计算机操作系统课件：第1章操作系统绪论0102

1、1计算机操作系统大连外国语软件学院2013-2014（二）2操作系统（第三版），刘振鹏，王煜，张明编著，中国铁道出版社.教材1. 汤小丹，梁红兵，汤子瀛等.计算机操作系统教程(第3版).西安电子科技大学出版社. 2. William Stallings. Operating Systems: Internals and Design principles, TsingHua University Press.参考教材使用的教材和主要参考书3教学计划目的通过本课程的学习，使学生掌握操作系统的基本概念、系统结构和主要的功能原理，培养训练学生使用、维护和管理操作系统的基本能力。课时: 36学时=2学

2、时* 16周4考试方式与成绩评定考试方式 闭卷考试，包括选择题、判断题、简答题和综合题。成绩评定 平时成绩（课堂表现-15分,出勤-10分,作业-5分）+期末笔试（闭卷）出勤： 1.因故不能参加课程学习,须事先请假,否则视为旷课; 旷课一次出勤扣除3分且课堂表现最多给7分；旷课两次出勤扣除6分 且课堂表现最多给5分； 2.旷课3次（含3次）以上,取消考试资格； 3.病假每次扣1分、事假每次扣2分； 4.迟到或早退每次扣1分。55学习要求 上课保持安静、关闭通信及其他有声设备。 上课期间严禁上卫生间。 严禁上课迟到和早退。 出勤率、作业和平时表现将作为期末平时成绩。6 操作系统是一门承上启下的核

3、心的专业课程为什么学习操作系统？计算机导论C和 pascal 语言微机原理汇编语言数据结构计算机通讯计算机网络数据库软件工程人工智能OS7为什么学习操作系统？ 加深对使用的操作系统的理解，有利于深入编程 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 操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用 到其他领域 设计操作系统或者修改现有的系统 存在人们意识不到的大量“操作系统” 嵌入式系统(Embedded OS） 选择购买操作系统 8课程特点课程特点：概念多、原理性强、较抽象学习方法: 1.多看书，做到预习、听课、复习三部曲。 2.认真听课，积极参与课堂提问和讨论。

4、3.多思考（如类比联想），多提问题，多讨论 ，加深理解。 4.认真完成作业。9课程内容安排第一章 操作系统引论第二章 用户接口和作业管理第三章 进程与进程管理第四章 进程同步与通信第五章 存储器管理第六章 文件管理第七章 设备管理10第一章 操作系统引论1.1 操作系统的概念 1.2 操作系统的形成与发展过程(类型) 1.3 研究操作系统的几种观点 1.4 操作系统的功能与特征 11 计算机系统中硬件和各种软件构成层次关系，硬件是核心，也称为裸机（无操作系统的计算机系统），如下图。计算机硬件操作系统系统实用程序应用软件计算机系统层次图操作系统设计人员最终用户程序员一、计算机系统与分类121.1

5、 操作系统的概念计算机系统硬件系统软件系统主机外设中央处理器 (CPU)内存储器 (主存)输入输出设备 (I/O设备)外存储器 (辅存)系统软件应用软件1.1.1 计算机系统的组成 支撑软件微型计算机的发展是以微处理器(CPU)的发展为表征的 13按照应用的观点，软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件三类：系统软件 位于计算机系统中最靠近硬件的一层，其他软件一般都通过系统软件发挥作用 。如编译程序和操作系统等。支撑软件 即支撑其他软件的编制和维护的软件 。主要包括各种接口软件和工具组 。应用软件 特定应用领域专用的软件，例如office办公软件、QQ聊天工具。14通用的微机操作系统微软：Win

6、dows系列（以前MS-DOS）UNIX：Solaris（SUN公司）, AIX（IBM公司）自由软件：Linux, Minix其他：Mac OS, NetWare（NOVELL公司推出的网络操作系统 ）151.1.2 操作系统的定义操作系统（Operating System,简记为OS）: 定义是计算机系统中的一个系统软件，能有效地组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够合理、方便、有效地使用计算机，使整个计算机系统能高效运行的一组程序模块的集合。16操作系统主要有两方面的主要作用管理系统中的各种资源 ，包括硬

7、件资源和软件资源。操作系统负责在各个程序之间调度和分配资源，保证系统中的各种资源得到有效地利用。为用户提供良好的界面，是计算机和用户之间的接口。171.1.3 操作系统的目标 目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点： 1. 方便性 2. 有效性 3. 可扩充性 4. 开放性 18无操作系统的计算机系统 人工操作方式 脱机输入输出方式批处理系统单道批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统微机操作系统多处理机操作系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统1.2 操作系统的形成与发展过程操作系统是由于客观的需要而产生， 它伴随着计

8、算机技术和应用的发展而发展。三类基本的操作系统类型191.2 操作系统的形成与发展过程无操作系统的计算机系统1. 人工操作方式 从第一台计算机诞生(1945年)到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。计算机操作是由用户采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据)的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡片输入机)，再启动它们将程序和数据输入计算机， 然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后， 才让下一个用户上机。其缺点： (1) 用户独占全机 (2)CPU等待人工操作202. 脱机输入/输出方式 解决问题：人机矛盾及CPU和I/O设备之间

9、速度不匹配的矛盾脱机输入/输出技术： 在采用脱机输入输出方式时，程序和数据的输入输出都是在外围计算机的控制下完成，即它们是脱离主机进行的，故称之为脱机输入输出操作。 图 1-3 脱机I/O示意图其优点： （1）减少了CPU的空闲时间 （2) 提高I/O速度21单道批处理系统22图 1-4 单道批处理系统的处理流程 单道批处理系统的处理过程单道批处理系统批处理是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。单道:在内存中仅有一道作业。23下图描述了单道程序系统运行情况，问题在于CPU需要等待设备的I/O 完成。用户程序监督程序磁盘操作磁带操作请求磁带输入启动磁带I/O结束请求磁盘输入启动磁盘I/

10、O结束CPU运行I/O设备运行图1 单道作业运行情况 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8单道程序系统运行原理24单道批处理系统 单道批处理系统是最早出现的一种OS。严格地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。单道批处理系统的运行特征:1、单道性：内存中仅存放一个作业运行，即监督程序每次从 磁带上只调入一道程序进入内存运行；2、顺序性：磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业 的完成顺序与他们进入内存的顺序，在正常情况下应完全 相同，亦即先调入内存的作业先完成；3、自动性：在顺利情况下，在磁带上的一批作业能自动地逐 个地一次运行，而无需人工干预。25多道程序批处理

11、系统26多道批处理系统 在多道批处理系统中， 用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。 在计算机内存中同时存放若干道已开始运行尚未结束的程序，它们交替运行，共享系统中的各种硬、软件资源，从而使处理机得到充分利用。1. 多道程序设计的基本概念27多道批处理系统2.多道批处理的运行特征多道：内存中同时存放几个作业；宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；微观上串行运行：各作业交替使用CPU；28体现两个特征，一是“多道”，二是“成批”。如下图图 多道批处理系统工作

12、原理作业卡片机作业1作业2作业nOS磁盘（输入井）磁盘（输出井）内存后备作业完成作业打印机处理器作业卡片机内存作业1作业2作业nOS后备作业完成作业打印机处理器结束3.多道批处理操作系统的工作原理294.多道程序系统运行情况用户程序A监督程序磁盘操作磁带操作请求磁盘输入启动磁盘结束中断中断处理结束中断CPU运行设备运行用户程序B调度B请求磁带输入启动磁带中断处理后调度A中断处理后调度B两道作业运行情况多道程序系统必备的硬件基础是中断技术。 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 由通道完成305.多道批处理系统的优缺点优点：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

13、完成的工作总量大。缺点：用户交互性差：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。作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长。 作业周转时间是指从作业进入系统开始，直到其完成并退出系统为止所经历的时间。批处理：适合大型科学计算、数据处理31例题： 设在内存中有P1、P2两道程序，并按照P1、P2的次序运行，其内部计算（指CPU处理时间）和I/O操作时间如下：P1：计算60ms,I/O 80ms ,计算20ms；P2：计算120ms,I/O 40ms,计算40ms。画出并发执行这两道程序的时序图，并计算若调度程序的执行时间（红色短线表示）不计，并发完成这两道程序比单道运行节约的

14、时间是多少？单道运行的时间：P1：160，P2：200，合计360；并发完成这两道程序比单道运行节约的时间是（100） 32例题： 设在内存中有P1、P2两道程序，并按照P1、P2的次序运行，其内部计算和I/O操作时间如下：P1：计算60ms,I/O 80ms ,计算20ms；P2：计算120ms,I/O 40ms,计算40ms。画出并发执行这两道程序的时序图，并计算若调度程序的执行时间（红色短线表示）不计，并发完成这两道程序比单道运行节约的时间是多少？CPU的利用率分别为多少（保留小数点后两位）？单道运行时CPU的利用率是240/360=66.67%;多道运行时CPU的利用率是240/260

15、=92.30%。33课堂练习： 设在内存中有P1、P2两道程序，并按照P1、P2的次序运行，其内部计算和I/O操作时间如下：P1：计算40ms,I/O 60ms ,计算50ms；P2：计算100ms,I/O 80ms,计算50ms。画出并发执行这两道程序的时序图，并计算若调度程序的执行时间不计，并发完成这两道程序比单道运行节约的时间是多少？CPU的利用率分别为多少（换算成百分比）？ 34 批处理系统的目标是提高计算机系统的工作效率，但批处理系统的用户交互性差和作业平均周转时间长导致了分时系统的出现。分时操作系统 分时系统是指，在一台主机上连接了多个终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方

16、式使用计算机，共享主机中的资源。35分时操作系统终端终端终端分时系统示意图响应时间 1 2 3 n时间片计算机硬件终端分时操作系统终端终端终端 1 2 3 n时间片终端终端终端终端终端终端终端终端终端1.分时系统的思想采用时间片轮转的方法，同时为许多终端用户服务，对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话的功能。时间片：将CPU的时间划分成若干个片段,称为时间片，操作系统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务设计目标：对用户的请求及时响应，并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率。适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。36分时操作系统工作方式主机终端一台主机连接了若干个终端每

17、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终端上向用户显示结果用户根据上步结果发出下道命令373.分时操作系统特点多路性交互性 独立性及时性同时有多个用户使用一台计算机宏观上：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用户根据系统响应结果进一步提出新请求(用户直接干预每一步)每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。用户会感觉独占主机。系统对用户提出的请求及时响应38实时操作系统实时操作系统的引入 随着计算机应用领域扩大，从传统科学计算扩展到商业数据处理、生产过程控制、飞机导航、情报检索等。这样

18、就出现了实时操作系统，这种系统一般是专用系统。实时操作系统（Real-Time Operating System）指系统能及时（或即时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。特点：实时性要求高，系统可靠性高。典型的系统：钢铁冶炼的自动控制，飞机导航、导弹和卫星发射的军事控制以及铁路交通控制系统；银行，机票订购系统、股市行情实时信息处理系统。39微机操作系统的发展单用户单任务只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。MS-DOS, FreeDOS单用户多任务操作系统只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从

19、而有效地改善了系统的性能。Windows 系列操作系统多用户多任务操作系统允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步特高资源利用率和系统吞吐量。UNIX 系列，Mac OS, Linux等。40网络操作系统网络操作系统是指在计算机网络环境中提供网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络应用等功能的操作系统。目标：为了实现网络中各计算机之间的通信和网络资源共享，提高网络资源的利用率和网络的吞吐量。特点：架构在本机操作系统之上 。遵照网络体系结构协议，提供网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络服务。41

20、分布式操作系统例如：银行服务系统分布式系统是指多个处理机通过通信线路互联而构成的系统，系统的处理和控制功能分布在各个处理机上。配置在分布式系统上的操作系统称为分布式操作系统，它负责分布式系统中的任务分配、资源管理等功能服务。42嵌入式操作系统嵌入式系统是一种用途广泛的系统软件。过去主要应用于工业控制和国防系统领域，随着Internet技术的发展、信息家电的普及应用及嵌入式操作系统的微型化和专业化，嵌入式系统开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。常用的有：VxWorks, Palm OS(PDA), Symbian OS(诺基亚), Android(Google)。特点强实时性可装卸性强

21、稳定性，弱交互性统一的接口固化代码更好的硬件适应性，即良好的移植性。431.2.3 推动操作系统发展的主要动力 不断提高计算机资源利用率 2. 方便用户 3. 器件的不断更新换代 4. 计算机体系结构的不断发展 44 1.软件的观点 从软件的观点来看，操作系统有其作为软件的外在特性和内在特性。 2.进程的观点 把操作系统看作由若干独立运行的程序（进程）和一个对这些程序（进程）进行协调的核心所组成。每个进程都完成某一特定任务，而操作系统的核心则控制和协调这些进程的运行，解决进程之间的通信。 1.3 研究操作系统的几种观点453. 计算机系统资源管理的观点 在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的

22、硬件和 软件资源。归纳起来可将资源分为四类： 相应地，OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有 效的管理，即 处理器、存储器、 I/O设备以及信息(数据和程序)(1)处理机管理: 用于分配和控制处理机(2)存储器管理: 主要负责内存的分配与回收(3)I/O设备管理: 负责I/O设备的分配与操纵(4)文件管理: 负责文件的存取、共享和保护1.3研究操作系统的几种观点461.3 研究操作系统的几种观点 4.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 图 1-1 OS作为接口的示意图 475. OS用作虚机器 1.3 研究操作系统的几种观点 对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机)，即使其功能再强，也必

23、定是难于使用的。如果我们在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件，用户便可利用它所提供的I/O命令，来进行数据输入和打印输出。此时用户所看到的机器， 将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。如果我们又在第一层软件上再覆盖上一层文件管理软件，则用户可利用该软件提供的文件存取命令，来进行文件的存取。此时，用户所看到的是台功能更强的虚机器。如果我们又在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件，则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能更强的虚机器。486.服务提供者观点 操作系统提供了程序执行的环境，也为程序和用户提供了一系列的操作系统服务。 操

24、作系统提供公共服务类型包括 ： 程序执行 I/O操作 文件系统操纵 通信 差错检测1.3 研究操作系统的几种观点49 处理机管理（进程管理） 存储管理 文件管理 设备管理 用户接口1.4 操作系统的功能与特征1.4.1 操作系统的功能 处理机管理（进程管理） 存储管理 文件管理 处理机管理（进程管理） 存储管理 设备管理 文件管理 设备管理 处理机管理（进程管理） 文件管理 设备管理 存储器管理 处理机管理（进程管理） 文件管理 设备管理50并发性共享性虚拟性异步性1.4.2 操作系统的特征 1.4 操作系统的功能与特征511.并发性定义：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。并行性是指两个或多

25、个事件在同一时间发生。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）。程序的并发执行，有效地改善了系统资源的利用率和提高了系统的吞吐量，但它使系统复杂化，操作系统必须具有控制和管理各种并发活动的能力。521.并发性为使多个程序能够并发执行，系统必须分别为每个程序建立进程(Process)。进程：指操作系统中能够独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。 线程：比进程更小的单位，在进入线程的OS中，通常是把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。由于线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，所以对它的调度所付出的开销就会小得多，能更高效地提高系统内多个程序间并发执行的程度。532.共享性定义：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。多个进程（线程）共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。资源在一个时间段内交替被多个进程所用。两种资源共享方式：1.互斥共享：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用(如音频设备，