大学操作系统原理《操作系统概述》教学课件

操作系统概述概念·功能·结构·发展操作系统原理

第一章本章导览01认识操作系统计算机系统组成与操作系统定位02核心功能解析五大资源管理功能逐一拆解03体系结构剖析内核态用户态与系统调用机制04分类与发展从批处理到现代操作系统的演进05课程地图展望知识体系与后续学习路径认识操作系统计算机系统的灵魂所在从裸机到可用系统，认识操作系统的角色01计算机系统由四层组成计算机系统并非只有硬件，而是由多层结构协同构成的整体自下而上，从物理硬件到用户交互，四层结构逐级抽象与支撑。层计算机系统的四层结构硬件层处理器、存储器、外设，是整个系统的物理基础操作系统层管理硬件资源，向上提供统一、抽象的接口应用程序层面向用户需求，实现具体业务功能用户层通过应用程序与系统交互，完成各类任务操作系统是连接底层硬件与上层用户的桥梁什么是操作系统操作系统是管理和控制计算机硬件与软件资源的程序集合，是最基本的系统软件，直接运行在裸机之上。从不同视角看操作系统用户/系统/程序

三重视角各有侧重用户视角使用者体验提供方便、友好的使用界面。系统视角资源调度者充当资源管理者，负责资源分配与回收。程序视角并发执行环境控制程序执行，提供并发运行的环境。概括地说，操作系统既是资源管理者，也是用户与硬件之间的接口操作系统追求方便与高效方便性易用·友好让计算机更易于使用，屏蔽硬件操作细节。有效性高效·吞吐提高系统资源利用率与整体吞吐能力。可扩充性扩展·演进支持新功能与新硬件的平滑扩展。开放性标准·互通遵循标准规范，支持互连互通。操作系统的四个基本特征没有并发就无需共享，没有共享并发也无法实现宏观上同时推进·走走停停并发与共享是操作系统最基本的特征，二者互为条件并发多个程序在同一时间段内交替执行共享系统资源可供多个并发进程共同使用虚拟把物理实体映射为若干逻辑对应物异步进程以不可预知的速度向前推进操作系统为程序提供资源抽象操作系统以抽象方式简化硬件管理，让程序员无需关心底层硬件差异，专注解决问题。处理机抽象以进程和线程组织程序执行隐藏物理处理器细节存储抽象以虚拟内存提供统一、连续的编址空间设备抽象实现设备无关性统一读写接口文件抽象以文件和目录组织持久化数据核心功能解析资源管理者的五大职责处理机、存储器、设备、文件与接口管理02操作系统管理五类资源并提供接口处理机管理以进程为单位分配和调度处理器存储器管理为多道程序提供内存分配、保护与扩充设备管理完成设备分配、驱动与缓冲管理文件管理实现文件的组织、存取、共享与保护用户接口提供命令接口与程序接口，方便用户使用处理机管理围绕进程展开处理机管理是操作系统中最核心、最复杂的部分之一目标提高处理器利用率，保证系统高效有序运行处理机管理的核心在于围绕进程这一基本单元，实现对其全生命周期的控制、同步、通信与调度进程控制创建、撤销进程，实现状态转换与资源回收进程同步协调并发进程对共享资源的访问次序进程通信在进程之间传递数据和消息进程调度按一定策略从就绪进程中选择占用处理器者存储器管理负责内存分配与保护让多个程序共享有限内存，同时保证安全与效率内存分配为每道程序分配所需内存空间并及时回收内存保护保证各程序互不干扰，防止越界访问地址映射把程序的逻辑地址转换为物理地址内存扩充借助虚拟存储技术，从逻辑上扩大内存容量设备管理实现设备无关性设备管理的核心目标：提高设备利用率，简化用户对设备的使用缓冲管理缓解处理器与外部设备之间的速度差异。设备分配按一定策略把设备分配给提出请求的进程。设备处理由设备驱动程序完成对设备的具体控制。设备无关性用户使用设备时不关心其物理细节。文件管理组织持久化数据文件管理的核心目标：把外存抽象为

方便使用的文件系统存储空间管理合理组织和分配外存空间目录管理通过目录实现文件的

按名存取

与快速检索读写管理提供打开、关闭、读、写等操作共享与保护支持多用户共享，同时防止非法访问用户接口分为命令与程序两类用户与操作系统交互的入口分为命令接口与程序接口两类，目标都是降低使用门槛命令接口联机用户通过终端实时输入命令脱机以作业控制语言批量组织命令程序接口与图形界面程序接口以系统调用的形式供程序使用图形用户界面以窗口、图标等直观方式与用户交互体系结构剖析内核与用户之间的边界理解特权级划分与系统调用的运行机制03内核态与用户态划分特权级特权级划分是操作系统实现安全与保护的基础机制处理器通常支持多种特权级，操作系统运行在内核态；用户程序需通过特定机制才能进入内核态，以保护系统与硬件，防止用户程序引起破坏。01特权级内核态可执行特权指令。访问所有硬件资源。02特权级用户态只能执行非特权指令。访问受限于自身地址空间。系统调用是用户进入内核的入口系统调用是操作系统提供给程序使用的接口，用户程序通过它请求访问受保护的系统资源。常见类型进程控制文件操作设备管理信息维护第1步传递参数用户程序将系统调用所需的参数传递给操作系统。第2步执行

陷入指令通过陷入指令触发中断，请求内核服务。第3步切换到内核态处理器从用户态切换到内核态，获得特权级执行能力。第4步内核查表执行服务例程内核根据系统调用表执行对应的服务例程。第5步返回用户态继续执行服务完成后返回用户态，程序继续运行。中断与异常驱动系统运行没有中断，操作系统将难以实现多道程序并发运行中断与异常对比二者都会促使处理器转向内核，执行相应的处理程序。中断触发来源·处理器外部事件性质·异步事件典型示例·设备完成信号异常触发来源·当前指令执行事件性质·同步事件典型示例·除零、缺页中断向量表保存各类事件对应的处理程序入口事件发生时，处理器据此定位并转入对应处理程序意义意义使操作系统能及时响应外部事件，实现并发操作系统有多种体系结构选择结构选择的核心，是在效率、可靠性与可维护性之间寻求平衡体系结构的选择，本质是权衡——效率、可靠性与可维护性难以兼得，须按场景取舍01体系结构类型整体式结构功能集中在内核，效率高结构复杂、维护难02体系结构类型层次式结构按层次组织内核功能，便于调试与验证03体系结构类型微内核结构内核只保留最基本功能，其余以服务进程实现，可靠性高04体系结构类型模块化结构以可加载模块扩展内核功能，灵活性强操作系统从启动到就绪1加电引导处理器从固定地址执行

引导程序2加载内核引导程序定位并加载操作系统内核到内存3内核初始化建立数据结构、检测设备、启动服务4进入用户态加载并启动初始进程5就绪等待进入就绪状态，等待用户操作分类与发展从批处理到智能时代梳理操作系统类型演进与技术驱动力04操作系统经历了四个发展阶段硬件进步与应用需求共同推动操作系统变革第一阶段人工操作阶段用户直接操作硬件效率低下第二阶段批处理阶段成批提交作业减少人工干预第三阶段分时与实时阶段多用户交互兼顾响应与时限第四阶段现代阶段个人计算机、网络、移动与云计算并行发展并行发展每一次进步，都是资源利用与用户体验之间再平衡的结果批处理系统追求吞吐效率技术演进机制单道批处理内存中仅一道作业，处理器与设备串行工作多道批处理内存中驻留多道作业，交替占用处理器优势与局限权衡优点资源利用率高，系统吞吐量大缺点作业周转时间长，用户无法与作业交互多道程序设计技术是操作系统发展的重要里程碑VS分时系统强调及时交互四四大特征多路性多个用户同时接入独立性各用户互不干扰及时性请求响应迅速交互性人机对话顺畅优优势与局限优点用户可随时与系统交互，响应及时缺点系统开销相对较大，不适合硬实时任务新阶段意义分时技术使计算机走向多用户共享的新阶段实时系统保证时限可靠实时系统的分类与特点：对时间约束的严格要求01硬实时系统严格截止时间必须在严格截止时间内完成任务否则后果严重02软实时系统弹性时限要求尽量满足时限要求偶尔超时影响可接受现代操作系统形态多样个人计算机操作系统注重易用性与图形界面服务器操作系统强调稳定性、并发能力与安全性移动操作系统兼顾触控交互、续航与生态应用嵌入式操作系统体积小、实时性强、面向专用设备网络与云计算操作系统面向资源池化与大规模调度课程地图展望本章只是起点明确知识框架，开启操作系统学习之旅05本课程知识体系脉络进进程管理进程与线程进程状态转换与线程调度机制调度CPU调度算法与优先级策略同步与死锁互斥同步与死锁避免方法内内存管理连续分配固定分区与动态分区策略分页分段分页与分段的内存组织方式虚拟内存虚拟地址空间与页面置换算法文文件管理文件系统结构文件的逻辑结构与物理结构目录目录层次结构与文件命名规则磁盘空间管理空闲空间管理与磁盘调度设设备管理输入输出控制IO控制方式与设备独立性缓冲缓冲技术与管理策略设备分配设备分配算法与SPOOLing技术从概述走向深入学习模块一进程管理理解

并发执行

的核心机制并发执行是操作系统多任务调度的基石模块二内存管理掌握

虚拟存储

的实现原理虚拟存储让有限物理内存承载更大地址空间模块三文件与设备管理理解

资源与数据

的组织文件与设备是系统对外部资源的统一抽象模块四系统化认识形成对操作系统

整体

的把握由局部到整体，建立操作系统的完整视图学习操作系统的几点建议抓住主线两条核心线索始终围