第1讲 操作系统概述

操作系统原理主讲人：闫萍E-mail：[e-mail]操作系统原理先修课程：微机原理、程序设计语言、数据结构课程的教学目的:•学生通过本课程的学习，能够系统地掌握操作系统基本概念、主要功能、工作原理和实现技术；具有使用操作系统和分析操作系统的能力。通过实践，理解和掌握Windows操作系统基本工作原理，及使用方法，为以后在操作系统平台上开发各种应用软件或系统软件打下坚实的基础。信息工程学院《计算机网络》第1章推荐教材：汤子瀛，计算机操作系统（修订版），西安电子科技大学出版社参考资源：（1）张尧学、史美林，计算机操作系统教程(第二版)，北京：清华大学出版社。（2）A.S.Tanenbaum著，陈向群等译，ModernOperatingSystem，现代操作系统，北京：机械工业出版社。（3）屠祁、屠立德，操作系统基础，北京：清华大学出版社。操作系统原理信息工程学院《计算机网络》第1章课时安排：总学时40学时=讲课学时32学时+实验学时8学时综合成绩=卷面成绩70%+实验成绩20%+平时成绩10%操作系统原理操作系统原理第一章操作系统引论第二章第三章第四章存储器管理第五章设备管理第六章文件管理第七章操作系统接口第1章操作系统概述教学要点本章主要介绍操作系统的基本概念、操作系统的发展历史、操作系统的功能和主要特征以及操作系统的结构。应重点掌握操作系统基本概念、操作系统的特征和功能，并对操作系统的发展历史和操作系统的微内核结构有一定的了解。1.1什么是操作系统•1.1.1操作系统是最重要的系统软件•1.1.2操作系统是资源管理器•1.1.3操作系统是用户（应用程序）与计算机硬件系统之间的接口1.1.1操作系统是最重要的系统软件•计算机系统可以看成是由硬件和软件按层次结构组成的系统。•硬件系统是指构成计算机系统所必须配置的硬件设备。•软件系统是一个为计算机系统配置的程序和数据的集合。软件系统又有应用软件和系统软件之分。•操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是计算机系统中最重要的系统软件；其它系统软件以及大量的应用软件，都依赖于操作系统的支持。应用程序语言处理程序操作系统硬件系统1.1.2操作系统是资源管理器•计算机系统资源可分为四类：处理器、存储器、I/O设备以及信息(数据和程序)。•OS的任务就是使整个系统的资源得到充分有效的利用，并在相互竞争的程序之间合理有序地控制系统资源的分配，从而实现对计算机系统工作流程的控制。•作为资源管理器，操作系统要完成以下工作：①跟踪资源状态。②分配资源。③回收资源。④保护资源。1.1.3操作系统是用户（应用程序）与计算机硬件系统之间的接口•操作系统处于用户与计算机系统硬件之间，用户通过操作系统来使用计算机。•用户可通过三种方式使用计算机：①命令方式OS提供了一组联机命令，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。②系统调用方式OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机。③图形、窗口方式用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。定义：操作系统是一组控制和管理计算机系统的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程并为用户使用计算机提供方便的程序和数据的集合。在计算机系统中设置操作系统的目的:在于提高计算机系统的效率，增强系统的处理能力，提高系统资源的利用率，方便用户使用计算机。1.2操作系统的发展历史•1.2.1手工操作阶段•1.2.2联机批处理系统•1.2.3脱机批处理系统•1.2.4多道批处理系统•1.2.5分时系统•1.2.6实时系统•1.2.1手工操作阶段在计算机刚刚出现时，由于计算机的存储容量小，运算速度慢，输入/输出设备只有纸带输入机、卡片阅读机、打印机和控制台。人们使用这样的计算机只能采用人工操作方式，根本没有操作系统。在人工操作情况下，用户一个挨一个地轮流使用计算机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：(1)用户独占全机。(2)CPU等待人工操作。随着计算机速度的提高，人―机矛盾已到了不可容忍的地步。为了解决这一矛盾，只有设法去掉人工干预，实现作业的自动过渡，这样就出现了批处理技术。•1.2.2联机批处理系统•为实现作业建立和作业过渡的自动化，引入了批量监督程序。•监督程序的工作对象是以作业流形式提供的。每个用户需要计算机解决的计算工作都组织成一个作业。每个作业有一个和程序分开的说明文件，即作业说明书（提供用户标识，要使用的编译程序，以及所需的系统资源等基本信息），还包含一个程序和一些原始数据，最后是作业的终止信息。•在这种批处理系统中，作业的输入/输出是联机的，也就是说作业从输入机到磁带，由磁带调入内存，以及结果的输出打印都是由CPU直接控制的。•随着CPU速度的不断提高，CPU和输入输出设备之间的速度差距形成了一对矛盾。1.2.3脱机批处理系统为了克服联机批处理存在的缺点，在批处理系统中引入了脱机输入/输出技术，从而形成了脱机批处理系统。脱机批处理系统由主机和卫星机（外围机）组成，它不与主机直接连接，只与外部设备打交道。输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备批处理系统是在解决人―机矛盾以及高速度的CPU和低速度的I/O设备间矛盾的过程中发展起来的。它的出现改善了CPU和外设的使用情况，实现了作业的自动定序、自动过渡，从而使整个计算机系统的处理能力得以提高。1.2.4多道批处理系统•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，使它们在管理程序控制之下，相互交替地运行。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），管理程序便将内存中的另一道程序投入运行，这样可以使CPU及各外部设备尽量处于忙碌状态，从而大大提高了计算机的使用效率。多道程序运行的特征如下：•多道。即计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。•宏观上并行。同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。•微观上串行。从微观上看，内存中的多道程序轮流地或分时地占有处理机，交替执行（单处理机情况）。多道批处理的优点是系统的吞吐量高，缺点是对用户的响应时间（用户向系统提交作业到获得系统的处理这一段时间为响应时间）较长，用户不能及时了解自己程序的运行情况并加以控制。1.2.5分时系统•分时（TimeSharing）操作系统的工作方式是：一台主机连接了若干个终端，每个终端有一个用户使用。用户向系统提出命令请求，系统接受每个用户的命令，采用时间片轮转方式处理服务请求，并通过交互方式在终端上向用户显示结果。用户根据上一步的处理结果发出下一道命令。•分时操作系统将CPU的运行时间划分成若干个片段，称为时间片。操作系统以时间片为单位，轮流为每个终端用户服务。由于时间片非常短，所以每个用户感觉不到其他用户的存在。•分时系统具有多路性、交互性、“独占”性和及时性的特征。•常见的通用操作系统是分时系统与批处理系统的结合。其原则是：分时优先，批处理在后。“前台”响应需频繁交互的作业，如终端的要求；“后台”处理时间性要求不强的作业。1.2.6实时系统实时操作系统（RealTimeOperatingSystem，RTOS）是指使计算机能及时响应外部事件的请求，在严格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地工作的操作系统。实时系统按其使用方式不同分为两类：•实时控制系统•实时信息处理系统。1.3操作系统的基本特性1.3.1并发(Concurrence)•并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念：并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而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。•倘若在计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并行执行，即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序，这样，多个程序便可同时执行。1.3.2共享(Sharing)•在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。•由于资源属性的不同，进程对资源共享的方式也不同，目前主要有以下两种资源共享方式。1.系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程(线程)使用，但为使所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享，而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或独占资源。计算机系统中的大多数物理设备，以及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们要求被互斥地共享。2.系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备，一些用重入码编写的文件，也可以被“同时”共享，即若干个用户同时访问该文件。并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。一方面，资源共享是以程序(进程)的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。1.3.3虚拟(Virtual)操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的，即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在OS中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等。在虚拟处理机技术中，是通过多道程序设计技术，让多道程序并发执行的方法，来分时使用一台处理机的。此时，虽然只有一台处理机，但它能同时为多个用户服务，使每个终端用户都认为是有一个CPU在专门为他服务。亦即，利用多道程序设计技术，把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU，也称为虚拟处理机，我们把用户所感觉到的CPU称为虚拟处理器。虚拟存储器技术，将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器，以便从逻辑上来扩充存储器的容量。此时，虽然物理内存的容量可能不大(如32MB)，但它可以运行比它大得多的用户程序(如128MB)。这使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多，认为该机器的内存至少也有128MB。当然这时用户所感觉到的内存容量是虚的。我们把用户所感觉到的存储器称为虚拟存储器。虚拟设备技术，将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备，这样便可使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备(即临界资源)，变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。在操作系统中，虚拟的实现主要是通过分时使用的方法。显然，如果n是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的1/n。1.3.4异步性(Asynchronism)在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但只有进程在获得所需的资源后方能执行。在单处理机环境下，由于系统中只有一个处理机，因而每次只允许一个进程执行，其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源要求时，如打印请求，而此时打印机正在为其它某进程打印，由于打印机属于临界资源，因此正在执行的进程必须等待，且放弃处理机，直到打印机空闲，并再次把处理机分配给该进程时，该进程方能继续执行。可见，由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不是“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。内存中的每个进程在何时能获得处理机运行，何时又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成，等等，都是不可预知的。由于各用户程序性能的不同，比如，有的侧重于计算而较少需要I/O；而又有的程序其计算少而I/O多，这样，很可能