《计算机操作系统》课件OS-chapter 1

于红教授计算机操作系统2016.9QQ:657063251Email：yuhong@

yuhong_112@几个问题大学学什么教育的真谛就是当你忘记一切所学到的东西之后所剩下的东西——最重要的不是你学到的具体知识，而是你学习新事物和解决新问题的能力。这才是大学学习的真正意义。所以，即便你所学的不是生活里所急需的，也要认真看待大学里的每一门功课，就算学习的技能你会忘记，学习的能力是你将受用终身的。课程相关要求成绩评定方式详见大纲上课要求不迟到、早退上课不可以在下面开小会手机关机或静音，坚决不允许玩手机、pad、电脑；但是可以带来辅助学习…….考勤、但是不能全点名鼓励课堂讨论、随时发问，欢迎课堂提问题要做笔记，考试以笔记为主课程相关要求（续）作业不定期布置课前、课后、课堂作业，要求学生独立完成作业，作业的评价标准第一是态度、第二是对错关于老师认真、不讲情面，对学生要求严格工作上一丝不苟，追求公平，考试不画重点、不画范围乐于助人、关心学生，生活和学习上有困难可以帮忙课前调查你对操作系统的认识根据你的理解，什么是操作系统？你是否使用过操作系统？如果有，你使用过哪些操作系统？你对你所使用的操作系统有哪些不满？你知道哪些操作系统？你是否自己安装过操作系统？根据你的经验，操作系统的功能是什么？课程的总体情况课程目标了解操作系统在计算机系统中的作用、地位、发展和特点。理解操作系统的基本概念、原理，掌握操作系统设计方法与实现技术。能够运用所学的操作系统原理、方法与技术分析问题和解决问题。课程的总体情况（续）主要内容操作系统的基本概念、发展、功能、目的、类型和基本特征。操作系统实现的基本原理、算法，主要包括：作业管理进程管理内存管理设备管理文件管理Linux操作系统分析课程的总体情况（续）重点难点进程管理存储器管理课程的总体情况（续）参考书目教材汤小丹、汤子瀛等主编《计算机操作系统(第四版)》西安电子科技大学出版社，2014推荐参考书张尧学，史美林，张高.计算机操作系统教程，清华大学出版社，2006实用操作系统概念（影印版）（AppliedOperatingSystemConcepts）AbrahamSilberschatz，PeterGalvin，GregGagne.高等教育出版社，2001邹恒明.计算机的心智——操作系统之哲学原理.机械工业出版社.2009OperatingSysteminternalsanddesignprinciple（thirdedtion）prenticehall，1998习题集曾平，李春葆.操作系统——习题与解析.清华大学出版社.2001梁红兵，汤小丹主编《计算机操作系统学习指导与题解（第二版）》西安电子科技大学出版社，2008课程的总体情况（续）辅助学习网站http://62:8080/Study/用户名：学号密码：123456课程的总体情况（续）章节安排绪论：主要讲述操作系统的基本概念、发展、功能、目的、类型和基本特征等。操作系统的用户界面：用户与操作系统之间接口的基本类型，作业的基本概念，系统调用，Linux和Windows的基本命令。进程管理：进程的基本概念，进程的状态及转换、进程控制、进程的同步与互斥、进程通信、死锁的解决等。处理机调度：处理机调度的级别，调度时机、作业调度和进程调度的调度算法等。存储器管理：存储器管理的任务和功能，各种存储管理算法。设备管理：设备分类、设备管理的任务和功能、输入输出控制系统的实现、通道相关技术、中断和缓冲技术、设备分配的算法和设备分配机制等。文件管理：文件和文件系统的概念、文件的逻辑结构和存取方法及文件的物理结构、文件的操作、文件的目录结构、外存空间的管理、磁盘调度等。linux系统分析：几个系统调用，linux系统的进程管理、进程通信、linux系统中的进程控制第一章操作系统概述本章重点分时、实时及批处理三种系统中每种系统的特点和适用范围。OS的功能、定义、目的、类型和基本特征。研究OS的几种基本观点。硬件为操作系统提供的基本支持。时间片、多道程序设计、吞吐量、并发及并行的概念。本章难点分时、实时、批处理三种系统的实现、网络和分布式OS的实现。硬件为操作系统提供的基本支持。第一章操作系统概述操作系统（OperatingSystem）概念

OS的历史OS的基本类型OS的功能OS的基本特征计算机硬件简介研究OS的几种观点OS与硬件、软件、用户之间的关系小结

1.1操作系统（OperatingSystem）概念一、系统资源让计算机工作所需要的所有东西。系统资源硬件资源：软件资源CPU，内存，I/O设备系统软件：应用软件：OS、DBMS等word,电子表格，浏览器等。结论1：OS是系统软件。

1.1操作系统（OperatingSystem）概念二、计算机系统的层次结构计算机硬件操作系统编译程序汇编程序编辑程序数据库（系统软件）…财务系统财务系统上网浏览电子商务…科学计算用户1用户2用户3用户4用户n…OS的位置对内：所有硬件都包含在其内部，OS把所有硬件管理起来，对硬件进行全面控制，全面管理。对外：所有软件的运行都建立在OS之上的。结论2：OS管理计算机系统资源，方便用户1.1操作系统（OperatingSystem）概念三、OS的定义OS是计算机系统中的一种系统软件，它用于管理计算机系统的软、硬件资源，控制程序的运行，并为用户使用计算机提供方便的接口。OS的角色：①管理员②指挥员③接待员1.1操作系统（OperatingSystem）概念OS的目标提高系统资源的利用率:使计算机系统资源更好、更充分地被用户利用。提高系统的效率:效率的提高会使每项工作的完成时间缩短，从而使系统吞吐量增加。方便性:使用户更方便地使用计算机可扩充性：系统功能和结构的扩充不影响原有功能的使用。操作系统可以方便的增加新模块，修改旧模块。开放性：不同的计算机及设备能集成起来并有效、正确地被使用，实现应用程序的可移植性和互操作性。1.1操作系统（OperatingSystem）概念五、为什么要学习操作系统？设计和改写操作系统更好地选择和使用操作系统掌握系统软件设计方法和并发程序设计方法1.2操作系统的历史一、推动操作系统发展的因素计算机硬件升级以及新的硬件类型的发展用户需求扩大，OS提供的新服务计算机体系结构的不断发展市场的激烈竞争，OS功能的完善（修补、汉化）1.2操作系统的历史二、计算机技术的演变1946-20世纪50年代末：第一代，电子管时代20世纪50年代末-20世纪60年代中期，第二代，晶体管时代

20世纪60年代中期-20世纪70年代末，第三代，集成电路时代20世纪70年代末期-20世纪末，第四代，大规模及超大规模集成电路时代进入21世纪：新型计算机的研究开始，量子计算机、光子计算机等1.2操作系统的历史三、操作系统的演变早期手工阶段

46~50年代初（无操作系统）单道批处理58年前后多道程序系统

65年前后分时OS66年前后

实时OS68年前后单用户OS，网络OS70年代分布式OS（多机OS）、嵌入式OS、90年代1.2.1手工操作阶段实现计算机运行在一个集成了指示器、开关、输入设备（读卡机）、打印机的控制台上。这个阶段有什么问题？怎么解决？特点人机串行资源独占1.2.2单道批处理一、引入为解决人-机速度不匹配的问题二、实现通过一种称为监控程序的软件，使用户不必直接接触机器，而是先通过卡片机和纸带机向监控程序提交作业，由监控程序将作业组织在一起构成一批作业，然后将整批作业放入由监控程序管理的输入设备上，每当一个作业执行完毕返回监控程序时，监控程序自动装入下一个作业。1.2.2单道批处理启动读入第一个命令解释读入命令并执行读入下一个命令实现过程流程图内存结构示意图监控程序中断处理设备驱动作业排序控制语言解释器用户程序区1.2.2单道批处理分类：联机批处理：输入输出在主机控制下完成。脱机批处理：输入输出在卫星机控制下完成。1.2.2单道批处理1.联机批处理程序+数据+作业操作说明书程序+数据+作业操作说明书。。。汇编编译obj连接装配exe启动运行结果(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)善后(8)(9)(10)1.2.2单道批处理工作过程（1）作业被做成穿孔纸带或卡片（2）用户提交作业：程序+数据+作业操作说明书（3）操作员有选择地把若干作业合成一批，通过输入设备（纸带输入机或者读卡机）把他们存入磁带（4）监督程序读入一个作业（5）从磁带调入汇编程序或编译程序，将用户作业源程序翻译成目标代码（6）连接装配程序把编译后的目标码及所需的子程序装配成一个可执行程序（7）启动执行（8）执行完毕，善后处理程序输出计算结果（9）读入下一个作业，重复（5）-（9）（10）一批作业完成，返回（3），处理下一批1.2.2单道批处理2.脱机批处理卡片机打印机卫星机主机日志输入带输出带执行带系统带作业周转时间：一道作业从提交到运行完成所需要的时间。1.2.2单道批处理特点单：任何时刻机器中处理的作业只有一道。批：磁带上总是有一批作业等待处理。计算启动I/OI/O继续计算单道批处理示意图CPUI/O设备I/O完成1.2.2单道批处理如果两道作业，每道作业的I/O需要20ms，计算需要10ms，I/O延迟忽略，两道作业完成总共需要多少ms？CPU利用率是多少？有什么问题？能不能改进？1.2.3多道程序系统引入为提高各种资源的利用率，解决I/O设备与CPU的速度差异，提高CPU与外部设备的利用率实现内存放两道以上的程序，CPU交替执行各程序1.2.3多道程序系统程序BCPU输入设备输出设备输入

结束请求打印

CPU空

请求输入等待CPU程序ACPU输入设备CPU其他I/O程序BCPU输入设备等待CPUCPU程序A流程：20msCPU40ms输入30msCPU20ms输入程序B流程：30msCPU20ms输出30msCPU程序A程序B程序A1.2.3多道程序系统在单道情况下完成程序A和程序B需要时间：20+40+30+20+30+20+30=190CPU利用率：110/190X100%=58%在多道情况下完成程序A和程序B需要时间：20+40+30+30=120CPU利用率：110/120X100%=92%1.2.3多道程序系统特点多道：计算机内存中同时放几道互相独立的程序。宏观上并行：同时进入系统中的几道程序都处于运行状态，即：都开始运行且没运行完成。微观上串行：各道程序轮流使用CPU。

实质是“宏观上并行，微观上串行。”吞吐量：在单位时间内计算机系统完成的作业的道数。多道程序设计：将一个以上的作业放入主存，并且同时处于运行状态，这些作业共享处理机的时间和外围设备等其他资源。多道批处理系统：采用多道程序设计技术实现的批处理系统。多道程序系统的出现标志着在操作系统渐趋成熟的阶段先后出现了作业调度管理、处理机管理、存储器管理、外部设备管理、文件系统管理等功能1.2.3多道程序系统多道批处理系统的特点人脱机（无交互能力）成批、多道（资源利用率高）高效（系统吞吐量大）作业周转时间长需要的硬件支持20世纪60年代初期发展起来的通道和中断技术。适用范围大量的科学计算，大量的数据处理（大作业）有什么问题？能不能改进？1.2.4分时操作系统引入批处理系统采用人脱机的方式工作，但有时不方便，不能满足所有的需要。实现一台主机外接多个终端，每个用户占一台终端（CRT+键盘，是一种只有I/O而没有CPU的设备），CPU采用把时间分片的方法轮流为每个终端用户服务（即时间片轮转的方法），保证每个用户的响应时间。相关概念分时技术：把处理机的运行时间分成很小的时间片，按时间片轮流把处理机分给各联机作业使用，若某个作业在给定的时间片内不能完成，该作业暂时中断，处理机让给其它作业，等下一轮时间继续运行。时间片：CPU的时间段，时间片的大小由操作系统决定，可以是固定时间片（每个时间段长度一般为0.2s），也可以是可变时间片。1.2.4分时操作系统分时系统是一个联机的、多用户的、交互的操作系统。UNIX是典型的分时系统。1.2.4分时操作系统分时系统的特点交互性多用户同时性（多路调制性）独立性（独占性）及时性适用范围适用范围：开发、调试、测试软件性能，小作业。1.2.5实时操作系统引入60年代中期，计算机发展进入第三代，使机器性能得到了显著的提高，应用范围迅速扩大，从传统的科学计算扩展到商业数据处理以及各行各业，如工厂的生产控制、医疗诊断、教学以及飞机订票等，尤其是它应用于高科技，如：控制导弹发射，需要根据目标及时调整方向，各种参数需要随时改变，这时分时和批处理都解决不了，就引入实时系统。即：为满足自控等方面的需求而引入实时系统，主要解决那些需要在规定时间内处理完的问题。实现解决问题的关键在于系统的正确性不仅依赖于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的时间。处理问题的程序常驻内存。由事件激发程序的执行。

CPU要根据事件的轻重缓急进行时间分配。需要有时钟管理模块，在线的人机对话，过载保护等保证系统绝对可靠。（高度可靠性和安全性需采用冗余措施，硬件上双机热备份）1.2.5实时操作系统1.2.5实时操作系统实时系统的特点实时性可靠性安全性专用性适用范围实时控制：导弹发射，飞机飞行，炼钢，发电。实时信息处理：情报检索，银行帐目往来，飞机订票。1.2.5实时操作系统分时，批处理，实时的比较：交互性效率可靠性较高较强批处理分时实时及时性通用性适应范围弱（day,h）较强(ms,s)强(ms,μs)无强较强高低弱强较好好差大作业，科学计算小作业，测试，调试，开发实时控制，实时信息处理1.2.6通用操作系统引入批处理系统的不断发展，分时系统的不断改进，实时系统的出现及应用范围的日益广泛，致使操作系统日益完善，出现了通用操作系统。定义通用操作系统：同时兼有多道批处理，分时，实时三种系统的功能或具有其中两种系统的功能。例：OS/400和MVS：分、批，其中CPU的分配取分时，作业分为两种，前台（终端），采用分时，后台（批处理作业）前台时间片小，后台时间片大。UNIX：通用，分时，多用户操作系统。1.2.7操作系统的进一步发展PC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（手机操作系统）课后拓展作业：上网查找目前有哪些常见的嵌入式操作系统?每种系统的特点及市场占有情况。ＰＣ机操作系统引入微机便宜，对环境要求低，没有必要多个人使用一台计算机实现每个用户独立联机使用一台计算机。资源独占。特点用户界面好文件管理功能强资源管理简单安全性差（用户上机时没有用户识别），病毒泛滥ＰＣ机操作系统分类单用户单任务：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，代表产品:CP/M、MS-DOS单用户多任务：只允许一个用户上机，允许用户把程序分为多个任务，使他们并发执行，代表产品：Windows系列：Window1.0，Windows2.0，Windows3.0，Windows95，Windows98，WindowsXP等多用户多任务：允许多个用户通过各自终端使用一台机器，共享主机中的资源，每个用户可以同时执行多个任务，代表产品：UNIX、Solaris、Linux网络操作系统引入通信和资源共享的要求引入计算机网络，相应产生网络操作系统。实现在单机操作系统的基础上开发，按照网络体系结构的各个协议标准开发，具有网络管理、通信、资源共享、系统安全等功能。如NETWARE

两个以上带有自己OS的计算机通过通信设施连接起来。有各方认定的标准通信规则（协议）。在单机操作系统的基础上建立一个网络操作系统负责对网络资源和网络通信进行控制和管理，并为网络用户提供统一的接口。网络操作系统功能NOS控制网络通信管理网络资源提供多种网络服务提供网络接口网络服务有：文件服务，打印服务，新闻服务，数据库服务。网络操作系统特点自治性：有自己的CPU，自己的内存，自己的OS互连性分布性：位置分布，功能分布，处理的任务分布统一性：整个网络对用户是统一的接口是一致的分布式操作系统引入除了共享和资源共亨外，还要进行任务的协作处理，（系统中多台机器同时做一件事）实现两台以上计算机通过通信设施连接起来。有内部的通信规则（没有统一的标准），各机器没有主次之分。整个系统有一个统一的操作系统，对系统中的所有资源进行管理，调度，对系统当中所有任务进行协调，并为用户提供接口。分布式操作系统特点自治性（比网络差）：每台机器有自己的CPU，内存，无操作系统。分布性（比网络差）：分布在一个楼内或一个办公室内。模块性：机器的机型相同（只有同构才能实现任务转移）并行性功能进行任务的协作处理拓展思考题：目前最典型的分布式系统是什么？1.3操作系统的基本类型按用户个数单用户多用户

按任务数单任务多任务按CPU个数单CPU多CPU

1.3操作系统的基本类型按使用环境及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操作系统的功能粗分管理资源控制流程提供接口细分处理机管理：处理机的分配和调度存储管理：内存分配，存储保护，内存扩充设备管理：设备，通道，控制器的分配和回收，设备独立性文件管理：信息共享和保护，外存空间的管理用户接口：包括程序级的接口（系统调用）和作业级的接口（作业管理，负责作业调度）1.5操作系统的基本特征并发性共享性虚拟性异步性（不确定性）并发和共享是操作系统的两个基本特征，二者互为存在条件，一方面资源共享是以程序的并发执行为条件的，若系统不允许程序的并发执行，自然不存在共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法执行。并发性并发定义并发（Concurrence

）：指两个或多个事件在同一时间内发生，亦即在同一时间段内多个程序共同执行并发性并发与并行比较并行指的是在同一时刻内的同时执行，并发指在同一时间段内同时执行。并行的事件或活动一定是并发的，但反之并发的事件或活动未必是并行的并行定义并行（Parallel）：是指两个或多个事件在同一时刻发生并发性课堂思考在单处理机中，有没有并行（并发）运行的程序？在单处理机中，有没有并行运行的情况？

两道程序分别在两个处理机（多CPU）或两套处理部件中独立运行，可以实现并行。单处理机系统中采用多道程序技术后，可以实现硬件之间的并行操作和程序之间的并发执行。并发程序要达到“在同一时间间隔内进行”，也需要相应的硬件或软件支持。例如，两道程序分别在一个处理机或一套处理部件上运行，由于每一时刻仅能执行一道程序，所以微机上这两道程序是交替和顺序执行的，但从宏观上看，在一段时间间隔内这两道程序同时运行。所以，并发和并行都需要多道程序技术的支持。共享性共享定义指系统中的软硬件资源不再被某个程序独占，而是供多个程序共同使用。共享分类互斥共享也叫顺序共享：系统中的某些资源同一时间内只允许一个进程访问，许多物理设备，以及某些数据和表格都是互斥共享的资源。同时访问共享又叫并发共享：系统中还有许多资源，允许同一时间内多个进程对它进行访问，这里“同时”是宏观上的说法。典型的可供多进程同时访问的资源是磁盘，可重入程序也可被同时访问。虚拟性虚拟定义指把一个物理上的实体变成若干个逻辑上的对应物。前者是实际存在的，后者是虚的，是感觉性的存在。可以使设备和资源得到充分利用

虚拟性虚拟分类时分复用技术虚拟处理机：通过多道程序和分时使用CPU技术，物理上的一个CPU变成逻辑上的多个CPU（多道程序和分时技术）虚拟设备：可把物理上的一台独占设备变成逻辑上的多台虚拟设备（Spooling技术）空分复用技术虚拟内存：在一台物理内存为一兆的计算机上运行总量超过5兆的程序（虚拟存储器技术）虚拟磁盘：将一个硬盘虚拟成多个硬盘异步性（不确定性）异步定义异步（Asynchronous)：程序何时执行，何时执行完成以及执行顺序不确定。

例如：例如：一个进程在CPU上运行一段时间后，由于等待资源满足或事件发生，被暂停执行，CPU转让给另一个进程执行。系统中的进程何时执行？何时暂停？怎样的速度向前推进？进程总共要多少时间执行才能完成？这些都是不可予知的，或者说该进程是以异步方式运行的异步性（不确定性）操作系统中的不确定性程序执行结果不确定，程序执行结果不能再现。同一程序，对于给定相同的初始数据，在相同的环境下运行，多次运行可能得到完全不同的结果。（不允许）程序按异步方式运行（异步性）。也就是说，每道程序何时执行，各个程序的执行顺序以及每道程序所需的时间都不是确定的，也是不可预知的。（允许）1.6计算机硬件介绍1.6.1计算机的基本硬件元素处理器I/O控制器PCIRMARMBRI/OARI/OBRI/O控制器缓冲外部设备程序数据内存总线1.6计算机硬件介绍计算机的基本硬件元素处理器：控制和执行计算机的指令操作，包括单处理器和多处理器。存储器：存储数据和程序，分为内存和外存、缓存（buffer）和高速缓存(cache)输入输出控制与总线：控制和暂存外部设备和计算机内存之间交换的数据和程序。外部设备：获取和输出数据和程序的基本单位，包括数字设备和模拟设备。设备通过总线互相连接1.6计算机硬件介绍与操作系统相关的几种主要的寄存器寄存器与操作系统密切相关，因为他们是在处理机中交换数据的速度比内存快、体积小、价格贵的暂存器件。数据寄存器：理论上对数据进行操作的任何机器指令都被允许访问数据寄存器。根据硬件设置的规定，这些寄存器也可能只被允许进行浮点运算或被其他某些规定所限制地址寄存器：一般用来存放内存中某个数据或指令的地址或者存放某段数据或者指令的入口地址，例如：地址标识位寄存器内存管理用各种始地址寄存器堆栈指针设备地址寄存器1.6计算机硬件介绍条件码寄存器：称为标志寄存器程序计数器：下一周期被执行指令的地址。指令寄存器：待执行的指令程序状态字PSW：各位代表系统中当前的各种不同状态与信息，例如是否允许中断等中断现场保护寄存器：保存被中断程序的现场信息以及链接中断恢复处。过程调用用堆栈：保存过程调用时的调用名、调用参数、返回地址1.6计算机硬件介绍

存储器的访问速度一、存储器的种类：可移动存储介质光盘磁盘磁带硬盘（容量扩大，转速增加）固态盘磁盘缓存内存（diskcache）高速缓存寄存器1.6计算机硬件介绍二、存储器的速度容量越大，访问速度越慢，单位存储的成本越低寄存器高速缓存内存硬盘缓存硬盘光盘、磁带访问速度大小除了寄存器和存储介质之外，中断机构、I/O控制（通道和DMA器件）也与OS设计相关固态盘1.6计算机硬件介绍1.6.4命令的执行和中断一、指令的执行执行指令的过程：处理机把指令从内存读入指令寄存器并执行指令。指令的读入是根据指令计数器PC所指地址读入，执行的是指令寄存器IR中的指令。指令周期：指令的读入和指令的执行开始读入下一条指令执行当前指令结束1.6计算机硬件介绍二、指令的中断中断：外部设备或计算机内部发生来了亟待处理的数据或其他紧急事件处理信号，处理机暂停正在执行的程序，转去处理相应的紧急事件，待处理完毕后再返回原处继续执行。指令周期：指令的读入和指令的执行用户程序中断指令i指令i+1中断处理程序1.6计算机硬件介绍开始读入下一条指令执行当前指令结束允许中断吗？