第1章 操作系统原理

1操作系统原理2操作系统是计算机系统的基本组成部分，它在整个计算机系统软件中占据着核心和枢纽的地位。它涉及到对各种资源的有效管理，同时要为高层软件的运行提供良好的工作环境，起到承上启下、纵横贯通的作用。3课程特点内容十分复杂和庞杂知识点难度跨度大既呆板又灵活4内容十分复杂和繁琐•操作系统涉及的内容十分广泛，包含了硬件、组成原理、数据结构等内容。•操作系统管理着计算机系统的全部软、硬件资源，而这些资源本身种类繁多，特性千差万别。•操作系统的实例类型极为丰富。5知识点难度跨度大•内容方面，既有操作系统界面这种常见的内容，也有进程管理这类比较抽象、难度较大的内容。•操作系统实例方面，对DOS、WINDOWS可能比较熟悉，而对UNIX、LINUX接触较少，不易把握。6既呆板又灵活•概念多•在整个操作系统课程中很难找到一根主线，或者说找到一个一成不变的可以套用到任何环境中去的原理、方法、策略。7怎样学好这门课？8推荐参考书•1.张尧学主编.计算机操作系统原理,北京：清华大学出版社.2002.5.•2.汤子瀛主编.计算机操作系统,西安:西安电子科技大学出版社.2003.8.•3.WilliamStallings著.操作系统精髓与设计原理,清华大学出版社.•4.孟静著,操作系统原理教程,清华大学出版社9第一章操作系统引论(IntroductionofOperationSystem)10本章教学目的•了解操作系统的发展过程•掌握操作系统的概念及作用•熟悉操作系统的特性11本章主要内容•1.1计算机系统•1.2操作系统的形成与发展•1.3操作系统的功能•1.4操作系统的模型基本特性121.1计算机系统•1.1.1计算机硬件•1.1.2计算机软件131.1.1计算机硬件•概念–计算机硬件是指组成计算机系统的设备或机器，是“看得见，摸得着”的物理部件，它是组成计算机系统的基础。•组成–计算机硬件一般包括中央处理器（CPU）、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备，其中CPU与内存储器合称为主机，外存储器、输入设备和输出设备合称为外部设备。141.1.2计算机软件•概念–计算机软件是指组成计算机系统的程序、数据和文档。程序是指令的有序集合；数据是信息在计算机中的表示，是计算机处理的对象；文档是各种说明文本，是软件操作的辅助性资源。•组成–系统软件：是支持和管理计算机硬件的软件，是服务于硬件的，它创立的是一个平台。系统软件包括操作系统、数据库管理系统、计算机编译语言和各种系统服务性程序。–应用软件：应用软件是完成用户某项要求的软件，是服务于特定用户的，它满足某一个应用领域。应用软件包括计算机源程序和应用软件包。151.2操作系统的形成与发展•1.2.1推动操作系统发展的动力•1.2.2操作系统的发展161.2.1推动操作系统发展的动力•1．不断提高资源利用率的需要•2．方便用户操作•3．硬件的不断更新换代•4．计算机体系结构的不断发展17发展原因：内因：受计算机硬件发展的驱动。外因：受计算机应用的刺激。与计算机系统发展同步18操作系统的发展第一代第二代第三代第四代1946－19571958－19641965－19701971－至今电子管晶体管集成电路超大规模集成电路1.无操作系统2.无程序设计语言3.采用手工操作方式1.单道批处理系统2.FORTRAN汇编语言1.多道批处理系统；分时系统；实时系统多道程序设计技术；中断；通道；个人计算机机操作系统；网络操作系统；分布式操作系统19批处理1.2.2操作系统的形成和发展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多处理机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20一．无操作系统（手工操作阶段）工作过程：•用户1：纸带（卡片）􀃆纸带输入机􀃆计算机􀃆纸带输出机􀃆•纸带用户2：………工作方式：•编程语言：机器语言•输入输出：纸带或卡片。•用户：既是程序员，又是操作员；是计算机专业人员21特点：•1)程序设计全部采用机器语言.没有程序设计语言,更没有操作系统.(2)在一个程序员上机时间整台计算机及其附属设备都被其使用,为独占资源方式.(3)作业之间采用串行方式.(4)整个运行过程需要人工干预.造成：1、人机矛盾；2、CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾。----CPU浪费严重!!!专门的操作员；批处理解决2250年代晶体管的发明使得计算机的可靠性和速度得到长足的发展.高级语言也迅速发展起来.1954年FORTRAN开始出现;1956年ALGOL语言出现;1958年COBOL引入.对于计算机的操作,GeneralMotors在IBM701计算机上首先采用监控程序来管理作业.用户不再直接访问计算机,只需把用作业控制语句描述的作业说明,程序及数据存在卡片上交给操作员.由操作员将一批作业(说明书,程序,数据)输入计算机,监控程序选择作业并按说明书要求自动控制作业的执行.这种处理方式称为批处理(BatchProcessing)方式.二．单道批处理阶段（SimpleBatchSystem）231.联机批处理慢速的输入输出（I/O）设备是和主机直接相连。作业的执行过程为:•（1）用户提交作业：作业程序、数据，用作业控制语言编写的作业说明书;•（2）作业被作成穿孔纸带或卡片;•（3）操作员有选择地把若干作业合成一批，通过输入设备（纸带输入机或读卡机）把它们存入磁带;24二．单道批处理阶段•（4）监督程序读入一个作业(若系统资源能满足该作业要求);•（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代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，由善后处理程序输出计算结果;•（9）再读入一个作业，重复(5)—(8)各步；•（10）一批作业完成，返回到(3)，处理下一批作业。25二．单道批处理阶段特点：这种联机批处理方式解决了作业自动转接，从而减少作业建立和人工操作时间。但是在作业的输入和执行结果的输出过程中，主机CPU仍处在停止等待状态，这样慢速的输入输出设备和快速主机之间仍处于串行工作，CPU的时间仍有很大的浪费。26二．单道批处理阶段2、脱机批处理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27特点：（1）批处理出现于20世纪50年代末到60年代初。它的出现促使了软件的发展。（2）重要的是监督程序，它管理作业的运行——负责装入和运行各种系统处理程序，如汇编程序、编译程序、连接装配程序、程序库(如输入输出标准程序等，完成作业的自动过渡，同时也出现程序覆盖等程序设计技术。优点：实现了CPU运行与I/O的并发操作问题：磁带需人工拆装，既麻烦又易出错；系统保护问题解决：硬件的发展——通道技术、中断技术28通道和中断通道：是一种专用处理部件，它能控制一台或多台输入输出设备工作，负责输入输出设备与主存之间的信息传输。它一旦被启动就能独立于CPU运行，这样可使CPU和通道并行操作，而且CPU和多种输入输出设备也能并行操作。29通道和中断中断：是指当主机接到外部信号(如输入输出设备完成信号)时，马上停止原来工作，转去处理这一事件，处理完毕后，主机回到原来的断点继续工作。303.执行系统（1）硬件结构:用通道代替卫星机，用磁鼓代替磁带（2）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。（3）特点执行系统实现了主机、通道和输入输出设备的并行操作，提高了系统效率，方便用户对输入输出设备的使用。31(4)问题：处理机仍有空闲等待现象这时计算机系统运行的特征是单道顺序地处理作业，即用户作业仍然是一道一道作业顺序处理。那么可能会出现两种情况:对于以计算为主的作业，输入输出量少，外围设备空闲；然而对于以输入输出为主的作业，又会造成主机空闲。这样总的来说，计算机资源使用效率仍然不高。因此操作系统进入了多道程序阶段:多道程序合理搭配交替运行，充分利用资源，提高效率。32三.多道程序设计技术与多道成批处理(1)单道程序设计的工作情况中央处理机：空闲外部设备：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解决方法：在内存放多个可运行的用户程序33(2)多道程序设计的工作情况中央处理机外部设备输出结束输出结束程序A输入结束程序B打印输出光标记阅读输入绘图输出程序A输入结束程序B光标记阅读输入外部设备34(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微观上串行问题：程序在主存中如何执行？35四.多道成批处理作业成批输入；由作业调度程序根据资源条件及调度原则对其进行选择；进入系统的作业交替运行。CPU分配：不能强行剥夺（能运行就一直运行）优点:资源利用率高、系统吞吐量大缺点:对用户的响应时间长、无法交互36五.分时技术与分时处理（Time-sharingSystem）(1)产生的原因用户希望独占计算机、响应快和能交互(2)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。作业i作业i+1．．．作业n作业i．．．时间(3)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。37分时系统特点：1、多路性：众多联机用户可以同时使用一台计算机。2、独占性：多用户分时操作系统是当今计算机操作系统中最普遍使用的一类操作系统，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，用户彼此之间感觉不到别人也在使用这台计算机，好象只有自己独占计算机。3、交互性：而每个用户可以通过自己终端向系统发出各种操作控制命令，完成作业的运行。38六、实时系统（Real-timeSystem）•1、实时处理•要求计算机对于外来信息能以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许时间范围内作出快速响应，其响应时间要求在秒级、毫秒级甚至微秒级或更小。39六、实时系统（Real-timeSystem）2、实时操作系统•实时系统中配置的操作系统称为实时操作系统。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。近年来，实时操作系统正得到越来越广泛的应用。特别是非PC机和PDA（个人数字助理）等新设备的出现，更加强了这一趋势。40六、实时系统（Real-timeSystem）分类：1.实时控制：例如飞机自动驾驶系统、工业控制等2.实时信息处理：例如图书管理系统、民航售票系统等特点：1.多路性2.独立性3.及时性4.交互性5.可靠性41单道批处理操作系统的发展（4）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多处理机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发展42七、个人计算机操作系统应用领域：•事务处理，个人娱乐。系统要求：•使用方便；支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信）；效率不必很高。43七、个人计算机操作系统常用的个人计算机操作系统：•1.单用户单任务：CP/M、MS-DOS•2.单用户多任务：MSWindows•3.多用户多任务：UNIX44八、网络操作系统（NetworkOperatingSystem）1、计算机网络•计算机网络是通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互连起来的，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。2、计算机网络类型：（1）按网络拓扑结构：星形、树形、总线形、环形、网状形。（2）按地理范围：局域网、广域网45八、网络操作系统（NetworkOperatingSystem）3、