第一讲操作系统概论.

1、操作系统操作系统（Operating System)Operating System)主讲主讲 梁琛梁琛Email：1.2&教材教材计算机操作系统教程 徐甲同西安电子科技大学出版社&参考教材参考教材计算机操作系统计算机操作系统 汤子瀛汤子瀛 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社操作系统设计与实现操作系统设计与实现 王鹏等译王鹏等译 电子工业出版社电子工业出版社现代操作系统现代操作系统 陈向群等译陈向群等译 机械工业出版社机械工业出版社计算机操作系统教程计算机操作系统教程 张尧学张尧学, ,史美林史美林 清华大学出版社清华大学出版社操作系统教程操作系统教程 孟庆昌孟庆昌

2、西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社&网站网站西邮西邮OS课程网站课程网站: http:/ 15%期末考试期末考试 70%课程形式课程形式: 共计共计32学时，讲课，上机（学时，讲课，上机（8学时）学时）第第7、8、15、16周周二周周二34节节二号实验楼软工实验室二号实验楼软工实验室4381.42 2使学生深入到操作系统内部，理解并使学生深入到操作系统内部，理解并掌握操作系统的基本原理、设计方法和实掌握操作系统的基本原理、设计方法和实现技术。现技术。3 3使学生了解操作系统的演化过程、发使学生了解操作系统的演化过程、发展研究动向、新技术以及新思想。展研究动向、新技术以及新思想

3、。1 1使学生对操作系统的基本概念、基本使学生对操作系统的基本概念、基本结构及运行环境有一定的认识。结构及运行环境有一定的认识。课程基本目的课程基本目的1.5WhatWhyHow?OS是什么？做什么？为什么需要OS？OS如何工作？如何使用？本课程学习什么？为什么要学OS？如何学？引言引言1.6WindowsTCWordVisual FoxProUNIXLinux植物大战僵尸1.7一、学习什么？一、学习什么？操作系统如何有效的管理计算机系统，操作系统如何有效的管理计算机系统，为用户提供服务。为用户提供服务。用户与操作系统的接口用户与操作系统的接口进程管理进程管理存储管理存储管理文件系统文件系统输

4、入输入/ /输出系统输出系统1.8 加深对使用的加深对使用的OS的理解，有利于深入编的理解，有利于深入编程程 用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道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编程时借鉴操作系统的设计思想和算法 操作系统中的许多概念和技巧可推广到其他领操作系统中的许多概念和技巧可推广到其他领域域 选择购买操作系统选择购买操作系统 我们并不总使用微软我们并不总使用微软Windows二二. . 为什么学习操作系统为什么学习操作系统? ?1.9涉及面广（并行程序，性能问题，结构涉及面广（并行程序，性能问题，结构问题，程序方法论，软件工程，等等）问题，

5、程序方法论，软件工程，等等）实践性强（从实践总结出原理）实践性强（从实践总结出原理）错综复杂：纵横交叉错综复杂：纵横交叉 三、如何学习操作系统三、如何学习操作系统操作系统课程的特点：操作系统课程的特点：1.10 操作系统的目标是操作系统的目标是提高资源利用率、方提高资源利用率、方便用户便用户。它应能够。它应能够高效高效地控制和管理计算机地控制和管理计算机硬件和软件资源、硬件和软件资源、公平公平合理地对各类作业进合理地对各类作业进行调度、使各用户能够灵活行调度、使各用户能够灵活方便方便有效地使用有效地使用计算机。必须有良好的开放性和可扩充性。计算机。必须有良好的开放性和可扩充性。高效：高效：CP

6、U,内存内存,I/O设备设备,文件文件(程序和数据程序和数据)利利用率提高用率提高公平公平: 应公平合理应公平合理, 否则会产生否则会产生“死锁死锁”或或“饥饿饥饿”方便方便: 用户界面友好，使用灵活方便。用户界面友好，使用灵活方便。 充分地利用资源更好的提供服务充分地利用资源更好的提供服务1.11 #include int main(int argc, char *argv) puts(hello world); return 0; 一一. . 操作系统做什么？操作系统做什么？1.12 程序执行系统调用，在文件描述符中写一字符串程序执行系统调用，在文件描述符中写一字符串 用户告诉操作系统执行

7、用户告诉操作系统执行hellohello程序程序 操作系统找到该程序，检查其类型操作系统找到该程序，检查其类型 检查程序首部，找出正文和数据的地址检查程序首部，找出正文和数据的地址 父进程需要创建一个新的子进程，执行父进程需要创建一个新的子进程，执行hellohello程序程序 操作系统设置操作系统设置CPUCPU上下文环境，并跳到程序开始处上下文环境，并跳到程序开始处 程序的第一条指令执行，失败，缺页中断发生程序的第一条指令执行，失败，缺页中断发生 系统分配一页内存系统分配一页内存, ,并将代码从磁盘读入并将代码从磁盘读入, ,继续执行继续执行 更多的缺页中断，读入更多的页面更多的缺页中断，

8、读入更多的页面编译程序对编译程序对hellohello进行编译，形成目标代码，连接程进行编译，形成目标代码，连接程 序对目标代码进行连接形成可执行文件序对目标代码进行连接形成可执行文件1.13 操作系统检查字符串的位置是否正确操作系统检查字符串的位置是否正确操作系统找到字符串被送往的设备操作系统找到字符串被送往的设备, ,该设备是一个该设备是一个 伪终端，由一个进程控制伪终端，由一个进程控制 操作系统将字符串送给该进程操作系统将字符串送给该进程 该进程告诉窗口系统它要显示字符串该进程告诉窗口系统它要显示字符串 窗口系统确定这是一个合法的操作，然后将字符窗口系统确定这是一个合法的操作，然后将字符

9、串转换成像素串转换成像素 窗口系统将像素写入存储映像区窗口系统将像素写入存储映像区 视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器（重画屏幕）示器（重画屏幕）, ,显示器发射电子束显示器发射电子束 用户在屏幕上看到用户在屏幕上看到 hello worldhello world1.14操作系统做什么？操作系统做什么？（1）程序的执行 负责启动每个程序负责启动每个程序, ,以及结束程序的工作以及结束程序的工作（2）完成与硬件有关的工作实现对存储器物理地址的访问，对设备接口实现对存储器物理地址的访问，对设备接口寄存器和设备接口缓冲区的读写等寄存器和设备接口缓

10、冲区的读写等, 实现该工作的实现该工作的过程代码和硬件因素密切相关。过程代码和硬件因素密切相关。（3）完成与应用无关(不随具体应用变)的工作易于使用，统一的基本服务是指这些工作是是指这些工作是任何任何一个程序都需要的、最基一个程序都需要的、最基本的工作。它们具有共性，工作过程相同。本的工作。它们具有共性，工作过程相同。（4）计算机系统的效率与安全问题1.151. 1. 与硬件相关：与硬件相关： 实现对存储器物理地址的访问，对设备接实现对存储器物理地址的访问，对设备接口寄存器和设备接口缓冲区的读写等口寄存器和设备接口缓冲区的读写等 实现该工作的过程代码和硬件因素密切相关，实现该工作的过程代码和硬

11、件因素密切相关， 即需要设置与测试、使用物理地址、设备即需要设置与测试、使用物理地址、设备 接口寄存器等等接口寄存器等等 硬件相关必然复杂繁琐、代码量大硬件相关必然复杂繁琐、代码量大 硬件相关的工作，其实现代码不通用硬件相关的工作，其实现代码不通用1.16 由于操作系统承担了上述工作，在其由于操作系统承担了上述工作，在其之上的各类程序就没有必要直接同硬件打之上的各类程序就没有必要直接同硬件打交道了。硬件改变时，操作系统相应变化交道了。硬件改变时，操作系统相应变化即可，其他的程序不用作出改变。即可，其他的程序不用作出改变。 硬件相关还表现在有关硬件状态的变硬件相关还表现在有关硬件状态的变化必定带

12、来对应代码的变化。化必定带来对应代码的变化。1.172. 2. 与应用无关：与应用无关： 是指这些工作是任何一个程序都需要是指这些工作是任何一个程序都需要的、最基本的工作。的、最基本的工作。 它们具有共性，工作过程相同。它们具有共性，工作过程相同。 与具体应用无直接关系，即与用户所与具体应用无直接关系，即与用户所关心的应用目标无直接关系。关心的应用目标无直接关系。1.18 操作系统提供一系列服务：操作系统提供一系列服务：进程管理：程序执行，多任务。进程管理：程序执行，多任务。内存管理：内存分配，内存保护。内存管理：内存分配，内存保护。 文件服务：文件存取，文件维护，文件保护。文件服务：文件存取

13、，文件维护，文件保护。设备管理：设备控制，设备管理：设备控制，I/OI/O操作。操作。友好的用户界面。友好的用户界面。 通信服务，网络服务。通信服务，网络服务。错误检测及恢复系统，安全。错误检测及恢复系统，安全。1.19二、为什么需要操作系统？二、为什么需要操作系统？三、操作系统如何工作？如何使用？三、操作系统如何工作？如何使用？1.20n什么是操作系统什么是操作系统?n多道程序设计的概念多道程序设计的概念n操作系统的功能和主要特征操作系统的功能和主要特征n操作系统的结构操作系统的结构n操作系统的分类操作系统的分类第一章第一章 操作系统概述操作系统概述1.21操作系统作为最基本的系统软件操作系

14、统作为最基本的系统软件n一个计算机系统由两部分组成：系统硬一个计算机系统由两部分组成：系统硬件和系统软件。件和系统软件。 n系统硬件系统硬件:F指构成计算机系统所必须配置的全部设备。n系统软件：系统软件：F是一个计算机系统必须配置的程序和数据的集合。1.1 什么是操作系统什么是操作系统?1.22 计算机系统的资源分为硬件资源和软件计算机系统的资源分为硬件资源和软件资源，操作系统的任务就是如何管理这些资资源，操作系统的任务就是如何管理这些资源，使系统资源得到充分有效的利用，并且源，使系统资源得到充分有效的利用，并且在相互竞争的作业或程序之间有序地控制系在相互竞争的作业或程序之间有序地控制系统资源

15、的分配，从而实现对计算机系统工作统资源的分配，从而实现对计算机系统工作流程的控制。流程的控制。资源管理器的作用是：资源管理器的作用是：1.跟踪资源状态。2.分配资源。3.回收资源。4.保护资源。操作系统作为资源管理器操作系统作为资源管理器1.23 为了让用户和程序员在使用计算机时不为了让用户和程序员在使用计算机时不涉及硬件细节，使硬件细节和程序员隔离开涉及硬件细节，使硬件细节和程序员隔离开来，需要建立一个简单的高度抽象。简称虚来，需要建立一个简单的高度抽象。简称虚拟机。拟机。 用户通过操作系统来使用计算机，操作用户通过操作系统来使用计算机，操作系统就构成了用户和计算机之间的接口。系统就构成了用

16、户和计算机之间的接口。 操作系统为用户提供了两级接口：操作系统为用户提供了两级接口：1.1.命令接口。命令接口。2.2.编程接口。编程接口。操作系统作为虚拟机操作系统作为虚拟机1.24是程序和数据的集合，是一种软件（系统软件）是程序和数据的集合，是一种软件（系统软件）是控制、管理计算机系统中所有软硬件资源的资是控制、管理计算机系统中所有软硬件资源的资源管理器源管理器是为用户使用计算机提供方便的虚拟机是为用户使用计算机提供方便的虚拟机操作系统：控制和管理计算机系统的软件和硬件资源，合理地组织计算机工作流程及方便用户使用的程序和数据集合。1.25推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力

17、1. 不断提高计算机资源利用率不断提高计算机资源利用率 资源资源: CPU,内存内存,I/O设备设备,文件文件(程序和数据程序和数据)2. 方便用户方便用户: 用户界面友好，使用灵活方便。用户界面友好，使用灵活方便。3. 器件的不断更新换代器件的不断更新换代 例如：微机由例如：微机由8位位-16位位-32位位-64位，相应的位，相应的OS也由也由8位位-16位位-32位位-64位，不断更新换代。位，不断更新换代。4. 计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展 例如：计算机由单处理机系统发展为多处例如：计算机由单处理机系统发展为多处理机系统、计算机网络，理机系统、计算机网络，OS也由单处

18、理机也由单处理机OS发展为多处理机发展为多处理机OS、网络网络OS。1.26操作系统的性能指标操作系统的性能指标1. 系统的系统的RSA可靠性可靠性(Reliability):用平均无故障时间用平均无故障时间(MTBF)度量度量可维修性可维修性(Serviceability):用平均故障修复时间度量用平均故障修复时间度量可用性可用性 (Availability):正常工作的概率正常工作的概率 2. 系统吞吐量系统吞吐量: 单位时间完成的作业数单位时间完成的作业数3. 系统响应时间系统响应时间: 从输入到回应所需时间从输入到回应所需时间4. 资源利用率资源利用率:资源资源(CPU,内存内存,I/

19、O设备设备)实际使用比例实际使用比例5. 可维护性可维护性: 改错、改变功能、扩充功能改错、改变功能、扩充功能6. 可移植性可移植性: 将将OS移植到另一机型所需工作量移植到另一机型所需工作量7. 方便用户方便用户: 用户界面友好，使用灵活方便用户界面友好，使用灵活方便1.271.2 多道程序设计的概念多道程序设计的概念n现代计算机系统一般都采用基于多道现代计算机系统一般都采用基于多道程序设计的技术。程序设计的技术。n多道程序设计是指在主存中同时存放多道程序设计是指在主存中同时存放多道用户作业，使它们都处于执行的多道用户作业，使它们都处于执行的开始点和结束点之间。开始点和结束点之间。1.28多

20、道程序设计的硬件支持多道程序设计的硬件支持n引入中断的目的引入中断的目的F解决主机与外设的并行工作问题n中断系统定义中断系统定义F对异步或例外事件的一种响应F这一响应自动地保存CPU状态以便将来重新启动F自动转入中断处理程序 多道程序设计技术得到了计算机硬件的两方面多道程序设计技术得到了计算机硬件的两方面支持：中断系统和通道技术。支持：中断系统和通道技术。中断类型中断类型I/O中断程序中断硬件故障中断外中断访管中断1.29多道程序设计的硬件支持（多道程序设计的硬件支持（Cont.)n引入通道的目的引入通道的目的F为了使CPU从I/O事务中解脱出来，同时为了提高CPU与设备、设备与设备之间的并行

21、度，提高计算机系统效率n通道技术（通道技术（I/O处理机）处理机）F定义：独立于CPU的专门负责数据输入/输出传输工作的处理机，对外部设备实现统一管理，代替CPU对输入/输出操作进行控制，从而使输入/输出操作可和CPU并行操作F结构：主存、通道、控制器和设备之间采用四级连接，实现三级控制1.30多道程序设计的硬件支持（多道程序设计的硬件支持（Cont.)nCPU和通道的通信和通道的通信 CPU与通道之间的关系是主从关系。CPU是主设备，通道是从设备。采用通道方式实现数据传输的过程如下：F当运行的程序要求数据传输时，CPU向通道发I/O指令，命令通道工作；F通道接收到CPU的I/O指令后，从内存

22、中取出相应的通道程序，通过执行通道程序完成I/O操作；F当I/O操作完成（或出错）时，通道以中断方式中断CPU正在执行的程序，请求CPU的处理。1.31多道程序设计原理多道程序设计原理单道：单道：用户程序监督程序I/O操作I/O请求启动I/OI/O完成I/O请求多道：多道：程序A程序B程序C调度程序A:I/O请求A:I/OB:I/O请求B:I/OC:I/OA:完成tt1.32多道程序设计原理多道程序设计原理n多道程序设计的主要目的是充分利用系统多道程序设计的主要目的是充分利用系统的所有资源且尽可能地让他们并行操作。的所有资源且尽可能地让他们并行操作。这种技术可把硬件的代价交叉地分布在大这种技术

23、可把硬件的代价交叉地分布在大量并行用户之间而使计算机系统的代价极量并行用户之间而使计算机系统的代价极小化。小化。优点优点: : 多道程序多道程序共享资源共享资源, ,资源利用率高。资源利用率高。 系统吞吐量大系统吞吐量大, ,资源保持忙资源保持忙, ,系统开销小。系统开销小。缺点缺点: : 作业平均周转时间长作业平均周转时间长, ,无交互能力。无交互能力。1.33多道程序设计的实现多道程序设计的实现n为了实现多道程序设计，必须妥善解决以下为了实现多道程序设计，必须妥善解决以下三个问题：三个问题：1、存储保护和地址重定位2、处理机管理和调度3、资源的管理和分配n多道程序设计的特点如下：多道程序设

24、计的特点如下：1、多道2、宏观上并行3、微观上串行1.341.3 操作系统的功能和主要特征操作系统的功能和主要特征功能：功能：n处理机管理处理机管理多道程序环境下,处理机管理以进程为基本单位.1.进程控制2.进程调度3.进程同步4.进程通信n存储管理存储管理为方便用户使用存储器,提高主存的利用率.1.地址重定位2.存储分配3.存储保护4.存储扩充1.351.3 操作系统的功能和主要特征操作系统的功能和主要特征(Cont.)功能：功能：n设备管理设备管理1.缓冲管理2.设备分配3.设备处理4.设备独立性和虚拟设备n文件管理文件管理1.目录管理2.文件读、写管理3.文件存取控制4.文件存储空间的管

25、理1.361.3 操作系统的功能和主要特征操作系统的功能和主要特征(Cont.)功能：功能：n用户接口用户接口1.命令接口2.程序接口3.图形接口1.371.3 操作系统的功能和主要特征操作系统的功能和主要特征(Cont.)n主要特征主要特征1.并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生2.共享性：系统中多个资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用，有互斥和同步两种共享方式3.虚拟性：将一个物体影射为若干个逻辑实体4.不确定性n程序执行结果不确定，程序执行结果不能再现。n多道程序设计环境下，程序按异步方式运行。1.381.4 操作系统的结构操作系统的结构一、操作系统的内核一、操作系统的内核F现

26、代操作系统从内部结构来分析，通常包括两部分：现代操作系统从内部结构来分析，通常包括两部分：1.内核：内核：运行在核心态下的那部分程序，为系统的基运行在核心态下的那部分程序，为系统的基本工作单位（如进程）提供良好的运行环境，常驻本工作单位（如进程）提供良好的运行环境，常驻内存。内存。包括包括进程、线程及其管理；进程、线程及其管理； 存储器管理；存储器管理；I/O管理；文件系统。管理；文件系统。2.核外部分，它通常是一些实用程序。核外部分，它通常是一些实用程序。F强内核强内核全部系统功能都包括在内核中，系统调用是全部系统功能都包括在内核中，系统调用是通过陷入内核来实现的。通过陷入内核来实现的。F微

27、内核微内核最基本的系统功能在内核，其余部分在核外最基本的系统功能在内核，其余部分在核外，系统调用通过向远程服务器发送消息来请求服务。，系统调用通过向远程服务器发送消息来请求服务。1.39F微内核的基本功能微内核的基本功能:4进程间通信机制进程间通信机制4某些某些 存储管理存储管理4有限的低级有限的低级 进程管理和调度进程管理和调度4 低级低级I/O处理处理F微内核与强内核相比优点：微内核与强内核相比优点：4灵活性灵活性4开放性开放性4可扩充性可扩充性1.40二、传统的操作系统结构设计模式（针对二、传统的操作系统结构设计模式（针对单处理机）单处理机） 1、 整体式结构设计模式整体式结构设计模式

28、将系统所提供的特性、服务及系统所执行的任务统一成一体的一个概括性框架。优点：每个过程对其它过程是可见的，系统的每个过程都有一个定义完好的接口。缺点：扩充困难。1.411）有序分层 硬件之上为A1层, 在A1层基础上添加A2层, 。每层只调用低层所提供的功能, 与高层软件无关。调试时从第Ai到高层逐层仔细调试保证功能正确, 这样当发现Ai出错时, 该错误局限于Ai层。2）层次设置被调用的模块应放在低层使用频率高的应放在低层公用模块应放A1低层用户接口应放在最高层2、层次式结构设计模式、层次式结构设计模式1.42 3）优点：把模块间的复杂依赖关系转化为把模块间的复杂依赖关系转化为单向依赖关系，即高

29、层软件依赖低层软件，单向依赖关系，即高层软件依赖低层软件，而低层不依赖高层。而低层不依赖高层。1.43三、现代的操作系统结构设计模式（针对三、现代的操作系统结构设计模式（针对多处理机）多处理机）1、客户/服务器模式基本思想：将操作系统分为两部分,大部分功能由相对独立的各服务器来实现,它们都运行在用户态; 当用户进程(客户进程)要求服务时, 向相应的服务器发出请求, 服务器完成请求后回送一个应答; 另一部分是内核, 用来处理客户和服务器之间的通信, 即处理请求和应答。1.44客户应用程序内存服务器网络服务器进程服务器文件服务器显示服务器用户态核心态微内核硬件1.45好处：好处： 简化了基本操作系

30、统简化了基本操作系统 提高了可靠性提高了可靠性 适合分布式环境适合分布式环境1.462 面向对象技术面向对象技术 对象是指具有相同属性、服从相同规则的一类事物的抽象, 其中的具体事物称为对象的实例; 将数据结构和定义在其上的一组操作封装起来表示某个对象。这样数据结构中的数据对外都是隐蔽的, 必须通过封装其内的操作(函数)对它们访问。优点是： 可修改性和可扩充性 继承性 正确性和可靠性数据结构函数1函数2函数31.473 对称多处理模式 支持多处理机操作系统的结构设计。采用两种模式： 对称多处理：一个操作系统在系统中的所有处理机上运行，并共享同一内存。 非对称多处理（主从模式）：一台处理机执行操

31、作系统代码，其它处理机只执行作业。1.48推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力1. 不断提高计算机资源利用率不断提高计算机资源利用率 资源资源: CPU,内存内存,I/O设备设备,文件文件(程序和数据程序和数据)2. 方便用户方便用户: 用户界面友好，使用灵活方便。用户界面友好，使用灵活方便。3. 器件的不断更新换代器件的不断更新换代例如：微机由例如：微机由8位位-16位位-32位位-64位，相应的位，相应的OS也由也由8位位-16位位-32位位-64位，不断更新换代。位，不断更新换代。4.计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展例如：计算机由单处理机系统发展为多处理机

32、系统、计算机例如：计算机由单处理机系统发展为多处理机系统、计算机网络，网络，OS也由单处理机也由单处理机OS发展为多处理机发展为多处理机OS、网络、网络OS。操作系统的发展操作系统的发展1.49人工操作人工操作批处理批处理分时系统分时系统实时系统实时系统个人计算机操作系统个人计算机操作系统 网络操作系统网络操作系统 分布式操作系统分布式操作系统 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.50真空管计算机时代真空管计算机时代 硬件非常昂贵硬件非常昂贵, 人工操作人工操作, 没有操作系统没有操作系统1. 人工操作方式：人工操作方式： 控制台控制台 一个用户一个用户 一次完成一个功能一次完成一个功能 （计算，

33、（计算，I/OI/O，用户操作三者串行）用户操作三者串行） 程序通过穿孔机或卡片装入程序通过穿孔机或卡片装入 用户在控制台前调试程序用户在控制台前调试程序无操作系统的操作方式无操作系统的操作方式1.511946年发明的第一台电子计算机ENIAC（埃尼阿克）数万个真空管数万个真空管, , 占地占地100100平方米平方米运算速度：运算速度：50005000次次/ /每秒每秒, , 用机器语言,无程序设计语言,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。然后,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。1.5250年代早期年代早期出现了

34、穿孔卡片出现了穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机程序写在卡片上然后读入计算机1.53缺点：缺点： (1) 上机用户独占计算机的全部资源上机用户独占计算机的全部资源, 资源利资源利用率低用率低, 工作效率非常低。工作效率非常低。 (2) CPU 等待人工操作。等待人工操作。 (3) 每个用户都要自行编写涉及到硬件的源每个用户都要自行编写涉及到硬件的源代码。工作量大代码。工作量大, 难度高难度高, 易出错。易出错。出现两个矛盾：出现两个矛盾： 人机矛盾人机矛盾人低速与机器高速人低速与机器高速 CPU与与I/O设备速度不匹配的矛盾。设备速度不匹配的矛盾。1.542. 脱机脱机I/O方式方式 为了解

35、决这两个矛盾，为了解决这两个矛盾，50 年代末出现了年代末出现了脱机脱机I/O方式方式, I/O设备由外围机控制。减少了设备由外围机控制。减少了CPU的空闲时间，提高了的空闲时间，提高了 I/O 速度。速度。外围机外围机外围机外围机主机主机输入设备输入设备输出设备输出设备磁盘磁盘1.551.5 操作系统的分类操作系统的分类n单用户操作系统单用户操作系统n批处理系统批处理系统n分时系统分时系统n实时系统实时系统n网络操作系统网络操作系统n分布式操作系统分布式操作系统n多处理机操作系统多处理机操作系统1.56单用户（微机）操作系统单用户（微机）操作系统n计算机在某一时间内为单用户服务,系统的全部资

36、源都提供给该用户使用，用户对系统具有绝对的控制权，其追求目标是界面友好，使用方便。nMS-DOS是典型的单用户操作系统1.57批处理操作系统批处理操作系统n批处理系统的基本特征是批量，它把系统的处理能力，即作业的吞吐量作为主要目标，同时兼顾作业的周转时间。n批处理系统分为：F单道处理系统F多道处理系统1.58批处理是为了提高资源利用率和批处理是为了提高资源利用率和系统吞吐量系统吞吐量一一. 单道批处理系统单道批处理系统 用户把程序用户把程序(卡片卡片)交给系统管理员交给系统管理员,他把一批他把一批作业以脱机方式输入到磁带上作业以脱机方式输入到磁带上,常驻监督程序常驻监督程序(Moniter)对

37、这批作业一个接一个连续处理。对这批作业一个接一个连续处理。 1. 单道批处理系统处理过程：单道批处理系统处理过程： 重复进行重复进行 装入程序、运行、打印结果、撤出装入程序、运行、打印结果、撤出1.59 有作业？有作业？ 有错吗？有错吗？把作业的源把作业的源程序转换为程序转换为目标程序目标程序装装 配配目标程序目标程序运运 行行目标程序目标程序 开始开始 终止终止 是是 是是 否否 否否单道批处理过程单道批处理过程1.60卡片卡片早期批处理系统早期批处理系统IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带输入磁带磁带机磁带机卡片阅读机卡片阅读机输出磁带输出磁带打印机打印机Operating

38、System1.61批处理操作系统$END$RUNData for program$LOADFortran program$FORTRAN $JOB, 10,429754 Cherry Chen 基本控制卡片基本控制卡片是现代作业控制语言和命令解释器的先驱是现代作业控制语言和命令解释器的先驱1.622. 单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征 自动性自动性:磁带上一批作业能自动逐个依次运行磁带上一批作业能自动逐个依次运行 顺序性顺序性:作业顺序进入内存作业顺序进入内存,执行与完成的顺序执行与完成的顺序 和调入的顺序完全相同。和调入的顺序完全相同。 单道性单道性:内存中仅有一道程序内存中仅有一

39、道程序,只有该程序完成只有该程序完成 或发生异常时或发生异常时,才调入后继程序进入内存运行。才调入后继程序进入内存运行。 一个用户独占全部资源，一个用户独占全部资源，CPU负责计算，也负负责计算，也负责传输责传输, CPU与外设速度不匹配。与外设速度不匹配。 CPU与与I/O串行资源利用率仍然很低。串行资源利用率仍然很低。1.63 二二. 多道批处理系统多道批处理系统1.多道程序设计多道程序设计 在在磁盘磁盘上多个作业等待运行排成上多个作业等待运行排成“后备队列后备队列”。多道程序多道程序 内存内存中同时有中同时有-选择选择(调度调度)若干作业装入内存若干作业装入内存(存储管理存储管理)。 -

40、运行的作业遇到运行的作业遇到I/ O请求时请求时, 切换切换(调度调度)至内至内 存中的另一个作业并运行之。存中的另一个作业并运行之。 增加增加: 存储管理重定位保护存储管理重定位保护,并发程序设计技术。并发程序设计技术。 采用缓冲采用缓冲, DMA, 中断处理中断处理 多道程序共享资源，提高多道程序共享资源，提高CPU、内存和内存和I/O设备的设备的利用率，增加系统吞吐量。利用率，增加系统吞吐量。1.642.工作方式：工作方式：F用户首先准备好作业，然后提交给系统，称此阶用户首先准备好作业，然后提交给系统，称此阶段为作业的提交；段为作业的提交；F一批作业提交后，系统将它们存放到磁盘上某一一批

41、作业提交后，系统将它们存放到磁盘上某一盘区（称为输入井），并等待执行，此阶段为作盘区（称为输入井），并等待执行，此阶段为作业的后备或称作业的收容；业的后备或称作业的收容；F系统从磁盘的输入井中挑选作业并将它们装入内系统从磁盘的输入井中挑选作业并将它们装入内存，然后是它们在处理机上执行；存，然后是它们在处理机上执行；F作业执行结束后，系统收回资源，取出作业执行作业执行结束后，系统收回资源，取出作业执行结果，这一阶段称为作业的完成。结果，这一阶段称为作业的完成。1.653.多道批处理系统的多道批处理系统的特征特征1) 多道性多道性: 内存同时驻留多道程序允许并发执行。内存同时驻留多道程序允许并发执

42、行。2) 无序性无序性: 作业完成顺序与进入内存顺序无严格对作业完成顺序与进入内存顺序无严格对应关系。应关系。3) 调度性调度性: 作业从提交到完成经两步调度。作业从提交到完成经两步调度。 作业调度、进程调度。作业调度、进程调度。1.66批处理操作系统批处理操作系统n优点：作业流程自动化，效率高，吞吐率高优点：作业流程自动化，效率高，吞吐率高n缺点：无交互手段，调试程序困难缺点：无交互手段，调试程序困难吞吐量：单位时间内处理作业的个数吞吐量：单位时间内处理作业的个数1.67SPOOLing技术技术n实现批处理的主要输入输出手段是实现批处理的主要输入输出手段是Spooling(Simultane

43、ous Peripheral Operation On-Line,同时的外围设备联机操作同时的外围设备联机操作)技术技术,即假脱机技术即假脱机技术nSpooling技术来历技术来历F1961年，英国曼彻斯特大学，在Atalas机上，首先采用SPOOLing，利用磁盘作缓冲，将输入、计算、输出分别组织成独立的任务流，使I/O和计算真正并行nSpooling系统工作原理系统工作原理F作业进入到磁盘上的输入井F按某种调度策略选择几种搭配得当的作业，并调入内存F作业运行的结果输出到磁盘上的输出井F再由磁盘上的输出井将结果送到打印机1.68主机主机终终端端分时系统分时系统1.69分时系统分时系统n工作方

44、式：工作方式：F一台主机连接了若干个终端；一台主机连接了若干个终端；F每个终端有一个用户在使用，交互式的向每个终端有一个用户在使用，交互式的向系统提出命令请求；系统提出命令请求；F系统接受每个用户的命令，采用时间片轮系统接受每个用户的命令，采用时间片轮转方式处理服务请求，并通过交互方式在转方式处理服务请求，并通过交互方式在终端上向用户显示结果；终端上向用户显示结果；F用户根据上步结果发出下道命令；用户根据上步结果发出下道命令；时间片：操作系统将时间片：操作系统将CPU时间划分成若干个片时间划分成若干个片段段,称为时间片称为时间片1.70分时系统分时系统n特点：特点：F多路性：同时有多个用户使用

45、一台计算机多路性：同时有多个用户使用一台计算机，宏观上看是多个人同时使用一个，宏观上看是多个人同时使用一个CPU，微观上是多个人在不同时刻轮流使用微观上是多个人在不同时刻轮流使用CPUF交互性：用户根据系统响应结果进一步提交互性：用户根据系统响应结果进一步提出新请求出新请求(用户直接干预每一步用户直接干预每一步)F独占性：用户感觉不到计算机为其他人服独占性：用户感觉不到计算机为其他人服务务F及时性：系统对用户提出的请求及时响应及时性：系统对用户提出的请求及时响应1.71关键问题和实现方法关键问题和实现方法1) 及时接受及时接受: 系统配置多路卡系统配置多路卡, 与各终端连结与各终端连结,每个终

46、端配置一个缓冲区每个终端配置一个缓冲区, 暂存接受各用户暂存接受各用户键入的命令和数据。键入的命令和数据。2) 及时处理及时处理(及时响应及时响应): 每个用户键入命令后每个用户键入命令后, 能控制自己作业的运行能控制自己作业的运行, 并及时得到处理。并及时得到处理。各作业都必须在内存各作业都必须在内存, 在响应周期内都能得在响应周期内都能得到执行。方法是到执行。方法是, 将响应周期分为很短的时将响应周期分为很短的时间片间片, 每个作业占一个时间片轮流执行。不每个作业占一个时间片轮流执行。不允许某个作业长期占用处理机。允许某个作业长期占用处理机。分时系统分时系统1.72分时系统分时系统n调进调

47、进/调出调出(Roll-in/Roll-out)是实现分时系统是实现分时系统的一种主要方式的一种主要方式n分时系统的响应时间是衡量一个分时系统性分时系统的响应时间是衡量一个分时系统性能的一项主要指标能的一项主要指标F响应时间：从终端发出命令到系统给予回答所经历的时间1.73实时系统实时系统实时系统是指具有实时特性，能够支持实时控制实时系统是指具有实时特性，能够支持实时控制系统工作的操作系统。系统工作的操作系统。n分类：分类：F第一类：实时过程控制，如工业控制，军事控第一类：实时过程控制，如工业控制，军事控制，制，.F第二类：实时通信（信息）处理，电讯（自动第二类：实时通信（信息）处理，电讯（自动交换），银行，飞机订票交换），银行，飞机订票n主要追求目标：主要追求目标：F对外部请求在严格