操作系统引论

操作系统,主讲人：张学敏agnes_200313972655660,OperatingSystem,你用过什么操作系统？,Linux,MacOSX,最新的操作系统？目前应用在手机上的操作系统主要有PalmOS、Symbian、WindowsCE、Linux和Android等。,操作系统是什么？,操作系统：人们为了最大限度地榨取CPU的工作能力而想出的一整套“剥削”方法，它的基本原则只有一条：又要马儿跑得快，又要马儿少吃草！,一、为什么学习操作系统（OS）加深对使用的操作系统的理解，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（比如插件开发、微内核）。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。存在人们意识不到的大量“操作系统”（如:嵌入式系统家电、手机）。设计操作系统或者修改现有的系统。,一、为什么学习操作系统（OS）现在的视窗系统（Windows）存在种种问题木马问题流氓软件计算机病毒系统稳定性计算机性能打算考研的部分同学的必修课程中国需要自己的计算机操作系统目前操作系统种类繁多，但是基本设计方式是一致的不同的平台需要不同的操作系统掌上电脑网络服务器个人电脑电器中的控制芯片手机等移动设备,三大操作系统都不能满足我们的需要,二、操作系统涉及到计算机科学很多领域计算机体系结构/硬件软件设计程序设计语言数据结构算法网络学习核心技术并能在其他地方应用。操作系统是目前最复杂的软件系统。,操作系统的重要性：掌握核心系统软件掌握并行处理的思想方法为后继课程打好基础,三、课程的地位及特点本课程地位专业核心课程（学位课）考研核心课程技术开发的理论基础课程的特点实践性强（从实践总结出原理）概念多、较抽象，涉及面广（并行程序，性能问题，结构问题，程序方法论，软件工程等等）灵活，错综复杂，纵横交错,真的那么难吗？,四、课程的学习目的使学生掌握操作系统的基本概念、基本原理、设计方法和实现技术，具有初步分析实际操作系统的能力，为其今后在相关领域开展工作打下坚实的基础。,在学习每一部分内容时,不仅要记住给出的结论，还要认真思考所讨论问题的由来、环境、意义、理论依据和应用背景，并结合实例操作系统加深理解，做到举一反三。,如何学习操作系统掌握操作系统的基本概念、基本原理、实现技术。操作系统实例分析,学会思考,活着就意味着思考。西塞罗我思故我存。笛卡尔学而不思则惘。孔子缺乏知识就无法思考，缺乏思考也就得不到知识日本你可以从别人那里汲取某些思想，但必须用你自己的方式加以思考，在你的模子里铸成你思想的砂型。兰姆,五、教材及参考资料,（1）教材谭耀铭，操作系统（2007年），比较简单易学。（2）参考用书1）计算机操作系统汤子瀛等编著，经典教材2）操作系统原理（第三版），庞丽萍著，华中科技大学出版社，20003）现代操作系统AndrewS.Tanenbaum著，陈向群等译，机械工业出版社4）操作系统习题与解析曾平，李春葆著，清华大学出版社5）深入分析LINUX内核源代码陈莉君著，人民邮电出版社47/ec2006/C295/Course/Index.htm,4学时/周，共18周，实验1学时/周考核方式和方法：考试，闭卷20%作业平时+20%期中+60%期末教学要求：按时上课，认真听讲，不做和课堂无关的事情，课外阅读参考书认真记笔记，整理笔记思考，讨论，提问作业一章上交一次,六、教学安排,教学目的：掌握操作系统的定义及其基本特性、主要功能了解操作系统的发展历史和类型教学难重点：操作系统的定义操作系统的类型及特点,第1章引论,操作系统(operatingsystem,OS)是计算机系统中必不可少的系统软件。它是计算机系统中各种资源的管理者和各种活动的组织者、指挥者。它使整个计算机系统协调一致且有效地工作。通过本课程的学习，我们将知道操作系统要做什么、怎么做和为什么要这样做。,1.1什么是操作系统1.1.1计算机系统计算机系统是按用户的要求接收和存储信息、自动进行数据处理并输出结果信息的系统。,计算机系统由硬件系统和软件系统组成。软硬件系统的组成部分就是计算机系统的资源，当不同的用户使用计算机时都要占用系统资源并且有不同的控制需求。硬件系统包括:计算机系统资源包括:,1.1.2操作系统,操作系统就是计算机系统的一种系统软件，由它统一管理计算机系统的资源和控制程序的执行。,操作系统概念:P4一种管理计算机系统资源,控制程序执行,改善人机界面和为其他软件提供支持的系统软件。资源管理者：OS向用户提供了“用户与操作系统的接口”,操作系统的设计目标：使计算机系统使用方便。使得计算机系统能高效地工作。二者冲突？如何折中？,1.2操作系统的形成早期没有操作系统原始汇编系统管理程序操作系统可以看到，操作系统是随着计算机硬件的发展和应用需求的推动而形成的。,1.2操作系统的形成,1.2.1无操作系统的计算机系统（第一代计算机）,1.人工操作方式194650年代（电子管）集中计算（计算中心）计算机资源昂贵用户独占全机,AppliedOperatingSystemConcepts,没有程序设计语言（甚至没有汇编），更谈不上操作系统。程序员提前预约一段时间，然后到机房将他的插件板插到计算机里。期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断，从而可以计算自己的题目。,ENIAC计算机,运算速度：1000次/每秒,数万个真空管,占地100平方米。,1.2操作系统的形成,1.2.1无操作系统的计算机系统（第一代计算机）,1.人工操作方式工作方式：人工操作方式，用户是计算机专业人员；编程语言：机器语言；I/O：纸带或卡片；特点：无任何软件、独占性、串行性缺点：(1)用户独占全机(2)CPU等待人工操作，手工装入/卸取纸带或卡片,发展动力：“需求推动发展”,主要矛盾：人机矛盾、CPU和I/O设备速度不匹配，怎么解决？,机器作业在机器上人工操操作时间与机器速度计算所需时间作时间有效运行时间之比1万次/秒1小时3分钟1：2060万次/秒1分钟3分钟3：1,人工操作方式缺点：,1.2.1无操作系统的计算机系统,提高效率的途径：批处理、脱机I/O,2.脱机输入/输出(Off-LineI/O)方式,引入I/O机的概念，解决CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。主要优点：减少了CPU的空闲时间。(2)提高I/O速度。,1.2.2单道批处理系统(SimpleBatchProcessingSystem)（第二代计算机）,50年代末60年代中（晶体管）把一批作业以脱机输入方式输入到磁带/磁鼓利用磁带或磁盘把任务分类编成作业顺序执行每个批作业由专门监督程序（Monitor）自动依次处理处理过程（下页图1-4）,图1-4单道批处理系统的处理流程,一批作业输入磁带,AppliedOperatingSystemConcepts,卡片,早期批处理系统,IBM1401,IBM7094,IBM1401,输入磁带,磁带机,卡片阅读机,输出磁带,打印机,1.2.2单道批处理系统(SimpleBatchProcessingSystem)（第二代计算机）,概念监督程序（monitor）：在其控制下使一批作业能一个接一个的连续处理。单道批处理系统：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(SimpleBatchProcessingSystem)。解决人机矛盾，即提高系统资源的利用率和吞吐量。特征：自动性顺序性单道性,单道程序的工作情况例1：某作业运行时，不断从输入机输入数据，有CPU处理1000个字符需300ms，输入机输入1000个字符需1000ms，问CPU是否需要等待？,CPU,CPU,1.2.3多道批处理系统（MultiprogrammedBatchProcessingSystem）（第三代计算机）,60年代中70年代中（集成电路）多道：内存中同时存放几个作业多个作业共享CPU、内存、外设等资源利用多道批处理提高资源的利用率，OS/36060年代通道和中断技术的出现解决了输入输出等待计算的问题,IBMS/360,1964年4月7日，IBM推出世界上首个采用集成电路的通用计算机系列IBMS/360，它兼顾了科学计算和事务处理两方面的应用，各种机器能相互兼容，并能满足每个用户的需要，具有全能手的特点，正如罗盘有360度刻度一样，所以取名为360。其中最著名的当属S/36085型和S/36091型。,多道程序设计优点提高CPU利用率（下图）提高内存和I/O设备利用率增加了系统吞吐量特征多道性、宏观上并行、微观上串行多道批处理优点资源利用率高、系统吞吐率大缺点平均周转时间长、无交互能力（怎么办？）,用户程序,监督程序,(a)单道程序运行情况,I/O操作,I/O请求,启动I/O,I/O完成,中断,I/O请求,启动I/O,I/O完成,中断,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,表示获得CPU,程序A,调度程序,I/O请求,(b)四道程序运行情况,程序B,程序C,程序D,I/O请求,I/O请求,I/O请求,I/O完成,I/O完成,I/O完成,A完成,表示获得CPU,C再运行,例：程序A运行100ms，输入数据100ms，运行100ms，打印100ms；程序B运行50ms，打印100ms，运行50ms。在多道批处理系统中，假设A先运行，画图说明两个程序运行情况。,CPU有无空闲？作业有无等待情况？CPU利用率=？单道系统中，CPU利用率=,？,小问题：现有两道作业，其中一道可能存在的操作有：计算19分钟，打印2分钟。另一道可能存在的操作有：计算3分钟，打印16分钟。那么在单道程序系统中，两道作业的执行总时间至少为多少分钟？而在多道程序系统中，这一时间至少为多少分钟？,4024,小问题：设在内存中有P1、P2两道程序，并按照P1、P2的次序运行，其内部计算和I/O操作的时间分别如下：P1：计算60ms，打印80ms，计算20msP2：计算120ms，打印40ms，计算40ms调度程序的执行时间不计，在多道批处理系统中，完成这两道程序比单道批处理系统节约的时间是（）A100msB120msC160msD200ms,A,多道批处理系统需要解决的问题,多道批处理系统所用技术：作业调度：作业的现场保存和恢复上下文切换资源共享：资源的竞争和同步互斥(exclusion)和同步(synchronization)机制；内存使用：提高内存使用效率（为当前由CPU执行的程序提供足够的内存）覆盖(overlap)，交换(swap)和虚拟存储(virtualmemory)；内存保护：系统存储区和各应用程序存储区不可冲突；文件非顺序存放、随机存取。,AppliedOperatingSystemConcepts,操作系统的重大进步1、多任务处理（多用户）2、交互服务,操作系统的发展过程,1.3、操作系统的类型按照操作系统提供的服务，大致可以把操作系统分为以下几类：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。其中批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统是基本的操作系统,1、批处理操作系统按照用户预先规定好的步骤控制作业的执行，实现计算机操作的自动化。又可分为批处理单道系统和批处理多道系统。单道系统每次只有一个作业装入计算机系统的主存储器运行，多个作业可自动、顺序地被装入运行。批处理多道系统则允许多个作业同时装入主存储器，中央处理器轮流地执行各个作业，各个作业可以同时使用各自所需的外围设备，这样可以充分利用计算机系统的资源，缩短作业时间，提高系统的吞吐率。,2、分时操作系统，这种系统中，一个计算机系统与许多终端设备连接，分时系统支持多个终端用户，同时以交互方式使用计算机系统，为用户在测试、修改和控制程序执行方面提供了灵活性。分时系统的主要特点是同时性、独立性、及时性和交互性。,分时系统实现中的关键问题,及时接收。多路卡、输入缓冲区及时处理。交互作业应在内存、响应时间应短采用时间片轮转,分时技术工作原理,把处理机的运行时间分成很短的时间片（timeslice,如0.1s），按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一作业使用，等待下一轮时（3s）再继续其运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转得很快，给每个用户的印象是好像他独占了一台计算机。而每个用户可以通过自己终端向系统发出各种操作控制命令，完成作业的运行。,多路性（同时性）独立性（独占性）及时性（13s）交互性：“会话”,分时系统的特征,分时系统的问题：（1）时间片大小如何划分？（2）每个终端如何不相互干扰的问题？,1.2.5实时系统,概念所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(Real-TimeSystem)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（deadline）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。汽车气囊(2)实时信息处理。查询、电视,3、实时操作系统能使计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并在严格的规定时间内完成处理，且给出反馈信号。它是较少有人为干预的监督和控制系统。实时系统对可靠性和安全性要求极高，不强求系统资源的利用率。(1)实时控制。汽车气囊(2)实时信息处理。查询、电视,实时系统与分时系统特征的比较多路性：相似独立性：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,三种基本的操作系统类型批处理操作系统分时操作系统实时操作系统,4、网络操作系统可以把若干计算机联合起来，实现各台计算机之间的通信及网络中各种资源的共享，像我们现在使用的Windows，UNIX和Linux等操作系统都是网络操作系统。5、分布式操作系统的网络中各台计算机没有主次之分，在任意两台计算机间的可进行信息交换和资源共享。这一点上分布式操作系统和网络操作系统差别不大，他们的本质区别在于：分布式操作系统能使系统中若干计算机相互协作完成一个共同的任务。这使得各台计算机组成一个完整的，功能强大的计算机系统。,更多操作系统,嵌入式操作系统指运行在嵌入式(计算机)环境中，对整个系统及所有操作的各种部件、装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制的系统软件手机操作系统：手机操作系统一般只应用在高端智能化手机上，目前应用在手机上的操作系统主要有PalmOS、Symbian、Windowsmobile、Linux和Android、iPhoneOS,黑莓七种。Google的ChromeOS,1.4、操作系统的发展操作系统发展的主要动力器件快速更新换代。计算体系结构不断发展。提高计算机系统资源利用率的需要。让用户使用计算机越来越方便的需要。满足用户新要求，提供给用户新服务。操作系统发展的方向从大中型计算机来看，主要是分布式和网络化。微机操作系统主要向多用户多功能、虚存、图形、数据库等方向发展。操作系统的智能化。,1.5、UNIX操作系统交互分时多用户多任务操作系统,操作系统的基本特性,OS特性一：并发性并行与并发并行性（Parallelism）是指两个或多个事件在同一时刻发生。如T3时刻并发性(Concurrence)是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。如T3T4时刻并发性是OS最重要的特征，OS所有的内容都围绕它展开！,引入进程目的：为了使多个程序能并发执行。好处：有效地提高了系统资源的利用率和系统吞吐量，并改善了系统的性能。进程(Process)：在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。一个进程在运行时需要一定的资源，如CPU、存储空间及I/O设备等。,线程在引入线程的OS中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。进程和并发是现代操作系统最重要的概念！,OS特性二：共享性共享：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某资源.同时访问：宏观上允许在一段时间内由多个进程同时对某资源进行访问,但微观上仍是互斥的.并发与共享是OS的两个最基本的特征,它们互为存在条件.,OS特性三：虚拟,虚拟（不存在）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。在OS中利用了多种虚拟技术,分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备等。,OS特性四：异步性异步性(Asynchronism)：进程以人们不可预知的速度向前推进。运行结果如何保证正确?在多道程序环境下允许多个进程并发执行，但只有进程在获得所需的资源后方能执行。由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不是“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。（你走我停）,1.6操作系统功能,1.6.1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。1、进程控制创建/撤消进程、迁移进程状态。一般由进程控制原语完成2进程同步两种协调方式：(1)进程互斥方式。(2)进程同步方式。3进程通信类型：直接通信、间接通信,4、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,1.6.2存储器管理功能目的：方便用户使用，且提高存贮器利用率1.内存分配：静态分配、动态分配2.内存保护：机制，例：上下界限寄存器3.地址映射：逻辑地址物理地址4.内存扩充：虚存，逻辑上扩充,1.6.3设备管理功能任务：提高I/O利用率和速度，方便用户1.缓冲管理缓冲区：用来解决CPUI/O矛盾，如：CPU快则应多创建缓冲区。2.设备分配包括：设备，设备控制器，I/O通信的分配和回收3.设备处理设备驱动程序,1.6.4文件管理功能任务：方便用户，提供安全性1.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。2.目录管理使用户按名存取，提高速度。3.文件的读、写管理和保护根据用户的需求读写数据，并提供有效的存取控制功能。,1.6.5操作系统与用户之间的接口为了方便用户使用操作系统，OS又向用户提供了“用户与操作系统的接口”。该接口通常可分为两大类：(1)用户接口。它是提供给用户使用的接口，用户可通过该接口取得操作系统的服务；(2)程序接口。它是提供给程序