操作系统引论

1、黑龙江大学信息科学与技术学院 康春颖,计算机操作系统-operating system,第1章 操作系统引论,计算机软硬件结构,硬件,系统软件,应用软件,操作系统的定义：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，以及方便用户的程序的集合,操作系统(operating system，简称OS)是最重要的系统软件 流行的操作系统： Windows 操作系统： Window3.1发布后，逐步取代了DOS； Win95、win98 、win2000； 将win98与win2000二 合一命名为Windows XP（eXPerience） Windows Server 20

2、03 支持32/64位处理器、提供IIS6.0、.NET等。,UNIX操作系统：是通用的、交互型的分时操作系统。 UNIX取得成功的主要原因是系统的开放性，公开源代码。 主要特点： 1、多用户多任务，用C编写，具有很好的易读性和易修改性和可移植性。 2、结构分为核心部分和应用子系统，便于做成开放系统。 3、提供文件保护功能。 4、提供I/O缓冲技术。 5、提供丰富的命令语言，如：shell语言。 6、提供抢占式动态优先级CPU调度，有力地支持分时功能。 7、请求分页式虚拟存储器管理，使主存利用率高。 Solaris操作系统：sun微系统公司的unix变种，是一种可移植的os。 主要追求3个目标

3、： 1、高性能、多线程 2、建立分布式客户-服务器解决方案 3、支持异构计算环境。 FreeBSD操作系统： 是应用在Intel平台的优秀UNIX操作系统。,自由软件和Linux操作系统 自由软件是指遵循通用公共许可（GPL）规则，保证使用上自由，获得源程序的自由，可自行修改的自由，可以免费也可收费的软件。自由软件是“贡献型”的不是“索取型”的。 自由软件之父Richard Stallman 在1984年组织了一个软件体系计划GNU，含义为GNU is not UNIX。GNU写出一套同UNIX兼容同时又是自由软件的UNIX系统。 Linux是由芬兰籍科学家Linus Torvalds在199

4、1年编写的，当时他还是学生，在操作系统课上动手编写了内核原型，Linus本人按自由软件版权在英特网上发布，许多人对该系统进行了改进、完善。 Linux是目前能唯一和UNIX和Windows抗衡的os。 特点如下： 1、多用户多任务32位通用os 2、支持TCP/IP协议。 3、支持UNIX开放工具，提供强大的管理功能和远程管理功能。 4、支持图形界面。,IBM操作系统： 1、AIX操作系统：是超强设计的重负载高端64位UNIX操作系统。 2、os/390 3、os/400 4、os/2是微软公司和IBM公司公司1987年合作开发的。 其他操作系统： 1、Mac OS操作系统：是美国Apple公

5、司推出的 2、NetWare操作系统：是novell公司推出的 3、Minix：教学操作系统，与unix兼容但内核是全新的，用C编写，具有多任务，能支持3个用户同时工作，支持TCP/IP，支持4G主存。,Windows XP,RedHat Linux,Android,Android是基于Linux内核的操作系统，是Google公司在2007年11月5日公布的手机操作系统，早期由Google开发，后由开放手持设备联盟（Open Handset Alliance）开发。它采用了软件堆层（software stack，又名以软件叠层）的架构，主要分为三部分。底层Linux内核只提供基本功能；其他的应

6、用软件则由各公司自行开发，部分程序以Java编写。 2010年末数据显示，仅正式推出两年的操作系统Android已经超越称霸十年的诺基亚（Nokia）Symbian OS系统，采用Android系统主要手机厂商包括宏达电子（HTC）、三星（SAMSUNG）、摩托罗拉（MOTOROLA）、LG、Sony Ericsson等，使之跃居全球最受欢迎的智能手机平台，Android系统不但应用于智能手机，也在平板电脑市场急速扩张。,FreeBSD,微机操作系统（PC Operating System） 随着微型机的出现，将原有操作系统进行简化和压缩，形成适合个人使用的微机操作系统。其原理和实现方式与经典

7、的操作系统没有太大区别。 设计微机操作系统主要考虑易用性。 微机操作系统的分类： 单用户单任务：MS-DOS 单用户多任务：Windows98 多用户多任务：Linux、Unix,1.1 操作系统的目标和作用,1.1.1 操作系统的目标,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-提高系统资源利用率、提高系统吞吐量 方便性和有效性是操作系统最重要的目标 3. 可扩充性 4. 开放性,1.1.2 操作系统的作用,1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 含义：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

8、件接口。,图 1-1 OS作为接口的示意图,(1) 命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(语言)， 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，用户可在自己的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。,2. OS作为计算机系统资源的管理者 在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和软件资源。归纳起来可将资源分为四类： 处理器、存储器、 I/O设备、文件资源(数据和程序)。 处理机管理-分配和控制处理机 存储器管理-内存的分配与回收 I/O设备管理-

9、I/O设备的分配与操纵； 文件管理-文件的存取、共享和保护。,3. OS用作扩充机器（os实现了对计算机资源的抽象） 对于一台完全无软件的计算机系统称为裸机 裸机+I/O管理软件+文件管理软件+窗口软件=功能强大虚拟机,1.1.3 操作系统的层次模型,层次模型：根据模块化设计原理，把操作系统的各个组成部分按一定的层次关系划分好，并独立实现。最终将它们连接在一起，形成一个完整的操作系统。 操作系统的典型层次模型：,用户接口(操作接口、程序接口),对操作系统对象的操纵和管理软件,操作系统对象(处理机、存储器、设备、文件),操作系统,1.1.3 推动操作系统发展的主要动力,1.不断提高计算机资源利用

10、率 :单用户到多用户操作系统 2. 方便用户:图形界面 3. 器件的不断更新换代:16-32-64位 4. 计算机体系结构的不断发展:多处理机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统,1.2 操作系统的发展过程 无操作系统的计算机系统 1、人工操作方式,卡片机或纸带机,用户独占全机,CPU等待人工操作,1、把源程序和库函数用穿孔机人工穿在卡片上。 2、将输入的汇编程序装入主存，并把控制权移交给它 3、汇编程序读入源程序和库函数。 4、执行汇编程序，由于主存太小，所以产生的目标程序被输出到卡片上 5、执行装入程序，把目标程序读入机器，并调用库函数连接装配成可执行文件 6、执行可执行文件，从输入机上

11、读取数据 7、产生计算结果，将其在卡片机上输出,为了解决人机矛盾和cpu与I/O设备之间速度不匹配的矛盾，50年代末出现了脱机输入输出方式(off-line I/O) 由于程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下完成，脱离了主机，故称脱机输入输出方式,2.脱机输入输出方式(off-line I/O),2.脱机输入输出方式(off-line I/O),输入设备,cpu,磁带机、磁盘机,外围机,输出设备,提高了I/O速度，减少了CPU的等待时间,1.2.2单道批处理系统-simple batch system 单道批处理：在脱机输入输出方式基础上，用一个监督程序(Resident Monitor

12、,常驻监督程序)自动将磁带上的多个用户的作业依次装入主机运行。 监督程序又称管理程序，能够处理作业之间的自动切换，这样用户就可以向系统提交多个作业同时处理，这个控制程序称为监督程序。 监督程序实际上是操作系统的雏形,用户要运行的程序,2. 单道批处理系统的特征 意义：单道批处理系统是最早出现的一种OS，第一次使用了用来管理用户作业的监督程序。 该系统的主要特征如下： (1) 自动性：多个作业依次运行，不需人工干预 (2) 顺序性：提交到磁带上的作业顺序与完成顺序一致 (3) 单道性：某一时刻内存中只有一个作业运行，资源利用 率低,单道批处理的缺点：资源利用率低,用户程序,监督程序,I/O操作,

13、请求I/O操作,启动I/O操作,执行I/O操作,I/O操作执行结束,恢复用户程序,用户程序继续执行,CPU空闲,启动用户程序,用户程序开始执行,1.2.3多道批处理系统- Multiprogrammed Batch Processing System,1. 多道程序设计的基本概念 批处理的宗旨：提高系统资源的利用率和系统吞吐量。 Multiprogrammed Batch Processing System-中， 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。,多道批处理系统的最主要

14、特点： 多个程序同时被调入内存，并在内存中依次执行。这种同时在内存中依次执行的多个程序叫做多道程序。 负责装入并调度它们的程序叫做调度程序。 I/O中断请求,用户程序C,调度程序,用户程序B,用户程序A,2. 多道批处理系统的特征,多道性：多个程序同时在内存中并发执行 (2) 无序性：作业进入内存中的顺序与执行结束不一致 (3) 调度性：作业应由调度程序多次调度才能运行 调度形式包括作业调度和进程调度 作业调度：从外存中将若干个作业调入内存 进程调度：从内存中的多个程序中调度某个进程执行,作业调度和进程调度：,用户程序F,调度程序,用户程序E,用户程序D,用户程序C,用户程序B,用户程序A,外

15、存,内存,作业调度,进程调度,进程调度,进程调度,多道批处理系统的优点： CPU、内存以及I/O设备等资源的利用率高； 系统吞吐量（单位时间内完成的总工作量）大。 多道批处理系统的缺点： 平均周转时间（作业进入内存到运行结束时间）长； 没有交互能力：作业运行过程中，用户无法控制其运行和暂停。,多道批处理系统中，由于多个程序并发执行，一个简单的调度程序不能完成整个系统的调度和管理任务。这些任务包括： 处理机管理：多个程序之间分配CPU 内存管理：多个程序同时使用内存 I/O设备管理：设备共享与分配 文件管理：文件的读写安全性 作业管理：不同类型作业的合理调度问题 包括以上功能的一系列程序，经过逐

16、步完善和发展，构成了最初的操作系统。,4. 多道批处理系统需要解决的问题,处理机管理问题。 (2) 内存管理问题。 (3) I/O设备管理问题。 (4) 文件管理问题。 (5) 作业管理问题。,1.2.4 分时系统,1. 分时系统(Time-Sharing System)的产生 人机交互和共享主机的需要，促进了分时系统的形成。 所谓“分时”是指多个用户通过多个终端同时使用一台计算机。由操作系统将CPU的运行时间分成许多个时间片，所有时间片轮流运行多个程序。因此，分时系统具有联机(On-Line)、多用户(Multi-User)、交互式(Interactive)等特点。,主机,终端,分时系统中程

17、序的执行方式：,程序A,B,C,程序A,B,C,D,用户1,用户2,CPU运行时间,一个时间片,2. 分时系统实现中的关键问题,最关键的问题是当用户在自己的终端上键入命令时， 系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户, 然后用户可继续键入下一条命令，即人机交互。即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理。,(1) 及时接收。,(2) 及时处理。,分时系统的特点： 多路性：多个用户同时使用一台计算机； 独立性：用户之间互不干扰，就像各自独立使用一台计算机一样； 及时性：用户的各种请求（如输入数据）能够得到及时的响应； 交互性：用户通过各自的终端，与自己运

18、行的程序进行交流。,1.2.6 实时系统,所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(Real-Time System)是指系统能及时(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。,1. 应用需求,实时控制。 (2) 实时信息处理。,2. 实时任务,1) 按任务执行时是否呈现周期性来划分 周期性实时任务。 (2) 非周期性实时任务。,外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性，但都必须联系着一个截止时间(Deadline)。它又可分为： 开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行； 完成截止时间任务在某时间以前必须完成。,2) 根据对截止时间的要求

19、来划分 (1) 硬实时任务(hard real-time task)。系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。 (2) 软实时任务(Soft real-time task)。它也联系着一个截止时间， 但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间， 对系统产生的影响也不会太大。,3. 实时系统与分时系统特征的比较 多路性。 (2) 独立性。 (3) 及时性。 (4) 交互性。 (5) 可靠性。,1.3 操作系统的基本特性,1.3.1 操作系统的特征,并发性：两个或多个程序在一段时间内“同时”执行。它们不是绝对地并行执行，而是在这一段时间内交替执行。并发性是操作系统最主要的特征。

20、共享性：系统资源可供多个并发执行的程序共同使用。分为互斥共享（临界资源）和非互斥共享（磁盘）两种。 虚拟性：通过软件方式，将一个物理资源变成多个虚拟的对等资源。主要通过分时方法实现 异步性：多个程序的执行顺序和一个程序的执行与中断次数无法确定。但是其结果始终是确定的。,操作系统的服务 操作系统为用户提供程序执行、I/O操作、文件操作、通信以及差错控制几个方面的服务。这些服务都是一段一段程序，叫做“系统调用”(System Call)。 系统调用和用户过程(或子程序、函数)的区别： 前者是操作系统的组成部分。用户程序调用它的时候，必须首先通知操作系统。在允许本次调用的前提下，才能执行这段系统调用

21、代码。执行系统调用的过程通常称为处在“系统态”(核心态或管态)。 在任何时刻、任何条件下，都可以调用用户过程。执行这种代码（包括主程序）的过程称为处在“用户态”。,执行用户程序代码,执行子程序,返回,执行系统调用,返回,用户态,系统态(核心态),申请系统调用,1.4 操作系统的功能,处理机管理功能：进程控制、同步、通信、调度 存储器管理功能：内存分配、内存保护、内存扩充以及地址转换 设备管理功能：缓冲区管理、设备分配和回收、设备驱动 文件管理功能：目录管理、文件读写、存取控制 用户接口：操作接口（分命令接口和图形接口）、程序接口（即系统调用）,1.5 OS机构设计,传统的操作系统结构 无结构 模块化结构 分层式结构,客户/服务器模式 面向对象的程序设计 微内核OS结构,总