操作系统第1次课.ppt

操作系统OperatingSystem OS 宋亚奇E Mail lessons syq 华北电力大学计算机系 计算机操作系统 终极目标 自己编写的操作系统近期目标 考试通过中长期目标 考研 计算机操作系统 教材 1 教材 计算机操作系统 修订版 汤子瀛等 西安电子科技大学出版社2 参考教材 操作系统基础 屠祁等 清华大学出版社 2000年第三版 现代操作系统 AadrewS T著陈向群等译 机械工业出版社 1999年第一版 操作系统 徐宗元 高等教育出版社 2000年第一版 OperatingSystemConcepts JamesL Peterson Addison WesleyPublishingCompany 2001年第6版 计算机操作系统 OS网页 北大操作系统实验室 http www cs vu nl ast Aadrew主页 计算机操作系统 荷兰阿姆斯特丹Vrije大学的计算机科学系的教授编译技术 操作系统 网络及局域分布式系统MINIX 于操作系统教学的类UNIX 的小型操作系统Amoeba 一个高性能的微内核分布式操作系统 计算机操作系统 你为何认为微核要优于单体内核 航空电子系统 喷气式战斗机 医院里的呼吸机 微核在嵌入式设备愈加普及 你认为嵌入式设备是一个有前途的关注领域吗 这是一个应用领域 嵌入式系统的优点在于它没有太多遗留技术 MINIX3与所有其它这些微核有何区别 除嵌入部分外 我们努力使它符合POSIX 使它可用于桌面和笔记本等系统 我们能使操作系统可靠而安全吗 攻击Linux 1992年 声称Linux是过时的系统 但他只有20岁 经验还不够丰富 他只是一个孩子 Linus 计算机操作系统 摘要 第一章操作系统引论第二章进程的描述和控制第三章进程的同步和通讯第四章调度和死锁第五章存储器管理第六章虚拟存储器第七章设备管理第八章文件系统第九章磁盘存储器管理第十章操作系统接口 计算机操作系统 第一章操作系统概述 教学目的 操作系统 OS 是最重要的系统软件 本章从OS的作用 发展史 类型 特征和功能等多方面介绍OS 教学要求 熟悉操作系统作用和定义 一般了解操作系统的历史 了解二类计算机硬件系统结构 熟悉现代操作系统的硬件基础 通道和中断 熟练掌握多道程序设计技术的概念 掌握批处理系统 分时系统及实时系统三种操作系统基本类型 了解微机操作系统 网络操作系统和分布式操作系统 掌握操作系统并发性 共享性 虚拟性和异步性等特征 了解现代操作系统特征 熟悉操作系统功能 计算机操作系统 引言 软件 应用软件系统软件 操作系统 语言处理系统和常用的例行服务程序 硬件 输入 输出 I O 设备存储器 MEMORY 处理器 CPU 1 计算机系统组成 计算机操作系统 OS是硬件基础上的第一层软件 是其它软件和硬件的接口 DBMS PASCAL OS 裸机 计算机操作系统 图1 1计算机系统组成 计算机操作系统 1 1操作系统的定义 目标和作用 1 操作系统定义 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 这些程序模块能以尽量有效合理方式管理计算机系统的硬件和软件资源 合理地组织计算机工作流程 控制持续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 有效地使用计算机 使整个计算机系统能够高效地运行 计算机操作系统 2 操作系统的目标 1 方便性a 用户可通过良好的用户界面来操作 使用计算机 DOS命令 WINDOWS图标 b 机器只识别0 1代码 如未配置OS 用户只能用机器语言书写程序 BUT PASCAL语言编写程序 编译 调用OS命令 运行 c DRIVER I ODEVICES 2 有效性a 系统效率 如CPU用的充足与否 b 资源利用率 如内存 I O设备是否忙碌 OS可标示某设备情况异常 统一管理 磁盘整理 计算机操作系统 2 操作系统的目标 3 可扩充性IT技术迅速发展 OS应采用模块化结构 象积木一样 可增加修改 可维护 可复用 可扩展 灵活性好 活字印刷 4 开放性使用不同厂家的计算机 设备能有效地协同工作 实现应用程序的可移植性和互操作性 EXAMPLE UNIX对于C语言编制的程序可以直接使用 可移植性好 几十万条指令的程序改动千条左右即可 POSIX 计算机操作系统 3操作系统的作用 1 从资源管理观点 操作系统是系统资源管理者 OperatingSystemasaResourceManager 操作系统是资源管理程序 它用于控制和管理计算机系统的硬件和软件资源 计算机系统资源 操作系统 软件 文件系统硬件 I O设备设备管理存储器存储器管理处理器处理器 进程 管理 计算机操作系统 2 从软件分层 扩允机器的观点 操作系统是扩充裸机的第一层系统软件 软件 语言处理程序虚拟机2软件 操作系统虚拟机1硬件 裸机 虚拟机 二者结合变成了功能更强大使用更方便的机器固件 为了改善系统的性能 将操作系统中与硬件密切有关的部分软件 通过微程序设计技术转化为硬件 也就是通常所说的固化 这些具有软件功能的硬件称为固件 例如IBM公司生产的AS 400结构如下 计算机操作系统 从软件分层 扩允机器的观点 1 计算机操作系统 3 从服务用户的观点 操作系统是用户与裸机之间接口 用户操作系统接口裸机系统提供的接口有二类 一类是命令接口 它提供一组键盘命令 供用户组织和控制自己的作业运行 如DOS输入指令 识别后 内部OS模块 操作完成 另一类是程序级接口 它提供一组系统调用 即OS中某个模块功能 供用户程序和其它程序调用 WINDOWS系统调用 例子 计算机操作系统 LayersandViewsofaComputerSystem ComputerHardware Operating System Utilities ApplicationPrograms 计算机操作系统 第二节操作系统的发展过程 无操作系统这时的计算机操作是由程序员采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统 2 第一代 50年代中 50年代未 初级单道批处理系统它是为了减少人工操作时间和作业转换时间提高CPU利用率而设计的 系统自动成批处理作业 这是初级单道批处理系统 3 第二代 60年代初 60年代中 多道程序设计共享系统这一代操作系统包括多道批处理系统 采用交互方式的分时系统和以提高瞬时响应时间为特征的实时系统 1 第0代 40年代未 50年代初 计算机操作系统 操作系统的发展过程 4 第三代 60年代中 70年代中 多模式系统这一代计算机系统是通用系统 这一代操作系统是多模式系统 即一个系统同时支持批处理 分时处理 实时处理和多重处理 5 第四代 70年代中 网络操作系统和分布式操作系统网络操作系统实现在计算机网络上进行信息交换 资源共享和互操作等功能 分布式操作系统将地域上分散的各系统互连成一个具有整体功能的系统 并可将一个任务分布地在各系统上运行 实现分布式处理 计算机操作系统 第三节操作系统基本类型 1 批处理系统1 初级单道批处理系统目标 为了解决人工操作 无操作系统 严重降低了计算机资源的利用率的问题 即解决CPU等待人工操作和高速CPU与低速I O间矛盾等问题 脱机输入输出技术 该技术利用一台外围机 脱离主机先将低速输入设备 如纸带机 的数据 输入到较高速大容量的输入设备 如磁带 上 返7 计算机操作系统 初级单道批处理系统 1 批处理技术 它利用磁带容量较大的特点 先将一批作业按序以脱机方式输入到磁带上 主机在监督程序控制下 根据卡片机读入控制作业操作信息 逐个从磁带上读入作业到内存 调入汇编 编释程序将源程序翻译成目标代码 连接装配后执行 结果输出打印 执行完毕后再调入下一个作业 系统就这样自动地一个一个作业地进行处理 直至完成 这是早期单道批处理系统 它解决了作业自动转换 从而减少作业建立和人工操作时间 计算机操作系统 2 现代多道批处理系统 目标 为了进一步提高资源利用率 在硬件采用通道和中断技术支持并行操作的情况下 引入了多道程序设计技术 由此引入多道批处理系统 多道程序设计技术 它是在计算机内存同时存放几道相互独立的程序 这几道程序都处于运行过程中 它们先后开始了各自的运行 但都未运行完毕 多道程序在宏观上并行执行 而在微观上多道程序在某个部件上 如CPU I O 是串行 即多道程序轮流地使用部件 交替执行 一个有一个CPU和一个I O设备 磁盘 的二道批处理系统运行情况如下图所示 练习 计算机操作系统 计算机操作系统 现代多道批处理系统 2 SPOOLing技术 假脱机I O或联机I O 在现代批处理系统中引入缓冲技术 在外存设置输入缓冲区 输入井 和输出缓冲区 输出井 同时又引入SPOOLing技术 SPOOLing SimultaneousPeripheralOperationOnLine 是在联机情况下实现的同时与外围设备联机操作的技术 该技术采用通道代替外围机 它与CPU并行操作 控制外设完成输入输出任务 在该系统中用户提交的作业由输入设备经SPOOLing系统联机输入到外存磁盘的输入井内 并排成一个后备作业队列 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 它们在内存中按一定调度规则共享CPU和系统中各种I O资源 以达到提高资源利用率和系统吞吐量的目的 一个多道程序调度运行范例见后 计算机操作系统 学习操作系统目的 为专门用途人们设计 修改 扩充操作系统 例如操作系统汉化 中文操作系统环境 嵌入式操作系统开发 大多数计算机部门主要决策者选择操作系统及操作系统中的选择部分 用户为了完成自己的任务必须与操作系统交往 用户要了解操作系统提供的人 机接口 在编程中灵活应用进程 线程 操作系统中所用的许多概念和技巧一般可以应用到其它领域 计算机操作系统 补 计算机硬件系统概述 1 计算机硬件系统结构1 大 中 小型计算机的硬件组织这类计算机以存储器为中心 CPU和各种通道都与存储器相连 返7 计算机操作系统 2 微型计算机的典型组织 微型计算机是以总线为纽带来构成计算机系统 中央处理机 CPU 存储器 I O设备 包括外存磁盘 磁带 都挂接在总线 返7 CPU DMA 打印机 终端 存储器 磁盘控制器 打印机控制器 终端控制器 计算机操作系统 2 现代操作系统的硬件基础 多道程序设计 Multiprogramming 技术现代计算机系统为了提高计算机资源利用率 采用多道程序设计技术 它在主存中存放多道用户的作业 计算机系统硬件支持作业并行操作 使多道作业同时处于运行状态共享系统资源 在现代批处理系统中支持并行操作的硬件是通道和中断 计算机操作系统 通道一个独立于CPU的专门I O控制的处理机 控制设备与内存直接进行数据交换 它有自己的通道命令 可由CPU执行相应指令来启动通道 并在操作结束时向CPU发出中断信号 通道指令的格式一般由 操作码 记数段 内存地址段 结束标志组成 一个系统中可设立三种类型的通道 字节多路通道 数组多路通道 选择通道 计算机操作系统 中断 Interrupts 是指CPU对系统中发生的异步事件的响应 中断的含义是当这些异步事件发生后 打断了处理机对当前程序的执行 而转去处理该异步事件 即执行该事件的中断处理程序 直到处理完了之后 再转向原程序的中断点执行 中断技术的应用范围不断扩大 它使得通道具有中断主机工作的能力 以支持多道程序设计技术 当CPU需要输入数据时 只要发命令给通道去完成 通道进行I O操作和CPU操作可并行异步执行 在通道完成I O操作后 它用中断方式向CPU报告其完成I O情况 计算机操作系统