操作系统原理_庞丽萍_第一章绪言

1操作系统原理PrinciplesofOperatingSystem2为什么学习操作系统?掌握操作系统的基本理论，具备开发核心系统软件的技能，设计操作系统或者修改现有的系统掌握并行处理的思想方法，加深对使用的OS的理解，有利于深入编程用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道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3为什么学习操作系统?掌握操作系统的基本理论，具备开发核心系统软件的技能，设计操作系统或者修改现有的系统为后继课程打好基础————数据库、网络、分布式系统了解当前流行的实际操作系统的使用方法与实现技术————UNIX，Linux,Windows4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操作系统能做什么?5操作系统特点内容庞杂、涉及面广负责全部资源管理。与计算机软、硬件及用户都有着密切的交互实践性强与实际运行着的各类操作系统有着密切的联系技术发展快6操作系统的学习环节课堂、作业实验课程设计7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，培养创造型人才8学习收获使学生对操作系统的基本概念、基本结构及运行环境有深入的认识使学生深入到操作系统内部，理解并掌握操作系统的基本原理、设计方法和实现技术使学生了解操作系统的演化过程、发展研究动向、新技术以及新思想，使学生具有透过变化看趋势、透过技术抓原理、把握学科发展脉搏的基本素质，为其今后在相关领域开展工作打下坚实的基础9学时安排第一章绪论（4学时）第二章操作系统逻辑设计（4学时）第三章用户界面（6学时）第四章并发处理（14学时）第五章资源分配与调度（2学时）第六章处理机调度（3学时）第七章主存管理（6学时）第八章输入/输出管理（4学时）第九章文件系统（5学时）习题课4学时10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ModernOperatingSystem，AndrewS.Tanenbaum现代操作系统，陈向群等译，机械工业出版社OperatingSystemConcept，AbrahanSilberschatz,etcAppliedOperatingSystemConcept，AbrahanSilberschatz,etc11(一)操作系统与计算机结构的关系(二)操作系统的形成和发展(三)操作系统的定义(四)操作系统的功能(五)操作系统的基本类型第一章绪论12一.os与其他各层的关系对下与硬件交互控制CPU的工作、访问存储器、设备驱动、中断处理。对上与用户及各种应用程序交互提供方便的用户界面、提供优质的服务。操作系统的宗旨提高计算机的使用效率方便用户的使用(一)操作系统与计算机结构的关系裸机作系操统其他系统软件用户应用程序序程13二.存储程序式计算机的结构和特点存储程序式计算机(VonNeumann计算机)1.基本部件CPU、主存储器、I/O设备、控制台2.特点集中顺序过程控制集中控制：由CPU集中管理顺序性：程序计数器控制过程性：模拟人们手工操作过程143.计算机系统结构与操作系统的关系顺序计算模型并行计算模型如何解决矛盾?OS采用了一系列软件技术---------多道程序设计技术、分时技术、资源分配与调度等一对矛盾15(二)操作系统的形成和发展批处理手工操作阶段联机批处理脱机批处理执行系统操作系统形成实时系统个人计算机操作系统网络操作系统分布式操作系统多道程序系统多道批分时处理系统系统16一.手工操作阶段集中顺序过程控制集中控制：由CPU集中管理顺序性：程序计数器控制过程性：模拟人们手工操作过程机器速度作业在机器上所需时间人工操作时间操作时间与机器有效运行时间之比1万次/秒1小时3分钟1：2060万次/秒1分钟3分钟3：117二.批处理阶段1.联机批处理特点：有监督程序；作业自动过渡问题：CPU高速与I/O慢速的矛盾解决：由卫星机负责I/O182.脱机批处理特点：有监督程序；作业自动过渡问题：CPU高速与I/O慢速的矛盾解决：由卫星机负责I/O输入机打印机卫星机输出带输入带输出带输入带主机脱机批处理图示193.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20三.操作系统的形成1.多道程序设计技术与多道成批处理(1)单道程序程序的工作情况用户程序监督程序I∕O操作计算请求输入启动I∕OI∕O完成继续计算结束中断21(2)多道程序程序的工作情况中央处理机外部设备输入结束程序B打印输出光标记阅读输入绘图输出输出结束输出结束程序A输入结束程序A程序B光标记阅读输入外部设备22(3)什么是多道程序设计技术在计算机主存中同时存放几道相互独立的程序。这些程序在管理程序控制之下，相互穿插地运行。当某道程序因某种原因不能继续运行下去时(如等待外部设备传输数据)，管理程序便将另一道程序投入运行。(4)多道运行的特征多道宏观上并行微观上串行232.分时技术与分时处理(1)分时技术所谓分时技术，是把处理机时间划分成很短的时间片(如几百毫秒)轮流地分配给各个联机作业使用，如果某个作业在分配的时间片用完之前计算还未完成，该作业就暂时中断，等待下一轮继续计算。(2)分时处理一台计算机与许多终端设备连接，终端用户以联机方式使用计算机。243.实时处理(1)什么是”实时”计算机对外来的信息能够以足够快的速度进行处理，并且在被控对象允许的时间范围内作出快速反应。(2)实时处理以快速反应为特征，对实时信号能在截止期限之内处理并作出反应。25四.操作系统的进一步发展单CPU计算机上的——批量操作系统、分时系统向小型化、微型化计算机发展——个人计算机操作系统向网络化发展——网络操作系统向具有并行结构的计算机系统——多处理机操作系统集群系统分布式操作系统26一.资源共享与资源竞争1.资源共享指多个计算任务对计算机系统资源的共同享用。2.资源竞争多个计算任务对计算机系统资源的争夺。(三)操作系统的定义27二.什么是操作系统操作系统中央处理机存储器绘图仪打印机显示器键盘网卡Modem文件应用程序用户1用户n┇┇操作命令操作命令应用程序1应用程序n┇┇系统调用系统调用28操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部软、硬资源的分配、调度工作，控制和协调并发活动，实现信息的存取和保护。它提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。操作系统使整个计算机系统实现——高度自动化高效率高利用率高可靠性操作系统是整个计算机系统的核心。29三.操作系统的特征1.并发并发性是指能处理多个同时性活动的能力。2.共享并享是指多个计算任务对系统资源的共同享用。3.不确定性操作系统能处理大量的、随机的事件序列，使各用户的计算任务正确地完成。30一.处理机管理1.制订调度策略(调度原则)确决将CPU先分给哪个用户程序，它占用多长时间，下一个又该轮到哪个程序运行等问题。2.给出调度算法3.具体的实施处理机分派在调度时机到来时，进行处理机分派(四)操作系统的资源管理功能31二.存储器管理1.存储分配和存储无关性确定各应用程序在主存中的位置及所占区域的大小；应用程序无需关系存储细节，由存储管理模块提供地址重定位能力。2.存储保护系统提供基址、界限寄存器等存储保护方法，使各应用程序相互隔离。3.存储扩充系统提供虚拟存储技术，扩大逻辑主存。32三.设备管理1.设备无关性用户向系统申请和使用的设备与实际操作的设备无关，以达到方便用户、提高设备利用率的目的。2.设备分配向个应用程序和运行实体分配各种设备。设备分配通常采用三种基本技术：独享、共享及虚拟技术。3.设备的传输控制启动设备、中断处理、结束处理等。33四.软件资源管理为用户提供一种简便的、统一的存取和管理信息的方法，并要解决信息的共享、数据的存取控制和保密等问题。信息组织存取方法文件共享文件安全文件完整性磁盘空间分配34系统资源处理机存储器I/O设备软件资源操作系统功能模块处理机管理存储器管理设备管理文件系统操作系统的资源管理功能35一.大型计算机系统大型计算机系统是最早的计算机系统，用于处理许多商业和科学应用。1.批量操作系统(1)什么是批量操作系统批量操作系统是操作系统的一种类型。该系统把用户提交的作业成批送入计算机，然后由作业调度程序自动选择作业，在系统内多道运行。(五)操作系统的基本类型36(2)特点系统吞吐率高——脱机操作多道运行合理搭配作业作业周转时间长，用户使用不方便。372.分时操作系统┇主机终端1终端2终端n38(1)分时操作系统的定义是操作系统的另一种类型。它一般采用时间片轮转的办法，使一台计算机同时为多个终端用户服务。该系统对每个用户都能保证足够快的响应时间，并提供交互会话功能。(2)分时操作系统的特点多路调制性独占性交互性39二.实时系统1.实时系统的定义对科学实验、医学成像系统、工业控制系统、武器装备控制系统和特定显示系统进行控制的系统称为实时系统。2.实时系统的分类(1)硬实时系统系统中所有的截止期限(deadline)必须被严格的保证，否则将导致灾难性后果。(2)软实时系统系统中截止期限被错过的情况下，只造成系统性能下降而不会带来严重后果。403.实时操作系统(1)实时操作系统的定义实时操作系统是操作系统的一种类型。实时操作系统对外部输入的信息，能够在规定的时间内处理完毕并作出反应。(2)实时操作系统的特点及时响应高可靠性和安全性(3)实时操作系统的类型实时控制：生产过程控制、作战指挥。实时信息处理：订购机票、情报检索。41三.桌面系统随着微电子技术的发展，操作系统的目标：不再是最大化CPU和外设的利用率而是最大化用户方便性和响应速度各种类型的Windows替代MS-DOS，IBM公司将MS-DOS升级为多任务OS/2Linux个人计算机操作系统(类似于UNIX)个人计算机操作系统得益于大型机操作系统的研制成果。另一方面，微型计算机硬件费用很低，有些技术实现可简单。42个人计算机操作系统的代表：1.磁盘操作系统MS—DOS设备管理、文件系统功能2.Windows系统图形用户界面多任务、多线程可剥夺式调度段页式虚拟存储管理技术动态连接43四.多处理机系统也称并行系统(parallelsystem)或紧耦合系统。1.定义包含两个或多个功能相当的处理器；所有处理器共享一个公共内存；所有处理器共享I/O通道、控制器和外围设备；由一个操作系统控制。2.结构共享存储器的多处理机通常称为SMP(symmetricmultiprocessor)对称多处理机。443.特点紧耦合增加计算量增加可靠性缺点：存在瓶颈可扩展性差不支持大规模并行计算；不支持分布处理总线或交叉开关处理器和高速缓存处理器和高速缓存I/O设备I/O设备45五.计算机网络与网络操作系统1.什么是计算机网络利用通信线路将一些独立自治的计算机相互连接形成的一个集合体称为计算机网络。462.计算机网络的特点多个处理部件无公共内存具备消息通信机制3.网络操作系统网络操作系统除了具备一般操作系统应具有的功能模块之外（如系统核心、设备管理、存储管理、文件系统等），还要增加一个网络通信模块。该模块由通信接口中断处理程序、通信控制程序以及各级网络协议软件组成。计算机网络的局限性471.定义包含多个通用资源部件；这些资源是分布的，并经过通信网络相互作用；有一个分布式操作系统对资源进行全局和动态的管理和控制；