第01讲、概述(操作系统)

2020年2月26日星期三第1张操作系统基础北京化工大学经济管理学院陆士桓Tel:64235356Email:[e-mail]第2张2020年2月26日星期三课程形式主讲课、习题课、及上机考试笔试—期末考试学习要求按时上课、认真听讲、认真记笔记、整理笔记、阅读参考书、思考、讨论、提问以及上机前认真准备，独立完成实验。第3张2020年2月26日星期三成绩评定作业，上机及期末考试综合评定评定比例：考勤10%上机20%期末考试70%第4张2020年2月26日星期三教材：《操作系统基础程》（第三版）屠祁清华大学出版社教材第5张2020年2月26日星期三参考教材教参（1）：《操作系统教程》（第三版）孙钟秀高等教育出版社第6张2020年2月26日星期三参考教材教参（2）：《计算机操作系统》汤子瀛等西安电子科技大学出版社第7张2020年2月26日星期三理论性强：需要具有微机原理、程序设计基础（C语言）和数据结构基础知识。实践性强：从实践总结出原理涉及面广：并行程序，性能问题，结构问题，程序方法论，软件工程，等等错综复杂：是管理科学在计算机科学方面的具体应用，涉及面广，纵横交叉，要有一定的归纳能力。要学好这门课程，必须花费一定的精力和时间。操作系统课程的特点第8张2020年2月26日星期三注意学习的方式•教师只指出要点，要通过预习、听讲、做作业、研读参考书等，学好这门课。•记笔记相当重要，不能只通过Powerpoint来复习课程，笔记、上机记录都是复习资料。•善于发现问题、提出问题，要努力寻求问题的答案，培养自学能力。•根据本专业特点，注重计算机操作系统与管理科学之间的内在联系。第9张2020年2月26日星期三课程内容第一讲、引论第二讲、进程与线程第三讲、互斥、同步与通讯第四讲、死锁第五讲、处理机调度第六讲、存储管理第七讲、文件系统第八讲、设备管理第10张2020年2月26日星期三第一讲、概论操作系统的概念操作系统的历史操纵系统的特性操作系统的类型操作系统的运行环境操作系统的界面形式操作系统的运行机理系统举例第11张2020年2月26日星期三1.1操作系统概念操作系统地位操作系统作用操作系统定义第12张2020年2月26日星期三1.1.1操作系统地位硬件抽象层：HardwareAbstractLayer（HAL）硬件抽象层之上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第13张2020年2月26日星期三运行视图系统库(lib)可调用操作系统，执行硬件指令应用程序可以调用lib和操作系统，执行硬件指令硬件(HAL)操作系统系统库应用程序机器指令系统调用库调用第14张2020年2月26日星期三1.1.2操作系统的作用管理系统中软件硬件资源CPU内存设备文件为用户(应用程序)提供良好的服务(界面)API：ApplicationProgrammingInterface应用编程接口GUI：graphicaluserinterface图形用户界面第15张2020年2月26日星期三1.1.3操作系统定义操作系统是位于硬件层(HAL)之上，所有其它软件层之下的一个系统软件，是管理系统中各种软硬件资源，控制程序执行，方便用户使用计算机系统，提高系统效率的程序集合。监督计算机运行，控制程序执行，管理全部资源。第16张2020年2月26日星期三1.2操作系统的历史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网络操作系统分布式操作系统多处理机操作系统单用户操作系统面向对象操作系统嵌入式操作系统智能卡操作系统第17张2020年2月26日星期三1.3操作系统特性程序并发性多个程序在宏观上同时向前推进并发(concurrent)vs.并行(parallel)资源共享性多个程序共用系统中的各种软硬件资源在操作系统的协调和控制下第18张2020年2月26日星期三1.4操作系统类型多道批处理操作系统(batchprocessingsystem)分时操作系统(time-sharingsystem)实时操作系统(realtimesystem)通用操作系统(multi-purposesystem)网络操作系统(networkoperatingsystem)分布式操作系统(distributedoperatingsystem)嵌入式操作系统(embeddedoperatingsystem)智能卡操作系统(smart-cardoperatingsystem)第19张2020年2月26日星期三作业（Job)：程序+数据+说明书（JCL编写）结果：程序运行结果+记帐信息主机输入井输出井输出机输入机作业结果SPOOLing输入作业调度（1）作业调度（2）SPOOLing输出1.4.1多道批处理系统（off-line）第20张2020年2月26日星期三1.4.1多道批处理系统(cont.)输入井作用缓冲(速度匹配作用)实现作业调度(jobscheduling)输出井作用缓冲(速度匹配作用)Buffering:处理数据到达与离开速度不一致第21张2020年2月26日星期三1.4.1多道批处理系统(Cont.)主机中作业合理搭配目标1：提高资源利用率(eg.计算型+IO型)目标2：提高吞吐量(throughput)特点多道：系统中同时容纳多个作业成批：作业分批进入系统第22张2020年2月26日星期三界面1：交互式命令语言(eg.shell,command)界面2：图形用户界面(GUI)1.4.2分时操作系统（On-line）TimeSharingOSHAL终端终端终端…...第23张2020年2月26日星期三1.4.2分时操作系统(Cont.)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。典型系统：Multics(MIT)UNIX第24张2020年2月26日星期三1.4.3实时操作系统实时控制工业控制，军事控制，医疗控制，…….实时信息处理航班定票，联机情报检索，…….第25张2020年2月26日星期三实时控制HALRealTimeOS被控对象A/DD/At1t2t2-t1:responsetime（响应时间）第26张2020年2月26日星期三实时信息处理HALRealTimeOS….终端终端终端通常为远程终端特点：（1）响应及时（promptresponse）（2）可靠性高（highreliability）第27张2020年2月26日星期三1.4.4通用操作系统(multi-purposeOS)同时具有：分时、实时、批处理功能。目标：提高处理能力;扩展应用领域。常见模式:分时(前台)+批处理(后台)（eg.GCOS-8）实时(前台)+批处理(后台)Foreground/BackgroundSystem第28张2020年2月26日星期三1.4.5单用户操作系统同一时刻仅有一个用户使用的系统应用领域：台式机，笔记本，…….特点：单用户，多进程，多线程不同的程序，不同的进程；相同的程序,不同的线程第29张2020年2月26日星期三1.4.6网络操作系统DOS3host3NOS2host2Printer建立在宿主操作系统之上，提供网络通讯、网络资源共享、网络服务的软件包。NOS1host1第30张2020年2月26日星期三网络操作系统的目标相互通讯资源共享（信息，设备）提供网络服务数据库服务（databaseserver）FTP服务（ftpserver）电子邮件服务（e-mailserver）远程登录服务（telnetserver）其他服务（etc.）NoTransparentview第31张2020年2月26日星期三1.4.7分布式操作系统紧耦合：(tightlycoupled)由多机系统发展而来（多CPU）有公共内存多处理机操作系统CPU内存CPUCPU…第32张2020年2月26日星期三1.4.7分布式操作系统松散耦合：(looselycoupled)由计算机网络发展而来（多Host)无公共内存，无公共时钟DOShost3DOShost2DOShost1第33张2020年2月26日星期三1.4.7分布式操作系统(Cont.)分布式操作系统特征:统一的操作系统资源的进一步共享可靠性透明性第34张2020年2月26日星期三1.4.7分布式操作系统(Cont.)目标：进一步共享资源，使负载均衡，计算加速。CPU内存途径：迁移（migration）作业迁移进程迁移（线程一般随同进程迁移）例子：SolarisMC：SUN微系统公司开发的一种网络操作系统第35张2020年2月26日星期三1.4.8多处理机操作系统多处理机系统具有公共内存的多CPU系统对称多处理机系统(SMP)没有主从关系的多处理机系统多处理机操作系统有效管理和使用多个CPU的操作系统复杂性：多个主动体（CPUs)例子：UNIX,Linux,Windows第36张2020年2月26日星期三1.4.9嵌入式操作系统嵌入在掌上电脑、通讯设备、车载系统、信息家电等非计算机类设施上的操作系统。特点：微内核结构（Micro-kernel），许多操作系统功能以应用程序模式运行。例子：WinCE.NET（维纳斯）PalmOS（最流行的掌上电脑操作系统）HOPEN（女娲，国产掌上电脑操作系统）第37张2020年2月26日星期三1.4.10智能卡操作系统智能卡CPU芯片ROM面向Java的智能卡JVM解释程序下载Javaapplet并执行SC-OS支持多个applet并发执行必要的资源管理第38张2020年2月26日星期三1.5操作系统运行环境定时装置系统栈特权指令与非特权指令处理机状态及状态转换地址映射机构存储保护设施中断装置通道与DMA控制器IO保护第39张2020年2月26日星期三1.5.1定时装置绝对时钟：记载实际时间，不发中断。间隔时钟：定时发生中断，一般间隔单位为“毫秒”。间隔时钟是实现多道程序的基础—保证操作系统获得控制权。其它中断也进入操作系统，但是否发生，何时发生没有保障。第40张2020年2月26日星期三1.5.2系统栈(systemstack)作用保存中断现场保存子程序转移返回点、参数、局部变量、返回值位置操作系统区域Stackvs.heap第41张2020年2月26日星期三1.5.3特权指令与非特权指令特权指令（privilegedinstruction）只有在管态才能执行的指令(影响系统状态)关中断，置程序状态字，停机，IO，…….非特权指令（non-privilegedinstruction）所有程序可用(不影响系统状态)取数，四则运算，……第42张2020年2月26日星期三1.5.4处理机状态及状态转换处理机状态系统态（systemmode）(管态，核态)用户态（usermode)(目态，常态)状态转换管态目态(置程序状态字)目态管态(中断，内陷（trap）)Dualmodeoperation第43张2020年2月26日星期三例子：IBM360/370PSW状态位（0，1）ModernPCnowsupport4modes:R0（权限最强）R1R2R3（权限最弱）OnlyR0,R3areused,now第44张2020年2月26日星期三1.5.5地址映射机构逻辑地址物理地址逻辑地址(虚地址)：程序中产生的地址物理地址(实地址)：存储器地址Addressmappingbysoftwareispossible,butveryinefficient.第45张2020年2