操作系统简明教程PPT第1章.ppt

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1、计算机操作系统计算机操作系统吴桂军参考书目:汤子瀛等著.计算机操作系统 西安电子科技大学出版社第一章 引论本章要点操作系统的定义操作系统的发展过程及基本操作系统类型和新型操作系统操作系统的功能和特征2 21.1 操作系统的基本概念1.1.1 操作系统的定义计算机系统的组成3 3引入操作系统主要可完成以下两个方面的工作：引入操作系统主要可完成以下两个方面的工作：(1)(1)方便用户使用。方便用户使用。操作系统应该提供给用户一个良好的界面，用操作系统应该提供给用户一个良好的界面，用户不必了解硬件和其它软件的细节，就可以方便地户不必了解硬件和其它软件的细节，就可以方便地使用计算机。使用计算机。(2)

2、(2)充分利用资源。充分利用资源。操作系统应该最大限度地发挥计算机系统资源操作系统应该最大限度地发挥计算机系统资源的使用效率，合理地组织工作流程，使得计算机资的使用效率，合理地组织工作流程，使得计算机资源能为多用户共享。源能为多用户共享。4 4定义：操作系统是为了方便用户和提高计算机的利用率，对计算机资源进行组织和管理的程序集合。用户用户 广义的概念，包括一般用户和软件开发人广义的概念，包括一般用户和软件开发人员等；员等；资源资源包括处理器、存储器、输入包括处理器、存储器、输入/输出设备等硬输出设备等硬件资源和程序与数据等软件资源。件资源和程序与数据等软件资源。5 51.1.2 操作系统在计算

3、机系统中的作用1.对外职能用户与计算机之间的接口 必须为用户提供良好的界面，使用户能够感觉必须为用户提供良好的界面，使用户能够感觉计算机是可用而且易用的。计算机是可用而且易用的。2.对内职能组织和管理计算机资源，充分发挥资源的效能，提高利用率6 61.1.3 1.1.3 研究操作系统的几种观点研究操作系统的几种观点1.1.用户观点用户观点22.资源管理的观点资源管理的观点计算机资源按性质分四类 计算机资源按性质分四类:CPU:CPU、内存、处部设备、信息文件、内存、处部设备、信息文件对于操作系统来说，资源管理要做如下工作：对于操作系统来说，资源管理要做如下工作：(1)(1)对资源使用情况进行登

4、记，这是资源管理的依据。对资源使用情况进行登记，这是资源管理的依据。(2)(2)决定分配策略。决定分配策略。(3)(3)提供分配与回收算法。提供分配与回收算法。3.3.进程观点进程观点进程 进程 分析计算机操作系统在处理过程中的基本对象，是系 分析计算机操作系统在处理过程中的基本对象，是系统中的活动实体。统中的活动实体。7 7图1-2 资源分配与释放过程8 8年代 第一代1946-1957第二代1958-1964第三代1965-1970第四代1971-现在电子器件电子管 晶体管 集成电路 大规模集成电路存储器延迟线、磁芯、磁鼓磁带、纸带磁芯、磁鼓磁带、磁盘半导体存储器磁芯、磁鼓磁带、磁盘半导体

5、存储器磁带、磁盘光盘处理方式机器语言汇编语言监控程序高级语言实时处理操作系统实时/分时处理网络操作系统应用领域科学计算 科学计算数据处理过程控制科学计算系统设计等科技工程领域各行各业运算速度5000 至3 万次/秒几十万至百万次/秒百万至几百万次/秒几百万至千亿次/秒典型机种ENIACEDVACIBM705UNIVAC IBM7094CDC6600IBM360PDP 11NOVA1200ILLIAC-VAX 11IBM PC9 91.2 操作系统的发展 一方面操作随着充分发挥计算机硬件性能的要求不断发展 一方面操作随着充分发挥计算机硬件性能的要求不断发展,另 另一方面它也促进了计算机硬件种类的

6、扩充 一方面它也促进了计算机硬件种类的扩充,使计算机体系结构 使计算机体系结构不断改进 不断改进,功能越来越强大 功能越来越强大.1.2.1 问题的提出1.1.速度问题速度问题 人工操作速度和处理机计算速度严重不匹配 人工操作速度和处理机计算速度严重不匹配2.2.作业差异作业差异3.CPU3.CPU与外部设备的充分利用与外部设备的充分利用10 101.2.3 解决办法1.减少人工干预批处理技术批处理技术作业执行序列、监督或管理程序、自动转换作业执行序列、监督或管理程序、自动转换联机批处理方式联机批处理方式2.改善速度匹配脱机批处理技术计算机卡片机接口计算机卫星机输入/出设备1.2.3 解决办法

7、1.减少人工干预批处理技术批处理技术作业执行序列、监督或管理程序、自动转换作业执行序列、监督或管理程序、自动转换联机批处理方式联机批处理方式2.改善速度匹配脱机批处理技术计算机卡片机接口11 113.实现多道程序系统系统结构：以中央处理器为中心系统结构：以中央处理器为中心主存主存为为中心中心中断技中断技术术和通道技和通道技术术通通过软过软件技件技术术使使CPUCPU和和I/OI/O设备设备并行工作并行工作 多道程序系 多道程序系 统 统多道程序系统是指允许多个相互独立的程序同时存在于内存中，而且处于同时运行的过程中。各道程序轮流占用CPU，交替执行。问题：如何共享资源、如何互斥和同步、如何提

8、高内存使用率、如何证程序安全12 12图1-3 CPU 与I/O 并行图13 131.2.3 基本操作系统类型1.批处理系统用户不能直接干预作业的运行过程用户不能直接干预作业的运行过程作业提交之前用作业控制语言编制成作业说明书或作业作业提交之前用作业控制语言编制成作业说明书或作业控制卡控制卡,与程序和数据一起提交给系统与程序和数据一起提交给系统引入多道程序后,批处理系统有以下特征:(1)多道性(2)无序性(3)调度性：作业从提交到运行完成需要经过两次调度，即 作业从提交到运行完成需要经过两次调度，即作业调度和进程调度。作业调度和进程调度。作业调度 作业调度 是指按照一定作业调度算法，是指按照一

9、定作业调度算法，从后备作业队列中选择一个或几个作业调入内存。从后备作业队列中选择一个或几个作业调入内存。进程调度 进程调度是指按照一定进程调度算法，从在内存的进程中选择一个进 是指按照一定进程调度算法，从在内存的进程中选择一个进程，将处理机分配给它，使之执行。程，将处理机分配给它，使之执行。14 14批处理系统，特别是多道批处理系统的主要优点是资源利用率高和系统吞吐量大。批处理系统的缺点主要体现在以下两个方面：(1)平均周转时间长。作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直到作业完成并退出系统为止所经历的时间。在批处理系统中，由于作业需要排队来依次进行处理，因而作业的周转时间较长。(2)无交互能

10、力。在作业提交后，用户不能与自己的作业进行交互，不便于对作业的控制。15 152 分时系统 分时就是多个用户对系统资源进行时间上的分享。计算机接口终端终端终端终端终端终端分时系统示意图微观上，每个用户作业轮流运行一个时间片；宏观上，多个用户同时工作，共享系统资源。分时系统作为多道程序系统的一个典型代表，集中体现了多道程序系统的一些技术特征，成为当今的计算机操作系统主流16 163 实时系统“实时实时”是指系统能够及时响应发生的外部事件是指系统能够及时响应发生的外部事件(一般一般为一些随机事件为一些随机事件)，并以足够快的速度完成对事件的，并以足够快的速度完成对事件的处理。处理。为了保证程序可靠

11、运行，系统应提供安全措施，比如为了保证程序可靠运行，系统应提供安全措施，比如多级容错、硬件冗余等，避免因发生错误或丢失信多级容错、硬件冗余等，避免因发生错误或丢失信息而造成重大经济损失甚至导致灾难性的后果。息而造成重大经济损失甚至导致灾难性的后果。实时系统相对于其它操作系统来说，其实时系统相对于其它操作系统来说，其优点优点是系统的是系统的及时响应以及系统的可靠性。及时响应以及系统的可靠性。两种类型：硬实时系统，软实时系统。两种类型：硬实时系统，软实时系统。17 171.2.4 新型操作系统1 微机操作系统MS-DOS、Windows、OS/2、UNIX、Linux单用户单任务、单用户多任务、多

12、用户多任务2 多处理机操作系统从硬件结构上分：紧密耦合型和松散耦合型多处理机系统所配置的操作系统分：对称式和非对称式（又称为主 从式）的18 183 网络操作系统 如同在单机上安装操作系统可以方便用户合理组如同在单机上安装操作系统可以方便用户合理组织与管理计算机资源一样，在网络系统之上覆盖一织与管理计算机资源一样，在网络系统之上覆盖一层网络操作系统之后，用户可以方便地使用网络，层网络操作系统之后，用户可以方便地使用网络，实现用户通信和资源共享，提高网络资源的利用率实现用户通信和资源共享，提高网络资源的利用率和网络吞吐量。和网络吞吐量。从从功能功能上讲，上讲，网络操作系统网络操作系统是包括是包括

13、网络管理网络管理、通信通信、资源共享资源共享、系统安全系统安全和和多种网络应用服务多种网络应用服务在在内的诸方面功能的一个系统软件。内的诸方面功能的一个系统软件。19 194 分布式操作系统分布式处理系统是指由多个分散的处理单元经互连网络的连接而形成的，且可以实现分布处理的系统。处理单元处理单元 自治性自治性 协调协调 实现资源管理实现资源管理 动动态地分配任务态地分配任务 能并行地运行分布式程序。能并行地运行分布式程序。操作系统 分布性 并行性 透明性 共享性 健壮性网络操作系统分布处理，集中控制任务在本地计算机上运行操作透明，但需指明物理位置一般只能共享服务器上的资源控制集中于服务器，可靠

14、性弱分布式操作系统分布处理，分布控制多任务在多处理单元中并行执行操作透明，而且物理位置透明各站点资源可供全系统共享容错能力强，可靠性高20 201.3 操作系统的特征与功能1.3.1 操作系统的特征1 并发（Concurrence）并发与并行的区别并发与并行的区别 程序与进程程序与进程2 共享（Sharing）是指内存中多个并发执行的进程共同使用系统中的是指内存中多个并发执行的进程共同使用系统中的资源。资源。资源共享的两种方式资源共享的两种方式 并发与共享的关系并发与共享的关系3 虚拟（Virtual）4 异步性（Asynchronism）21 21从两个不同的角度（）讨论操作系统的功能：从两

15、个不同的角度（）讨论操作系统的功能：1.1.资源管理资源管理 协调、管理计算机的软、硬件资源，提高协调、管理计算机的软、硬件资源，提高其利用率。其利用率。2.2.用户角度用户角度 为用户提供使用计算机的环境和服务。为用户提供使用计算机的环境和服务。计算机四大类资源1.3.2 操作系统的功能22 221 处理机管理的功能 进程管理和作业管理进程管理和作业管理 1)进程控制 2)进程同步 3)进程通信 4)调度 作业调度作业调度作业具有使用作业具有使用CPUCPU的权力的权力 进程调度进程调度真正获得真正获得CPUCPU最重要内容！第2 章23 23 22存储器管理的功能存储器管理的功能1)1)内

16、存分配内存分配 内存分配的 内存分配的 主要任务 主要任务 是为每道程序分配足够完整运行 是为每道程序分配足够完整运行的内存空间，而且要提高存储器的利用率。的内存空间，而且要提高存储器的利用率。内存分配的机制中应具有以下内存分配的机制中应具有以下结构和功能结构和功能：内存分配数据结构：该结构用于记录内存空内存分配数据结构：该结构用于记录内存空间的使用情况，作为内存分配的依据。间的使用情况，作为内存分配的依据。内存分配功能：系统按照一定的内存分配算内存分配功能：系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存空间。法为用户程序分配内存空间。内存回收功能：系统对用户不再需要的内存内存回收功能：系统对用

17、户不再需要的内存根据释放请求进行回收。根据释放请求进行回收。24 242)内存保护 内存保护内存保护是指通过设置内存保护机制来确保每是指通过设置内存保护机制来确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，不能访道用户程序都在自己的内存空间中运行，不能访问操作系统存放在系统区中的程序和数据，也不问操作系统存放在系统区中的程序和数据，也不允许访问非共享的其它用户程序内存区。允许访问非共享的其它用户程序内存区。3)地址变换 用户应用程序（源程序）经编译、链接而形用户应用程序（源程序）经编译、链接而形成的可装入程序，它所形成的逻辑单元编号（即成的可装入程序，它所形成的逻辑单元编号（即逻辑地址逻辑地址）与装

18、入内存后具体的内存存储单元编）与装入内存后具体的内存存储单元编号（即号（即物理地址物理地址）之间的对应变换，需借助于相）之间的对应变换，需借助于相应的地址变换硬件机构实现，以保证程序在执行应的地址变换硬件机构实现，以保证程序在执行过程中可以在正确的内存单元访问所需的指令或过程中可以在正确的内存单元访问所需的指令或数据。数据。25 254)内存扩充大型文件系统 虚拟存储技术 逻辑扩充 请求调入请求调入功能。允许在仅装入一部分用户程序和数据功能。允许在仅装入一部分用户程序和数据的情况下，启动该进程运行。在运行过程中，当发现的情况下，启动该进程运行。在运行过程中，当发现继续运行时所需的程序和数据尚未

19、装入内存时，可向继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存时，可向OSOS发出请求，由发出请求，由OSOS将所需部分调入内存，以便继续将所需部分调入内存，以便继续运行。运行。对换对换功能。若内存中已无足够的空间来装入需要调入功能。若内存中已无足够的空间来装入需要调入的部分时，系统应将内存中的一部分暂时不用的程序的部分时，系统应将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调至磁盘上，以便腾出内存空间，然后再将所和数据调至磁盘上，以便腾出内存空间，然后再将所需部分调入内存。需部分调入内存。以上是第 以上是第 3 3 章将要讲述内容。章将要讲述内容。26 263 设备管理的功能 设备管理设备管理是指根据用户的是

20、指根据用户的I/OI/O请求分配相应的请求分配相应的I/OI/O设设备，控制备，控制I/OI/O操作过程，达到提高操作过程，达到提高I/OI/O速度和设备利用速度和设备利用率的目的。设备管理具体包括以下内容。率的目的。设备管理具体包括以下内容。1)缓冲管理 缓冲管理的缓冲管理的基本任务基本任务是管理好各种类型的缓冲区，是管理好各种类型的缓冲区，以缓和以缓和CPUCPU和和I/OI/O速度不匹配的矛盾，最终达到提高速度不匹配的矛盾，最终达到提高CPUCPU和和I/OI/O设备利用率，进而提高系统吞吐量的目的。设备利用率，进而提高系统吞吐量的目的。最常见的缓冲区机制有最常见的缓冲区机制有单缓冲机制

21、单缓冲机制，可实现双向同时，可实现双向同时传送数据的传送数据的双缓冲机制双缓冲机制，以及可供多个设备同时使用，以及可供多个设备同时使用的的公用缓冲池机制公用缓冲池机制。27 272)设备分配 设备分配的设备分配的基本任务基本任务是根据用户的是根据用户的I/OI/O请求，为其请求，为其分配所需的设备，其中包括可能需要的相应的控制器分配所需的设备，其中包括可能需要的相应的控制器和通道。和通道。需数据结构：系统设备表、需数据结构：系统设备表、设备设备控制表、控制表、控制器控制器控制表、控制表、通道通道控制表等控制表等3)设备处理 设备处理程序设备处理程序又称为又称为设备驱动程序设备驱动程序。其基本任

22、务。其基本任务通常是实现通常是实现CPUCPU和设备控制器之间的通信，由和设备控制器之间的通信，由CPUCPU向设备控制器发出向设备控制器发出I/OI/O指令，要求它完成指定的指令，要求它完成指定的I/OI/O操操作，并能接收由设备控制器发来的中断请求，给予及作，并能接收由设备控制器发来的中断请求，给予及时的响应和相应的处理。时的响应和相应的处理。28 284)设备独立性和虚拟设备 设备独立性是指应用程序使用的逻辑设备名独立于具体的物理设备，以使用户编制的程序与实际使用的物理设备无关。虚拟设备就是虚拟技术在设备管理中的一种具体应用。以上是第 以上是第 4 4 章将要讲述内容。章将要讲述内容。2

23、9 294 文件管理的功能 文件管理是指对存储在磁盘或磁带上的文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。文件管理具体包括：对文件存储空间的管理，目录管理，文件的读、写管理以及文件的共享与保护等功能。30 301)文件存储空间的管理 由文件系统对诸多文件在存储空间的占用情况由文件系统对诸多文件在存储空间的占用情况进行记录，以供分配和回收空间时参考。分配和回进行记录，以供分配和回收空间时参考。分配和回收是以提高存储空间的利用率为目标的。收是以提高存储空间的利用率为目标的。2)目录管理 主要任务主要任务是为每个文件建立目录项，以实现方是为每个文件建立目录项，以实现方便的便的按名存取按名存取；

24、文件共享；快速的目录查询手段；文件共享；快速的目录查询手段3)文件的读、写管理和存取控制 该功能规定文件读、写的具体方式，以提高读该功能规定文件读、写的具体方式，以提高读写效率。为了保障文件系统的安全，应对文件存取写效率。为了保障文件系统的安全，应对文件存取施加限制措施，保证各个用户以适当的权限来使用施加限制措施，保证各个用户以适当的权限来使用文件系统，达到系统的安全性要求。文件系统，达到系统的安全性要求。以上是第 以上是第 5 5 章将要讲述内容。章将要讲述内容。31 315.用户接口 为了方便用户使用计算机，操作系统向用户提供了更易理解和进行工作的命令接口、程序接口和图形接口。这些接口对于

25、不同层次、不同水平的用户提供了快速、高效访问计算机的手段，对于计算机的普及与发展起到了非常重要的促进作用。将在第 将在第 2 2 章简述。章简述。32 321.4 操作系统的结构设计操作系统设计的一般观点 操作系统设计的一般观点?1.4.1 整体式系统一种非模块化的简单结构一种非模块化的简单结构一系列的过程一系列的过程 明确定义的接口明确定义的接口 随意调用随意调用操作系统与外部程序有统一的接口，即一组操作系统与外部程序有统一的接口，即一组系统调用命系统调用命令令系统态（管态）系统态（管态）、用户态（目态）、用户态（目态）33 33整体式系统基本的结构关系：(1)(1)一个主过程，它接受和解释

26、系统调用命令，并调用相应的 一个主过程，它接受和解释系统调用命令，并调用相应的过程 过程(2)(2)一组执行系统调用的服务过程，每个系统调用都有对应的 一组执行系统调用的服务过程，每个系统调用都有对应的服务过程。服务过程。(3)(3)一组支持服务过程的实用过程，每个实用过程完成若干个 一组支持服务过程的实用过程，每个实用过程完成若干个服务过程所必须执行的公共事务。服务过程所必须执行的公共事务。MS-DOS MS-DOS 早期的 早期的UNIX UNIX 采用这种结构 采用这种结构所设计出的操作系统既庞大又杂乱，缺乏清晰的程序结构。这一方面会使所编制出的程序错误很多，给调试工作带来很多困难；另一

27、方面也使程序难以阅读和理解，增加了维护人员的负担。34 341.4.2 模块层次式系统一种模块化的系统结构把操作系统划分成若干模块按这些模块的控制或服务关系进行分层每层包含一个或若干个模块层间调用 不可反向两种基本方法：自底向上法和自顶向下法35 35性质：性质：(1)Ai(1)Ai 所提供的资源和功能构成 所提供的资源和功能构成了建立 了建立Ai+1 Ai+1 的全部基础（单 的全部基础（单向依赖关系）。向依赖关系）。(2)(2)从 从Ai Ai 扩充到 扩充到Ai+1 Ai+1 时，并不一 时，并不一定是 定是Ai Ai 的全部功能都同时被扩 的全部功能都同时被扩充了，充了，Ai Ai 的

28、那些未经扩充的功 的那些未经扩充的功能被看成是延续到 能被看成是延续到Ai+1 Ai+1 中去，中去，故 故Ai+1 Ai+1 中有一些功能等同于 中有一些功能等同于Ai Ai 的功能，在建立 的功能，在建立Ai+2 Ai+2 时，把 时，把它看成是 它看成是Ai+1 Ai+1 的功能。的功能。(3)(3)在定义 在定义Ai+1 Ai+1 的新资源时所 的新资源时所用到的 用到的Ai Ai 的资源，在 的资源，在Ai+1 Ai+1 中不 中不应再出现。应再出现。(4)(4)顶层 顶层An An 的正确性可通过逐 的正确性可通过逐步证明以下的每一级虚拟机 步证明以下的每一级虚拟机Ai Ai的正确

29、性来得到证实。的正确性来得到证实。图1-5 自底向上分层设计36 3622自顶向下（自顶向下（Top-Top-downdown）法）法与自底向上法相反，自与自底向上法相反，自顶向下法是从目标系顶向下法是从目标系统统AnAn出发，过渡到宿出发，过渡到宿主系统主系统A0A0的。为了实的。为了实现现AnAn，设计一个适当，设计一个适当的虚拟机的虚拟机An-1An-1，使得，使得AnAn能在能在An-1An-1上实现。上实现。但但An-1An-1本身还无法独本身还无法独立运行，因此再设计立运行，因此再设计一个新的虚拟机一个新的虚拟机An-2An-2来实现来实现An-1An-1。如此重。如此重复，便产生

30、虚拟机序复，便产生虚拟机序列列AnAn，An-1An-1，A1A1，A1A1能在能在A0A0上独上独立运行，如图立运行，如图1-61-6所示。所示。图1-6 自顶向下分层设计37 371.4.3 客户/服务器系统 尽量缩小运行在系统态下的操作系统规模，使其尽量缩小运行在系统态下的操作系统规模，使其只留下极小的内核，而把操作系统的大部分代码搬到只留下极小的内核，而把操作系统的大部分代码搬到更高的层次中去并在用户态下运行更高的层次中去并在用户态下运行(微内核系统微内核系统)。这种思想是基于这样一个出发点：尽可能减少操这种思想是基于这样一个出发点：尽可能减少操作系统中与硬件直接作用的部分，最大限度地隐蔽硬作系统中与硬件直接作用的部分，最大限度地隐蔽硬件特性，以提高系统的安全可靠性和灵活性。件特性，以提高系统的安全可靠性和灵活性。图1-7 客户/服务器模型38 38客户/服务器模式的优点(1)提高了系统的灵活性和可扩充性。(2)提高了OS 的可靠性。(3)可运行于分布式系统中。图1-8 分布式系统中的客户/服务器模型39 39本章结束作业:P17 1、2、4、7、840 40