS LINUX WINDOWS TURBO-C WORD FOXPRO UNIX TURBO-ASM VI 一个C语言源程序,10,目前常见操作系统,微软：Windows系列（以前MS-DOS） UNIX：Solaris, AIX

3、, HP UX, SVR4, BSD, ULTRIX 自由软件：Linux, freeBSD, Minix IBM: AIX, zOS(OS/390), OS/2, OS/4000, PC DOS 其他：Mac OS, NetWare,11,你用过的操作系统能做什么?,各种命令：dir copy del format 启动、结束用户程序 系统调用：例如INT指令 WINDOWS、UNIX 等提供多任务或多用户环境,12,你知道操作系统不能做什么?,不做天气预报 不做房屋设计 不是编译程序 总之，操作系统不直接解决最终具体应用问题，也不负责编译源程序.,13,操作系统是什么,操作系统为你完成所有

4、 “硬件相关、应用无关” 的工作，以给你 方便、效率、安全,14,硬件相关 应用无关,涉及物理地址、设备接口寄存器、设备接口缓冲区 代码量大，需硬件知识 需随硬件的变化而变化,提供所有应用、用户共需的东西 与应用无直接关系,15,操作系统是以下系统程序的集成,用户程序的启动、中止 系统调用用户程序运行过程中对操作系统的调用 为常用基本操作提供实用程序 改善上述使用中的效率和安全问题,16,操作系统如何工作,1. OS的第1个工作：启动和结束程序 2. OS的第2个工作：用户程序对OS的调用(系统调用) 3. OS的第3个工作：为常用操作提供程序 4. OS的第4个工作：解决效率和安全问题,17

5、,计算机系统结构,18,1.1 操作系统的目标和作用,1.1.1 操作系统的目标 有效性(系统管理人员的观点)：合理地组织计算机的工作流程，管理和分配硬件、软件资源，提高资源的利用率。 方便性(用户的观点)：提供良好的、一致的用户接口。无需了解许多有关硬件和系统软件的细节。 可扩充性：可扩充性指Os应采用层次化、模块化结构,给计算机系统的功能的扩展提供开放式的支撑平台。 开放性：开放性是指系统遵循世界标准规范,特别是遵循开放系统互连OSI国际标准.,19,1.1.1 操作系统的作用 从不同观点考察OS 1. （用户的观点）：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

6、间，用户通过OS来使用计算机系统。或者说，用户在OS帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。,20,使用方式（接口方式）： 命令方式 系统调用方式 图形、窗口方式,21,系统调用,系统调用是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，它是用户在程序级请求操作系统为之服务的一种手段。,22,系统调用大致分为如下几类： 文件操作：如：打开/删除文件，读/写文件及建立文件等 资源申请：如申请/释放存储空间、申请/释放各种I/O设备等 控制：如：正常/异常结束、返回断点/指定点等 信息维护：如：设置或获取日期时间，设置或获取文件属性等 查询和统计系统资源使用情况,23,系统

7、调用例（汇编程序员观点）：打印5个字符,程序段1:利用系统调用打印（用INT指令调用DOS的功能来完成） MOVE AH,05H MOVE DL，Char INT 21H Char DB 1 当INT返回时，打印已经完成,程序段2:不用系统调用，而用IN/OUT指令直接读写打印机的接口寄存器 MOVE I,0 L1:MOVE I,I+1 CMP I,5 JNC L3 打完五个字符 MOVE A,I L2:IN ADDR1,B 状态寄存器 OR B,BS 状态位选择码 JNC L2 未准备好 OUT ADDR2,A 打印,数据寄存器 JMP L1 L3:RET,24,系统调用的控制流程,25,为

8、什么我很少接触系统调用?,高级语言程序员观点 通常仅汇编程序员才会接触到系统调用,而高级语言程序员通常接触不到系统调用,只接触库函数,26,函数与系统调用（OS）的层次关系,27,高级语言中对操作系统的“间接”调用,28,2. （资源管理的观点）： OS作为计算机系统资源的管理者 处理器 处理器管理 OS 资 存储器 存储器管理 主要 源 I/O设备 I/O设备管理 功能 信息(数据和程序) 文件管理,29,3. （虚拟机观点）：OS用作扩充机器 硬件处在最低层，不附加任何软件的物理计算机“裸机”. 操作系统是附加在裸机上的第一层，是对裸机的首次扩充，构成了一个比裸机更强，使用更方便的“虚拟计

9、算机”。 所有系统软件以及更上层的用户应用软件在操作系统虚拟机上运行，它们受操作系统的统一管理和控制，通过操作系统使用各种资源来完成特定的任务。,30,1.1.3 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：计算机发展的初期，计算机系统昂贵批处理系统形成。 方便用户：用户上机、调试程序，分散计算时的事务处理和非专业用户(商业和办公、家庭)分时系统形成 器件的不断更新换代：CPU的位宽度(指令和数据)、快速外存。 计算机体系结构的不断发展：单处理机系统发展为多处理机系统多处理机操作系统、网络操作系统出现,31,1.2 操作系统的发展过程,1.2.1 无操作系统的计算机系统 1. 人工操

10、作方式 1946-50年代中：电子管时代，计算机速度慢，无操作系统，集中计算，计算机资源昂贵； 工作方式： 用户：既是程序员又是操作员；用户是计算机专业人员； 编程语言：机器语言； 输入输出：纸带或卡片；,32,计算机的工作特点： 用户独占全机，资源利用率极低； CPU等待用户，计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低； 主要矛盾： 人机矛盾-人工操作严重降低了计算机资源的利用率 提高效率的途径： 脱机输入/输出技术。,33,2. 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式:,34,脱机I/O方式的主要优点： 减少了CPU的空闲时间 提高I/O速度 1.2

11、.2 单道批处理系统(Simple Batch Processing System) 1. 单道批处理系统的处理过程,35,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(Monitor)，在它的控制下使这批作业能一个接一个的连续处理。其自动处理过程是： 首先，由监督程序将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行控制权交给该作业。当该作业处理完成时，又把控制权交还给监督程序，再由监督程序把磁带上的第二个作业调入内存。计算机系统就这样自动地一个作业一个作业地进行处理，直至磁带上的所有作业全部完成。 单道批处理系统：作业成批处理 内存中只有一道,36,2. 单道批处理系统的特征： 自动性 顺

12、序性 单道性 1.2.3 多道批处理系统 1. 多道程序设计的基本概念 在多道批处理系统中，用户所提交的作业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。,37,引入多道程序设计技术可以： 提高CPU的利用率 提高内存和I/O设备利用率 增加系统吞吐量 2. 多道批处理系统的特征： 多道性 无序性 调度性,38,单道程序工作示例：,多道程序工作示例：,39,3. 多道批处理系统的优缺点： 优点： 资源利用率高：CPU和内存利用率较高； 系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大； 缺点： 平均

13、周转时间长：短作业的周转时间显著增长； 无交互能力：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；,40,4. 多道批处理系统需解决的问题： 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 操作系统的定义：操作系统是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，以及方便用户使用的程序的集合。,41,1.2.4 分时系统(time-sharing system) 1. 分时系统的产生 主要动力：用户的需求 表现： 人机交互 共享主机 便于用户上机,42,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的终端，同时允许多个用户通过自己的

14、终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。,43,2. 分时系统实现中的关键问题 如何使用户能与自己的作业进行交互，即当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。此后，用户可继续键入下一条命令，此即人机交互。应强调指出，即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理。 (1)及时接收 (2)及时处理,44,改变批处理系统的运行方式： 作业直接进入内存 系统采用时间片轮转方式处理服务请求 3. 分时系统的特征： 多路性：多个用户同时使用一台计算机,共享CPU和其他资源，充分利用系统资源。 宏观上：是多个人同时使用一个CPU

15、微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU 独立性：用户感觉不到计算机为其他人服务，各用户独立操作，互不干扰。,45,及时性：通过时间片技术和轮转调度算法保证及时响应。 交互性：系统及时响应用户的请求，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间。 1.2.5 实时系统(Real-Time System) 所谓“实时”,是表示“及时”，而实时系统是指系统能及时(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。,46,1. 应用需求： （1）实时控制 （2）实时信息处理 2. 实时任务： 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

16、务截止时间 根据对截止时间的要求来划分 硬实时任务 软实时任务,47,3. 三种基本操作系统的比较：,48,1.2.6 微机操作系统的发展 配置在微型机上的操作系统称为微机操作系统，按微机的字长分可分为8位机， 16位机， 32位机， 64位机。按运行方式可分为： 1.单用户单任务操作系统：如CP/M,MS-DOS 2.单用户多任务操作系统：如Windows 3.多用户多任务操作系统：如UNIX,Linux,Solaris,49,1.3 操作系统的基本特性,四个基本特征：并发、共享、虚拟和异步 1.3.1 并发 并行性：两个或多个事件在同一时刻发生 并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生

17、在多道程序系统（单处理器）中，宏观上并行，微观上串行（交替执行） 程序不能并发执行，为使多个程序并发执行，引入进程 进程在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位 线程一个进程中可以包含若干线程，把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行好独立调度的基本单位。,50,1.3 操作系统的基本特性,1.3.2 共享 在操作系统环境下，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(线程)共同使用 共享方式： 互斥共享方式：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用 临界资源(独占资源)：一段时间内只允许一个进程访问的资源 同时访问方式，如可重入代码，磁盘文件. 宏观并行微观串行 并发和共

18、享互为存在的条件,51,1.3 操作系统的基本特性,1.3.3 虚拟 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。 虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。 用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术，在操作系统中利用两种方式实现虚拟技术，即时分复用技术和空分复用技术。,52,时分复用：即分时使用方式 虚拟处理机技术 虚拟设备技术 空分复用技术 虚拟磁盘技术 虚拟存储器技术,53,1.3 操作系统的基本特性,1.3.4 异步性 指进程的执行顺序和执行时间的不确定性 进程的运行速度不可预知：多个进程并发执行，“时走时停”，不可预知每个进程的运行推进快慢； 无论快慢，结果应该相同

19、。通过进程互斥和同步手段来保证； 难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误）;,54,1.4 操作系统的主要功能,操作系统的主要任务，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、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。 包括： 处理机管理功能 存储器管理功能 设备管理功能 文件管理功能 用户接口,55,1.4 操作系统的主要功能,1.4.1 处理机管理功能 处理机管理的主要功能：创建和撤消进程(线程)，对诸进程(线程)的运行进行协调，实现进程(线程)之间的信息交换，以及按照一定的算法把处理机分配给进程(线程)。 主要功能有： 进程控制

20、：为作业创建进程、撤销已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换 进程同步：为多个进程(含线程)的运行进行协调 协调方式：互斥和同步,56,1.4 操作系统的主要功能,进程通信：用来实现在相互合作的进程之间的信息交换； 调度：作业和进程的状态切换，包括作业调度和进程调度 1.4.2 存储器管理功能 存储器管理为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率以及能从逻辑上扩充内存。,57,1.4 操作系统的主要功能,存储器管理功能有： 内存分配：为每道程序分配内存空间，提高存储器的利用率，允许正在运行的程序申请附加的内存空间； 存储保护：确保每道用户程序都只在自己的内

21、存空间中运行，彼此互不干扰； 地址映射(变换)：进程的逻辑地址到内存物理地址的映射。 内存扩充：用虚拟存储技术解决内存容量不足的问题； 请求调入功能 置换功能,58,1.4 操作系统的主要功能,1.4.3 设备管理功能 设备管理的主要任务:完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配其所需的I/O设备，提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，方便用户使用I/O设备。 设备管理的功能有： 缓冲管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率和并行操作程度； 设备分配：根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配其所需的设备; 设备处理：设备驱动程序用于实现

22、CPU和设备控制器之间的通信。,59,1.4 操作系统的主要功能,1.4.4 文件管理功能 文件系统管理的主要任务：对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。 文件管理的功能有： 文件存储空间的管理：为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的运行速度; 目录管理: 为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效组织，实现方便的按名存取，能实现文件共享，提供快速的目录查询手段。,60,1.4 操作系统的主要功能,文件的读写管理和保护： 文件的读写管理：根据用户请求，从外存中读取数据，或将数据写入外存。 文件保护 1.4.5 用户接口 1.

23、命令接口 用户可通过该接口向作业发出命令以控制作业的运行。,61,1.4 操作系统的主要功能,联机用户接口： 由一组磁盘操作命令和命令解释程序组成 脱机用户接口： 由一组作业控制语言JCL组成 2. 程序接口 为用户程序在执行中访问系统资源而设置，由一组系统调用组成 3. 图形接口,62,1.5 操作系统的结构设计,一、传统的操作系统结构 1、无结构操作系统 2、模块化OS结构 3、分层式OS结构,63,模块化OS结构,优点: (1)提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性。 （2）增强了OS 的可扩充性 （3）加速了OS的开发过程,64,缺点：功能划分和模块接口难保正确和合理； 模块之间的

24、依赖关系（功能调用关系）复杂（调用深度和方向），降低了模块之间的相对独立性，使OS结构变得不清晰。,65,分层式OS结构,被调用功能在低层：如文件系统管理设备管理设备驱动程序 活跃功能在低层：提高运行效率 资源管理的公用模块放在最低层：如缓冲区队列、堆栈操作 存储器管理放在次低层：便于利用虚拟存储功能 最低层的硬件抽象层：与机器特点紧密相关的软件放在最低层。 资源分配策略放在外层，便于修改或适应不同环境 用户接口：放在OS的最高层，直接提供给用户使用。,66,二、微内核操作系统结构 1、客户/服务器模式 2、面向对象的程序设计技术 3、微内核技术,67,客户-服务器结构,现代操作系统的一个趋势

25、，将传统操作系统的大部分代码分离出来放在更高的层次上。即从操作系统中去掉尽可能多的东西，而只留一个最小的核心。,68,通常的实现方法是将大多数操作系统功能由用户进程来实现 核心的全部工作是处理客户与服务器间的通信。操作系统被分割成许多部分，每一部分只处理一方面的功能，如文件服务、进程服务、终端服务或存储器服务。如图,69,客户 进程,客户 进程,进程 服务器,终端 服务器,文件 服务器,内存 服务器,。,核心,客户向服务器进程发送 消息，以获得服务,客户服务器模型,用户态,核心态,70,71,特点,每一部分变得很小，更易于管理。而且，由于所有服务器以用户进程的形式运行，而不是运行在核心态，所以它们不直接访问硬件。这样处理的结果是：假如在文件服务器中发生错误，文件服务器可能崩溃，但不会导致整个系统的崩溃,72,优点,易于扩充，易于移植 提高系统的可靠性 提供多种操作系统环境 适宜于分布计算模式 有助于