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计算机操作系统南京工业大学信息学院计算机系2总目录第1章操作系统引论第2章进程管理第3章处理机调度与死锁第4章存储器管理第5章设备管理第6章文件管理第7章操作系统接口3课内上机实验1.进程的创建2.线程的创建3.进程同步4.进程通信5.进程调度6.银行家算法7.页面置换算法的模拟8.磁盘I/O9.命令解释程序【说明】以上9个上机实验，共计22学时(包括2个进阶要求的4学时)，可以选择其中的4次实验(共8学时)作为课内上机实验任务。第1次实验(进程管理)第2次实验(调度与死锁)第4次实验(操作系统接口)第3次实验(存储器管理)(设备管理)(4选1)(2选1)(2选1)4第1章操作系统引论1.1OS的目标和作用1.2OS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1.5操作系统的结构设计第1章复习题51.1.1OS的目标有效性方便性可扩展性开放性操作系统（OperatingSystem,OS）是计算机硬件上的第一层软件，是计算机必须配置的最基本、最重要的系统软件。1.1OS的目标和作用61．有效性(早期OS的主要目标)有效提高CPU和I/O设备利用率提高的方法：合理地组织计算机的工作流程2．方便性(现在OS越来越重视方便性)可使计算机系统更容易使用(解释之)方便性和有效性是设计OS的两个最重要的目标73．可扩展性计算机硬件和体系结构的发展，对OS提出了更高的功能和性能要求计算机网络，特别是Internet的发展，也对OS提出了一系列更高的要求为什么要有可扩充性？因为：OS为了能适应发展的要求，须具有良好的可扩充性。如何才有可扩充性？应采用新的OS结构，如微内核结构和客户服务器模式。84．开放性为什么要有开放性？计算机网络，特别是LAN的迅速发展，使OS的应用环境由单机转向网络环境。为使不同厂家的计算机和设备能通过网络加以集成化，并能正确、有效地协同工作，实现应用的可移植性和互操作性，必须具有统一的开放环境，进而要求OS具有开放性。什么是开放性？开放性是指系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连（OSI）国际标准。9从用户观点看，OS是用户和计算机硬件系统之间的接口从资源管理观点看，OS是计算机系统资源（软、硬）的管理者1.1.2OS的作用1．OS作为用户和计算机硬件系统的接口2．OS作为计算机资源的管理者3．OS实现了对计算机资源的抽象操作系统的作用:101.OS作为用户和计算机硬件系统的接口(用户接口)用户系统调用命令窗口操作系统应用程序计算机硬件图1-1操作系统作为用户接口示意图用户可以通过三种方式使用计算机：命令方式（键盘命令）图标、窗口方式（GUI）系统调用方式（程序接口）操作接口1.1.2OS的作用11计算机系统资源可归结为四类：处理器、存储器、I/O设备、信息（数据和程序）OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效管理：2.OS作为计算机资源的管理者处理机管理：分配和控制处理机存储器管理：主要是内存分配和回收I/O设备管理：I/O设备的分配与操纵文件管理：文件的存取、共享和保护12完全无软件的计算机——裸机。“裸机”难于使用。裸机覆盖了一层I/O设备管理软件如图1-2所示，由它来实现对I/O设备操作的细节，并向上提供一组I/O操作命令，如Read和Write命令，用户可以利用它进行数据输入/输出，而无需关心I/O实现的细节。此时用户所看到的是一台功能显著增强、使用极为方便的的机器，它向上提供了一组抽象的I/O设备，称为扩充机或虚拟机。3.OS实现了对计算机资源的抽象虚拟性是OS的基本特征之一用户用户物理接口硬件物理接口硬件I/O软件I/O操作命令(Read,Write)机器指令虚拟机图1-2I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节第一层软件第二层软件13为了方便用户使用文件系统，又在第一层软件上再覆盖一层用于文件的管理软件，用它来实现对文件操作的细节，并向上提供一组对文件进行存取操作的命令。第二个层次的抽象。又在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件，用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能更强的虚拟机。由此可知，操作系统是铺设在硬件上的多层系统软件，它们不仅增强了系统功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，由它们实现对计算机硬件的多个层次的抽象。141.1.3推动OS发展的主要动力1．不断提高计算机资源利用率。2．方便用户:继续发展的因素分时系统（或称多用户系统）3．器件的不断更新换代4．计算机体系结构的不断发展最初发展的动力。批处理系统8位机→16位机→32位机→64位机(8位OS→16位OS...)单机系统→多处理机系统：单机OS→多处理机OS计算机网络：网络OS151.2OS的发展过程20世纪50年代中期，第一个简单的批处理系统60年代中期，多道程序批处理系统，随后出现分时系统上世纪80年代开始至21世纪初，微型机、多处理机、计算机网络大发展年代→微机OS、多处理机OS和网络OS的形成和大发展年代。161.2.1无OS的计算机系统人工操作方式脱机输入/输出（Off-LineI/O）方式（20世纪50年代末）这一时期有两种操作方式：171．人工操作方式程序员将事先已穿孔（对应于程序和数据）的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片输入机）；再启动输入机将程序和数据输入计算机；然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。缺点：用户独占全机；CPU等待人工操作182．脱机输入/输出方式优点：（1）减少了CPU的空闲时间（2）提高了I/O速度外围机磁带机磁带机磁带机磁带机外围机输出机主机输入设备图1-2脱机I/O示意图191.2.2单道批处理系统把一批作业以脱机方式输入到磁带上；在监督程序（Monitor）控制下使这批作业一个接一个地连续处理。参看下页的图1-3它是OS的前身，而非现在人们理解的OS。1.单道批处理系统的处理过程20开始还有下一个作业？停止把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？装配目标程序目标程序运行直到结束否是是否图1-3单道批处理系统的处理流程212.单道批处理系统的特征(1)自动性在磁带上的作业能自动地逐个地依次运行，而无需人工干预。(2)顺序性(3)单道性磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序相同，即先调入内存的作业先完成。在内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。221.2.3多道批处理系统多道程序设计的基本概念20世纪60年代中期用户提交的作业事先存放在外存上，形成“后备队列”作业调度程序按一定算法从后备队列中选择若干作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。好处：（1）提高CPU利用率（2）提高内存和I/O设备利用率（3）增加系统吞吐量23多道批处理系统的特征(1)多道性：多道程序在内存中并发执行。提高了资源利用率和系统吞吐量。(2)无序性：先进入内存的作业可能后完成；后进入内存的作业可能先完成。(3)调度性：作业从提交到完成，需经过两种调度：作业调度和进程调度。24多道批处理系统的优缺点：（1）资源利用率高。(CPU、内存、I/O设备利用率)（2）系统吞吐量大。（3）周转时间长。（4）无交互能力。系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。作业周转时间是指从作业进入系统（提交）开始，直至它完成并退出系统为止所经历的时间。对修改和调试程序极不方便。25多道批处理系统需要解决的问题（1）处理机管理问题(处理机分配、提高利用率)（2）内存管理问题(分配、保护等)（3）I/O设备管理问题(方便用户、提高利用率)（4）文件管理问题(方便用户、数据安全一致)（5）作业管理问题(计算型、I/O型不同处理)261.2.4分时系统分时系统——是指在一台主机上连接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。271.分时系统的产生是为了满足用户的以下需求而产生的：（1）人-机交互（2）共享主机（3）便于用户上机282．分时系统实现中的关键问题（1）及时接收（2）及时处理用户作业不能先进入磁盘，然后再调入内存不允许一个作业长期占用处理机，直至它运行结束或出现I/O请求后，方才调度其它作业运行应该规定每个作业只运行一个很短的时间（称为时间片）要做到上述两条，必须彻底改变批处理系统的运行方式，即：293．分时系统的特征（1）多路性：允许一台主机上同时联接多个联机终端（2）独立性：每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。（3）及时性：用户的请求能在很短时间内获得响应。（4）交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的对话。301.2.5实时系统实时系统（Real-TimeSystem）——是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。定义：311．应用需求（1）实时控制。飞机或火车的订票系统、情报检索系统等。（2）实时信息处理。实时数据采集处理；执行机构；自动控制322．实时任务在实时系统中必然存在着若干个实时任务，这些实时任务通常与某个（某些）外部设备相关，能反映或控制相应的外部设备，因而带有某种程度的紧迫性。周期性实时任务按指定周期循环执行，以便周期性地控制某外部设备。非周期性实时任务外部设备发出的激励信号无明显周期性，但都必须联系着一个截止时间。①开始截止时间——任务在某时间以前必须开始执行②完成截止时间——任务在某时间以前必须完成分类：按执行是否周期性划分33分类：实时任务按对截止时间要求划分硬实时任务软实时任务系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难于预测的结果。它也联系着一个截止时间，但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响也不会太大。343．实时系统与分时系统特征的比较（1）多路性：实时系统的多路性主要表现在：系统经常对多路的现场信息进行采集，以及对多个对象或多个执行机构进行控制。（2）独立性：实时系统中对信息的采集和对对象的控制，也都是彼此互不干扰（3）及时性：实时系统的及时性，是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的。一般为秒级、百毫秒级直至毫秒级，甚至有的要低于100微秒。（4）交互性：实时系统的交互性仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序，不象分时系统那样能向终端用户提供数据处理服务、资源共享等服务。（5）可靠性：实时系统要求系统高度可靠，往往采用多级容错措施来保证系统的安全性及数据的安全性。351.2.6微机操作系统的发展1．单用户单任务操作系统1)CP/M上世纪70年代(8位机)2)MS-DOS上世纪80年代(16位机/32位机)2．单用户多任务操作系统Windows95Windows98WindowsXPWindowsNT兼容16位应用程序的32位操作系统363．多用户多任务操作系统UNIXOS(AT&T的Bell实验室)SolarisOS(SUN公司)LinuxOS(UNIX重要变种，芬兰学生；集体开发)37操作系统的定义操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。无统一的定义381.3操作系统的基本特征1.3.1并发（Concurrence）OS最重要的特征，其它三个特征都以并发为前提的。并行与并发：并行性——两个或多个事件在同一时刻发生。并发性——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，每一时刻却只能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。若计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执行的程序可被分配到多个处理机上，实现并行执行。39与并发紧密相连的概念——进程通常的程序是静态实体，它是不能并发执行的。为了使程序能并发执行，系统必须分别为每个程序建立进程（Process）。进程是指在系统中