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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 操作系统引论 什么是操作系统操作系统的性质 计算机系统的组成 操作系统在计算机系统中的地位 操作系统的地位 紧贴系统硬件之上 所有其他软件之下 是其他软件的共同环境 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 1 1操作系统的目标 设计操作系统最重要的两个目标是方便性和有效性 方便性硬件只识别0和1这样的机器代码 因此用户要在计算机上运行自己所编写的程序 就必须用机器语言书写 影响操作系统的主要目标的因素 计算机系统的规模操作系统的应用环境 有效性提高系统的资源利用率资源忙 而得到有效的利用数据有序而节省了存储空间提高系统的吞吐量合理组织工作流程 进一步改善资源利用率 提高系统吞吐量 可扩充性适应硬件和网络的发展要求 应采用新的结构如微内核结构和客户服务器模式 以方便增加新的功能模块 修改老的功能模块 开放性遵循开放系统互连OSI国际标准 是90年代计算机技术的核心问题 操作系统的作用 用户与计算机硬件系统之间的接口 计算机系统资源的管理者 实现了对计算机资源的抽象 用户与计算机硬件系统之间的接口 OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是 OS处于用户与计算机硬件系统之间 用户通过OS来使用计算机系统 OS是一个系统软件 这种接口是软件接口 OS作为接口的示意图 1 命令方式 OS提供了一组联机命令 语言 用户可通过键盘输入有关命令 来直接操纵计算机系统 2 系统调用方式 OS提供了一组系统调用 用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用 来操纵计算机 3 图形 窗口方式 计算机系统资源的管理者 处理机管理存储器管理I O设备管理文件管理 裸机 完全无软件的计算机系统 实现了对计算机资源的抽象 扩充机器或虚机器 覆盖了软件的机器 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2 方便用户 3 器件的不断更新换代4 计算机体系结构的不断发展 1 2操作系统的发展过程 无操作系统的计算机系统 单道批处理系统 50年代 多道批处理系统 60年代 分时系统 60年代 实时系统 60年代 人工操作方式 工作方式用户 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 为机器语言 输入输出 纸带或卡片 1945 50年代 电子管 第一代计算机 集中计算 计算中心 计算机资源昂贵 缺点 1 用户独占全机 不出现资源被其他用户占用 资源利用率低 2 CPU等待人工操作 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 脱机输入 输出 Off LineI O 方式 脱机I O方式的主要优点 减少了CPU的空闲时间 2 提高I O速度 单道批处理系统 SimpleBatchProcessingSystem 50年代末 60年代中 晶体管 第二代计算机 利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列 每批作业由一个专门的监督程序 Monitor 自动依次处理 可使用汇编语言开发 批处理中的作业的组成 用户程序数据作业说明书 作业控制语言 批 供一次加载的磁带或磁盘 通常由若干个作业组装成 在处理中使用一组相同的系统软件 系统带 过程 一批作业以脱机方式输入到磁带上 在监督程序的控制下连续处理 特征 1 自动性无人工干预 2 顺序性按进入内存的先后执行 3 单道性内存中只保持一道作业 单道批处理的主要问题 CPU和I O设备使用忙闲不均 取决于当前作业的特性 对计算为主的作业 外设空闲 对I O为主的作业 CPU空闲 多道批处理系统 MultiprogrammedBatchProcessingSystem 多道 内存中同时存放多个相互独立的程序 多道技术是共享的基础 多道批处理系统的产生动力 1 提高资源利用率 2 提高系统吞吐量 60年代中 70年代中 集成电路 第三代计算机 利用多道批处理提高资源的利用率 在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处 提高CPU的利用率 2 可提高内存和I O设备利用率 3 增加系统吞吐量 作业的处理流程作业提交 作业的输入 作业执行作业完成 作业的输出 批处理系统中作业处理及状态 多道批处理系统的特征 多道性 在内存中有多道程序可并发执行 3 调度性 作业从提交到完成经两次调度 作业调度 从外存到内存 选多个 进程调度 分配处理机 选一个 2 无序性 完成时间与进入内存先后无关 多道批处理系统的优点 资源利用率高 系统吞吐量大 吞吐量 单位时间完成的总工作量 原因 1 资源忙 2 完成或运行不下去才切换 平均周转时间长 作业周转时间 从作业进入系统开始到完成并退出系统经历的时间 通常几小时 甚至几天无交互能力 修改和调试极为不方便 多道批处理系统的缺点 单道和多道批处理的比较 多道程序系统和多处理系统 multiprocessingsystem 的区别 前者指多个程序同时在内存中交替运行 后者指多个处理器 多道批处理系统的资源利用效率特征 多道批处理系统的资源利用效率特征是基于各作业对系统资源的需求差异得到的 例如 有3个作业A B C 分别为计算 检索和打印作业 单道运行时间分别为5分 15分和10分钟 它们可并行在15分钟内完成3个作业 各资源的利用效率为 多道批处理系统需要解决的问题 处理机管理问题 2 内存管理问题 3 I O设备管理问题 4 文件管理问题 5 作业管理问题 分时系统 Time SharingSystem 定义 一台主机上连接了多个终端 同时允许多个用户通过自己的终端 以交互方式使用计算机 共享主机的资源 分时系统产生的动力 用户的需求 表现在 人机交互 边运行边调试 共享主机便于用户上机 第一台分时系统是MIT开发的CCTSS 人 机交互 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 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 及时接收 系统配置多路卡 使主机能同时接收各用户从终端输入的数据 为每个终端配置缓冲区 及时处理 作业在内存且采用时间片轮转 分时系统实现中的关键问题 分时系统的特征 多路性 宏观上同时微观上轮流 4 交互性 3 及时性 较短时间响应 2 3秒 2 独立性 每个用户感觉独占主机 实时系统 real timesystem 用于工业过程控制 军事实时控制 金融等领域 包括实时控制 实时信息处理 主要特征是实时性和可靠性 要求 响应时间短 在一定范围之内 系统可靠性高 目前的操作系统 通常具有分时 实时和批处理功能 又称作通用操作系统 可适用于计算 事务处理等多种领域 能运行在多种硬件平台上 如UNIX系统 WindowsNT等 通用化 小型化 任务的类型 周期性实时任务 非周期性实时任务 截止时间 deadline 开始截止时间和完成截止时间 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 应用需求 实时控制 2 实时信息处理 1 多路性 2 独立性 3 及时性 4 交互性 5 可靠性 实时系统与分时系统特征的比较 操作系统的分类 批处理操作系统分时操作系统实时操作系统多处理机操作系统网络操作系统分布式操作系统微机操作系统 操作系统分类主要讨论操作系统的内部特征 返回 微机操作系统微机操作系统是一种联机交互的单用户操作系统 它提供的联机交互功能与通用分时系统所提供的功能很相似 由于是个人专用 因此一些功能将会简单的多 然而 由于个人计算机的应用普及 要求微机操作系统提供更方便友好的用户接口和功能丰富的文件系统 单用户单任务的操作系统MS DOS和单用户多任务的操作系统OS 2及Windows等都是微机操作系统 网络操作系统网络操作系统是为计算机网络而配置的 计算机网络是把不同地点上分布的计算机通过通信机构连接起来 实现资源共享 网络操作系统就是网络用户与计算机网络之间的接口 它除了具有通常操作系统的各种功能外 还应具有网络管理的功能 例如 网络通信 网络服务等 分布式操作系统分布式操作系统是为分布式计算机系统配置的 它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 分布式操作系统管理分布式系统中的所有资源 它负责全系统的资源分配和调度 任务划分 信息传输控制协调工作 并为用户提供一个统一的界面 用户通过这一界面实现所需要的操作并使用系统资源 至于操作定在哪一台计算机上执行或使用哪台计算机的资源则是操作系统完成的 用户不必知道 此外 由于分布式系统更强调分布式计算和处理 因此对于多机合作和系统重构 健壮性和容错能力有更高的要求 微机操作系统的发展 单用户单任务操作系统单用户多任务操作系统多用户多任务操作系统 单用户单任务操作系统 只允许一个用户上机 且只允许用户程序作为一个任务运行 主要配置在8位和16位微机上 CP M1974年 digitalresearch公司开发了具有软盘系统的8位微机操作系统 是最早的微机操作系统 1979年又推出带硬盘管理功能的CP M2 2版本 MS DOS1981年 IBM公司推出了IBM PC个人计算机 16位 采用的MS DOS操作系统 支持硬盘设备和树形目录结构 单用户多任务操作系统 只允许一个用户上机 但允许用户把程序分为若干个任务 使其并发执行 主要配置在32位微机上 windows1985年微软推出windows1 0 1987年微软推出windows2 0 1990年推出windows3 0 主要针对386 486等32位机 引入图形界面 1995年推出windows95支持网络功能 1998年推出windows98整合INTERNET到系统中 并支持多媒体 2000年推出的windows2000 2001年WindowsXP 是当前使用最广的个人操作系统 还有WindowsNT网络操作系统 目前流行的是WindowsVista 多用户多任务操作系统 允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器 共享主机系统的资源 而每个用户的程序又可分为几个任务 使其能并发执行 大中小型机配置的多是多用户多任务操作系统 32位机上也有不少 unix1969年 Bell实验室开发的Solaris1982年SUN公司Linux1991年由芬兰赫尔辛基大学学生LinusBenedictTorvalds研发的 1 3操作系统的基本特性 并发 concurrency 最重要 共享 sharing 虚拟 virtual 异步性 asynchronism 并发 Concurrence 并行性 两个或多个事件在同一时刻发生 并发 两个或多个事件在同一时间间隔内发生 单处理机系统 宏观并行微观分时地交替执行 多处理机系统 并行执行 进程 在系统中能独立运行 独立接受调度以及资源分配的基本单位线程 在系统中能独立运行 独立接受调度的基本单位 定义 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 Sharing 两种资源共享方式 1 互斥共享方式 对临界资源的访问 如打印机等硬件 栈 变量和表格等软件 同时访问方式 允许多个进程 同时 访问的资源 如磁盘设备 重入码编写的文件 同时 宏观上同时 微观上交替地访问 并发和共享是操作系统的两个最基本的特征 两者又互为存在的条件 定义 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 物理实体是实际存在的 后者是用户感觉上的东西 时分复用技术 空闲时间 虚拟的实现主要是通过分时使用的方法 在虚拟处理机技术中 是通过多道程序设计技术 让多道程序并发执行的方法 来分时使用一台处理机 虚拟 Virtual 在虚拟设备技术中 利用SPOOLING技术将一台物理I O设备虚拟为多台逻辑上的I O设备 允许每个用户占有一台逻辑上的设备 使临界资源变为共享设备 空分复用技术 空闲空间 虚拟磁盘技术虚拟存储器技术 异步性 Asynchronism 进程的运行速度不可预知 分时系统中 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 只要初始条件和运行环境相同 结果相同 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 也称不确定性 指进程的执行顺序和执行时间的不确定性 1 4操作系统的主要功能 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面向网络 操作系统的主要任务 为多道程序的运行提供良好的运行环境 提高资源利用率和系统吞吐量 方便用户使用 处理机管理 主要任务 创建和撤销进程 线程 对诸进程的运行进行协调 实现进程之间信息的交换 按照一定的算法把处理机分配给进程 线程 进程控制 创建 撤销 挂起 改变运行优先级等 主动改变进程的状态进程同步 协调并发进程之间的推进步骤 以协调资源共享 两种协调方式 进程互斥 进程同步进程通信 进程之间传送数据 以协调进程间的协作 也可以用来协调进程之间的推进调度 作业和进程的运行切换 以充分利用处理机资源和提高系统性能 未必都是进程控制操作所引起 可能是时间片轮转 I O操作 包括两种调度方式 进程调度和作业调度 存储管理 内存分配与回收内存保护 保证进程间互不干扰 相互保密 地址映射 变换 进程逻辑地址到内存物理地址的映射 内存扩充 交换和虚拟存储 提高内存利用率 扩大进程的内存空间 主要任务 为多道程序的运行提供良好的环境 方便用户使用 提高存储器的利用率 能从逻辑上扩充内存 1 内存分配 主要任务 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 适应程序和数据动态增长的需要 内存分配有两种方式 静态 动态 结构 内存分配数据结构 记录内存空间的使用情况 作为内存分配的依据内存分配功能 按照一定的内存分配算法 为用户程序分配内存空间内存回收功能 2 内存保护 功能 确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行 彼此互不干扰 不允许用户程序访问操作系统的程序和数据 不允许用户程序转移到非共享的其他用户程序中执行 设置内存保护机制 界限寄存器 3 地址映射 地址空间 用户应用程序的地址所形成的地址范围称为地址空间 其地址称为逻辑地址 相对地址 内存空间 由内存中的一系列单元所限定的地址范围 其中的地址称为 物理地址 4 内存扩充 任务 借助于虚拟存储技术 从逻辑上去扩充内存容量 使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多 或者是让更多的用户程序能并发运行 1 请求调入功能 2 置换功能 设备管理 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 功能 具有缓冲管理 设备分配和设备处理 以及虚拟设备等 缓冲管理 最常见的缓冲区机制 单缓冲机制双缓冲机制 能实现双向同时传送数据公用缓冲池机制 能供多个设备同时使用的 设备分配 基本任务 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 如果在I O设备和CPU之间 还存在着设备控制器和I O通道时 还须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道 为了实现设备分配 系统中应设置设备控制表 控制器控制表等数据结构 用于记录设备及控制器的标识符和状态 设备处理 又称为设备驱动程序 基本任务 实现CPU和设备控制器之间的通信 即由CPU向设备控制器发出I O命令 要求它完成指定的I O操作 反之由CPU接收从控制器发来的中断请求 并给予迅速的响应和相应的处理 文件管理 文件存储空间管理 解决如何存放信息 以提高空间利用率和读写性能 主要任务 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 解决信息检索问题 主要任务 实现按名存取 实现文件共享 提供快速的目录查询手段 文件的读写管理和存取控制 解决信息安全问题 防止未经核准的用户存取文件 防止冒名顶替存取文件 防止以不正确的方式使用文件 主要任务 对用户文件和系统文件进行管理 方便用户使用 保证文件的安全性 用户接口 目标 提供一个友好的用户访问操作系统的接口 用户接口 提供给用户的接口命令接口 1 联机用户接口 2 脱机用户接口图形用户接口程序接口 提供给程序员在编程时使用的接口 命令接口 适用 几乎所有计算机的操作系统中 1 联机用户接口 组成 命令 终端处理程序 命令解释程序 过程 用户在键盘上输入命令 终端处理程序接收命令并显示在屏幕上 命令解释程序接收并执行该命令 联机命令举例 UNIX login logout DOS copy format 命令解释程序 操作系统的最高层 如DOS COMMAND COMUNIX Shell 适用 批处理系统 又称批处理用户接口组成 JCL 作业说明书 命令解释程序JCL 作业控制语言 提供给批处理用户的 为实现所需功能而委托系统代为控制的一种语言过程 用户把对作业的控制用JCL写在作业说明书上 命令解释程序按照作业说明书解释并执行 2 脱机用户接口 图形用户接口采用了图形化的操作界面 用非常容易识别的各种图标来将系统的各项功能 各种应用程序和文件 直观 逼真地表示出来 用户可用鼠标或通过菜单和对话框 来完成对应用程序和文件的操作 图形接口 目的 为用户程序访问系统资源而设置 组成 一组系统调用系统调用 一个系统调用是一个能完成特定功能的子程序 程序接口 该接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的 是用户程序取得操作系统服务的惟一途径 应用程序要求OS提供某种服务 功能 时 便调用具有相应功能的系统调用 早期的系统调用都是用汇编语言提供的 只有在用汇编语言书写的程序中