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北航北海学院软件与信息工程学院 操作系统原理 OS PrinciplesofOperatingSystem 主讲教师 张家耀电子邮件 Zh jiayao 教材操作系统原理教程张丽芬刘美华等电子工业出版社 练习参考书操作系统课程辅导与习题解析张丽芬等电子工业出版社 操作系统课程的特点 理论性强 包含大量的抽象概念 涉及面广 硬件软件的体系结构 并发程序 程序设计方法 软件工程 等 通过实践加深理解 课程形式主讲 习题课课堂讨论 书面作业 考试 笔试期末考试 学习要求 按时上课 认真听讲阅读参考书 整理笔记 总结思考 讨论 提问 学习方式教师只指出课程要点通过自学 读参考书掌握内容及时整理笔记不能只靠PowerPoint课件复习课程善于发现问题 提出问题要努力寻求问题的答案 如何学好操作系统 本课程的基本目的 1 介绍操作系统的基本概念 基本结构 实现原理 设计方法和实现技术 2 介绍操作系统的演变过程 发展的新技术以及新思想 3 介绍有代表性的 典型的操作系统实例 4 培养学生分析问题 解决问题的基本能力 培养创造型人才 操作系统 计划安排 理论教学48 课程实习上机环境 LINUX和WINDOWS环境 第一章操作系统概论 计算机系统的组成操作系统的定义和操作系统设计目的操作系统的形成与发展单机三种基本操作系统的分类操作系统的功能 特征 技术指标及设计规范 操作系统是做什么的 1 控制程序的执行 2 控制硬件和软件工作 3 易于使用 4 提供基本服务 5 计算机系统的效率与安全问题 1 1计算机系统的组成 1 计算机系统的组成计算机系统由硬件和软件组成 两者又总称为计算机系统的资源 可划分为四个层次 个层次之间是单向调用关系 硬件 裸机 操作系统 实用程序和应用程序 如图1 1所示 外层的软件以事先约定的方式调用内层软件或硬件提供的服务 通常把这种约定称为界面或接口 interface 图1 1计算机系统的组成 计算机系统的层次和视图 计算机硬件 操作系统 应用程序 实用程序 终端用户 程序员 操作系统设计者 2 操作系统的定义1 是为了建立用户与计算机系统之间的接口为裸机配置的一种系统软件 站在用户的角度 2 是一种资源管理程序 它依据一定的策略对计算机的软硬件资源进行分配 管理和调度 合理地组织计算机的工作流程 控制程序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 使整个计算机系统高效地运行 从计算机系统设计者的角度 3 操作系统设计目标或作用 1 方便性 向用户提供方便 简单的使用计算机的环境 2 有效性 使计算机系统高效地工作 提高系统资源的利用率 3 OS实现了对计算机资源的抽象 1 2操作系统的形成与发展 1 2 1顺序处理 手工操作阶段 1 硬件非常昂贵 没有操作系统 操作方式 由程序员直接使用计算机硬件系统 启动计算机运行 当程序运行完毕后 才让下一个用户上机操作 2 这种早期的计算机存在两个问题 人工负责计算机的调度将各用户上机时间 并预先登记在一张纸上 人工负责作业编排顺序用户自己安排程序运行的步骤 作业和作业步的定义 作业 把用户在一次算题过程中要求计算机所做工作的集合叫做一个作业 作业步 在计算机上算题时 通常要经历以下步骤 编辑 编译 连接装配和运行程序 这相对独立的每一步骤叫做作业步 一个作业的各作业步之间总是相互联系的 在逻辑上是顺序执行的 3 手工操作方式的缺点 用户独占全机 CPU等待人工操作浪费大量的时间 系统利用率很低 二 简单的批处理系统 BATCHPROCESSSYSTEM 1 简单的批处理模式的中心思想 设计一个监控程序软件自动控制作业的运行 用户 不再直接与计算机打交道 而是将自己的作业 卡片叠或纸带 交给机房的操作员 操作员 将多个作业按序成批地放在一个输入设备上 监控程序 自动控制作业的输入 计算 输出 实现各作业之间的自动转接 2 手工操作阶段的两个问题已得到圆满解决 监控程序处理调度问题 一批排队的作业以尽可能快的速度执行 监控程序负责作业的编排处理问题 用户使用系统提供的作业控制语言命令通过作业控制卡 或作业说明书 把对作业的控制意图提交给监控程序 减少了人工干预和等待时间 不再存在空闲的机器时间 监控程序自动读和识别作业控制卡或说明书中的命令 控制作业的执行 当作业运行中发生错误或意外时 监控程序通过控制台打字机输出信息向操作员报告 控制卡功能 JOB启动一个程序 FORTRON调用FORTRAN编译程序 LOAD调用装入程序 RUN运行程序 DATA数据卡 END作业结束卡 3 批处理系统的优点系统吞吐量大 资源利用率高 适合处理计算量大的 自动化程度高的成熟的作业 4 缺点作业的周转时间长 用户无法对作业进行控制 5 简单的批处理在硬件结构上有两种不同的控制方式 早期的联机批处理早期的脱机批处理 应用带系统带 早期联机批处理 操作方式 CPU直接控制 中速的应用带 和低速的打印机 缺点 CPU的利用效率极低 主机 卡片输入机 打印机 早期的脱机批处理 系统带应用带 输出带 输入带 卫星机 外围机 打印机 主机 卡片输入机 图1 4早期的脱机批处理 特点 卫星机代替主机完成作业的输入 输出工作 脱机输入技术 卫星机预先控制将作业从低速输入设备输入到中速的磁带上CPU从中速磁带机装入程序和数据到内存 将运行结果送磁带上 减少了CPU等待输入的时间 脱机输出技术 卫星机控制把磁带上的计算结果送输出设备输出 主机与慢速外设可以并行工作 提高了主机运行效率 三 多道成批处理系统 1 多道程序设计技术 MultiProgrammingSystem 硬件通道和中断的出现 使原先以CPU为中心的体系结构 转变为以主存为中心 通道 I O处理机 它可以控制一台或多台外设完成与主存之间的数据交换 中断 当通道控制设备完成传输后 通过中断机构向CPU报告完成情况 通道控制慢速外部设备的I O操作 CPU与外设可以并行操作 多道程序设计技术 是指在内存同时放若干道程序 使它们在系统中交叉运行 特点 内存多道 宏观上并行 不同的作业分别在CPU和外设上执行 微观上串行 在单CPU上交叉运行 多道批处理系统 将多道程序设计技术应用于批处理系统 就形成多道批处理系统 例 假设一个计算机系统有256k主存 不包含操作系统 一个磁盘 一个终端和一台打印机 三个作业分别被命名为JOB1 JOB2 JOB3 运行时间分别为5分钟 15分钟和10分钟 对资源的使用情况如下所示 作业编号JOB1JOB2JOB3作业类型计算型I O型I O型占用主存50k100k80k需磁盘情况NONOYes需终端情况NOYesNO需打印机情况NONOYes运行所需时间5分钟15分钟10分钟 单道批处理时 三个作业同时装入主存 按顺序执行 作业1运行5分钟完成 作业2等待5分钟后再用15分钟完成 作业3等待20分钟后开始执行 30分钟后 三个作业全部完成 多道批处理时 三个作业同时装入主存并运行 由于它们几乎不同时使用同类资源 这三个作业在15分钟内将全部运行完成 5分钟 15分钟 10分钟 单道批处理 多道批处理 资源利用率 指在给定时间内 系统中某一资源 如CPU 存贮器 外部设备等 实际使用时间所占比率 吞吐量 Throughput 是指单位时间内系统所处理的信息量 它通常是以每小时或每天所处理的作业个数来度量周转时间 是指从作业进入系统到作业退出系统 即完成 所经历的时间 通常用平均周转时间来衡量 衡量批处理操作系统的性能指标 上述例子中的性能指标 单道批处理时 处理机的利用率为 5 5 15 10 17 存储器的利用率为 50 256 100 256 80 256 3 30 多道运行时 处理机的利用率为 5 15 33 存储器的利用率为 50 100 80 256 90 表1 2多道程序与单道程序时资源利用率对比单道多道 三道作业 处理机利用率17 5 5 15 10 33 5 15 存贮器利用率30 50 256 100 256 80 256 3 90 50 100 80 256 磁盘利用率33 10 30 67 10 15 打印机利用率33 10 3067 10 15 完成jobs的时间30分钟15分钟吞吐量6jobs 小时 3 0 5 12jobs 小时 3 0 25 平均周转时间18分钟 5 20 30 310分钟 5 15 10 3 2 多道程序设计技术的实现支持 实现多道程序应解决三个问题 存贮分配和存贮保护 处理机的管理和调度 系统其它资源的管理和调度 1 存贮器的分配和存贮保护存贮分配 解决几道程序共享主存问题 存贮保护 防止用户程序相互干扰及破坏操作系统的问题 存贮器的扩充技术 用户程序不受存储空间影响的问题 2 处理机管理 主要任务 就是实施处理机的分配和调度 以便解决多道程序之间的转接和有效的运行问题 主要涉及对处理机的调度策略 如FIFO 3 系统其它资源的管理和调度I O设备管理 文件管理 作业管理 多道程序设计技术的出现 标志着操作系统技术渐趋成熟 四 分时系统 TIME SHARINGSYSTEM 批处理系统存在的几个问题 1 用户不能直接控制作业 2 作业的周转时间太长 分时系统 又叫做交互式的多用户系统 如下图所示 1 分时的概念分时 是指多个用户分时使用CPU的时间 将CPU的单位时间 比如一秒钟 划分成若干个时间段 每个时间段称为一个时间片 timeslice 分时系统 把CPU按时间片轮流分配给各联机用户使用 每个用户都能在很短时间内得到计算机的服务 彼此感觉不到别的用户存在 好像整个系统为他独占 38 2 分时系统的特点同时性 多用户同时使用计算机 独立性 每个用户独占一台终端 互不干扰 交互性 人机对话 及时性 用户的请求能在较短时间 2 3s 内得到响应 响应时间是分时系统的关键技术指标 分时系统的响应时间 是指用户发出终端命令到系统开始执行命令所需的时间 作业处理系统 批处理系统和分时系统又称为作业处理系统 用户以作业为单位提交系统进行处理 3 批处理与分时系统差别 批处理系统目标 提高机器的使用效率 适用于比较成熟的大型作业 使用作业控制语言 分时系统目标 对用户请求的快速响应 适用于短小作业 人机交互的终端命令 五 实时系统 real timesystem 处理对象 作业处理系统是以作业为处理对象 实时系统是以随机发生的外部事件为处理对象 主要应用 实时控制和实时信息处理 工业生产过程的自动控制 军事目标的自动控制 如飞机运行和导弹发射等 民航的飞机票预订 查询 有关航班 航线 票价等 银行系统的借贷 情报信息检索等系统 硬实时和软实时的区分 硬实时 系统所有可能的延迟是一定的 对关键的任务必须在一定的时间内完成 软实时 系统的对规定的任务没有在一定的时间内完成 有一定的延迟是可以的 如多媒体传输 实时 是指计算机对随机发生的外部事件能作出及时的响应和处理 及时 是指响应所具有的速度 足以控制发出实时信号的那个设备 实时系统 专用系统 如 过程控制系统 它是一个几乎不需要人工干预的现场监督和控制系统 仅当系统内的计算机识别到了违反系统规定的限制 或计算机本身发生故障时 才需要人为干预 人为干预时也只是重置一些参数和调整监督设备 1 实时系统主要特点 1 实时性 以被控制对象或被处理信息能承受的延迟来确定 通常可能是秒级 毫秒级 微秒级甚至毫微秒级 其要求与被控制目标直接相关 2 高安全可靠性 实时系统控制和处理的对象往往是重要的经济和军事目标 而且又是现场直接控制处理 通常采用双工机制 2 实时系统具有的功能 1 实时时钟管理 实时任务的控制时间是由实时时钟计时进行控制的 2 简单的人机对话 其交互能力不及分时系统 3 过载处理 当某时间段内任务过多 影响实时性能时 将任务按照需要处理的紧急程度排队 优先处理更紧急的任务 六 嵌入式系统1 什么是嵌入式系统 在各种设备 装置或系统中 嵌入的能完成特定计算机功能的软硬件系统 它们被嵌入在各种设备 装置或系统中 因此称为嵌入式系统 通常工作在反应方式或对处理时间有较严格要求环境中 在嵌入式系统中的操作系统叫嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是运行在嵌入式智能芯片环境中 对整个智能芯片以及它所操作 控制的各种部件装置等资源进行统一协调 调度 指挥和控制的系统软件 嵌入式操作系统的特征 1 完成某一项或有限项功能 2 在性能和实时性方面有严格的限制3 资源 成本和可靠性通常是影响设计的重要因素4 占有资源少 易于连接5 系统功能可针对需求进行裁剪 调整和生成 以便满足最终产品的设计要求 七 操作系统的功能和特性 通用操作系统 一个系统兼有批量处理 分时处理和实时处理三者或其中两者的功能 如 分时和批处理相结合 将分时任务作为前台任务 将批量处理作业作为后台任务 便是分时批量处理系统 通用操作系统不仅能满足用户的特殊要求 而且能提高资源的利用率 因此得到广泛应用 1 操作系统的功能 4个 1 处理机管理 2 存贮器管理 3 设备管理 4 文件管理 2 操作系统的特性 4个 1 并发性 并发是指系统中存在着若干个逻辑上相互独立的程序或程序段 它们都已经被启动执行 而且都还没有完成执行 2 共享性 是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共享使用 支持系统并发性的物质基础是资源共享 3 虚拟 Virtual 是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物 如分时系统的CPU 每个用户都认为有一个CPU在专门为他服务 4 异步性 Asynchronism 在多道程序环境下 多个程序并发执行 各程序走走停停 进程以异步方式运行 先进入内存的作业可能后完成 而后进入内存的作业先完成 3 操作系统设计规范通常用以下几个方面来衡量一个操作系统的性能优劣 六个方面 系统效率系统可靠性可移植性 可伸缩性 兼容性 安全性等 1 系统效率系统效率是操作系统的一个重要性能指标 体现系统效率的指标包括资源利用率 吞吐量和周转时间以及响应时间等 2 系统可靠性是指系统能发现 诊断和恢复硬件和软件故障的能力 通常用下面几个指标进行说明 可靠性R Reliability 通常用系统的平均无故障时间MTBF MeanTimeBetweenFailures 来度量 它是指系统能正常工作的平均时间值 R越大 系统可靠性越高 可维护性S Seviceability 通常用平均故障修复时间MTRF MeanTimetoRepairFault 来度量 它是指从故障发生到故障修复所需的平均时间 S越小 可修复性越高 可用性A Availability 是指系统运行的整个时间内 能正常工作的的概率 它由下面公式计算 可用性A MTBF MTBF MTRF MTBF 平均无故障时间MTRF 平均故障修复时间 3 可移植性 Portability 是指把一个操作系统从一个硬件环境移植到另一个硬件环境时系统仍能正常工作的能力 移植时 代码修改量要小 效率要高 4 可伸缩性 操作系统对填加新的硬件和软件的能力 5 兼容性 运行其他操作系统的软件和低版本软件的能力 6 安全性 防止系统遭受破坏 八 操作系统的进一步发展 个人计算机操作系统计算机的网络操作系统分布式操作系统1 个人计算机操作系统是一个单用户的交互式操作系统 强调使用方便简单 单用户单任务OS 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 如MS DOS 单用户多任务OS 只允许一个用户上机 但允许将一个用户程序分为若干个任务 使它们并发执行 如OS 2 MSWindows 多用户多任务OS 允许多个用户通过各自的终端 使用同一台主机 共享系统资源 而每个用户程序又可进一步分为几个任务 使它们并发执行 如UNIXOS 最近几年的类UNIX的LINUX系统发展很快 由于它的源代码的公开 很受用户欢迎 Android操作系统 2 多处理机操作系统一个计算机系统有多台CPU 各个处理机采用紧耦方式合共享主存和外设 两种工作模式 非对称多处理 AsymmetricMultiProcess 对称多处理 SymmetricMultiProcess SMP 对称多处理 的优点 增加了系统的吞吐量 增加了系统的可靠性 3 计算机的网络操作系统计算机网络 在计算机网络中的用户可以不受地理位置的限制 彼此进行通信 网络操作系统 是为计算机网络配置的操作系统 网络中的各台计算机配有各自独立的操作系统 网络操作系统把它们有机地联系起来 主要功能 是为网络中各台计算机间提供通信和提供网络资源的共享 网络OS的模式 客户 服务器 Client Server 模式 对等模式 Peer to peer 模式 各个站点是对等的 可作为客户 也可作为服务器 在网络中既无服务处理中心 也无控制中心 网络管理功能主要包括 5个 1 网络通信 在源主机和目标主机之间 实现无差错的数据传输 2 资源管理 管理和分配网络中的共享资源 3 网络服务 电子邮件服务 文件传输 存取和管理服务 共享硬盘服务 共享打印服务 4 网络管理 安全管理 网络性能监视 对使用情况进行统计 5 互操作能力 远程操作 4 分布式操作系统分布式计算机系统 是由多个分散的计算机经互连网络连结而成的统一的计算机系统 其中的各计算机既高度自治又相互配合 能在整个系统范围内实现资源管理 资源共享 信息交换和协同执行任务 分布式系统与计算机网络系统的区别 1 计算机网络有ISO制定的网络互连体系结构及一系列标准通信网络协议 而分布式系统没有制定标准协议 2 分布式计算机系统 它强调资源 任务 功能和控制的全面分布 分布的原则有两种 任务分布和功能分布 任务分布 是指把一个计算任务分成多个可并行执行的子任务 分配给各场地协同完成 功能分布 是指把系统的总功能划分成若干子功能 由各场地分别承担其中的一部分或几部分子功能 网络OS无任务分配功能 九 现代操作系统 现代操作系统 UNIX和Windows2000 的特征微内核结构多线程对称多处理分布式计算面向对象设计 1 微内核结构 巨大的内核 无结构OS 模块化OS结构 分层式OS结构包括CPU调度 文件系统 联网 设备驱动 存储管理等等 典型的 这个大内核是作为一个进程实现的 所有元素都共享相同的地址空间 微内核结构 足够小的内核 采用客户 服务器模式 大多数功能都是由运行在用户模式下的进程提供 采用面向对象技术使用封装 继承 多态性的技术特征 1 微内核结构 微内核是指系统提供的调用频率很高的操作系统核心的一些服务程序 分配一些最基本的功能 微内核具有较好的灵活性和可扩展性 包括如下4种服务 最基本的功能 进程间通信服务某些主存地址空间管理功能 少量的底层进程管理和调度底层输入输出和中断处理功能 操作系统其他的服务都是由运行在用户模式下的进程提供的 可以与微内核提供的其他应用程序一样对待 这些进程有时也称为服务程序 2 多线程 multithreading 把执行一个应用程序的进程划分成可以同时运行的多个线程 线程 可分派的最小工作单位 进程 一个或多个线程和相关系统资源的集合 对应于一个正在执行的程序 多线程对执行许多本质上独立 不需要串行处理的任务的应用程序是很有用的 同一进程中线程间切换要比不同进程间切换的处理器开销少 3 对称多处理 symmetricmultiprocessing SMP 对称多处理可以定义为具有以下特征的一个独立的计算机系统 有多个处理器 这些处理器共享同一个主存器和I O设备 它们之间通过通信总线或别的内部连接方案互相连接 对称 所有处理器都可以执行相同的功能 4 分布式计算 distributedcompute 给一群计算机或处理机提供单一系统外部特征 一群计算机中 每一个都有自己的主存储器 辅助存储器和其他I O模块 使用户产生错觉 好象是一个单一的主存空间 辅存空间以及其它的统一存取设备 如分布式文件系统 集群 cluster 作为分布式系统 正变得越来越流行 5 面向对象设计 操作系统设计最新的改革是使用面向对象技术 面向对象设计的原理用于给微小内核增加组件的扩展上 基于对象的结构使程序员可以定制操作系统 而不破坏系统的完整性 面向对象还使得分布式工具和分布式操作系统的开发变得容易 本章重点部分 计算机系统组成 操作系统的定义和操作系统设计目标 多道程序设计技术的概念及特点 掌握单机三种基本操作系统 批处理 分时和实时 的主要特点 相互区别 操作系统的性能指标及操作系统的特性 本章了解部分 1 了解操作系统的产生与发展 以及操作系统的分类 单用户OS 多用户OS以及多机OS 及作用 2 操作系统的功能 习题1 如何定义一个操作系统 答 1 从操作系统设计者的角度 是一种资源管理程序 它依据一定的策略对计算机的软硬件资源进行分配 管理和调度 合理地组织计算机的工作流程 控制程序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 使整个计算机系统高效地运行 2 从使用者的角度 是为了建立用户与计算机系统之间的接口为裸机配置的一种系统软件 配上操作系统的计算机比裸机功能更强 使用更方便 2 早期操作系统设计的主要目标是什么 1 方便性 向用户提供方便 简单的使用计算机的环境 2 有效性 使计算机系统高效地工作 提高系统资源的利用率 习题 3 何为作业和作业步 答 作业 把用户在一次算题过程中要求计算机所做工作的集合叫做一个作业 作业步 在计算机上算题时 通常要经历以下步骤 编辑 编译 连接装配和运行程序 这相对独立的每一步骤叫做作业步 一个作业的各作业步之间总是相互联系的 在逻辑上是顺序执行的 4 为什么要引入多道程序系统 什么是多道程序设计 它有什么特点 答 引入多道程序系统的原因 通道控制慢速外部设备的I O操作 CPU与外设可以并行操作 总之为了提高系统效率 多道程序设计是指在内存同时放若干道程序 使它们在系统中交叉运行 特点 内存多道程序 宏观上并行 不同的作业分别在CPU和外设上执行 微观上串行 在单CPU上交叉运行 4 叙述操作系统的基本功能 5 分时系统特点是 答 同时性 独占性 交互性和及时性 6 现代操作系统具有哪些特点 衡量一个批处理操作系统有哪些性能指标 并解释其含义 答 基本特性 并发性 共享性 虚拟性 异步性 性能指标 资源利用率 指在给定的时间内 系统中某一资源如CPU 存储器 外部设备等实际使用时间所占的比率 吞吐量 单位时间内系统说处理的作业的个数 周转时间 指作业从进入系统 到退出系统所用的时间 平均周转时间 是指系统运行一批作业后 个作业周转时间的平均值 7 名词解释 微内核 微内核是指系统提供的调用频率很高的操作系统核心的一些服务程序 分配一些最基本的功能 微内核具有较好的灵活性和可扩展性 包括如下4种服务 最基本的功能核心态 进程间通信服务某些主存地址空间管理功能 少量的底层进程管理和调度底层输入输出和中断处理功能 操作系统其他的服务都是由运行在用户模式下的进程提供的 可以与微内核提供的其他应用程序一样对待 这些进程有时也称为服务程序 习题 11什么是对称多处理 有什么好处 答 对称多处理是指 操作系统和用户程序可以安排在任何一个处理机上运行 或者同时在所有的处理机上运行 个处理机共享储存和各种IO设备 好处 增加了系统的吞吐率 增加了系统的可靠性 习题 12应该运行在核心态的指令 A 设置处理机运行状态 B 读实时时钟C 设置实时时钟D 关中断E 改变内存页映射F 读操作系统的某些数据 答 A B C D E F 习题 13 为了实现系统保护 为CPU设计了多种状态 常用的是哪两种状态 各种状态下执行什么程序 什么时候发生状态转换 答 常用的状态有用户态 和核心态 在核心态可以执行特权指令 有关系统全局的指令 和访问的特权性 访问存储器一些特殊的单元 当用户要进行系统调用执行时 发生状态改变 习题 14 操作系统的设计目标一般不关心 A 安全性B 系统规模C 模块化D 高效性 答 B C 习题 15 批处理操作系统的主要缺点是 A CPU利用率低B 不能并发执行C 缺少交互性D 以上都不是 答 C 习题 16 在分时系统中 当用户数为100时 为保证响应时间不超过2秒 系统设置时间片长度应为 A50msB100msC10msD20ms 答 C 习题 17 下面关于并发性定义中