OS01引论-1-2014-2015-2

1、操作系统操作系统原理原理Operating Systems 学时：学时：48+8闭卷，总成绩闭卷，总成绩= 平时成绩平时成绩*30%+期末成绩期末成绩*70%l平时成绩平时成绩包括上机实验、包括上机实验、作业、考勤等作业、考勤等.教材：教材：参考教材：参考教材：1 操作系统操作系统精髓与设计原理（第精髓与设计原理（第7版），陈向群等译电版），陈向群等译电子工业出版社，子工业出版社，20122 操作系统教程操作系统教程(笫笫4版版)，孙钟秀，孙钟秀 主编，费翔林主编，费翔林 骆斌骆斌 编著。编著。课程目的课程目的不是如何使用操作系统；不是如何使用操作系统；而是而是理解操作系统如何工作理解操作系统

2、如何工作lOS原理、设计方法和实现技术原理、设计方法和实现技术lOS内部算法和数据结构内部算法和数据结构基本要求基本要求答疑时间：每周三第答疑时间：每周三第5小节，教小节，教3-518第一章第一章 操作系统引论操作系统引论 1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用 1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 1.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 1.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计 计计算算机机系系统统硬件资源硬件资源软件资源软件资源指构成计算机系统所指构成计算机系统所必须配置的那些

3、必须配置的那些“硬硬的的”设备设备主主机机处理机（处理机（中央处理单元，中央处理单元，CPU）内存内存外部外部设备设备是一个计算机系是一个计算机系统必须配置的统必须配置的程程序和数据序和数据的集合的集合,即信息即信息系统软件（系统软件（操作系统操作系统、语言编译器、数据库管、语言编译器、数据库管理系统）理系统）应用软件应用软件 （MIS、用户自己开发的系统等）、用户自己开发的系统等）工具软件（软、硬件检测诊断程序）工具软件（软、硬件检测诊断程序）I/O设备（键盘、显示器、鼠标）设备（键盘、显示器、鼠标）存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带）存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带）其它设备（其它设备（MO

4、DEM、通信口）、通信口）计算机系统的组成计算机系统的组成PCMARIRMBRI/ O ARI/ O BRCPUMain Mem o rySystemBusI/ O Mo duleBuffersInstructio n012n - 2n - 1DataDataDataDataInstructio nInstructio nFig ure 1.1 Co m puter Co m po nents: To p-Level ViewPC = Pro g ram co unterIR = Instructio n reg isterMAR = Mem o ry address reg isterMBR

5、 = Mem o ry buffer reg isterI/ O AR = Input/ o utput address reg isterI/ O BR = Input/ o utput buffer reg isterExecutio nunit中央处理单元：控制计算机的操作，执行数据处理功能中央处理单元：控制计算机的操作，执行数据处理功能CPU内部寄存器内部寄存器存储器地址寄存器存储器地址寄存器（MAR）l指定指定下一个读或写要访问的存储器地址下一个读或写要访问的存储器地址;存储器存储器缓冲寄存器（缓冲寄存器（MBR）l包含被包含被写入存储器的数据或从存储器读出的数据。写入存储器的数据或

6、从存储器读出的数据。I/O地址寄存器（地址寄存器（I/OAR）l指定指定一个特定的一个特定的I / O设备。设备。I/O缓冲寄存器（缓冲寄存器（I/OBR）l被被用于用于I/O模块和处理器之间的数据交换。模块和处理器之间的数据交换。指令执行指令执行处理器执行的程序处理器执行的程序l由一组存储在存储器中的指令组成。由一组存储在存储器中的指令组成。指令处理包括两步：指令处理包括两步：取下一条指令执行指令程序计数器（程序计数器（PC）和指令寄存器（）和指令寄存器（IR）程序计数器（程序计数器（PC）l保存下一条要读取的指令地址保存下一条要读取的指令地址读取一条指令后，处理器一般会递增读取一条指令后，

7、处理器一般会递增PCl以便以便PC指向下一指令指向下一指令取出的指令被加载到指令寄存器（取出的指令被加载到指令寄存器（IR）中）中l处理器解释并执行指令处理器解释并执行指令该处理器包含一个数据寄存器，称为累加器（该处理器包含一个数据寄存器，称为累加器（AC）。）。指令和数据是指令和数据是16位长位长指令格式提供指令格式提供4位操作码位操作码操作码定义了处理器可执行的操作操作码定义了处理器可执行的操作 195300301内存内存300CPU寄存器寄存器PCIRAC40941 00094094103002.存储器和寄存器内容采用十六进制存储器和寄存器内容采用十六进制1 9 4 0取地址为取地址为3

8、00的指令的指令 195300301301PCIRAC40941 00094094103002.1 9 4 02302941 195300301内存内存301CPU寄存器寄存器PCIRAC40941 00094094103002.存储器和寄存器内容采用十六进制存储器和寄存器内容采用十六进制0001 = Load AC from memory1 9 4 0 0 0 0 3执行执行1940指令指令2302941 195300301内存内存301CPU寄存器寄存器PCIRAC40941 00094094103002.存储器和寄存器内容采用十六进制存储器和寄存器内容采用十六进制5 9 4 1取地址为取

9、地址为301指令指令 195301302302PCIRAC40941 00094094103002.5 9 4 12302941 195300301内存内存302CPU寄存器寄存器PCIR 0 0 0 3AC40941 00094094103002.存储器和寄存器内容采用十六进制存储器和寄存器内容采用十六进制0101 = Add to AC from memory5 9 4 1 0 0 0 5执行指令：执行指令：2+3=52302941 195300301内存内存302CPU寄存器寄存器PCIRAC40941 00094094103002.存储器和寄存器内容采用十六进制存储器和寄存器内容采用十

10、六进制2 9 4 1取地址为取地址为302指令指令 195301302303PCIRAC40941 00094094103002.2 9 4 12302941 195300301内存内存303CPU寄存器寄存器PCIR 0 0 0 5AC40941 00094094103002.存储器和寄存器内容采用十六进制存储器和寄存器内容采用十六进制0010 = Store AC to memory2 9 4 1执行执行2941指令指令230294151.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用操作系统在硬件基础上的第一层软件，是其他软件和硬件之操作系统在硬件基础上的第一层软件，是其他软件和硬件之间的

11、接口间的接口目标：目标： 1. 方便性方便性 2. 有效性有效性 3. 可扩充性可扩充性 4. 开放性开放性 操作系统的作用操作系统的作用1. 从一般用户的观点从一般用户的观点可把操作系统看作是用户与计算机硬件系统之间可把操作系统看作是用户与计算机硬件系统之间的接口的接口 用 户应用程序系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算机硬件操作系统的作用操作系统的作用2 从资源管理观点从资源管理观点 可把操作系统视为计算机系统资源的管理者。可把操作系统视为计算机系统资源的管理者。 资源包括四类：资源包括四类：l处理器、存储器、处理器、存储器、I/O设备、设备、 信息资源（程序和数据）信息资源（程序和数据

12、） 管理的内容：管理的内容：l资源的当前状态（数量和使用情况）资源的当前状态（数量和使用情况）l资源的分配、回收和访问操作资源的分配、回收和访问操作l相应管理策略（包括用户权限）。相应管理策略（包括用户权限）。操作系统的作用操作系统的作用3 OS实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资源的抽象在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储器管理、处在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储器管理、处理机管理。理机管理。OS的地位：紧挨硬件层的第一层软件，对硬件进行的地位：紧挨硬件层的第一层软件，对硬件进行首次首次扩充，同时又是其他软件运行的基础。扩充，同时又是其他软件运行的基础。“虚拟机虚拟机”：一个裸机

13、在每加上一层软件后，就变成了一：一个裸机在每加上一层软件后，就变成了一个功能更强的机器，把这个功能更强的机器，把这“新的功能更强的机器新的功能更强的机器”称作虚称作虚拟机。拟机。每一层次都对上一层次扩充形成一个虚拟机；每一层次都对上一层次扩充形成一个虚拟机；高层次屏蔽低层次的功能细节，低层向高层提供服务。高层次屏蔽低层次的功能细节，低层向高层提供服务。操作系统的定义操作系统的定义操作系统操作系统是一组用于控制和管理计算机系统硬件和软件资是一组用于控制和管理计算机系统硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的源、合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程程序序集合。集合。1

14、.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程1.2.1无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统1.2.4 分时系统分时系统1.2.5 实时系统实时系统1.2.4 微机操作系统的发展微机操作系统的发展1.2.1无操作系统的计算机系统 CPU等待人工操作。等待人工操作。 1.2.1无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统 系统带系统带 应用带应用带输出带输出带输入带输入带卫卫 星星 机机（外围机）（外围机）打印打印机机主主机机卡片输入机卡片输入机这种脱机这种脱机I/O方式的主要优点如下：方式的主要优点如下：(1

15、) 减少了减少了CPU的空闲时间。的空闲时间。 (2) 提高提高I/O速度。速度。 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统 单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征单道批处理系统是最早出现的一种单道批处理系统是最早出现的一种OS。l监督程序监督程序该系统的主要特征如下：该系统的主要特征如下： (1) 自动性。自动性。 (2) 顺序性。顺序性。 (3) 单道性。单道性。 1.2.3多道批处理系统多道批处理系统 1. 单道程序单道程序 内存中仅有单个程序在运行。内存中仅有单个程序在运行。2. 多道程序设计技术多道程序设计技术用户所提交的作业都先存放在用户所提交的作业都先存放在外存上外存上并排成一

16、个队列，称并排成一个队列，称为为“后备队列后备队列”；由作业调度程序按一定的算法从后备队列中由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个选择若干个作作业调入内存，使它们共享业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。和系统中的各种资源。 多道批处理系统多道批处理系统 2. 多道程序设计技术多道程序设计技术提高提高CPU的利用率、可提高内存和的利用率、可提高内存和I/O设备利用率、增加系设备利用率、增加系统吞吐量统吞吐量t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求用户程序监督程序I/O 操作(a) 单道程序运行情

17、况程 序 A程序A I/O 请求程序A I/O 完成程 序 B程序B I/O 请求程 序 C程序C I/O 请求程 序 D程序D I/O 请求C I/O 完成C 再 被 调 度程序B I/O 完成程序A再被调度程 序 A程 序 B程 序 C程 序 D调 度 程 序(b) 四 道 程 序 运 行 情 况A完成结束中断多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点1. 资源利用率高资源利用率高2. 系统吞吐量大系统吞吐量大 3. 平均周转时间长平均周转时间长 4. 无交互能力无交互能力多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统需要解决的问题 (1) 处理机管理问题。处理机管理问题。 (2) 内存管理

18、问题。内存管理问题。(3) I/O设备管理问题。设备管理问题。(4) 文件管理问题。文件管理问题。 (5) 作业管理问题。作业管理问题。 1.2.4 分时系统分时系统用户的需求：用户的需求：(1)(1)人人机交互。机交互。 (2)(2)共享主机。共享主机。 (3)(3)便于用户上机。便于用户上机。 关键问题关键问题(1)(1)及时接收。及时接收。(2)(2)及时处理。及时处理。 时间时间分时系统的特征分时系统的特征（1）多路多路性。性。允许多个终端用户同时使用一个计算机系统，允许多个终端用户同时使用一个计算机系统，共享系统资源，提高了资源利用率，促进了计算机的普遍应共享系统资源，提高了资源利用

19、率，促进了计算机的普遍应用；用；（2）独立性。）独立性。用户在各自的终端上请求系统服务，彼此独立，用户在各自的终端上请求系统服务，彼此独立，互不干扰；互不干扰；（3）及时性。）及时性。系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高系统能及时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；调试和修改程序的效率，缩短了周转时间；（4）交互性。）交互性。采用联机（采用联机（On-line）的人一机对话的工作方）的人一机对话的工作方式，用户在终端上可以直接输入、调试和运行自己的程序。式，用户在终端上可以直接输入、调试和运行自己的程序。 1.2.5 实时系统实时系统1.1. 应用需求应用需

20、求 (1)(1)实时控制实时控制: : 工业过程控制、防空系统等工业过程控制、防空系统等(2)(2)实时信息处理实时信息处理: :情报检索和查询、飞机订票系统、银行信用卡系统。情报检索和查询、飞机订票系统、银行信用卡系统。实时系统实时系统系统能及时系统能及时( (或即时或即时) )响应响应外部事件的请求，外部事件的请求，在在规定的时间规定的时间内完成对该事件的处理，内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务并控制所有实时任务协调协调一致地运行。一致地运行。 实时任务实时任务 按任务执行时是否呈现周期性来划分按任务执行时是否呈现周期性来划分l周期性实时任务。周期性实时任务。 l非周期性实时任务。非

21、周期性实时任务。n 外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性，但外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性，但都必须联系着一个截止时间都必须联系着一个截止时间(Deadline)。开始截止时间开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行任务在某时间以前必须开始执行完成截止时间完成截止时间任务在某时间以前必须完成。任务在某时间以前必须完成。 实时任务实时任务 根据对截止时间的要求来划分根据对截止时间的要求来划分l硬实时任务硬实时任务(hard real-time task)。系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。现难以预测的结果。l软

22、实时任务软实时任务(Soft real-time task)。它也联系着一个截止时间，它也联系着一个截止时间， 但并不严格，若偶尔错但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，过了任务的截止时间， 对系统产生的影响也不会太对系统产生的影响也不会太大。大。 实时系统与分时系统特征的比较实时系统与分时系统特征的比较多路性。多路性。 独立性。独立性。 交互性。交互性。 及时性。及时性。 可靠性。可靠性。 1.2.6 微机操作系统的发展微机操作系统的发展常用的个人计算机操作系统常用的个人计算机操作系统l单用户单任务：单用户单任务：MS-DOSl单用户多任务：单用户多任务：OS/2, Windows XP,

23、 Windows NT, Windows 7l多用户多任务：多用户多任务：UNIX(SCO UNIX, Solaris x86, Linux, FreeBSD)nMS-DOS 1.0 released in 19814000 lines of assembly language source coderan in 8 Kbytes of memoryused Intel 8086 microprocessornWindows 3.0 shipped in 199016-bitGUI interfaceimplemented as a layer on top of MS-DOSnWindows 9532