操作系统第一章引论.ppt

1、计算机操作系统原理 Principles of Operating System,主讲：彭文清 J,前 言,由于操作系统（OS ）是计算机最重要的系统软件，同时OS也是计算机领域中最活跃的学科之一，其更新、发展的速度十分迅速。 本课程不是讨论某一个特定的操作系统，而是就一般情况，从功能及应用的角度，讨论操作系统的组成、原理及各种不同的实现的机制。,参考教材 计算机操作系统 汤子瀛等 西安电子科技大学出版社 计算机操作系统教程 张尧学 史美林 清华大学出版社 操作系统教程 王素华 人民邮电出版社 计算机操作系统教程 周长林 左万历 高等教育出版社 操作系统基础 屠立德 屠祁 清华大学出版社,参考

2、教材 操作系统原理DOS篇 张昆苍 清华大学出版社 Operating Systems William Stallings Modern Operating System Andrew S.Tanenbaum Operating System Concept Abrahan Silberschatz, Peter B.Galvin,课程的地位及特点,本课程地位专业核心课程考研核心课程技术开发的理论基础 课程的特点 实践性强（从实践总结出原理） 涉及面广（并行程序，性能问题，结构问题，程序方法论，软件工程等等） 错综复杂：纵横交错,为什么学习操作系统,加深对使用的操作系统的理解，有利于深入编程；

3、用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法（比如插件开发、微内核） 操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他领域 存在人们意识不到的大量“操作系统”（如:嵌入式系统家电、手机） 设计操作系统或者修改现有的系统 选择购买操作系统：因为我们并不总使用Windows 2000/XP,操作系统涉及到计算机科学很多领域,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 网络 学习核心技术并能在其他地方应用 操作系统是目前最复杂的软件系统,如何学好本课程,1、理论学习 2、实验、实习 3、（选学）源代码分析、参与（以Linux为例）,成绩评定： 平时成

4、绩实验 期末考试(闭卷),比例： 平时成绩 15% 实验 25% 期末考试 60%,学习要求： 按时上课，认真听讲 阅读参考书 认真记笔记，整理笔记 思考，讨论，提问,第 一 章,操作系统引论,操作系统是计算机的大脑、中枢神经、是计算机的灵魂。你想了解计算机的中枢神经是怎样工作的吗？,本章讨论的问题,为什么要学习“操作系统”？ 操作系统的形成与发展。 现代操作系统应该具备的功能、特征。 操作系统的分类。,为什么要学习“操作系统”(一）,一. 操作系统OS（Operating System）是最重要的系统软件，在计算机系统中占据了特殊重要的地位。,1. OS是配置在计算机硬件上的第一 层软件，

5、是对计算机硬件的首次扩充。,2. 所有的计算机软件都必须在操作系统 的支持下才能运行。,为什么要学习“操作系统”（二）,二. 操作系统OS成为计算机系统中最活跃、发展最迅速的领域 。,Microsoft 公司89年从DEC公司挖来了VMS 的主要开发者David Cutler 负责开发多处理机系统 ： Windows New Technology （NT） 93 年6月 正式发布 NT 3.1 94 年9月 正式发布 NT 3.5 96 年9月 正式发布 NT 4.0,以微软的操作系统为例：从 DOS WINDOWS 1985年秋 16位的 WINDOWS 问世 1995年 正式推出32位的

6、WINDOWS 95 199798年6月 正式推出 WINDOWS 98,2000年2月 正式推出 WINDOWS 2000 2000年9月 正式推出 WINDOWS ME 2001年3月 WINDOWS XP Beta 2,为什么要学习“操作系统”（三）,Windows 2000 是在Windows NT 的基础上开发的。并与INTERNET充分集成。,Windows 2000 有四个版本： Windows 2000 Professional 个人型， 可支持2个CPU,4G内存. Windows 2000 Server 中、小型企业网络操作系统。提供多种服务器功能。可支持2个CPU,4G内

7、存. Windows 2000 Advanced Server 具备Windows 2000 Server的全部功能。支持多达8个CPU的SMP功能、群集功能，8G内存。 Windows 2000 Datacenter Server 功能最强，适于大数据量的服务器。支持32个CPU的SMP功能，高达64G的内存。,为什么要学习“操作系统”（四）,三 . 应用软件的开发与OS 密切相关。了解操作系统的组成及工作原理，能更加有效地设计与开发高质量的应用软件。,例如 ： windows为软件开发提供了一个完备的图形环境。 Windows界面下任何网络信息传送只作为其多任务中 的一个，将不影响其它任务

8、的操作和完成 。这主要 靠Windows的消息发布机制实现。,四 . 反之，高质量的应用软件对发挥计算机的效能，充分利用计算机的资源，提高经济效益，起着重要作用。,1. 1 操作系统的形成与发展（一）,50年代至今，操作系统经历了从简单到复杂，从低级到高级的发展过程。,人工操作方式 早期批处理方式 管理程序阶段 多道程序系统,管理程序是操作系统的雏形，在出现多道程序系统以后，现代操作系统才真正形成和发展。,1. 1 操作系统的形成与发展（二）,50年代至今，操作系统经历了从简单到复杂，从低级到高级的发展过程。,一、人工操作方式（45年 50年代中） 1. 无操作系统，人工直接使用计算机硬件系统

9、.,独占计算机资源 CPU等待人工操作（90%空闲）,2. 脱机 I/O 方式(Off-Line I/O） I/O操作由外围机完成，通过中间介质（磁盘、带）将 输入数据调入内存，CPU将输出数据从内存送到磁盘。,1. 1 操作系统的形成与发展（三 ）,二、早期批处理方式 （Batch Processing） 早期批处理系统是操作系统的雏形，是将作业按照一定顺序组织起来，由监督程序（Monitor）自动、连续执行。提高CPU利用率，减少用户作业的转接时间。 由于内存中仅有一道作业，故又称为单道批处理系统。,1. 联机批处理方式 I/O设备与主机相联接，由监督程序控制作业的装入、运行与转接。 2.

10、 脱机批处理方式 在外围机上作慢 I/O，I/O数据存放于中间媒体。,1. 1 操作系统的形成与发展（四）,脱机批处理方式,批处理方式实现了作业的自动过渡，改善了CPU与 I/O设备速度不匹配的矛盾。,监督程序 操作系统的雏型。,为了减少人工操作的时间，利用常驻内存的监督程序管理控制作业的装入、运行和转接。,读卡机,打印机,卫星机,输入 磁带,输出 磁带,输入 带,输出 带,主机,1. 1 操作系统的形成与发展（五）,三、管理程序阶段 60年代初，计算机硬件由于通道（Channel）技术的 引入和中断（Interrupt）技术的发展而取得突破新性的进 展。操作系统在该管理程序阶段也逐渐形成。,

11、通道 硬件机制，专用于I/O的小型处理机，又称I/O处理机 ，通道一旦启动，能与CPU并行操作。,中断 当主机接到外部信号时（如 I/O完成信号）即停止原来的工作，转去处理这一事件，处理完后，主机又回到原来的断点继续工作。,1. 1 操作系统的形成与发展（六）,中断处理过程：,中断源,中断请求,中断响应,转中断 处理程序,退出中断,管程不仅负责作业运行的自动调度，还要提供I/O控制功能。即管程是扩展的监督程序，常驻内存，亦称为执行程序。,向CPU,保护CPU现场 识别中断源,恢复CPU现场,1. 1 操作系统的形成与发展（七）,单道程序系统的工作情况,用户程序 监督程序 I/O 操作,I/O中

12、断请求,启动I/O,I/O完成,结束中断,I/O中断请求,启动I/O,I/O完成,结束中断,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,显然，单道程序系统CPU的利用率低，,四、多道程序系统 虽然管程方式下，借助通道、中断技术，主机和通道、I/O设备都可以并行工作，进一步提高了CPU的利用率，但是由于内存中仅存放一道程序,当程序在运行过程发出I/O请求后，CPU空闲，直到I/O完成后才继续运行。,1. 1 操作系统的形成与发展（八）,程序 A 程序 B 程序 C 程序 D 调度程序,程序A I/O请求,程序B I/O请求,程序C I/O请求,程序D I/O请求,程序A I/O完成,程序B

13、I/O完成,程序A再次被调度,程序C I/O完成,t,多道程序系统的工作情况,为了进一步提高CPU的利用率，形成了多道程序系统，观察下面多道程序系统的工作情况：,单道与多道程序系统对比,单道程序系统,用户程序 监督程序 I/O 操作,I/O中断请求,启动I/O,I/O完成,结束中断,I/O中断请求,启动I/O,I/O完成,结束中断,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,程序 A 程序 B 程序 C 程序 D 调度程序,程序AI/O请求,程序B I/O请求,程序C I/O请求,程序D I/O请求,程序A I/O完成,程序B I/O完成,程序A再次被调度,程序C I/O完成,t,多道程序

14、系统,1.2 操作系统的分类,由于多道程序系统的发展，逐渐形成了现代操作系统。 通常分为：,批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统 网络操作系统 分布式操作系统,一、批处理系统,批处理系统分为： 单道批处理系统 多道批处理系统 远程批处理系统,1 . 批处理系统的特点： 优点： 系统吞吐量大，操作系统开销小。资源利用率高。 缺点： 平均周转周期长 。无交互功能。,问题：什么是批处理系统？什么是单道、多道、远程批处理系统？,？,二、多道批处理系统,多道批处理系统（Batch Processing System） 为了解决CPU利用率低的问题，引入了多道程序设计 技术其特点是：,多道性 ，内存

15、中同时存放多道相互独立的程序。 宏观上多道程序并行，微观上交替执行。 共享软、硬件资源 ，使计算机四类资源（CPU、内 存、外设、信息文件），尤其是CPU得到充分利用。,多道批处理系统,在多道程序系统的基础上，进一步发展三类基本的OS ： 多道批处理系统 分时系统 实时系统,2 . 多道批处理系统需要解决什么的问题 ？,CPU的共享、分配和回收。 内存的分配与回收。 各种I/O设备的分配与回收。 文件的组织、管理，安全保护。 作业管理。,三. 分时系统（Time Sharing System）,所谓“分时”是指多个用户对系统资源进行时间上的分享。是通过分配“时间片”（Time Slice）来实

16、现的。 1. 主要特点 多路性 一台主机同时连接多台终端，系统支持多个终 端用户同时工作，按照分时原则为用户服务。 独立性 各用户终端相互独立工作，互不干扰。 及时性 用户请求能得到及时响应。 交互性 提供人机对话功能。,三. 分时系统（二）,分时操作系统是一个联机的（On-line）、多用户（Multiuser）、交互式（Interactive）操作系统。,问 题 ： 实现分时系统有哪些主要问题需要解决？,？,三. 分时系统（三）,2、分时系统的实现,按“时间片轮转”的调度策略,影响响应时间的因素： A。系统开销包括对外存的访问时间及信息传输时间。 单道系统 主要是内外存交换。 多道系统 进

17、程调度与内外存交换。 B。用户数目 响应时间nq（n-用户数、q-时间片） C。时间片 时间片愈短，响应时间愈快。但过短， 增加系统开销。 D。对换信息量 信息量大，响应时间长。,响应时间 分时系统是否成功的关键。,四、实时系统,实时系统 （Real-Time System）,1. “实时”立即、及时，指系统能够及时响应随机发生的外部事件，并以足够快的速度完成对时间事件的处理。,实时控制系统 （工业过程控制，飞行物发射自控系统） 实时信息系统 （情报检索，机票订购等）,四、实时系统,2. 实时操作系统的特征 及时性 对响应时间有较高要求。 可靠性 实时系统的处理对象多为重要的经济或 军事目标，

18、要求系统具有高可靠性。,采取措施,容错管理功能（过载保护、故障检测、系统重构） 硬件的冗余措施（多处理机、系统前后台工作）,多路性,对多路现场信息进行采集 ，对多个对象或执行机制进行控制。,对信息的采集及对对象的控制相互独立，互不干扰。,人与系统的交互，仅限于对某些专用服务程序的访问。,独立性,交互性,问 题,批处理系统、分时系统、实时系统 属于基本的操作系统,实时操作系统与分时系统有什么相同和不同之处？,1. 3 操作系统的功能（一）,从两个不同的角度讨论操作系统的功能： 1. 资源管理 协调、管理计算机的软、硬件资源，提高其利用率。 2. 用户角度 为用户提供使用计算机的环境和服务。,计算

19、机四大类资源,C P U 内 存 外 设 信息文件,处理机管理,存储器管理,设备管理,文件管理,用户接口,1. 3 操作系统的功能（二）,一 . 处理机管理 处理机管理的基本任务是：按照一定策略，对处理机进行分配及进行资源回收。 由于在多道程序系统中，处理机的分配和运行都是以进程为单位的，故处理机管理又归结为进程管理。,进程调度 按照某种调度策略，实现对CPU的分配。,进程控制 进程的创建、撤消、状态转换等控制。,进程同步 协调、控制系统中进程的并发执行。 互斥方式 同步方式,进程通信 进程之间交换信息 高级通信方式。,1. 3 操作系统的功能（三）,二 、存储器管理 主要涉及内存管理，任务是

20、为多道程序的执行提供必要、良好的环境。为用户提供足够大的存储空间。,内存分配与回收,存储保护,地址映射,内存扩充,1. 3 操作系统的功能（四）,二 . 存储器管理,2、存储保护 保证各道程序在各自的内存空间运行，互不干扰，保护程序和数据的安全。,1、内存分配与回收 为多道程序分配内存空间。内存分配方式分为： 静态分配 程序一次装入，执行过程中不能动态 申请。 动态分配 程序执行过程中，位置可移动，可动 态申请内存。,1. 3 操作系统的功能（五）,二 . 存储器管理 3. 地址映射 在多道程序系统中，必须将程序的逻辑地址转换为内存中的物理地址程序才能够运行。 4. 内存扩充 引入虚拟存储技术

21、，对内存进行逻辑扩充，为用户提供比实际内存大得多的虚拟内存。,1. 3 操作系统的功能（六）,三 、 设备管理 基本任务是为用户提供统一的与设备无关的接口。对各种外设进行调度、分配、实现设备的中断处理及错误处理等。,缓冲技术,虚拟设备技术,1. 3 操作系统的功能（七）,四 、文件管理 即对计算机软件资源的管理。基本任务是： 1、负责文件的物理存储空间的组织分配与回收。 2、实现文件的按名存取。 3、实现文件与目录的创建、读、写、及修改、 删除等基 本操作。 4、文件的保护与保密。,1. 3 操作系统的功能（八）,五 、用户接口 从用户的角度考虑操作系统的功能。用户与操作系统的接口，通常有三种

22、形式： 1、命令接口 （ 联机、脱机） 2、程序接口 （系统调用）是为用户程序在执行 过程中访问系统资源而设置的一组广义指令， 以函数的形式提供。 3、图形接口 是一种全新的人机界面，提供图形 用户界面 （GUI）和符号操作。,P16,1.4 操作系统的特征（一）,为了实现以上功能，操作系统应该具有以下基本特征：,并发性（Concurrence）,共享性（Sharing）,虚拟性（Virtual）,异步性（Asynchronism）,问题,某个瞬时，有多少道程序在CPU上运行。,？,1.4 操作系统的特征（二）,一、并发性（Concurrence） 在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏

23、观上有多道“程序”同时运行。,显然，在微观上，多道程序只能交替执行。,必须指出，多个程序是不能并发执行的，只有建立 进程。进程是操作系统中一个极其重要而抽象的概念。,并发性有效地改善了系统资源的利用率，提高系统的吞吐量。当然，也使操作系统的实现变得复杂。,进程,1.4 操作系统的特征（三）,二、共享性（Sharing） 是指多个进程共同使用有限的资源。分为两种方式：,互斥访问 一段时间内只允许一个进程访问该资 源。只有该进程释放资源后，其他进程才能访问。 该资源称为临界资源。,同时访问 在宏观上，允许多个进程“同时” 访问某个资源。,磁盘,打印机,1.4 操作系统的特征（四）,三、虚拟性（Vi

24、rtual）,虚拟是操作系统的奇妙的功能，是指通过某种技术把一个物理设备变成逻辑上的多个。 例如：,分时系统中，将一个物理CPU虚拟为多个。 虚拟存储管理，将一个统一编址的物理存储器变为多个逻辑上独立编址的存储器等。,1.4 操作系统的特征（五）,四、异步性（Asynchronism） 也称为不确定性（Nondeterministic），指在多道程序环境下，各进程交错执行，“走走停停”，各进程的执行时间和执行顺序是不确定的。 即进程是以异步方式执行的。,并发、共享是操作系统最基本的特征，资源共享是进程并发执行的必然结果，同时只有对资源实施有效管理，才能实现和保证进程的并发执行。,1.5 操作系

25、统的新发展,近年来，随着VLSI技术和计算机体系结构的发展，操作系统成为发展最迅速、最活跃的领域之一。 在微机操作系统不断发展的同时，随着计算机通信技术的发展，网络操作系统、分布式操作系统成了热门课题。,1.5 操作系统的新发展,并行处理系统（Parallel Processing ） 计算机网络系统 分布式系统 一台计算机内部的多处理机系统,一、多处理机系统(MPS) 1、什么是多处理机系统？ 广义上说，使用多台处理机协调工作，完成用户所要求任务的计算机系统都是多处理机系统 MPS (Multi Processor System)。,1.5 操作系统的新发展（二）,2、多处理机操作系统的类型

26、 主从式（非对称式） 多个从机，只有一个主处理机，并配置了OS，对 整个系统的资源进行管理，对从机进行任务分配。,优点：OS容易实现。 缺点：资源利用率低。,对称式 系统中各个处理机都相同，并运行相同的OS拷贝。 优点：多个进程同时运行。具有平等性，可靠性、可扩充性好。 缺点：实现复杂，对各个处理机要求高。,1.5 操作系统的新发展（三）,二、网络操作系统（Network Operating System） 1、计算机网络系统,计算机网络是通过通信设施将地理上分散的具有自治功能的多个 计算机系统互联，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。,2 、网络操作系统 网络操作系统（NOS）

27、是建立在各主机操作系统上的一种OS，除了具有基本OS的资源管理和服务功能外，还要实现在不同主机系统之间的用户通信，网络资源的共享，互操作和协作处理。,1.5 操作系统的新发展（四）,计算机网络从逻辑上分为： 通信子网 是网络的内层，主要用于实现数据的通信。 资源子网 是网络的外层，负责数据处理，资源共享。,分组 组装/拆卸 设备,网关,网络 控制中心,分组 交换器,计算机网络的类型 按照拓扑结构分类,系统易构造、控制功能 高度集中。单信息流通路径，不存在路径选择。,按照层次排列的星型结构，便于 管理，路径选择。,采用广播通信方式，传输速率高，信道利用率高。地理覆盖范围小，可靠性差。,计算机经过转发器连接到高速点对点的信道上,网络易构造，传输延时确定，可靠性、灵活性差。,可靠性高，可扩充性、灵活性好逻辑上分为通信子网和资源子网两级网，便于异型机连接。,3、NOS的主要功能,提供高效、可靠的网络通信功能 为保证特性不同的网络计算机之间自动、正确、可靠的通信 ，应该有许多约定（或规程），即： 通信协议 关于信息传输的顺序、信息格式和内容等的约定规则。,提供多种网络服