操作系统讲稿08(第一章).ppt

1、计算机操作系统,于 红 QQ:657063251 Email：yuhong_ msn：yuhong_ 2008.9,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,进程管理,难点：,内存管理,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

2、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,章节安排,第一章 操作系统概述,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

3、基本特征。 时间片、多道程序设计、吞吐量、并发及并行的概念。,本章重点：,分时、实时、批处理三种系统的实现、网络和分布式OS的实现。,本章难点：,操作系统（Operating System ）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 OS的初启和生成 算法的描述 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（Operating System ）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。

4、,结论1：,OS是系统软件。,计算机 硬件,二、计算机系统的层次结构,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,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：,管理员,指挥员,接待员,四、OS的目的：, 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。, 高效：提高系统的效率, 方便用户：使用户更方便地使用计算机。, 可扩展：系统功

5、能和结构的扩展不影响原有功能的使用。, 开放：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。,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,推动操作系统发展的三个因素,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,市场的激烈竞争，OS功能的完善（修补、汉化）,OS的演变,1946-20世纪50年代末：第一代，电子管时代,计算机技术的演变,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

6、，第三代，集成电路时代,20世纪70年代末期- 20世纪末，第四代，大规模集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,早期手工阶段 4650年代初 （无操作系统）,操作系统的演变,单道批处理 58年前后,多道程序系统 65年前后,分时OS 66年前后,实时OS 68年前后,单用户OS，网络OS 70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,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。,特点：,人机串行 资源独占,这个操作系统有什么问题？怎么解决？,1.2.2 单道批处理,引入：为解决人

7、-机速度不匹配的问题,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。,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,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.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,exe,运行结果,(1),(2),(3),(

8、4),(5),(6),(7),(8),(9),(10),作业的执行过程：,（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，重复（5）-（9） （10）一批作业完成，返回（3），处理下一批,2.脱机批处理,卡片机,打印机,卫星机

9、,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。,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。,作业周转时间：一道作业从提交到运行完成所需要的时间。,单道批处理示意图,CPU,I/O设备,特点：,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

10、序。,程序B,CPU,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B CPU 输入设备 等待CPU CPU,程序A 流程：20msCPU 40ms输入 30msCPU 20ms输入 程序B流程：30msCPU 20ms输出 30msCPU,程序A,程序B,程序A,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=190 CPU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=120 CPU利用率：110/12

11、0X100%=92%,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,多道批处理系统的特点

12、： 脱机 成批 多道 高效 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。,多道程序系统与多重处理的区别：多重处理系统配置多个CPU，是真正的多道;多道程序设计不一定是多重处理，多重处理一定是多道,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

13、间。,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。 时间片一定，用户数与响应时间成反比。,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。,特点： 交互性 多用户同时性（多路调制性） 独立性 （独占性）,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。,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

14、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

15、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） 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，钢水温度，发电。 实时信息处理：情报检索，银行帐目往来，飞机订票。,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, s),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

16、益广泛，致使操作系统日益完善，出现了通用操作系统。,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,思考：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。,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

17、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,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 两个以上带有自己的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，并为网络提供统一的接口。,特点： 自治性：有自己的CPU，自己的内存，自己的OS 互连性 分布

18、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 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。,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） 分布式OS的要求比NOS高得多。 实现： 两台以上计算机通过通信设施连接起来。 要内部的通信规则（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。,特点： 自治性（比网络差）：每台机

19、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,1.3 操作系统的基本类型,按用户个数 单用户 多用户,按任务数分 单任务 多任务,按CPU个数 单CPU 多CPU,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.OS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

20、性 文件管理：信息共享和保护，外存空间的管理 用户接口：包括程序一级的接口（系统调用）和作业一级的接口（作业管理，负责作业调度）,并发性 共享性 虚拟性 异步性（不确定性）,1.5 OS的基本特征,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,（1）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 （2）图解 （3）并行（Parallel） 是指

21、两个或多个事件在同一时刻发生 （4）并发与并行 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,小注：,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

22、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,（1）共享（Sharing) 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。 （2） 分类 根据资源属性不同，可以有两种共享方法： 互斥共享。 同时访问 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,（

23、1）虚拟（virtual） 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 （2）实例 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） 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） 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）,异 步,（1）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：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

24、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,例：两个循环程序A,B共享一个变量N，初始值为5 A:N=N+1； B:print(N),N=0; 执行情况： N=N+1在print(N),N=0之前，结果N的值？ N=N+1在print(N),N=0之后，结果N的值？ N=N+1在print(N),N=0之间，结果N的值？,在操作系统中，不确定性有以下两种表现： 1、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

25、。（不允许） 2、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）,处理器,I/O控制器,1.6 计算机硬件介绍,1.6.1 计算机的基本硬件元素,PC,IR,MAR,MBR,I/OAR,I/OBR,I/O 控制器,缓冲,外部 设备,总线,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

26、设备和模拟设备。设备通过总线互相连接,1.6.2 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,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

27、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,1.6.3 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 磁盘缓存内存（disk cache） 高速缓存 寄存器,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,1.6.4 命令的执行和中断 一、指令的执

28、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,指令执行的类型 处理机与内存之间的数据交换 处理机与外部设备之间的数据交换 数据处理：算逻运算 对其他指令的控制过程,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,中断,指令i,指令i+1,中断处理程序,开始,读入下

29、一条指令,执行当 前指令,结束,允许 中断吗？,N,检查 中断位,读入中断 处理指令,Y,具有中断处理的指令执行过程,一、初启（BOOT） 将OS从外存内存，并对其进行初始化，这段过程叫初启。只有经过初启，系统才能正常工作。 初启的过程： 系统一加电就到ROM中找自检程序 自检完成后，执行装入程序（在ROM中）将外存上固定位置上的一段程序（引导区中的程序）装入内存后，将控制权交给引导程序 引导程序将OS装入内存中固定区域，初始化寄存器、终端设备、数据结构等，控制权交给OS。,1.7 操作系统的初启和生成,二、生成 根据实际硬件配置和用户需求进行优化组合生成一个更实用的OS，由于OS功能非常全面

30、，致使OS非常庞大，若对OS重新组装，则系统中提供一个实用程序生成system，执行该程序时，提问硬件数，用户数，内存等需求，由您的需求生成一个更实用的OS 每次启动时，系统会提问使用哪一个OS。DOS通过config.sys来对OS进行优化组合,1.8 算法的描述,算法的开头和结束 Begin End “条件”不满足时重复执行所描述的操作 Repeat 操作 Until 条件 “条件”满足时重复执行所描述的操作 While 条件 Do 操作 OD 如果满足条件执行相关操作，否则执行另一种操作 If 条件 Then 操作 Else 操作 fi,Repeat IRMPC; PC PC+1; ExecuteIR; Until CPU halt;,P1.n为1到n的整数置换，i=1,2,3,4,5,6,7; Pi=4,7,3,2,1,5,6 描述pi的循环置换算法 Begin local x,k; k1； while k=7 do x k; repeat print(x); x px untilx=k; k k+1; od End,1.9研