01操作系统概论教学课件

01操作系统概论01操作系统概论01操作系统概论2021/3/232操作系统唐恒亮为什么要学习操作系统？涉及到计算机科学的很多领域计算机体系结构/硬件、软件设计、程序设计语言、数据结构、算法操作系统包括了所有软件设计/实现问题，有助于理解和掌握现有的大量操作系统资源共享/管理、安全和身份验证、友好界面设计等 1.1操作系统的概念1.1.1计算机系统资源分类硬件系统主机：中央处理器(CPU)：运算器和控制器内存储器：随机存储器-RAM只读存储器-ROM外设：外存储器：硬盘、U盘、磁带、光盘输入设备：键盘、鼠标、扫描仪输出设备：显示器、打印机、绘图仪1.1操作系统的概念1.1.1计算机系统资源分类软件系统系统软件操作系统（OS）、各种语言编译系统（编译程序）、数据库管理系统等应用软件会计系统、银行系统、订票系统等1.1操作系统的概念—1.1.2OS与软硬件关系裸机虚拟机（扩展机）OS是连接软硬件的桥梁，是各种应用程序的支撑环境1.1操作系统的概念1.1.3引入OS的目的方便性（从用户的角度来看）将裸机改造成虚拟机，提供良好的界面、可靠安全的服务管理有效性（从系统管理员的角度来看）管理和分配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工作流程；操作系统是计算机资源的管理者可扩充性（从发展的观点来看）为系统功能扩充提供支撑平台：追加方便，无干扰开放性（从厂商的观点来看）通用、不同厂家的产品均可以采用1.1操作系统的概念1.1.4OS的定义是计算机系统中一个系统软件，是计算机与用户间的接口，用户正是通过OS来支配计算机，使其性能得以发挥。OS管理和控制着计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强、使用方便的工作环境1.1操作系统的概念1.1.4OS的定义----可以简单概括为四句话：是计算机系统中一个系统软件；是连接软硬件的桥梁；管理和控制着计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程；是硬件与用户间的接口。1.2操作系统的历史推动OS发展主要动力需求推动发展计算机技术及其应用的发展提高资源的利用率和系统性能计算机发展的初期，计算机系统昂贵，用作集中计算方便用户用户上机、调试程序，分散计算时的事务处理和非专业用户（商业和办公、家庭）1.2操作系统的历史OS的发展与计算机的发展密不可分第一代：1946~20世纪50年代末，电子管时代，无OS第二代：20世纪50年代末~60年代中期，晶体管时代，批处理系统第三代：20世纪60年代中期~70年代中期，集成电路，多道程序设计第四代：20世界70年代中期至今，大规模和超大规模集成电路，分时系统21世纪：普适计算、网格计算及巨型、微型、并行、分布、网格化、智能化和生物信息化等方面发展1.2操作系统的历史OS的发展过程手工操作阶段批处理执行系统多道程序系统分时系统实时系统通用操作系统网络操作系统分布操作系统1.2.1手工操作阶段----电子管时代无操作系统用户独占、手工操作、需人工干预随着计算机技术发展（计算速度提高，第一代→第二代），手工操作不再适应手工操作只能完成简单的控制手工操作速度慢，降低了计算机的效率1.2.1手工操作阶段----电子管时代例如：用户在平均每秒1000次（第一代）上算一题，运行时间为1小时，手工操作时间为3分钟，此时操作时间与运行时间之比为多少？若计算机速度提高到60万次每秒（第二代），运行时间之比又为多少？解决方法摆脱手工操作，减少人工干预，实现作业的自动过渡——早期的批处理系统1.2.2早期批处理—晶体管时代提高CPU利用率的方法早期：用户自行完成运行管理和具体操作用户需自己建立、运行程序，并做结束处理程序执行步骤出错则重新开始解决方案：配备专门的计算机操作员：减少操作失误采用批处理方法：监督程序自动依次处理联机批处理脱机批处理1.2.2早期批处理—联机批处理一、联机批处理 模式： 主机直接和慢速的输入输出（I/O）设备直接连接作业执行流程作业的概念作业的定义从用户的角度来看:从输入开始到输出结束,用户交给计算机系统来完成的工作作业步：一个作业处理过程中计算机所做的相对独立的工作从系统的角度来看由用户提交的程序、数据文件以及表达该作业执行的控制意图说明书组成作业的组织作业:由程序、数据和作业说明书三部分组成程序和数据完成用户所需求的业务处理工作作业说明书体现用户的控制意图作业控制块表（JCB）作业说明书在系统中生成的表格作业说明书作业的基本情况描述作业控制描述资源要求描述2023/7/23《计算机操作系统教程》22作业的组织以上所讲的作业都是批处理系统中作业管理与调度的对象分时系统没有作业的概念分时系统采用时间片轮转分时使用处理机，用户的程序和数据信息直接输入到内存工作区中和其他程序一起抢占系统资源投入执行，而不必进入外存输入井等待作业调度程序选择。因此。分时系统没有作业控制表，也没有作业调度程序，直接采用进程管理232023/7/23《计算机操作系统教程》卡片联机批处理系统IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带磁带机卡片阅读机输出磁带打印机1.2.2早期批处理—联机批处理优点：解决了作业自动转接，减少了作业建立和人工操作的时间缺点：作业输入和执行结果输出过程中CPU空闲慢速I/O设备和快速主机之间仍是串行工作CPU资源仍有很大的浪费1.2.2早期批处理—脱机批处理二、脱机批处理 模式：（1）主机直接和慢速的输入输出设备脱离 （2）直接与速度较快的磁带机相连卫星机：不与主机直接相连而专门用于与I/O设备打交道输入设备通过它把作业输入到输入磁带输出磁带将作业执行结果输出到输出设备工作过程：（1）输入设备通过卫星机把作业输入到磁带，成批存储（2）把磁带装到主机的磁带机上（3）主机上的监督程序从磁带上把第一个作业调入内存并执行和输出（4）重复（3）直道一批作业完成（5）输出磁带，将作业执行结果输出到输出设备1.2.2早期批处理—脱机批处理优点输入/输出与主机并行：同一批内各作业的自动依次更替，改善了主机CPU和I/O设备的使用效率，提高了吞吐量。监督程序的引入：管理作业的运行缺点磁带或磁盘需要人工装卸，作业需人工分类监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预才可恢复）监督程序管理下的解题过程1.2.2早期批处理—执行系统三、执行系统20世纪60年代初，计算机硬件在通道技术和中断技术两方面得以发展，这些技术的出现使监督程序在负责作业运行的同时提供I/O控制功能1.2.2早期批处理—执行系统通道技术通道是一种专门用来控制外部设备工作的专用处理部件，负责I/O设备与主存之间的信息传输启动后可独立于CPU运行，实现CPU与I/O设备的并行通道有专用的I/O处理器，可与CPU并行工作可实现I/O联机处理1.2.2早期批处理—执行系统中断技术中断：主机接到外部信号停止处理机上还在运行的程序，而转去执行其它程序，执行完毕后主机回到原来的程序断点处继续工作断点：当一程序还在处理机上运行而被暂停保护现场→查找中断源→中断处理子程序→恢复现场1.2.2早期批处理—执行系统执行系统借助于通道和中断技术，输入输出可在主机控制下完成原来的监督程序的功能扩大了，它不仅要负责作业运行的自动调度，而且还要提供I/O的控制功能发展了的监督程序常驻内存成为执行系统实现输入输出联机操作输入输出工作在主机控制下的通道完成1.2.2早期批处理—执行系统优点实现了主机、通道和I/O设备的并行操作提高了系统效率，方便用户对I/O设备的使用缺点计算机系统按单道顺序处理作业以计算机为主的作业，输入输出量少，外围设备空闲以输入输出为主的作业，主机空闲计算机资源利用率不高1.2.3多道程序系统单道作业运行（批处理系统）每次只调用一个用户作业程序进入内存并运行单道程序系统的运行情况1.2.3多道程序系统多道程序系统的运行情况1.2.3多道程序系统多道批处理的运行特征多道计算机内存中同时存放几个相互独立的作业宏观上并行运行系统内的几个作业都处于运行状态，但都未运行完微观上串行运行各作业交替使用CPU，交替执行1.2.3多道程序系统多道批处理系统采用了多道程序设计技术待处理的多个作业存放在外部存储器中，形成队列，等待运行需调入作业时，由作业调度程序对外存中的一批作业，根据其对资源的要求和一定的调度原则，调几个作业进入内存令其交替运行某个作业完成时，再调入一个或几个作业1.2.3多道程序系统多道程序系统需要解决的一些技术同步与互斥问题并行运行的程序共享计算机系统的软硬件资源并行运行的程序既有对资源的竞争又须相互同步覆盖技术、对换技术、虚拟存储技术等内存管理技术内存不足时，需提高内存使用效率内存保护的要求系统程序和用户程序存储区的安全性、可靠性1.2.3多道程序系统同步与互斥间接相互制约关系来源于进程间的资源共享关系，例如打印机直接相互制约关系来源于进程间的合作，例如利用缓冲区传递信息进程同步的主要任务对多个相关进程在执行次序上进行协调，以使并发执行的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可在现性互斥举例：一张机票卖给两个人如何解决？互斥举例：一张机票卖给两个人解决方案采取一定的措施，当一个进程读取数据并修改数据，在它重写之前，不允许其它进程对该数据进行操作1.2.3多道程序系统优点：资源利用率高：CPU和内存利用率较高作业吞吐量大：单位时间内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1.2.4分时操作系统手工操作模式联机方式+独占资源+直接控制→浪费资源批处理模式脱机方式+无法干预→无人机交互，不便使用新目标：既保证计算机效率，又能方便用户使用CPU速度提高+分时技术+多个用户终端1.2.4分时操作系统分时系统多用户共享计算资源的系统，一般连接多个显示终端可通过终端向系统发出各种操作控制命令1.2.4分时操作系统分时技术就是把处理机的运行时间分成一个个很短的时间片，按时间轮流把处理机分配给联机的各个用户短时间片独享多时间片轮用1.2.4分时操作系统分时OS的特点交互性便于控制提交作业方便便于用户间交往同时性独占性分时操作系统是一个联机的、多用户、交互式的OS缺点：响应速度相对慢多用户分时操作系统是当今最普遍使用的一类操作系统短时间片独享多时间片轮用1.2.5实时操作系统实时对随机发生的外部事件作出及时的响应并作出相应的处理用于实时控制用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域特点：即时响应、高可靠性设计实时OS需考虑的因素实时时钟管理（定时处理和延时处理）连续的人机对话过载保护高可靠性和安全性SymbianAndroidWindowsMobileLinux1.2.6通用操作系统具有多种类型操作系特征的OS实时批处理系统优先处理任务，通常实时任务称为前台作业插空批作业处理，通常批作业称为后台作业分时批处理系统保障分时用户，无分时用户进行批处理可按前后台方式处理1.2.6通用操作系统UNIX：通用多用户分时交互型OS核心精干、功能强大应用于工作站：SUN-Solaris、IBM-AIXWindows、Linux均基于UNIX原理功能齐全应用范围广泛操作方式多样系统复杂庞大付出代价巨大可靠性可维护性可理解性开放性1.2.7OS的进一步发展20世纪80年代，大规模集成电路工艺技术发展→PC机、网络化、分布式处理、智能化、巨型化个人计算机上的OS嵌入式OS（Android、Symbian等）网络OS分布式OS智能化OS1.3OS的基本类型根据OS的使用环境和对作业的处理方式批处理操作系统分时操作系统实时操作系统个人计算机操作系统网络操作系统分布式操作系统1.3.1批处理操作系统处理流程1.3.1批处理操作系统特征用户脱机使用计算机成批处理多道程序运行优点系统资源利用率高、作业吞吐量大缺点无交互性，提交作业后丧失控制能力作业周转时间较长，用户使用不便1.3.1批处理操作系统多道程序系统单CPU，交替使用CPU。多重处理系统多个CPU，真正并行执行多道程序多道程序设计技术→多重处理有效性高吞吐量、高可靠性、高计算能力、高并行处理能力等1.3.2分时操作系统分时操作系统是一个联机的、多用户的、交互式的操作系统最流行的多用户分时操作系统：UNIX1.3.2分时操作系统采用时间片轮转的方式，一台计算机为多个终端用户服务特点：虽分时，似独享（响应时间快）交互性→方便多用户同时性→高效独立性→满意1.3.3实时操作系统一种联机操作系统计算机应用于实时控制和实时信息处理领域推动了实时操作系统的发展一种即时响应系统对实时信息的分析和处理的速度比其进入系统的速度要快高可靠性专用性资源利用率较低！1.3.4通用操作系统操作系统的三种基本类型批处理系统分时系统实时系统兼具多种功能的操作系统兼有批处理、分时处理、实时处理和多重处理功能，或其中两种以上功能1.3.5个人计算机上的OS联机交互式的单用户OS：似通用分时系统特征应用领域：事务处理、个人娱乐系统要求：使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信）、效率不必很高常用的个人计算机操作系统单用户单任务：MSDOS单用户多任务：OS/2,MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows2000Professional多用户多任务：UNIX(SCOUNIX,Solarisx86,Linux,FreeBSD)1.3.6网络OS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。为网上计算机进行方便而有效的网络资源共享提供网络用户所需各种服务的软件和相关规程网络功能与操作系统的结合程度是网络操作系统的重要性能指标早期：操作系统附加网络软件后期：网络功能成为操作系统的有机组成部分区别：网络功能的强弱、使用是否方便等1.3.6网络OS功能：信息交换、资源共享、可互操作、协作处理通常操作系统的功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等网络通信功能：通过网络协议进行高效、可靠的数据传输网络资源管理：协调各用户使用网络服务：文件和设备共享，信息发布网络管理：安全管理、故障管理、性能管理等互操作：直接控制对方比交换数据更为困难1.3.6网络OS特征互联的群体，物理分散计算机自治通信设施信息交换、资源共享、可互操作、协作处理20世纪90年代初期，Novell公司的Netware等系统现代操作系统均具上网功能1.3.7分布式OS通过通信网络将物理上分布的具有自治功能的数据处理系统和计算机系统互联起来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务1.3.7分布式OS与网络OS的区别是否有制定标准的协议：分布式系统未制定标准协议并行性：分布式OS可以将一个进程分散在各机上并行执行；网络OS则各机上的进程独立透明性：用户是否知道或指定资源在哪个机器上（如CPU、内存或外设）；分布式OS系统对用户是透明的健壮性：分布式系统要求更强的容错能力（工作时系统重构）分布式以网络为基础，物理上松耦合，逻辑上紧耦合目前分布式系统处于研究阶段，尚无真正实用的分布式系统；计算机网络已得到广泛应用1.3OS的基本类型根据OS的使用环境和对作业的处理方式批处理操作系统分时操作系统实时操作系统个人计算机操作系统网络操作系统分布式操作系统1.4操作系统的特征和功能职能：管理和控制计算机系统中的所有硬、软件资源合理组织计算机工作流程提供用户一个良好工作环境和友好接口特征并发性并行性与并发性程序与进程：静态实体与活动实体共享性互斥共享方式：在一段时间内只允许一个进程访问的资源——临界资源同时访问方式：在一段时间内允许多个进程对它进行访问虚拟性：操作系统本身就是一个虚拟机，是物理机的虚拟异步性：作业完成的先后次序与进入内存的次序并不完全一致1.4操作系统的特征和功能功能1.4.1处理机管理1.4.2存储管理1.4.3设备管理1.4.4信息管理1.4.5用户接口硬件资源软件资源资源管理1.4.1处理机管理—进程管理主要功能进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等进程同步：协调并发进程之间的推进步骤，以协调资源共享进程互斥方式进程同步方式进程通信：进程之间传送数据，以协调进程间的协作进程调度：进程的运行切换，以充分利用处理机资源和提高系统性能对处理机进行分配（调度），以进程为基本单位。1.4.2存储管理主要功能内存分配：为每道程序分配内存空间，保证存储区不冲突静态分配方式动态分配内存保护：保证进程间互不干扰、相互保密内存保护机制：程序间相互破坏内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）逻辑上的扩充，提高内存利用率、扩大进程的内存空间管理目标：提高存储器的利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间，方便进程并发运行。主要目标：对存储器进行分配、保护、扩充和管理。1.4.3设备管理主要功能缓冲管理匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率设备分配与回收多用户间共享I/O设备资源设备操作利用设备驱动程序（通常在内核中）完成对设备的操作虚拟设备(virtualdevice)设备由多个进程共享，每个进程如同独占该设备设备管理的目标是：方便设备使用、提高CPU与I/O设备利用率1.4.4信息管理——文件系统管理信息（文件）：程序和数据功能文件存储空间管理为每个文件分配外存空间，以提高空间利用率和读写性能目录管理方便用户从外存中查找文件文件的读写管理和存取控制文件的读写管理文件的存取控制：安全性解决软件资源的存储、共享、保密和保护，操作系统中负责这一功能的部分称为文件系统。1.4.5用户接口程序级接口提供一组广义指令供用户程序和其他系统程序调用通过广义指令向操作系统提出申请，并由操作系统代为完成作业级接口提供一组控制操作命令供用户去组织和控制自己作业的运行目标：提供一个友好的用户访问操作系统的接口。1.5计算机硬件简介1.5.1基本硬件元素处理器、存储器、输入输出控制与总线、外部设备等PC：程序计数器IR：指令寄存器MAR：内存地址寄存器MBR：内存缓冲寄存器I/OAR：I/O地址寄存器I/OBR：I/O缓冲寄存器1.5.1基本硬件元素处理器（CPU）控制和执行计算机的指令操作存储器可分内存、外存和缓存，用于存储数据和程序I/O控制器和缓冲控制和暂存外部设备与计算机内存之间交换的数据和程序1.5.2主要寄存器与OS相关的主要寄存器用户可编程寄存器数据寄存器地址寄存器条件码寄存器控制与状态寄存器程序计数器指令寄存器程序状态字PSW中断现场保护寄存器过程调用用堆栈1.5.2主要寄存器数据寄存器用来保存操作数和运算结果等信息，从而节省读取操作数所需占用总线和访问存储器的时间地址寄存器用来存放内存中某个数据或指令的地址，或存放某段数据与指令的入口地址以及被用来进行更复杂的地址计算条件码寄存器（标志寄存器）运算结果标志位（进位标志、奇偶标志、溢出标志等）1.5.2主要寄存器程序计数器PC下一周期被执行指令的地址指令寄存器IR装有待执行指令程序状态字PSW各比特位代表系统当前各种不同状态与信息控制CPU操作：如CPU是否响应外部可屏蔽中断中断现场保护寄存器用于保存中断程序现场和链接中断恢复处过程调用用堆栈堆栈用于存放过程调用时的调用名、调用参数以及返回地址1.5.3存储器的访问速度存储器件可移动存储介质硬盘磁盘缓存内存高速缓存（cache）寄存器一般容量越大速度越慢1.5.4指令的执行与中断指令的执行与中断指令执行中断2023/7/2379《操作系统》具有中断的指令执行过程1.5.4指令的执行与中断1.5.5操作系统的启动OS复责管理计算机软硬件资源OS也是一种资源，如何启动运行？启动计算机时，计算机硬件自动产生一中断信号，