操作系统11操作系统概观

1、LOGO第一章第一章 操作系统概论操作系统概论第一章第一章 操作系统概论操作系统概论1.1 操作系统概观1.2 操作系统的形成和发展1.3 操作系统提供的服务和用户接口1.4 操作系统结构和运行模型 1.5 流行操作系统简介1.11.1、操作系统概观、操作系统概观1.1.1 操作系统的定义和目标1.1.2 操作系统的资源管理技术1.1.3 操作系统的作用与功能1.1.4 操作系统的主要特性1.1.11.1.1操作系统的定义和目标操作系统的定义和目标 操作系统操作系统是管理系统资源、控制程序执行，改善人机界面，提供各种服务，合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算机提供良好运行环境的最基本的一

2、种系统软件。操作系统的主要目标操作系统的主要目标 方便用户使用 扩大机器功能 管理系统资源 提高系统效率 构筑开放环境 资源复用资源复用( (解决物理资源数解决物理资源数量不足量不足 ) ) 资源虚化资源虚化( (解决物理资源数量不足，解决物理资源数量不足， 提高服务的能力和水平提高服务的能力和水平 ) )资源抽象资源抽象( (处理系统的复杂性，处理系统的复杂性， 解决资源的易用性解决资源的易用性) ) 资源管资源管理技术理技术空分复用空分复用时分复用时分复用时分独占式时分独占式时分共享式时分共享式1.1.2 1.1.2 操作系统的资源管理技术操作系统的资源管理技术1)资源复用资源复用 操作系

3、统让众多进程共享物理资源，这种共享称为资源复用。 (1) 空分复用共享 -该资源可进一步分割成更多和更小的单位供进程使用 。 例如：辅助存储器（磁盘） (2) 时分复用共享-并不把资源进一步分割成更小的单位，进程可在一个时间片内独占使用整个物理资源。 例如:CPU时分复用共享分类时分复用共享分类v时分独占式时分独占式-进程获得时分独占式资源后，对资源执行多个操作，通常使用一个完整的周期后才会释放(如磁带)。v时分共享式时分共享式-时分共享式资源指进程占用该类资源使用后，很可能随时被剥夺，被另一个进程抡占使用(如处理器、磁盘机)。2) 2) 资源虚化资源虚化 v是对资源进行转化、模拟或整合，把物

4、理上的一个资源变成逻辑上的多个对应物的一类技术。 v虚化的例子虚拟设备、虚拟存储器、虚拟屏幕(终端) 。3) 3) 资源抽象资源抽象v资源抽象用于处理系统的复杂性，重点解决资源的易用性。v资源抽象指通过创建软件来屏蔽硬件资源物理特性和接口细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用的一类技术。v 单级资源抽象与多级资源抽象。4)4)组合使用抽象和虚化技术组合使用抽象和虚化技术v对于一类资源，操作系统往往同时实施抽象和虚化技术。v例1，为打印机既配置“打印函数”(设备驱动程序)，又实施虚拟设备，通过打印函数抽象隐蔽打印机动作细节，实施SPOOLing虚化“扩充”物理打印机数量。v例2，窗口软件是对物理

5、终端的虚化和抽象，能为用户提供虚拟终端和方便的I/O服务。2 2操作系统中最基础的抽象操作系统中最基础的抽象v计算机系统的物理资源可被分成两大类： 计算机类（处理器、主存） 存储及接口类（辅助存储器、外部设备）v为了方便对物理资源的管理和使用，现代操作系统对资源进行三种最基础的抽象。2 2操作系统中最基础的抽象操作系统中最基础的抽象v进程抽象-是对已进入主存正在运行的程序在处理器上操作的状态集的抽象 。v虚存抽象-是对物理主存的抽象，进程可获得一个硕大的连续地址空间来存放可执行程序和数据，可使用虚拟地址来引用物理主存单元。 v文件抽象-是对磁盘之类存储设备的抽象 。 文件抽象是操作系统对磁盘设

6、备进行多层文件抽象是操作系统对磁盘设备进行多层次抽象的结果。次抽象的结果。v第一层抽象，从磁盘到分区。v第二层抽象，从分区到扇区。v第三层抽象，从扇区到簇。v第四层抽象，从簇到文件系统分区。 文件抽象文件抽象操作系统最基础抽象小结操作系统最基础抽象小结 文件抽象 虚存抽象 进程抽象 处理器 主存 设备 三种抽象之间存在一种包含关系三种抽象之间存在一种包含关系3 3 虚拟计算机虚拟计算机( (virtual machine) )v什么是虚拟计算机? 虚拟计算机是一台抽象计算机，它在硬件虚拟计算机是一台抽象计算机，它在硬件的基础上由软件来实现，并且与物理计算机一的基础上由软件来实现，并且与物理计算

7、机一样，具有指令集及可用的存储空间。样，具有指令集及可用的存储空间。3 3 虚拟计算机虚拟计算机( (virtual machine) )v操作系统虚拟机的组成： 1) 1) 虚处理器虚处理器 2) 2) 虚拟主存虚拟主存 3) 3) 虚拟辅存虚拟辅存 4) 4) 虚拟设备虚拟设备v什么是操作系统虚拟机? 如果某台机器上配有操作系统，对于用户来说，如果某台机器上配有操作系统，对于用户来说，就是一台以操作系统语言（系统调用）为机器语言的就是一台以操作系统语言（系统调用）为机器语言的操作系统虚拟机。操作系统虚拟机。3 虚拟计算机虚拟计算机(virtual machine)虚处理器特点虚处理器特点v

8、虚处理器没有中断，进程的设计者不再需要虚处理器没有中断，进程的设计者不再需要有硬件中断的概念，通常进程执行中无需处有硬件中断的概念，通常进程执行中无需处理中断；理中断；v每个进程都有自己的虚处理器，用以实现多每个进程都有自己的虚处理器，用以实现多进程的并发执行；进程的并发执行；v虚处理器为进程提供功能强大的指令系统，虚处理器为进程提供功能强大的指令系统，即由机器非特权指令和系统调用所组成的新即由机器非特权指令和系统调用所组成的新指令系统集。指令系统集。3 虚拟计算机虚拟计算机(virtual machine)虚拟主存特点虚拟主存特点v虚拟主存是从虚拟主存是从0 0开始的连续数字命名的单元开始的

9、连续数字命名的单元序列，由操作系统分割物理主存，分配给虚序列，由操作系统分割物理主存，分配给虚拟机使用，各虚拟机分得的主存空间相互隔拟机使用，各虚拟机分得的主存空间相互隔离且互不干扰。离且互不干扰。v虚拟存储器避免在主存和磁盘之间来回拷贝虚拟存储器避免在主存和磁盘之间来回拷贝整个进程地址空间，当运行进程需要信息或整个进程地址空间，当运行进程需要信息或信息被更新时，系统在主存与磁盘之间自动信息被更新时，系统在主存与磁盘之间自动地传输当前计算涉及到的一小部分数据。地传输当前计算涉及到的一小部分数据。3 虚拟计算机虚拟计算机(virtual machine)虚拟辅存特点虚拟辅存特点v辅存辅存( (磁

10、盘磁盘) )为信息提供持久性存储，通过空分复用为信息提供持久性存储，通过空分复用把辅存空间分配给进程使用，把辅存空间分配给进程使用，v部分空间用作主存的扩充，部分空间存放文件，部分空间用作主存的扩充，部分空间存放文件，信息以文件为单位被物理地存储在磁盘上。信息以文件为单位被物理地存储在磁盘上。v文件中的字节流被映射到设备的物理块中，进程文件中的字节流被映射到设备的物理块中，进程可通过文件系统调用或映射文件可通过文件系统调用或映射文件I/OI/O对文件信息进对文件信息进行存储、检索和处理。行存储、检索和处理。v操作系统也可提供多个虚拟盘，按需分割物理磁操作系统也可提供多个虚拟盘，按需分割物理磁盘

11、的若干磁道，除了容量外，其它各个方面与物盘的若干磁道，除了容量外，其它各个方面与物理磁盘相同。理磁盘相同。3 虚拟计算机虚拟计算机(virtual machine)虚拟设备特点虚拟设备特点vSPOOLingSPOOLing和文件系统为每台虚拟机提供虚拟读入和文件系统为每台虚拟机提供虚拟读入机和虚拟打印机，分时用户的终端提供虚拟机操作机和虚拟打印机，分时用户的终端提供虚拟机操作员控制台。员控制台。v虚拟机的虚拟机的I/OI/O操作与物理计算机的操作与物理计算机的I/OI/O操作完全不同，操作完全不同，故为每类物理设备编写实现信息故为每类物理设备编写实现信息I/OI/O的设备驱动程的设备驱动程序供

12、应用程序调用，以此来抽象物理设备，屏蔽相序供应用程序调用，以此来抽象物理设备，屏蔽相关细节，执行低层操作。关细节，执行低层操作。v进程执行进程执行I/OI/O实质上是调用相应设备的设备驱动程实质上是调用相应设备的设备驱动程序，既简单又方便。序，既简单又方便。3 虚拟计算机虚拟计算机(virtual machine)虚拟机的实现虚拟机的实现v虚拟机是由操作系统通过共享硬件资源的方式来实虚拟机是由操作系统通过共享硬件资源的方式来实现的，它定义进程运行的逻辑计算环境，从概念上现的，它定义进程运行的逻辑计算环境，从概念上来说，一个进程运行在一台虚拟机上，可认为一个来说，一个进程运行在一台虚拟机上，可认

13、为一个进程就是一台虚拟机。进程就是一台虚拟机。v实现方法：物理处理器在各进程之间来回切换，每实现方法：物理处理器在各进程之间来回切换，每台虚拟机在一个时间段中只是占用全部物理资源的台虚拟机在一个时间段中只是占用全部物理资源的一部分，故可创建出许许多多台虚拟机，系统中也一部分，故可创建出许许多多台虚拟机，系统中也就允许有许许多多进程并发或并行执行。就允许有许许多多进程并发或并行执行。3 虚拟计算机虚拟计算机(virtual machine) 1.1.31.1.3操作系统的作用与功能操作系统的作用与功能操作系统的作用 OS作为用户接口和服务提供者 OS作为扩展机或虚拟机 OS作为资源管理者和控制者

14、 OS作为程序执行的控制者和协调者OSOS作为用户接口和服务提供者作为用户接口和服务提供者v用户对计算机系统的需求与期望和现有硬件性能之间的巨大差距，靠操作系统来填补；v操作系统提供友善的人机接口，使得用户能够方便、可靠、安全、高效地使用硬件和运行应用程序； v操作系统对计算机硬件进行改造和扩充，为用户提供强有力的各种服务 ；OSOS作为扩展机或虚拟机作为扩展机或虚拟机v在计算机裸机上加上操作系统来组成整个计算机系统；v操作系统把硬件的复杂性与用户隔离开来 ；v操作系统与硬件组成一台功能显著增强，使用更加方便，安全可靠性更好的扩展机器或虚拟机 。OSOS作为程序执行的控制者和协调者作为程序执行

15、的控制者和协调者v进程是支持程序执行的系统机制，系统进程是支持程序执行的系统机制，系统以进程方式组织用户使用计算机。以进程方式组织用户使用计算机。 vOS OS 需要提供机制，解决并发进程执行时需要提供机制，解决并发进程执行时产生的互斥、同步、通信和死锁问题。产生的互斥、同步、通信和死锁问题。OSOS作为计算机系统的资源管理者作为计算机系统的资源管理者 操作系统中，能分配给用户使用的硬件和软件设施总称为资源，包括两类：硬件资源和信息资源。v硬件资源又分：处理器、存储器、I/O设备等；v信息资源又分：程序和数据等。 操作系统的重要任务之一 对资源进行抽象研究，找出各种资源共性和个性，有序地管理计

16、算机中的硬件、软件资源，跟踪资源使用情况，监视资源的状态，满足用户对资源的需求，协调各程序对资源的使用冲突；OSOS作为计算机系统的资源管理者作为计算机系统的资源管理者 操作系统的重要任务之一 研究使用资源的统一方法，让用户简单、有效的使用资源，最大限度地实现各类资源的共享，提高资源利用率，从而，使得计算机系统的效率有很大提高。OSOS作为计算机系统的资源管理者作为计算机系统的资源管理者v对内作为对内作为“管理员管理员”，做好计算机系统软硬件资，做好计算机系统软硬件资源的管理和调度、程序执行控制与协调、提高系源的管理和调度、程序执行控制与协调、提高系统效率和资源利用率；统效率和资源利用率；v对

17、外作为对外作为“服务员服务员”，是用户与硬件的接口和人，是用户与硬件的接口和人机界面，为用户提供最友善的运行环境和最佳的机界面，为用户提供最友善的运行环境和最佳的服务；服务；v操作系统在管理好资源的基础上，向外提供强有操作系统在管理好资源的基础上，向外提供强有力的服务，所以，资源管理是操作系统的一项主力的服务，所以，资源管理是操作系统的一项主要任务。要任务。 1.1.31.1.3操作系统的作用与功能操作系统的作用与功能从两个不同的角度讨论操作系统的功能：从两个不同的角度讨论操作系统的功能：资源管理资源管理 协调、管理计算机的软、硬件资源，提高其利用率协调、管理计算机的软、硬件资源，提高其利用率

18、用户角度用户角度 为用户提供使用计算机的环境和服务为用户提供使用计算机的环境和服务。计算机四大类资源计算机四大类资源C P U 内内 存存 外外 设设 信息文件信息文件 处理器管处理器管理理存储器管理存储器管理设备管理设备管理文件管理文件管理用户接口用户接口 操作系统的功能操作系统的功能网络通信网络通信 操作系统的功能操作系统的功能v处理器管理v存储管理v设备管理v文件管理v网络与通信管理v用户接口处理器管理处理器管理v处理器管理的处理器管理的是：按照一定策略，对处理器进是：按照一定策略，对处理器进行分配及进行资源回收。行分配及进行资源回收。v由于在多道程序系统中，处理机的分配和运行都是以由于

19、在多道程序系统中，处理机的分配和运行都是以进进程程为单位的，故为单位的，故处理机管理又归结为进程管理处理机管理又归结为进程管理。 进程调度进程调度 按照某种调度策略，实现对按照某种调度策略，实现对CPUCPU的分配的分配。进程控制进程控制 进程的创建、撤消、状态转换等控制。进程的创建、撤消、状态转换等控制。 进程同步进程同步 协调、控制系统中进程的并发执行。协调、控制系统中进程的并发执行。 互斥方式互斥方式 同步方式同步方式 进程通信进程通信 进程之间交换信息进程之间交换信息 高级通信方式高级通信方式。v主要涉及内存管理，任务是为多道程序的主要涉及内存管理，任务是为多道程序的执行提供必要、良好

20、的环境。为用户提供执行提供必要、良好的环境。为用户提供足够大的存储空间。足够大的存储空间。主存分配主存分配地址转换与存储保护地址转换与存储保护主存共享主存共享存储扩充存储扩充存储器管理存储器管理1、主存分配、主存分配 为多道程序分配内存空间。内存分配方式分为：为多道程序分配内存空间。内存分配方式分为： 静态分配静态分配 程序一次装入，执行过程中不能动态程序一次装入，执行过程中不能动态 申请。申请。 动态分配动态分配 程序执行过程中，位置可移动，可动程序执行过程中，位置可移动，可动 态申请内存。态申请内存。存储器管理存储器管理2、地址转换与存储保护、地址转换与存储保护 在多道程序系统中，必须将程

21、序的逻辑地址转换在多道程序系统中，必须将程序的逻辑地址转换为内存中的物理地址程序才能够运行。保证各道程序为内存中的物理地址程序才能够运行。保证各道程序在各自的内存空间运行，互不干扰，保护程序和数据在各自的内存空间运行，互不干扰，保护程序和数据的安全。的安全。存储器管理存储器管理3、主存共享、主存共享 能够让主存中的多个应用程序存储共享，提高存能够让主存中的多个应用程序存储共享，提高存储资源的利用率。储资源的利用率。 4. 存储扩充存储扩充 引入虚拟存储技术，对内存进行逻辑扩充，引入虚拟存储技术，对内存进行逻辑扩充，为用户提供比实际内存大得多的虚拟内存。为用户提供比实际内存大得多的虚拟内存。存储

22、器管理存储器管理设备管理设备管理v 设备分配和回收设备分配和回收v 设备操作设备操作： CPUCPU通过针对特殊硬件设备的设备驱动程序进行通过针对特殊硬件设备的设备驱动程序进行设备的输入设备的输入/ /输出操作。输出操作。v 尽量使主机（尽量使主机（CPUCPU）和外部设备并行工作）和外部设备并行工作： 通过中断、通道、虚拟设备、缓冲等技术通过中断、通道、虚拟设备、缓冲等技术即对计算机软件资源的管理。基本任务是：即对计算机软件资源的管理。基本任务是：文件管理文件管理v 文件的逻辑组织和物理组织文件的逻辑组织和物理组织v 目录管理目录管理： 根据每个文件的目录项，实现文件的按名存取。根据每个文件

23、的目录项，实现文件的按名存取。v 文件共享和存取控制文件共享和存取控制： 利用用户口令、文件存取权限、文件属性来控制文件利用用户口令、文件存取权限、文件属性来控制文件的存取。的存取。v 文件存储空间的管理：文件存储空间的管理： 空闲磁盘空间管理，为文件离散地分配若干个盘快，空闲磁盘空间管理，为文件离散地分配若干个盘快，磁盘调度。磁盘调度。操作系统应具有与网络有关的几项功能：操作系统应具有与网络有关的几项功能： 网络资源管理网络资源管理数据通信管理数据通信管理网络与通信管理网络与通信管理网络管理网络管理 网络故障、安全、性能、配置、日志等网络故障、安全、性能、配置、日志等 从用户的角度考虑操作系

24、统的功能。用户与操作从用户的角度考虑操作系统的功能。用户与操作系统的接口，通常有三种形式：系统的接口，通常有三种形式： 1、命令接口、命令接口 （ 联机、脱机）联机、脱机） 2、程序接口、程序接口 （如系统调用、（如系统调用、APIAPI函数）函数） 是为用户程序在执行过程中访问系统资源而设置是为用户程序在执行过程中访问系统资源而设置 的一组广义指令的一组广义指令，以函数的形式提供。以函数的形式提供。 3、图形接口（、图形接口（如命令行和图形用户界面如命令行和图形用户界面） 是一种全新的人机界面，提供图形用户界面是一种全新的人机界面，提供图形用户界面 （GUIGUI）和符号操作。）和符号操作。用户接口用户接口1.1.41.1.4操作系统的主要特性操作系统的主要特性第一个特性-并发性(concurrency)第二个特性-共享性(sharing)第三个特性-异步性(asynchronism) 其中并发性和共享性是操作系统最基本的特性。 操作系统中的并发性操作系统中的并发性 v并发性-指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生。v发挥并发性能够消除系统中部件和部件之间的相互等待，有效地改善系统资源的利用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率。 并发性使系统变得复杂化 v如何从一个活动切换