山东农业大学计算机系

2020/5/16,山东农业大学计算机系,1,计算机操作系统,信息学院计算机系王雅琴,Tel.:8242497(O)8242058(H)E-mail:Tsinghuau,2020/5/16,山东农业大学计算机系,2,成绩评定作业：20%期末考试：70%上课出勤率及回答问题：10%,学习要求按时上课，认真听讲阅读参考书认真记笔记，整理笔记思考，讨论，提问,2020/5/16,山东农业大学计算机系,3,关于课程设计工具：VC+或VB题目类型：操作系统算法模拟时间：第15周,2020/5/16,山东农业大学计算机系,4,教材计算机操作系统汤子瀛等,参考教材操作系统教程王素华人民邮电出版社计算机操作系统教程张尧学史美林清华大学出版社计算机操作系统教程周长林左万历高等教育出版社操作系统基础屠立德屠祁清华大学出版社,2020/5/16,山东农业大学计算机系,5,参考教材OperatingSystemsWilliamStallingsModernOperatingSystemAndrewS.TanenbaumOperatingSystemConceptAbrahanSilberschatz,PeterB.Galvin计算机操作系统学习指导与题解梁红兵汤小丹，西安电子科技大学出版社操作系统考研指导曾平，清华大学出版社,2020/5/16,山东农业大学计算机系,6,操作系统课程的特点实践性强（从实践总结出原理）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）错综复杂：纵横交叉,2020/5/16,山东农业大学计算机系,7,了解操作系统的重要性掌握核心系统软件的实现方法掌握并行、并发处理的思想方法掌握操作系统的基本概念、基本原理、实现技术。为后继课程打好基础,如何学习操作系统,2020/5/16,山东农业大学计算机系,8,#includeintmain(intargc,char*argv)puts(helloworld);return0;,操作系统做什么？,2020/5/16,山东农业大学计算机系,9,目录,Chapter1:引论(4)Chapter2:进程管理(16)Chapter3:处理机调度与死锁(8)Chapter4:存储器管理(10)Chapter5:设备管理(6)Chapter6:文件管理(6)Chapter7:操作系统接口(2)Chapter8:网络操作系统Chapter9:系统安全性(2)Chapter10:UNIX系统内核结构,2020/5/16,山东农业大学计算机系,10,计算机系统的组成,2020/5/16,山东农业大学计算机系,11,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）,2020/5/16,山东农业大学计算机系,12,2020/5/16,山东农业大学计算机系,13,系统部件的简要视图,2020/5/16,山东农业大学计算机系,14,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1.6本章要点与课堂练习,2020/5/16,山东农业大学计算机系,15,操作系统定义,Resourceallocator资源分配者managesandallocatessystemresources.管理和分配系统资源Controlprogram控制程序controlstheexecutionofuserprogramsandoperationsofI/Odevices.控制用户程序的运行和I/O设备的操作Aninterfacebetweentheuserandhardware人机接口Kernel内核theoneprogramrunningatalltimes(allelsebeingapplicationprograms).全时运行的一个程序（其他的是应用程序）,2020/5/16,山东农业大学计算机系,16,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，以及方便用户的程序的集合。(管家、调度、桥梁),操作系统定义,2020/5/16,山东农业大学计算机系,17,1.1操作系统的目标和作用,1.1.1操作系统的目标方便性(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。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。可扩充性(开放的观点)：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：可移植性和互操作性,2020/5/16,山东农业大学计算机系,18,1.1.2操作系统的作用,1.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。,2020/5/16,山东农业大学计算机系,19,使用方式命令方式系统调用方式图形、窗口方式,1.1.2操作系统的作用,2020/5/16,山东农业大学计算机系,20,2.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,1.1.2操作系统的作用,2020/5/16,山东农业大学计算机系,21,3.OS用作扩充机器硬件处在最底层，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。,1.1.2操作系统的作用,2020/5/16,山东农业大学计算机系,22,1.2.1推动操作系统发展的主要动力器件的不断更新换代：CPU的位宽度(指令和数据)、快速外存。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)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。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,1.2操作系统的发展过程,2020/5/16,山东农业大学计算机系,23,1.2.2无操作系统的计算机系统,1.人工操作方式1946-50年代中：电子管时代，计算机速度慢，无操作系统，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；,2020/5/16,山东农业大学计算机系,24,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。,1.2.2无操作系统的计算机系统,2020/5/16,山东农业大学计算机系,25,2.脱机输入/输出(Off-LineI/O)方式:,1.2.2无操作系统的计算机系统,磁盘,磁盘,磁盘,2020/5/16,山东农业大学计算机系,26,1.2.2无操作系统的计算机系统,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,脱机I/O方式的主要缺点：,系统开销大！,2020/5/16,山东农业大学计算机系,27,单道批处理系统的处理过程,1.2.3单道批处理系统(SimpleBatchProcessingSystem),把一批作业以脱机方式输入到磁带或磁盘上，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。单道批处理系统：作业成批处理内存中只有一道。,2020/5/16,山东农业大学计算机系,28,简单批处理系统的内存布局,2020/5/16,山东农业大学计算机系,29,1.2.3单道批处理系统(SimpleBatchProcessingSystem),2、单道批处理系统的特征自动性顺序性单道性,2020/5/16,山东农业大学计算机系,30,1.2.4多道批处理系统,1、多道程序设计的基本概念2、推动多道批处理系统形成和发展的主要动力,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,2020/5/16,山东农业大学计算机系,31,单道程序工作示例：,多道程序工作示例：,1.2.4多道批处理系统,例题,2020/5/16,山东农业大学计算机系,32,2.多道批处理系统的特征：多道性无序性调度性作业调度进程调度,1.2.4多道批处理系统,2020/5/16,山东农业大学计算机系,33,多道程序系统,在主存中同时有若干个作业，CPU在其中多重切换(共享CPU)。,2020/5/16,山东农业大学计算机系,34,多道程序对OS的基本要求,Memorymanagementthesystemmustallocatethememorytoseveraljobs.存储管理-系统必须为若干作业分派空间CPUschedulingthesystemmustchooseamongseveraljobsreadytorun.CPU调度-系统必须在就绪作业中选择准备运行Allocationofdevices.设备分配,2020/5/16,山东农业大学计算机系,35,3.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设备管理问题文件管理问题作业管理问题,1.2.4多道批处理系统,2020/5/16,山东农业大学计算机系,36,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；,1.2.4多道批处理系统,缺点：平均周转时间长：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；,4.多道批处理系统的优缺点：,2020/5/16,山东农业大学计算机系,37,1.分时系统的产生主要动力：用户的需求表现形式：人机交互共享主机便于用户上机,1.2.5分时系统(time-sharingsystem),2020/5/16,山东农业大学计算机系,38,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终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。,1.2.5分时系统(time-sharingsystem),2020/5/16,山东农业大学计算机系,39,2.分时系统实现中的关键问题(1)及时接收(2)及时处理,1.2.5分时系统(time-sharingsystem),响应时间RT(responsetime):,从键盘命令进入(按下回车键为准)到开始在终端上显示应答的时间间隔.,在分时系统中,响应时间时间片用户数,2020/5/16,山东农业大学计算机系,40,3.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,1.2.5分时系统(time-sharingsystem),2020/5/16,山东农业大学计算机系,41,4.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。,1.2.5分时系统(time-sharingsystem),宏观上：是多个人同时使用一个CPU微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU,2020/5/16,山东农业大学计算机系,42,4.分时系统的特征,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。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。,2020/5/16,山东农业大学计算机系,43,1.2.6实时系统(Real-TimeSystem),1.实时系统的引入（1）实时控制：如工业自动控制、火炮自动控制、飞机自动驾驶、导弹制导等。（2）实时信息处理：如飞机订票、情报检索等。,实时：及时响应并快速处理！,2020/5/16,山东农业大学计算机系,44,2.实时任务的类型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,1.2.6实时系统(Real-TimeSystem),2020/5/16,山东农业大学计算机系,45,3.三种基本操作系统的比较：,1.2.6实时系统(Real-TimeSystem),2020/5/16,山东农业大学计算机系,46,1.3操作系统的特征,四个基本特征：并发、共享、虚拟、异步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,2020/5/16,山东农业大学计算机系,47,2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享互为存在的条件,1.3操作系统的特征,2020/5/16,山东农业大学计算机系,48,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，称为虚拟技术虚拟处理机虚拟内存虚拟外部设备,1.3操作系统的特征,2020/5/16,山东农业大学计算机系,49,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。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）;,1.3操作系统的特征,2020/5/16,山东农业大学计算机系,50,1.4操作系统的主要功能,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,2020/5/16,山东农业大学计算机系,51,1.4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：创建和撤销进程(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)。,2020/5/16,山东农业大学计算机系,52,1.4.1处理机管理功能,主要功能有：进程控制：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）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,2020/5/16,山东农业大学计算机系,53,1.4.2存储器管理功能,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；请求调入功能页面置换功能,2020/5/16,山东农业大学计算机系,54,1.4.3设备管理功能,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CPU和设备控制器之间的通信。设备独立性和虚拟设备：,2020/5/16,山东农业大学计算机系,55,1.4.4文件管理功能,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。,2020/5/16,山东农业大学计算机系,56,文件管理的功能,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：,2020/5/16,山东农业大学计算机系,57,1.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。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,1.4.5用户接口,2020/5/16,山东农业大学计算机系,58,$END,$RUN,Dataforprogram,$LOAD,Fortranprogram,$FORTRAN,$JOB,10,429754WangYaqin,典型的FMSJOB结构,2020/5/16,山东农业大学计算机系,59,2.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,1.4.5用户接口,2020/5/16,山东农业大学计算机系,60,操作系统的结构：整体式（无）结构模块化结构层次式结构微内核结构,1.5操作系统的结构设计,2020/5/16,山东农业大学计算机系,61,1、整体式OS结构,2020/5/16,山东农业大学计算机系,62,操作系统,模块,子模块,2、模块化OS结构,2020/5/16,山东农业大学计算机系,63,优点：提高设计的正确性；增强可适应性；加速开发过程,模块化OS结构优缺点,缺点：难保证模块完全正确；未区分独占与共享资源。,2020/5/16,山东农业大学计算机系,64,3、层次式结构,2020/5/16,山东农业大学计算机系,65,按此模型构造的第一个操作系统是E.W.Dijkstra和他的学生在荷兰开发的THE系统（1968年）,3、层次式结构,2020/5/16,山东农业大学计算机系,66,THE系统分为六层：层次功能5操作员4用户程序3输入/输出管理2进程通信1内存和磁盘管理0处理器分配和多道程序,2020/5/16,山东农业大学计算机系,67,构造层次结构OS分层原则,把与机器硬件有关的程序模块放在最底层反映系统外特性的软件放在最外层为进程的正常运行创造环境和提供条件的内核程序应该尽可能放在底层.按照实现操作系统命令时模块间的调用次序来分层,2020/5/16,山东农业大学计算机系,68,层次结构的优点:,整体问题局部化正确性有保证错误不扩张便于系统维护、扩充,2020/5/16,山东农业大学计算机系,69,层次结构的缺点:,层次之间单向依赖模块间需要通信机制系统开销大、效率低,2020/5/16,山东农业大学计算机系,70,内核的基本组成：中断处理进程调度同步机制,4、微内核OS结构,2020/5/16,山东农业大学计算机系,71,微内核组成及联系,2020/5/16,山东农业大学计算机系,72,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,2020/5/16,山东农业大学计算机系,73,工作模式,2020/5/16,山东农业大学计算机系,74,途径：1把传统意义上属于操作系统的代码由低层移向高层，由核心移向用户，要增加新功能仅需加结点2消息传送机制Client/Server,2020/5/16,山东农业大学计算机系,75,优点：易于扩充，易于移植提高系统的可靠性提供多种操作环境适宜于分布计算模式有助于多处理器系统的实现支持实时任务,2020/5/16,山东农业大学计算机系,76,缺点：消息传递方式增加开销，使响应变慢几个商品化系统：WindowsNT,NextStepXINU,OSF/11.3,WorkspaceOS,Chorus/MixV.4MacG3,QNX,CTOS,2020/5/16,山东农业大学计算机系,77,应用程序,微内核操作系统,DOS服务器,UNI服务器,VMS服务器,OS/2服务器,基于微内核的开放式系统环境,系统程序接口（SPI）,应用程序接口（API）,2020/5/16,山东农业大学计算机系,78,客户向服务器发送消息，以获得服务,一个分布式系统中的客户服务器模型,机器1,客户,核心,机器2,文件服务器,核心,机器3,进程服务器,核心,机器4,终端服务器,核心,2020/5/16,山东农业大学计算机系,79,具有面向对象的特点,封装性继承性多态性,2020/5/16,山东农业大学计算机系,80,微内核的基本功能,微内核所提供的功能，通常都是一些最基本的功能，如进程管理、存储器管理、进程间通信、低级I/O功能。进程管理。存储器管理。进程通信管理。I/O设备管理,2020/5/16,山东农业大学计算机系,81,本章小结,1、了解操作系统的目标，理解操作系统的作用，了解推动操作系统发展的主要动力2、了解无操作系统的计算机系统和单道批处理系统。理解多道批处理系统、分时系统和实时系统的特征和优缺点。3、理解操作系统的并发、共享、虚拟和异步性。4、理解处理机管理功能、存储器管理功能、设备管理功能和文件管理功能。了解用户接口。5、了解操作系统的结构设计方法。,2020/5/16,山东农业大学计算机系,82,本章基础要点,现代操作系统的两个最基本的特征是：,操作系统的三个基本类型是：,批处理操作系统的主要缺点是：,并发和共享。,批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。,缺少交互性。,2020/5/16,山东农业大学计算机系,83,本章基础要点,允许多个用户以交互方式使用计算机的操作系统称为：,实时操作系统。,分时操作系统。,允许多个用户将多个作业提交给计算机集中处理的操作系统称为：,多道批处理操作系统。,计算机系统能及时处理过程、控制数据并做出响应的操作系统称为：,2020/5/16,山东农业大学计算机系,84,本章基础要点,操作系