操作系统第1章

操作系统主讲人：黄萍huangp146@行政楼408办公核与成绩评定考核方式：闭卷、笔试成绩评定：平时成绩：期末考试：到课情况：10%平时作业：10%20%80%使用教材操作系统的作用软件硬件硬件与软件的关系脑袋与思想的关系应用软件操作系统头主要学习内容一、操作系统引论二、进程管理三、处理机调度与死锁四、存储器管理五、设备管理六、文件管理第一章操作系统引论什么是操作系统?操作系统的性质?以下软件那些是操作系统？UNIXWordDOSVBOFFICWindowsXPWindows7LinuxPowerpointPhotoshop操作系统软件：UNIXWordDOSVBOFFICWindowsXPWindows7LinuxPowerpointPhotoshop定义：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度、以及方便用户使用的程序集合。1.1操作系统的目标和作用1.1.1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。方便性有效性可扩充性开放性设计操作系统最重要的两个目标1.方便性硬件只识别0和1这样的机器代码。因此，用户要在计算机上运行自己所编写的程序，就必须用机器语言书写。2.有效性提高系统资源利用率，使资源忙，得到有效利用；提高系统吞吐率，加速程序运行，缩短程序的运行周期；3.可扩充性适应硬件与网络发展要求采用层次化结构，便于增加新功能模块和修改老的功能模块。4.开放性遵循开放系统互连OSI国际标准是90年代计算机技术的核心问题。实现应用的可移植性和互操作性，要求操作系统必须提供统一的开放环境。1.1.2操作系统的作用：用户与硬件系统的接口计算机四类资源的管理者实现了对计算机资源的抽象1.用户与计算机硬件系统之间的接口

OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。软件接口，给互用用户提供三种方式：（1）命令方式（2）系统调用方式（3）图形、窗口方式(1)命令方式。由OS提供一组联机命令，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。(2)系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机。(3)图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。OS作为接口的示意图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2.OS作为计算机系统资源的管理者处理机管理——用于分配和控制处理机；存储器管理——主要负责内存的分配与回收；设备管理——负责I/O设备的分配与操纵；文件管理——负责文件的存取、共享和保护。3.OS实现了对计算机资源的抽象裸机：无任何软件的计算机系统扩充机器：覆盖了软件的机器又称虚拟机1.1.3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无操作系统的计算机系统单道批处理系统（50年代）多道批处理系统（60年代）分时系统（60年代）实时系统（60年代）1.2操作系统的发展过程1.2.1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。人工操作方式有以下两方面的缺点：用户独占全机CPU等待人工操作2.脱机输入/输出方式脱机I/O方式的主要优点如下：减少了CPU的空闲时间。(2)提高I/O速度。脱机I/O示意图输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备过程：一批作业以脱机方式输入到磁带上，在监督程序的控制下连续处理。特征：（1）自动性无人工干预;（2）顺序性按进入内存的先后执行;（3）单道性内存中只保持一到作业。1.2.2单道批处理系统1.2.3多道批处理系统1.多道程序设计的基本概念多道：指内存中同时存放多个相互独立的程序。

多道技术是共享的基础。引入多道程序设计技术带来的好处：(1)提高CPU的利用率。(2)可提高内存和I/O设备利用率。(3)增加系统吞吐量。启动程序C完成完成启动t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O

I/OI/O

中断请求I/O

I/OI/O

中断请求用户程序监督程序I/O

操作(a)单道程序运行情况程序A程序AI/O请求程序AI/O完成程序B程序BI/O请求程序CI/O请求程序D程序DI/O请求CI/O完成C再被调用程序BI/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)多道程序运行情况A完成结束中断2.多道批处理系统的优缺点资源利用率高。(2)系统吞吐量大。吞吐量：单位时间内完成的总工作量原因:①资源忙；②完成或运行不下去时才切换；(3)平均周转时间长。通常几小时，甚至几天。作业周转时间：从作业进入系统开始到完成并退出系统经历的时间。(4)无交互能力。修改和调试极不方便。3.多道批处理系统需要解决的问题处理机管理内存管理I/O设备管理文件管理作业管理1.2.4分时系统

分时系统的产生定义：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，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。用户的需求具体表现在以下几个方面：(1)人—机交互。（边运行边调试）(2)共享主机。（设备昂贵）(3)便于用户上机。（在终端上输入、控制）2.分时系统实现中的关键问题终端键入命令，及时接收处理，将结果返回。再键入下条命令，实现人-机交互。有多个用户同时键入命令时，也应能全部地及时接收并处理。(1)及时接收。(2)及时处理。3.分时系统的特征多路性。即同时性，宏观上同时微观上轮流独立性。每个用户感觉独占主机及时性。较短时间响应（1-3秒）交互性。1.2.5实时系统系统能及时(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。1.应用需求实时控制。工业生产、武器控制飞机的自动驾驶

(2)实时信息处理。订票系统2.实时任务任务执行时是否呈现周期性完成截止时间周期性实时任务非周期性实时任务开始截止时间对截止时间的要求硬实时任务软实时任务3.实时系统与分时系统特征的比较多路性独立性及时性交互性可靠性1.3操作系统基本特征并发性（最重要特征）共享性虚拟性异步性1.3.1并发性1.并发与并行并行性：两个或多个事件在同一时刻发生；并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行；单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，微观上这些程序只能是分时地交替执行。多个处理机系统可以并发执行的程序被分配到多个处理机上，实现并行执行。进程程序在并发环境中的执行过程；资源分配和独立运行的基本单位。线程一个进程中包含多个线程，他们可以利用进程所拥有的资源；作为独立运行和独立调度的基本单位。所谓共享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。1.3.2共享性资源属性的不同，对资源共享的方式也不同。实现资源共享的两种方式：(1)互斥共享方式(2)同时访问方式1.互斥共享方式进程A访问某资源时，必先提请求，若该资源空闲，系统便将之分配给A使用，此后若再有其它进程也要访问该资源时则必须等待。仅当A访问完并释放该资源后，才允许另一进程对该资源进行访问。在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。2.同时访问方式允许一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。操作系统的两个最基本的特征是并发和共享。操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。时分复用技术空分复用技术

1.3.3虚拟性虚拟处理机技术虚拟设备技术虚拟磁盘技术虚拟存储器技术1.3.4异步性进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不是“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。1.4操作系统的主要功能资源管理处理机管理存储器管理设备管理文件管理用户管理命令接口程序接口图形接口联机用户接口脱机用户接口用户接口：提供给用户使用的接口。程序接口：提供给程序员在编程时使用的接口。1.4.5操作系统与用户之间的接口(1)联机用户接口。适用：几乎所有计算机的操作系统中组成：命令+命令解释程序过程：用户在终端或控制台上每键入一条命令，命令解释程序对该命令加以解释并执行该命令。(2)脱机用户接口。适用：是为批处理作业的用户提供的，故也称为批处理用户接口。组成：一组JCL（作业控制语言）过程：用户把对作业的控制用JCL写在作业说明书上，命令解释程序按照作业说明书解释并执行。(3)图形接口图形用户接口采用了图形化的操作界面，用非常容易识别的各种图标(icon)来将系统的各项功能、各种应用程序和文件，直观、逼真地表示出来。用户可用鼠标或通过菜单和对话框，来完成对应用程序和文件的操作。2.程序接口目的：为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径。组成：一组系统调用是一个能完成特定功能的子程序。系统调用：每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序，每当应用程序要求OS提供某种服务(功能)时，便调用具有相应功能的子程序。操作系统结构的发展阶段第一代：无结构OS第二代：模块化结构的OS第三代：分层式结构的OS第四代：微内核结构的OS（20世纪90年代）——现代结构的OS传统OS结构1.5操作系统的结构设计无结构OS—是为数众多的一组过程的集合，内部复杂混乱；模块化结构OS—按功能划分成若干个具有一定独立性和大小的模块，每个模块具有某方面的管理功能，使各模块之间能通过接口实现交互；分层式结构OS—在目标系统和裸机系统之间，铺设若干个层次的软件层，最终能在裸机上运行。采用自底向上的分层原则。操作系统内核是指大多数操作系统的核心部分。由操作系统中用于管理存储器、文件、外设和系统资源的那些部分组成。通常运行进程，并提供进程间的通信。在微内核系统中，内核是精心设计的、能实现现代OS最基本的核心功能的部分。微内核OS结构微内核并非一个完整的OS，只是操作系统中最基本的部分；实现与硬件紧密相关的处理；实现一些较基本的功能；负责客户和服务器之间的通信；微内核OS结构现代操作系统，大多数采用基于客户/服务器模式的微内核结构，将操作系统划分为两大部分：微内核和多个服务器；将操作系统中最基本的部分放在内核中，绝大部分功能都放在微内核外面的一组服务器（进程）中实现；客户进程客户进程进程服务器终端服务器文件服务器存储器服务器请求回答核心用户方式核心方式在单机环境下的客户/服务器模式…微内核的基本功能进程（线程管理）低级存