操作系统第一章绪论

1、nn参考书张尧学，史美林.计算机操作系统.清华大学汤子灜等.计算机操作系统.西安电子科技大学Abraham Silberschatz Operating System Concepts(Sixth Edition)（操作系统概念）影印版（第六版）高等教育庞丽萍.操作系统 . 华技大学孙仲秀 .操作系统原理 (第三版 .高等教育社曾平等.操作系统习题与nnnn课程基本目的n 1.了解操作系统在计算机系统中的作用、地位、发展和特点。n 2.理解操作系统的基本概念、原理，掌握操作系统设计方法与实现技术。n 3.能够运用所学的操作系统原理、方法与技术分析问题和解决问题。n 4学习几种有代表性的、典型的

2、操作系统实例。课程的特点n 实践性强（从实践总结出原理）n 涉及面广（并行程序，性能问题，结构问题等等）n 类型多样（兼顾各种类型的操作系统）课程主要内容介绍n 1.绪论n 2.用户接口n 3.进程管理n 4.处理机管理n 5.管理n 6.文件系统n 7.设备管理n 8.操作系统实例2009-2011考点介绍2009年2010年2011年概述及用户接口选择题：2分选择题：2分进程管理选择题：2分PV：7分选择题：8分选择题：6分PV：8分处理机管理选择题：2分选择题：2分管理选择题：6分计算题：8分选择题：4分计算题：8分选择题：6分计算：12分文件管理选择题：8分选择题：4分计算题：7分设备

3、管理选择题：2分选择题：2分选择题：2分课程要求成绩：30%（考勤和作业、实验）（笔试）：70%nnn 第115周教学和实验每次的课堂作业当堂交，课外作业在指定时间内提交， 过期不计成绩。学习方法注意学习方式的变化n 上课指出要点要通过自学、研读参考书掌握内容n 笔记相当重要发现问题、提出问题要努力寻求问题的n第一章绪论1.1 操作系统的概念1.2 操作系统的历史1.3 操作系统的基本类型1.4 操作系统的功能1.5 操作系统的特征1.6 操作系统的结构大纲（一）操作系统的概念、特征、功能和提供的服务（二）操作系统的发展与分类（三）操作系统的运行环境返回n 学习目标：1. 掌握：操作系统的定义

4、、特征、功能；2. 理解：操作系统的主要类型（批处理、分时、实时系统）的特点；3.了解：操作系统的发展历程。n 学习要点：应深入理解，并牢固掌握什么是操作系统， 它有什么主要功能，有哪些主要类型；与其他软件相比，操作系统有什么基本特征。返回1.1 操作系统的概念计算机系统的组成：应用软件软件编辑软件，编译软件，数据库管理系统系统软件计算机系统(层次结构)操作系统硬件及固件（机）返回1.操作系统与硬件和其他软件的关系从这种层次结构中，我们可以看出机在最里层，它的外面是操作系统，而各种实用程序，应用程序运行在操作系统之上，它们以操作系统为支撑环境，同时提供给用户各种服务。n 引入一个概念：虚拟机（

5、Virtual machine，扩展机：extended machine）机经过操作系统提供的管理功能和方便用户的各种功能的改造成为功能更强，使用更为方便的拟机或扩展机。，通常称之为虚2.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）操作系统的定义n 操作系统（Operating System，OS）是管理和计算机系统中各种硬件和软件、合理地组织计算机工作流程的系统软件， 是用户与计算机之间的接口。从下面几个方面来理解操作系统（OS）的定义：第一，OS是系统软件，由一整套程序组成第二，OS的基本职能第三，OS为用户提供友好、可靠、安全的服

6、务操作系统的作用（1/3）(1) OS作为计算机系统的管理者n 管理的对象：CPU、器、外部I/O设备、信息（数据和软件）；n 管理的内容：的当前状态（数量和使用情况）、的分配、回收和操作，相应管理策略（包括用户权限）。管理者的举例例1，用户想把一批信息到某个设备上n 用户如（十分处理：必须首先了解设备的物理细节，格式、读写指令、各种情况下的中断处理步骤，束手无策）n 操作系统代劳：用户只需发出读写操作要求管理者的举例例2，内存中装入两道程序并同时启动运行n 充分利用内存n 高效的工作方式：当一道程序等待I/O完成时，可让另一道程序占有CPU运行，使得I/O 设备和CPU同时保持忙碌复杂，只有

7、靠操作系统来解决许多技术问题。操作系统的作用（2/3）(2)OS作为用户与计算机硬件之间的接口n 系统命令n 命令行、菜单式、命令口GUIn 系统调用式、图形用户接n 形式上类似于过程调用，在应用编程中使用操作系统的作用（3/3）(3)OS作为虚拟机、扩展机机（Bare machine） 虚拟机（Virtual machine）、扩展机（Extended machine）n 操作系统将方便的机改造成为功能更强，使用更为n 在机上添加：设备管理、文件管理、管理、处理机管理n 合理组织工作流程：作业管理、进程管理1.2 操作系统的发展历史推动操作系统发展的主要动力：需求推动发展(1) 元器件的不断

8、更新换代(2) 计算机体系结构的不断发展(3) 不断提高(4) 方便用户的利用率和系统性能1.2 操作系统的发展历史1. 手工操作阶段2. 单道批处理系统(simple batch processing)3. 多道程序设计系统/多道批处理系统(multiprogramming system/ Multiprogrammed BatchProcessing System)4. 分时系统(time-sharing system)5. 实时系统(real-time system)6. OS的进一步发展返回1. 手工操作阶段 (1/2)1946 50年代末（电子管）计算机昂贵；集中计算（计算中心）所有

9、的运行管理和操作都由用户承担n 工作方式n 用户：既是程序员，又是操作员（计算机专业）n 编程语言：语言n 输入输出：纸带或卡片n 计算机的工作特点利用率低：用户独占全机nn CPU利用率低：CPU等待手工操作（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）n 运算速度很慢：几千几万次/秒n 没有操作系统，及任何其他软件1. 手工操作阶段 (2/2)n 主要n 手工操作的慢速度和计算机运算的高速度形成了一对（50年代后期计算机处理能力不断提高，人机日益）人工操作时间操作时间:速度1万次/秒60万次/秒计算所需时间1小时1分钟运行时间1 : 203 : 13分钟3分钟n 用户独占全

10、机的所有，不能实现计算机的共享n 提高效率的途径（减少人工操作，实现作业的自动过渡）n 专门的操作员n 批处理（实现作业的自动过渡）2. 单道批处理系统(simple batch processing system/ uniprogramming system)50年代末 60年代中期（晶体管） 早期批处理操作员把用户提交的作业分类，编成作业执行序列。批作业由一个专门的监督程序（Monitor）自动依次处理，完成从一个作业到下一个作业的自动转换。（一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软件/系统带）两种方式：n 联机批处理n 脱机批处理(1)联机批处理操作员有

11、选择地把若干作业合为一批，由监督程序先把它们输入到磁带上，之后在监督程序的下，使这批作业能一个接一个地连续执行。 用户提交作业：以纸带/卡片为介质 操作员批作业：通过纸带输入机/读卡机存入磁带 批作业处理：从磁带读入用户作业和编译成可执行程序启动执行，执行结果输出程序编译用户作业，生在这样的系统中，作业处理是成批进行的，作业的输入和调入内存以及结果输出都是在CPU直接下进行。n 优点：实现作业的自动转接（减少了人工操作时间）n 缺点：CPU的速度得不到发挥（在进行I/O时，CPU处于空闲状态）快速的主机慢速的I/O设备的(2)脱机批处理在主机之外另设一台机，也叫计算机。利用机完成输入输出功能。

12、主机与机分工明确，并行工作。机：负责输入/输出工作（I/O不受主机直接称为“脱机”批处理），所以监督程序(monitor)：管理作业的运行，完成如装入程序、编译、运行等操作。n 优点：n 缺点：n 磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分类n 监督程序和系统程序易遭到用户程序的破坏（三者之间是一种调用关系）了主机CPU和I/O设备的使用效率，提高了吞吐量硬件的进展通道和中断技术60年代初，通道和中断技术的出现，使监督程序发展为执行系统(executive system)，常驻内存，负责作业运行调度的同时提供I/O功能，实现了主机、通道和输入输出设备的并行操作，提高了系统效率，方便用户使用I/O设

13、备。n 通道：用于n 是一种n 启动后可I/O设备与主存间的数据传输处理部件（I/O处理器）于CPU运行，从而实现CPU与通道、CPU与I/O的并行n 可实现 I/O联机处理（由主机下的通道完成）n 中断：CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断，处理完毕后回到原来断点继续工作n 中断处理过程：中断请求，中断响应，中断点（暂停当前任务并保存 现场），中断处理例程，中断返回（恢复中断点的现场并继续原有任务）n 如：I/O中断、算术溢出和断（克服死循环）操作码中断（克服错误停机）、时钟中单道批处理的主要问题n 单道批处理系统：单道顺序地处理作业n 自动性n 顺序性n 单道性（每次只

14、有一个用户作业程序调入内存并运行）n 主要问题：系统的利用率不高CPU和I/O设备的使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）n 对计算为主的作业，外设空闲n 对I/O为主的作业，CPU空闲n 解决方法单道运行 多道运行3.多道程序设计系统/多道批处理系统(Multiprogramming System/Multiprogrammed Batch Processing System)60年代中期 70年代中期（集成电路、通道和中断技术）为了提高利用率和系统吞吐量，引入多道程序设计技术。n 多道程序设计的基本思想：在内存中同时存放多道程序，在管理程序的共享CPU和系统其他下交替执行，这些作业。n 多道

15、程序运行的特点：n 多道：内存中同时存放几道的程序n 宏观上并发：多道程序都处于运行状态，但都未运行完n 微观上串行：多道程序交替使用CPU单道程序运行图示多道程序运行图示多道程序设计技术提高利用率和系统吞吐率的原理：例：计算某个数据处理问题，输入500个字符(需78ms)，经CPU处理52ms后，将结果2000个字符存到磁带上(需20ms) ，重复进行，直至输入数据全部处理完毕。78130 150228280 300378430 450时 间输入机处理器磁带机单道程序运行时处理器的使用效率：52 /（78十52十20） 35%为提高效率，让计算机同时接受两道算题，当第一道程 序在等待 设备的

16、时候，让第二道程序运行，降低CPU空等时间，处理器的利用率显然可以有所提高。例如，计算机还接受了另一作业：从另一台磁带机上输 入2000个字符（需20ms），经42毫秒的处理后，从打印机上 输出 (约需 88ms)20 62 78 130 150228 280 300378 430 450时 间输入机处理器磁带机1P磁带机2打印机两道算题运行时处理器的使用效率：（52+42）/ 150 63P1P1P1P1P1P1P1P1P12P2P2P2P2P2P2P2P2多道批处理系统在批处理系统中，引入多道程序设计技术，就形成了多道批处理系统。n 用户提交的作业都先存放在外存上，并排成一个“作业队列”，

17、等待调度nn 作业调度程序按一定的调度原则从作业队列中选择若干个作业进入内存，使它们交替运行，并共享CPU和系统各种多道批处理系统的特征n 多道性n 无序性n 调度性n单道和多道批处理的比较单道多道内存使用每次一个作业每次多个作业（充分利用内存）作业次序顺序，先进先出无确定次序多道程序系统和多处理系统的区别：(Multiprogramming System / Multiprocessing System)前者指多个程序同时在内存替运行后者指系统配置多个CPU处理器多道批处理系统的优缺点n 优点：利用率高：CPU、内存、 I/O设备的利用率提高nn 作业吞吐量大：时间内完成的工作总量加大n 缺

18、点：n 用户交互性差：用户以脱机操作方式使用计算机（需在整批作业完成后，才能进行交互，不利于调试和修改）n 作业周转时间长（作业周转时间：作业从提交到完成所需的时间）2011年选择题【31】某文件占10个磁盘块，现要把文件磁盘块逐个读入主存缓冲区，并送用户区进行分析， 假设一个缓冲区与一个磁盘块大小相同，把一个磁盘块读入缓冲区的时间为100us，将缓冲区的数据传送到用户区的时间是50us，CPU对一块数据进行分析的时间为50us。在单缓冲和双缓冲区结构下，读入并分析完该文件的时间分别是（）A.1500us，1000usC.1550us，1550usB.1550us，1100usD.2000us

19、，2000us4. 分时系统(Time-sharing System)70年代中期今 为了满足用户需求（如：用户希望能直接程序的运行及时进行人-机交互，以便能方便地修改程序的错误。用户 希望一台计算机能为多台用户共享，解决当时（六十年代）计算机昂贵而缺少的，方便用户上机。 ）形成的新型OS。“分时”是指多个用户使用同一台计算机或多个程序分时共享硬件和软件。原理：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，它同时允许许多用户通过终端以交互方式使用计算机共享主机中的 。把处理机的运行时间分成时间片(time slice) ，按时间片轮转的方式，把处理机分配给各联机作业使用。5. 实时

20、系统 (Real-time System)用于工业过程、军事实时、金融等领域n 原理：响应时间短，在被控对象范围内作出响应的时间n 特点：n 系统对外部实时信号必须响应；n 实时系统要求有高可靠性和安全性，系统的效率则放在第二位6.操作系统的进一步发展目前的操作系统，通常兼有批处理、分时、实时的多种功能，又称作通用操作系统。能运行在多种硬件平台上，适用于计算、事务处理等多种领域， 如UNIX系统、Windows XP、LINUX等。近些年来又发展出了个人机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、化操作系统等。操作系统、智能1.3 操作系统的分类操作系统分类主要讨论操作系统的特征1. 批处理操作

21、系统2. 分时操作系统3. 实时操作系统4. 网络操作系统5. 分布式操作系统6. 个人计算机操作系统返回1. 批处理操作系统(Batch Processing Operation System)n 特点：n 用户脱机使用计算机：作业提交后直到获得结果之前，用户无法与作业交互。n 作业成批处理：操作员把用户提交的作业分批进行处理。n 多道程序并行：按照多道程序设计的调度原则，从一批 后备作业中选取多道作业调入内存并组织它们运行，成为多道批处理，充分利用系统n 优点：。n 系统利用率高；n 系统吞吐量大；n 缺点：n 等待时间长；n 没有交互能力，用户无法干预作业的运行。2. 分时操作系统(Ti

22、me Sharing Operating System)n 特点：n 多路性：多个用户同时工作共享系统，提高了利用率。利用率：远地节省维护开支，促进了计算机的普遍应用，提高用户通过终端（较便宜）联机使用。性：由于采用时间片轮转方式使一台计算机同时为多个终端n服务，对于每个用户的操作命令又能快速响应，因此用户就感觉不到别人也在使用该台计算机，就象独占一样。n 交互性：系统对用户的操作进行响应，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间。n 优点：n 响应快、界面友好：用户能在较短时间内得到响应，能以方式完成操作；n 多用户，便于普及：一个分时系统可以带多台终端，可同时为多个用户使用n 便于共享

23、分时系统的类型（1/2）n 多用户分时和前台程序分时：Ø 多用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。有用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停，等待下一次用户输入时走时停 。Ø 前台分时：程序不占用终端输入输出，不与用户交互现在的图形用户界面(GUI)，除当前交互的焦点程序之外，其他程序均作为。分时系统的类型(2/2)n 单道分时和多道分时：Ø 单道分时：单道分时系统内存中只驻留一道程序， 其余程序都在外存上。每当内存中一个程序运行 一个时间片后，便调出外存；再从外存中选一个 程序调进内存，并运行一个时

24、间片，依此方法使所有的作业都能在一规定的时间内轮流运行一个时间片，这样便能使所有的用户都能与的作业交互。在多个作业的轮流运行过程中，每个作业往往可能频繁地调进调出多次，开销大，故使系统的性能较差。Ø 多道分时系统：现代分时系统引入多道程序设计技术，内存中的多道作业依次轮流地获得一个时间片来运行。由于切换作业就在内存，不要花费大量时间用于调进调出，故多道分时系统具有较好的系统性能。3. 实时操作系统(Real Time Operating System)实时操作系统主要用于过程、事务处理等有实时要求的领域，其主要特征是实时性和可靠性。n 实时系统的特点：提供即时响应和高可靠性，响应时间

25、快，可以在毫秒级甚至微秒级立即处理。n 三种典型的实时系统:n 过程系统：用于工业生产的自动系统，如化学反应过程中的温度、等数据的；n 信息系统：通常配置有大型文件系统或数据库，并向用户提供简单、方便、快速的能力，如情报检索；n 事务处理系统：如、业务和飞机订票系统。实时系统与批处理、分时系统的区别系统：许多实时系统是系统，而批处n理与分时系统通常是通用系统。n 实时 对外部：实时系统用于实时过程，要求的迅速响应，响应时间更为严格。n 高可靠性：实时系统用于重要过程，要求高度可靠，具有较高冗余。如双机系统。n 交互能力：实时系统的交互能力相对于分时系统而言较弱，批处理系统。4. 网络操作系统(

26、NOS, Network Operating System)网络操作系统是在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。网络操作系统为网络上计算机进行方便而有效的网络共享，提供网络用户所需各种服务的软件和相关规程的集合。网络操作系统的功能n 通常操作系统的功能：处理机管理、理、文件管理等；器管理、设备管n 网络通信功能：通过网络协议进行高效、可靠的数据传输；n 网络管理：协调各用户使用；n 网络服务：文件和设备共享，信息发布；n 网络管理：安全管理、故障管理、性能管理等；5. 分布式操作系统(Distributed Operating System)分布式系统：处理和的分散分

27、布式系统是以计算机网络为基础的，它的基本特征是处理上的分布，即功能和任务的分布。分布式操作系统的所有系统任务可在系统中任何处理机上运行，自动实现全系统范围内的任务分配并自动调度各处理机的工作负载。分布式操作系统与网络操作系统的比较n 耦合程度：立的"OS同n 分布式系统是紧密耦合系统：分布式OS是在各机上统质"，直接管理CPU、器和外设；统一进行全系统的管理；n 网络通常容许异种OS互连。n 并行性：n 分布式OS可以将一个进程分散在各机上并行执行"进程迁移"；n 网络则各机上的进程。n 透明性：用户是否知道或指定在哪个上（如CPU）。调度对用户透明，用

28、户不了解所占有n 分布式系统的网络置；的位的使用要由用户明确指定；n 网络操作系统中对网络n 健壮性：分布式系统要求更强的容错能力6. 个人计算机操作系统(al Computer Operating System)单用户使用的个人计算机进行优化的操作系统。n 个人计算机操作系统的特征n 应用领域：事务处理、个人，n 系统要求：使用方便、支持多种硬件和外部设备（多 必很高。设备、网络、通信）、效率不n 常用的个人计算机操作系统n Windows 系列n Linux系列06年选择题选出下面描述的是哪一类操作系统：( ) 该操作系统具有很强的交互性，可同时供多个用户使用，但时间响应不太及时； ) 该

29、类操作系统在用户提交作业后，不提供交互能(力，它所追求的是计算机量和作业流程的自动化；的高利用率，大吞吐( ) 该类操作系统管理的是一个由多台计算机组成的系统，系统归局部所有，并被局部，用户知道存放在何处，并可以共享；( ) 该类操作系统管理的是一个由多台计算机组成的系统，互相之间无主次之分，相互协调，平衡系统的负载，且共享系统；程序由系统中的全部或者部分计算机协同执行；( ) 该类操作系统的系统响应时间的重要性超过系统的利用率，它被广泛地应用于、发射、工业、飞机订票业务等领域。1.4 操作系统的功能试想一下，当多个用户把的程序输入计算机内予以执行时，会遇到什么问题？首先，每个用户的程序都要装

30、入内存，而系统中只有一个内存，怎样分配空间，各程序彼此不能，怎样保护？器管理问题通常系统中只有一个CPU,每个程序都要在上面运行。让谁的程序运行， 什么时候开始运行，运行多长时间？处理器管理问题我们从键盘上输入数据或命令，运行结果在屏幕上 或者在打印机上打印出来。系统是怎样 它们工作的，不同的用户都要使用打印机， 可如果系统中只有一台，分给谁使用？设备管理问题我们建的文件放在磁盘的什么地方？用文件名怎么就能找到它？为什么对有些文件无法写？文件管理问题我们从键盘上输入命令后，系统怎么就知道执行相应的功能？为什么在桌面上拖动鼠标可以完成相应的操作？用户接口问题返回操作系统的功能1. 用户接口2.

31、处理机管理3.管理4. 设备管理5. 文件管理1、用户接口目标：提供一个友好的用户统向上提供三种接口。（1）命令接口操作系统的接口。操作系键盘命令：供用户用于组织和的作业运行。（2） 程序接口（编程接口）系统调用：供用户程序和系统程序调用操作系统功能。（3） 图形接口窗口菜单：用户利用鼠标、图标等图形用户界面工具，可以直观、方便、有效地使用系统服务和各种应用程序和实用工具。Win32API和UNIX/Linux系统调用粗略对应关系UNIX/LinuxWin32说明forkCreatProcess创建进程waitpidWaitForSingleObject等待进程终止open/closeCrea

32、tFile/CloseHandle创建或打开/关闭文件read/writeReadFile/WriteFile读/写文件lseekSetFilePointer移动文件指针mkdir/rmdirCreat/Remove Directory建立/删除目录statGetFileAttributesEx获得文件属性2、处理机管理在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本，因而对处理机的管理归结为对进程的管理。（1）进程调度为进程分配处理机，以充分利用处理机和提高系统性能；为调度算法（2）进程创建、撤消、挂起、进程主动改变进程的状态通过原语或系统调用实现（3）进程同步协调进程间的关系互斥和同步

33、同步机制如锁、信号量（4）进程通讯进程间的信息交换3、管理管理目标：提高利用率、方便用户使用、提供足够的 间、方便进程并发运行。空（1）分配与回收为进程分配空间（2）保护防止进程间相互干扰、相互；如：检查（3）地址（变换）进程逻辑地址到内存物理地址的（4）扩充（覆盖、交换和虚拟）在不增加物理内存的情况下向用户提供海量率、扩大进程的内存空间；空间，提高内存利用4、文件管理解决软件的、共享、和保护。（1）文件空间管理分配、回收文件空间，解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能。（2）目录管理解决信息检索问题。实现文件按名存取，共享与保护（3）文件读写和存取实现对文件的具体，防止文件被坏（4）文

34、件操作的一般管理实现对文件的创建、删除、打开、关闭等操作5、设备管理任务：分配与回收设备 驱动设备 响应I/O请求目的：提高I/O设备利用率（1）缓冲管理方便使用I/O设备解决CPU与I/O速度不匹配，提高两者的利用率， 缓冲机制：单缓冲、双缓冲、缓冲池（2）设备分配与回收根据用户的I/O请求和相应的分配策略，为该用户分配外设以及通道、器等， 在多用户间共享I/O设备。虚拟设备(virtual device)：将一个物理设备变换为多个与之对应的逻辑设备，供多个用户共享（3）设备处理设备工作，处理中断请求设之间的通信。设备驱动程序，实现CPU与通道和外（4）设备性设备性（device indep

35、endence)：指用户程序与物理设备无关，即提供统一的I/O设备接口，使应用程序于物理设备，提高可适应性。1.5 操作系统的特征并发是操作系统最重要的特征1. 并发(concurrency)2. 共享(sharing)并发和共享是操作系统的两个最基本的特征3. 虚拟(virtual)4. 异步性(asynchronism)返回1. 并发(concurrency)并发指两个或两个以上的间间隔内发生。或活动在同一时并行(parallel)是指在同一时刻发生。操作系统是一个并发系统。各进程间的并发，系统与应用间的并发，都是由操作系统来管理的。n 在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。n 程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称