计算机操作系统 第一章 计算机操作系统概论

计算机操作系统电子科技大学计算机学院杨霞Email:[e-mail]总学时：64（上课56学时、上机8学时）主要讲授前七章教学理论和综合应用相结合基础课程考研的课程应用价值成绩构成：期末考试占70%考勤和作业占10%中期考试占10%实验占10%参考书籍教材：计算机操作系统，汤子瀛etc,西安电子科技大学出版社（第3版）操作系统——内核与设计原理，魏迎梅译，电子工业出版社OperatingSystemInternalsandDesignprinciples,WilliamStallings,TsingHuaUniversityPressAppliedOperatingSystemConcepts,AbrahamSilberschatzetc.,HigherEducationPress第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用1.2操作系统的发展过程1.3操作系统的基本特征1.4操作系统的主要功能1.5OS结构设计讨论你觉得操作系统是什么？你知道哪些操作系统的名字？如果让你给操作系统做出定义，你怎么说？操作系统的概念AnOperatingSystemisaprogramthatmanagersthecomputerhardwareprovidesabasisforapplicationprogramsactsasanintermediarybetweenthecomputeruserandthecomputerhardwareOSisaresourceallocatorManagesallresourcesDecidesbetweenconflictingrequestsforefficientandfairresourceuseOSisacontrolprogramControlsexecutionofprogramstopreventerrorsandimproperuseofthecomputer操作系统的概念操作系统定义：操作系统是位于硬件层(HAL)之上，所有其它系统软件层之下的一个系统软件。其主要作用是管理好这些设备，提高它们的利用率和系统的吞吐量，并为用户和应用程序提供一个统一的接口，便于用户使用。OS是计算机系统的灵魂！操作系统的位置硬件抽象层（HAL）之上所有其它软件层之下硬件（HAL）OS其它系统软件层应用软件层1.1.1操作系统的目标有效性:操作系统允许以更有效的方式使用计算机系统资源。（提高系统资源利用率、提高系统的吞吐量）方便性:操作系统使计算机更易于使用。可扩充性:在操作系统中,允许有效地开发，测试和引进新的系统功能。开放性:实现应用程序的可移植性和互操作性,要求具有统一的开放的环境。1.1.2操作系统的作用1.OS看做是用户与计算机硬件系统之间的接口。含义：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。1.1.2操作系统的作用2．OS作为计算机系统资源的管理者从资源管理的观点看，则可把OS视为计算机系统资源的管理者。处理机管理存储器管理I/O设备管理文件管理1.1.2操作系统的作用3.OS实现了对计算机资源的抽象对于一个完全无软件的计算机系统(即裸机)，它向用户提供的是实际硬件接口(物理接口)，用户必须对物理接口的实现细节有充分的了解，并利用机器指令进行编程，因此很难使用。通过OS的I／Ｏ管理实现了对计算机资源的抽象，帮助用户对硬件资源的使用和管理。1.2操作系统的发展过程操作系统的产生手工操作阶段成批处理阶段执行系统阶段操作系统的完善多道批处理系统分时系统实时处理系统通用操作系统操作系统的发展计算机网络的出现微型计算机的普及极强的计算和处理能力微内核操作系统多核操作系统1.2操作系统的发展过程50年代中期出现了第一个批处理系统。60年代中期产生了分时系统。80年代之后出现了：微机系统、多处理机系统、计算机网络系统。1.2操作系统的发展过程无操作系统单道批处理操作系统多道批处理操作系统分时操作系统(time-sharingsystem)实时操作系统(realtimesystem)微机操作系统的发展1.2.1无操作系统的计算机系统1．人工操作方式（20世纪50年代）人工控制2．脱机输入/输出方式，在一台外围机的控制下，把纸带(卡片)上的数据(程序)输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上将其高速地调入内存。1.2.2单道批处理系统系统对作业的处理都是成批进行的，且在内存中始终仅存一道作业运行，运行结束或出错，才自动调另一道作业运行，故称为单道批处理系统。1.2.2单道批处理系统单道批处理系统主要特征：自动性、顺序性、单道性。单道批处理系统主要优点：减少人工操作，解决了作业的自动接续。单道批处理系统主要缺点：平均周转时间长，没有交互能力。1.2.3多道批处理系统一、多道程序的概念：在内存中存放多道作业运行，运行结束或出错，自动调度内存中的另一道作业运行。●多道程序带来的好处：1、提高CPU的利用率。2、提高内存和I/O设备利用率。3、增加系统吞吐率。1.2.3多道批处理系统多道程序设计技术示例设内存中有三道程序A、B和C，它们按A、B、C的优先次序执行。它们的计算和I/O操作时间如下表所示。假设三道程序使用相同的设备进行I/O操作，即程序以串行方式使用设备，试画出单道运行和多道运行的时间关系图（调度程序的执行时间忽略不计）。在两种情况下，完成这三道程序各要花多少时间？ABC计算30ms60ms20msI/O40ms30ms40ms计算10ms10ms20ms单道运行的甘特图ABC计算30ms60ms20msI/O40ms30ms40ms计算10ms10ms20ms时间(ms)I/O计算活动列表AAABBBCCC03070801401702002402601.2.3多道批处理系统多道运行的甘特图ABC计算30ms60ms20msI/O40ms30ms40ms计算10ms10ms20ms时间(ms)I/O计算活动列表AAABBBCC0307080100130170190BC1.2.3多道批处理系统当正在运行的程序因I/O而暂停执行时，系统可调度另一道程序运行二、多道批处理系统主要特征：多道性、无序性、调度性（进程调度和作业调度）。三、多道批处理的主要优点：提高了资源利用率和吞吐能力。多道批处理的主要缺点：平均周转时间长，没有交互能力。1.2.3多道批处理系统1、处理机管理：分配和控制CPU。2、存储器管理：为每道程序分配必要的内存空间。3、I/O设备管理：I/O设备的分配与操纵。4、文件管理：文件的存取、共享和保护。5、作业管理：如何组织作业运行。四、多道批处理系统需要解决的问题1.2.4分时操作系统（On-line）分时系统是指，在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。分时系统能很好地将一台计算机提供给多个用户同时使用，提高计算机的利用率。还可以满足用户对人---机交互的需求。它被经常应用于查询系统中，满足许多查询用户的需要。第一台真正的分时操作系统CTSS是由MIT开发成功的。界面1：交互式命令语言(eg.shell,command)界面2：图形用户界面(GUI)TimeSharingOSHAL终端终端终端…...1.2.4分时操作系统（On-line）特点：多路性：一个主机与多个终端相连；交互性：以对话的方式为用户服务；独占性：每个终端用户仿佛拥有一台虚拟机。及时性：用户的请求能在很短的时间内获得响应。典型系统：Multics(MIT)UNIX1.2.4分时操作系统（On-line）1.2.5实时操作系统实时控制工业控制，信息查询，军事控制，医疗控制，…….实时信息处理航班定票，联机情报检索，…….所谓实时系统：是计算机及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致的运行。1、多路性：能对多个对象进行控制。2、独立性：独立运行，不混淆，不破坏。3、交互性：仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。4、可靠性：高可靠性，应具有过载防护能力。5、及时性：不同的系统要求不一样，控制对象必须在截止时间内完成。实时系统的特征1.2.6微机操作系统的发展配置在微型机上的操作系统称为微机操作系统。分为三类：1．单用户单任务操作系统MS-DOS2．单用户多任务操作系统只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，如Android，Rtems等嵌入式操作系统。1.2.6微机操作系统的发展3．多用户多任务操作系统允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。最有代表性的是UNIXOS,Windows1.3操作系统的基本特性现代OS的四个基本特征：1、并发性2、共享性3、虚拟性4、异步性并发是最重要的特征，其它特征都以并发为前提。1.3.1并发性-并行性：是指两个或多个事件在同一时刻发生。-并发性：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。1.3.2共享共享：是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。1、互斥共享方式：-把在一段时间内只允许一个进程访问的资源，称为临界资源。-系统中的临界资源可以提供给多个进程使用，但一段时间内仅允许一个进程使用，称为互斥共享方式。2、同时访问方式：-一段时间内，多个进程可以同时使用这个资源。--从微观上看，多个进程交替互斥地使用系统中的某个资源。例如磁盘。1.3.2共享1.3.3虚拟性虚拟：是指通过某种技术把一个物理实体变为（映射为）若干个逻辑上的对应物，用于实现虚拟的技术称为虚拟技术。虚拟处理机技术：分时实现虚拟设备技术：SPOOLING技术（第五章）虚拟磁盘技术虚拟存储器技术：虚拟存储器（第四章）1.3.4异步性1、执行结果不确定，程序不可再现。2、异步性，多道程序环境下程序（进程）以异步的方式执行，每道程序在何时执行、各自执行的顺序、完成时间都是不确定的，也是不可预知的。1.4操作系统的主要功能操作系统应具有五方面的功能：1、处理机管理（CPU）2、存储器管理3、设备管理4、文件管理5、操作系统与用户之间的接口1.4.1处理机管理功能主要功能：创建和撤销进程（或者线程），对诸进程的运行进行协调，实现进程之间的信息交换，以及按照一定的算法把处理机分配给进程。1.进程控制进程控制的主要功能：是为作业创建进程、撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。2.进程同步和互斥进程同步的主要任务是为多个进程的运行进行协调。两种协调方式：①进程互斥方式，这是指诸进程（线程）在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式；②进程同步方式，指进程相互合作去完成共同的任务时，诸进程之间的协调。1.4.1处理机管理功能3.进程通信进程通信——是进程之间的信息交换。通信方式：消息队列、管道、套接字等。1.4.1处理机管理功能4.调度作业调度，从后备队列中按照一定的算法选择出若干个作业，为他们分配资源，调入内存，建立进程，插入就绪队列中。进程调度，是从进程的就绪队列中按照一定的算法选择一个新进程，把处理机分配给它，使进程投入执行。1.4.2存储器管理功能主要任务：为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率以及能从逻辑上扩充内存。内存分配内存保护地址映射内存扩充1.4.2存储器管理功能1内存分配内存分配有两种方式：①静态分配方式，每个作业运