操作系统OS1

1操作系统原理中国地质大学计算机学院张霞电话：[phone]QQ：18908644643QQ群：2756588452教材与教学参考书教材：《计算机操作系统》（第2版）人民邮电出版社庞丽萍编参考书：1.《现代操作系统》AndrewS.Tanenbaum著,陈向群、马洪兵译，机械工业出版社2.《操作系统设计与实现》AndrewS.Tanenbaum，AlbertS.Woodhull著,陈渝谌卫军译,电子工业出版社3.《计算机操作系统》西安电子科技大学出版社汤子瀛等4.《操作系统》电子工业出版社孟庆昌编前言3（1）认识操作系统（2）学习计算机系统的核心软件，掌握操作系统采用的关键技术（3）为后续课程打好基础4裸机作系统应程序用序程用户操计算机系统的组成操作系统课程的重要性（1）认识操作系统从操作系统在计算机系统中的位置来分析①操作系统是什么？操作系统定义②操作系统能做什么？操作系统的功能③操作系统如何去做？操作系统的实现技术56操作系统提供一系列服务：多任务、用户界面、内存管理、内存保护、文件存取、网络、设备控制、硬件控制错误检测及恢复系统、安全操作系统能做什么?计算机硬件操作系统系统工具应用软件应用用户应用开发人员操作系统开发人员（2）学习计算机系统的核心软件，掌握操作系统采用的关键技术并行处理技术虚拟技术（3）为后续课程打好基础如数据库系统、计算机网络、分布式系统78操作系统的特点内容庞杂、涉及面广管理、控制所有硬件管理所有软件，控制程序的执行为用户提供良好的接口实践性强操作系统原理与实际运行的各类操作系统有着密切的联系技术发展快9课程学习的基本目的介绍操作系统的基本概念、基本结构及运行环境介绍操作系统原理、设计方法和实现技术介绍操作系统的演化过程、发展研究动向、新技术以及新思想介绍各种有代表性的、典型的操作系统实例培养学生分析问题、解决问题的基本能力，培养自学能力，开拓思路。10第一章绪论11WINDOWS系列操作系统WINX.X(1983年-1995年以前)窗口仅是MS-DOS上层的一个图形环境WIN9X(1995年以后-2001年初)窗口系统开始独立，16位OSWINNT（NT代表新技术）32位OS，想以此版本来消灭MS-DOS和其它的版本（失败）WIN2000(1999初)由WINNT5.0更名而来WIN2000ProfessionalWin2000server（适合部门工作小组或中小公司）Win2000Datacenterserver（功能最强的服务器OS）WINCE（嵌入式操作系统）WINDOWS系列操作系统WINXP（2001年商用与家用型操作系统的整合，WIN2000的稍加升级版本）Vista(2007年1月)要想替代XP可能需要近十年的时间(宣告失败)Win7（2009年10月）支持触摸操作。WIN82012年推出，采用与WindowsPhone8相同的NT内核，被认为是微软反击主导平板电脑及智能手机操作系统市场的苹果iOS和GoogleAndroid的操作系统。支持触摸操作。12LinuxLinux是一个开源、免费的操作系统，其稳定性、安全性、处理多并发已经得到业界的认可，目前很多中型、大型甚至是巨型项目都在使用linux。13linux的历史1960时期左右，MIT，即麻省理工学院有一台电脑，使用分时操作系统，只能同时允许30个人通过终端登录1965年，MIT、GE、Bell实验室，决定将30300个人分时系统，multis计划，即火星计划1969年，火星计划失败。但Bell的KenThompson开发了一个fileserversystem文件系统，在Bell实验室很受欢迎14linux的历史在DennisRitchie的加入下，1973年，unix诞生，开源，源码内核共享IBM：AIXSun：SolarisHP：HPunix伯克利分校：BSDminix系统出现15linux的历史LinusTorvalds，芬兰读书，拥有PC386，1991年计划把minix移植到pc上，1994发布linux1.0版linuxisnotunix，完全没有桌面redhat红帽子s.u.s.e红旗linux16171.1操作系统与计算机体系结构的关系一、计算机系统组成中央处理机（CPU）硬件内存I/O设备（键盘、显示器、打字机、鼠标）外部设备存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带）其它设备（MODEM、通信口）系统软件（操作系统、语言编译器、数据库管理系统）软件应用软件（CAD、MIS、用户自己开发的系统等）工具软件（软、硬件检测诊断程序）裸机作系统应程序用序程用户操计算机系统的组成181.1操作系统与计算机体系结构的关系二、操作系统与各层的关系1、OS对各层的管理和控制（1）与硬件的关系控制CPU的工作访问存储器设备驱动、中断处理（2）与用户及其他软件的关系控制、管理提供方便的用户界面提供优质的服务裸机作系统应程序用序程用户操计算机系统的组成12裸机作系统应程序用序程用户操计算机系统的组成2、各层对OS的制约和影响（1）下层硬件环境的制约提供OS运行环境限制了OS的功能实现（2）用户和上层软件的要求用户需求提供优质的服务方便的用户界面1.1操作系统与计算机体系结构的关系二、操作系统与各层的关系201.1操作系统与计算机体系结构的关系三、存储程序式计算机的结构和特点1、基本部件CPU存储器I/O设备2、特点集中顺序过程控制过程性：模拟人们手工操作集中控制：由CPU集中管理顺序性：程序计数器211、结构特征计算机系统结构矛盾操作系统顺序计算模型计算模型如何解决矛盾?2、OS采用的软件技术多道程序设计技术、分时技术、资源分配与调度等3、计算机体系结构与硬件技术的变化单CPU计算机多处理机系统计算机网络(多计算机系统)消息传递型多计算机1.1操作系统与计算机体系结构的关系四、计算机系统结构与操作系统的关系221.2操作系统的形成与发展操作系统初期阶段操作系统发展的初期阶段手工操作阶段联机批处理脱机批处理执行系统个人计算机操作系统网络操作系统分布式操作系统实时系统多道程序系统多道批分时处理系统系统早期批处理操作系统的进一步发展操作系统的形成231.2操作系统的形成与发展一、手工操作阶段用户在计算机上算题的所有工作都要用户人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等。计算机没有配置操作系统。程序员直接与计算机硬件打交道。用机器代码或某种语言编写的程序通过输入设备装入计算机，再由程序员从控制台上通过设置开关或按按钮启动程序运行。24这种早期的计算机存在两个问题：1.人工负责计算机的调度用户使用计算机时，首先向机房负责人说明，由机房负责人为他安排上机时间并预先登记在一张纸上。其中包括各用户几点上机、大约使用计算机多长时间等。2.人工负责作业编排顺序用户自己安排上机所需的各种程序、数据以及上机的步骤。这种操作方式导致：浪费大量的人力和机器的时间，系统利用率很低。缺点：用户独占资源；资源利用率低；CPU等待人工操作。随着计算机速度的加快，人机矛盾越来越大。CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾也日益突出。必须寻求新的办法。25人工操作时间与机器有效运行时间的关系机器程序处理人工操操作时间与机器速度所需时间作时间有效运行时间之比1万次/秒1小时3分钟1：2060万次/秒1分钟3分钟3：126二、批处理阶段简单的批处理模式的中心思想是使用一个监督程序软件。在这种软件控制下，用户不再直接与计算机打交道，而是将自己的作业卡片叠或纸带交给机房的操作员。由操作员将多个作业的卡片或纸带按序成批地放在一个输入设备上。由监督程序自动启动输入设备将一个个作业读入到磁带上，再将一个个作业顺序装入内存，并控制作业的运行处理。从而实现了各作业之间的自动转接，提高了系统效率。27手工操作阶段的两个问题已得到圆满解决一方面由监督程序处理调度问题。一批作业排队，各作业以尽可能快的速度执行；另一方面监控程序负责作业的编排处理问题。从而不存在空闲的机器时间，减少了人工干预和等待时间。为了使监督程序能代替用户完成对作业的编排控制，系统向用户提供了一套作业控制命令。用户使用系统提供的作业控制语言命令通过作业控制卡或作业说明书的形式把对作业的控制意图提交给监督程序。28下图给出了以卡片形式提交作业的一个简单例子。在这个例子中，用户提交一个用FORTRAN语言编写的程序及程序所用数据。其中包括以“$”开始的作业控制指令卡。监督程序使用的几个典型的控制卡如下：29控制卡功能$JOB启动一个程序$FORTRAN调用FORTRAN编译程序$LOAD调用装入程序$RUN运行程序$END作业结束卡3031监督程序自动读和识别作业控制卡或作业说明书中的命令，并控制作业的执行。当计算机运行中发生错误或意外时，监控程序通过控制台打字机输出信息向操作员报告。批处理系统的优点是系统吞吐量大，资源利用率高。缺点是作业的周转时间长，用户无法实现对作业的控制。该系统适合处理计算量大的、自动化程度高的成熟的作业。这种简单的批处理在硬件结构上有两种不同的控制方式。3212•1.早期联机批处理•早期的联机批处理的硬件控制方式是：作业的输入、计算和输出都是在CPU直接控制下进行的，下图给出了联机批处理的模型。早期联机批处理应用带系统带主机卡片输入机打印机33问题CPU高速与I/O慢速的矛盾由于输入或输出是在CPU直接控制下进行的，这样，主机的速度在输入或输出过程中，降低为慢速外设的水平。大大降低了CPU的利用效率。解决办法由卫星机负责I/O为此，引入早期的脱机批处理方式。342.早期的脱机批处理为了使CPU从慢速的外设控制中解脱开来，提高CPU的利用效率，系统增设了一个小型的卫星机专门用来控制外部设备的输入、输出。其模型如下图所示。系统带应用带输出带输入带卫星机打印机主机卡片输入机一种早期的批处理系统35a.程序员将卡片拿到1401机处b.1401机将批处理作业读到磁带上c.操作员将输入磁带送入7094机d.7094机进行计算e.操作员将输出磁带送到1401机f.1401机打印输出36小型卫星机的作用代替主机完成作业的输入和输出工作:①把卡片输入机上的作业逐个地记到输入磁带上，以便主机执行。②控制打印机把主机送入输出带上的作业执行结果打印输出。由此可见，采用这种脱机技术后，主机的所有输入输出都是通过磁带进行，而且主机与慢速外设可以并行工作，从而提高了主机运行效率。从50年代后期脱机技术的实质是用快速的输入输出设备代替慢速的设备。到60年代中期，脱机批处理运行得相当成功。373.执行系统(1)什么是执行系统借助于通道与中断技术，由主机控制I/O工作。原有的监督程序不仅要负责调度作业自动地运行，而且还要提供I/O控制功能。它常驻主存，称为执行系统。(2)特点主机、外设并行操作；增强了保护能力。(3)操作系统基本功能I/O控制功能调度(4)问题?处理机仍有空闲等待现象38计算机系统硬件的工作周期组件与设备周期周期×10^8(一亿倍)处理器10纳秒（100MHZ）1秒高速缓存访问20纳秒2秒内存访问100纳秒10秒磁盘访问9毫秒10.4天39三、操作系统的形成1.多道程序设计技术硬件通道和中断的出现，使得计算机在组织结构上发生了重大变革。使原先以CPU为中心的体系结构，转变为以主存为中心。所谓通道，它是独立于CPU，专门用来控制输入、输出设备的I/O处理机。它可以控制一台或多台外设完成与主存之间的数据交换。40当通道控制设备完成传输后，通过中断机构向CPU报告完成情况。从而，一方面使CPU摆脱了对慢速外部设备的控制操作，另一方面使CPU与外设可以并行操作，提高了CPU的利用率。41该技术的引入是为了进一步改善CPU的利用率。该技术能提高系统的吞吐量和有效地改善资源利用率。定义：多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序的控