操作系統(tǒng)講稿-中科大繼續(xù)教育學(xué)院

1、主講教師： 萬(wàn)壽紅中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)學(xué)院,操作系統(tǒng),教材史杏榮、楊壽保 編著，《操作系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)》，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1997 參考書湯子瀛等著，《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》，西安電子科技大學(xué)出版社，1996 張堯?qū)W 史美林，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程，清華大學(xué)出版社周長(zhǎng)林 左萬(wàn)歷，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程，高等教育出版社作業(yè)統(tǒng)一閉卷筆試,課程目的：了解操作系統(tǒng)的功能、基本原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，加深對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)行環(huán)境的理解?；疽?/p>

2、：掌握一般操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理、作業(yè)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理和文件管理的功能、原理與實(shí)現(xiàn)的基本思想，初步體會(huì)具體操作系統(tǒng)在這些方面的工作機(jī)制。,1.1 什么是操作系統(tǒng)1.2 操作系統(tǒng)發(fā)展史1.3 操作系統(tǒng)的分類1.4 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn),第一章 引論,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成,? 1.1 什么是操作系統(tǒng),? 操作系統(tǒng)的地位和目標(biāo),操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位,有效性（系統(tǒng)管理人員的觀點(diǎn)）方便性（用戶的觀點(diǎn)）,引入操

3、作系統(tǒng)的目標(biāo):,? OS是計(jì)算機(jī)硬件、軟件資源的管理者。,管理的對(duì)象：CPU、存儲(chǔ)器、外部設(shè)備、信息（數(shù)據(jù)和軟件）；管理的內(nèi)容：資源的當(dāng)前狀態(tài)（數(shù)量和使用情況）、資源的分配、回收和訪問(wèn)操作，相應(yīng)管理策略。,? 操作系統(tǒng)的作用,? OS是用戶使用系統(tǒng)硬件、軟件的接口。,系統(tǒng)命令（命令行、菜單式、命令腳本式、圖形用戶接口GUI）；系統(tǒng)調(diào)用（形式上類似于過(guò)程調(diào)用，在應(yīng)用編程中使用）。,在裸機(jī)上添加：設(shè)備管理、文件管理、存儲(chǔ)管理（針對(duì)內(nèi)

4、存和外存）、處理機(jī)管理（針對(duì)CPU）；合理組織工作流程：作業(yè)管理、進(jìn)程管理。,操作系統(tǒng)的非形式化定義（關(guān)鍵點(diǎn)）：系統(tǒng)軟件，程序模塊的集合，資源管理和用戶接口功能,? OS是擴(kuò)展機(jī)(extended machine)/虛擬機(jī)(virtual machine)。,MS OS: MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000UNIX: BSD, SRV4, OSF1

5、, SCO UNIX, AIX, Solaris, LinuxNOS: Novell Netware,? 操作系統(tǒng)舉例,? 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展史,?手工操作?批處理系統(tǒng)( batch processing)?多道程序系統(tǒng)(multiprogramming system)?分時(shí)系統(tǒng)(time-sharing system)?實(shí)時(shí)系統(tǒng)(real-time system),工作方式用戶：用戶既是程序員，又是操作員；用戶是計(jì)算

6、機(jī)專業(yè)人員；編程語(yǔ)言：為機(jī)器語(yǔ)言；輸入輸出：紙帶或卡片；,1946－58年（電子管）：集中計(jì)算（計(jì)算中心），計(jì)算機(jī)資源昂貴；,? 手工操作,主要矛盾計(jì)算機(jī)處理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪費(fèi)）；用戶獨(dú)占全機(jī)的所有資源；提高效率的途徑專門的操作員，批處理,工作特點(diǎn)用戶獨(dú)占全機(jī)CPU等待用戶,批處理中的作業(yè)的組成：用戶程序數(shù)據(jù)作業(yè)說(shuō)明書（作業(yè)控制語(yǔ)言）,58年－64年（晶體管）：利用磁帶把若干個(gè)作業(yè)分類編成作業(yè)執(zhí)

7、行序列，每個(gè)批作業(yè)由一個(gè)專門的監(jiān)督程序（Monitor）自動(dòng)依次處理?？墒褂脜R編語(yǔ)言開發(fā)。,? 批處理系統(tǒng)( batch processingm),兩種批處理方式 (1)聯(lián)機(jī)批處理（早期）（解決人機(jī)矛盾）,用戶提交作業(yè) 操作員合成批作業(yè) 批作業(yè)處理：對(duì)批作業(yè)中的每個(gè)作業(yè)進(jìn)行相同的處理：從磁帶讀入用戶作業(yè)和編譯鏈接程序，編譯鏈接用戶作業(yè)，生成可執(zhí)行程序；啟動(dòng)執(zhí)行；執(zhí)行結(jié)果輸出。問(wèn)題：慢速的輸入輸出處理仍直接由主機(jī)來(lái)完成。輸入輸出時(shí)

8、，CPU處于等待狀態(tài)。,優(yōu)點(diǎn)：同一批內(nèi)各作業(yè)的自動(dòng)依次更替，改善了主機(jī)CPU和I/O設(shè)備的使用效率，提高了吞吐量。缺點(diǎn)：磁帶或磁盤需要人工裝卸，作業(yè)需要人工分類，監(jiān)督程序易遭到用戶程序的破壞（由人工干預(yù)才可恢復(fù)）。,利用衛(wèi)星機(jī)完成輸入輸出功能。主機(jī)與衛(wèi)星機(jī)可并行工作。,兩種批處理方式(2)脫機(jī)批處理（解決cpu與I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾）,CPU和I/O設(shè)備使用忙閑不均（取決于當(dāng)前作業(yè)的特性）。內(nèi)存僅放一道運(yùn)行程序?qū)τ?jì)算為主

9、的作業(yè)，外設(shè)空閑；對(duì)I/O為主的作業(yè)，CPU空閑；,單道批處理的主要問(wèn)題,通道：用于控制I/O設(shè)備與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸。啟動(dòng)后可獨(dú)立于CPU運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)CPU與I/O的并行。中斷是指CPU在收到外部中斷信號(hào)后，停止原來(lái)工作，轉(zhuǎn)去處理該中斷事件，完畢后回到原來(lái)斷點(diǎn)繼續(xù)工作。引進(jìn)緩沖技術(shù)，減少cpu和外設(shè)的等待時(shí)間，提高cpu和外設(shè)并行工作的程度。,通道和中斷技術(shù),多道程序技術(shù)運(yùn)行特征多道：內(nèi)存中同時(shí)存放幾個(gè)作業(yè)；宏觀上并行運(yùn)行：都

10、處于運(yùn)行狀態(tài)，但都未運(yùn)行完；微觀上串行運(yùn)行：各作業(yè)交替使用CPU；,64年－70年（集成電路）：利用多道批處理提高資源的利用率。,? 多道程序系統(tǒng) (multiprogramming system),?多道程序系統(tǒng)上的技術(shù),作業(yè)調(diào)度資源共享內(nèi)存使用內(nèi)存保護(hù)文件非順序存放、隨機(jī)存取,作業(yè)管理、處理機(jī)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理(file system),假脫機(jī)批處理使用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)和通道技術(shù)，由輸入和輸出進(jìn)程實(shí)

11、現(xiàn)在低速設(shè)備和高速設(shè)備（磁盤）之間的信息傳輸任務(wù)；在聯(lián)機(jī)方式下實(shí)現(xiàn)脫機(jī)批處理操作，消除人工干預(yù)，提高系統(tǒng)資源利用率；現(xiàn)代操作系統(tǒng)中廣泛使用假脫機(jī)處理技術(shù)。,? 多道批處理系統(tǒng)的資源利用效率特征,多道批處理系統(tǒng)的資源利用效率特征是基于各作業(yè)對(duì)系統(tǒng)資源的需求差異得到的。例如：有3個(gè)作業(yè)A、B、C，分別為計(jì)算、檢索和打印作業(yè)，單道運(yùn)行時(shí)間分別為5分、15分和10分鐘。它們可并行在15分鐘內(nèi)完成3個(gè)作業(yè)。各資源的利用效率為：,多道批處理

12、系統(tǒng)的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：資源利用率高：CPU和內(nèi)存利用率較高；作業(yè)吞吐量大：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的工作總量大。缺點(diǎn)：用戶交互性差：不利于調(diào)試和修改；作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)：短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間顯著增長(zhǎng)。,“分時(shí)”的含義分時(shí)是指多個(gè)用戶分享使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)。多個(gè)程序分時(shí)共享硬件和軟件資源。多個(gè)用戶分時(shí)通常按時(shí)間片(time slice)分配：各個(gè)程序在CPU上執(zhí)行的輪換時(shí)間。設(shè)計(jì)目標(biāo)：對(duì)用戶的請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng)，并在可能條件下盡量提高系統(tǒng)資源的利用

13、率。適合辦公自動(dòng)化、教學(xué)及事務(wù)處理等要求人機(jī)會(huì)話的場(chǎng)合。,70年代中期至今,? 分時(shí)系統(tǒng)(time-sharing system),主機(jī),終端,,,,,,分時(shí)系統(tǒng)示意圖,分時(shí)操作系統(tǒng)特點(diǎn),多路性交互性 “獨(dú)占”性及時(shí)性,同時(shí)有多個(gè)用戶使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)宏觀上：是多個(gè)人同時(shí)使用一個(gè)CPU微觀上：多個(gè)人在不同時(shí)刻輪流使用CPU,用戶根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)一步提出新請(qǐng)求(用戶直接干預(yù)每一步),用戶感覺(jué)不到計(jì)算機(jī)為其他人服務(wù)（OS提供虛

14、機(jī)器，各個(gè)用戶的虛機(jī)器互不干擾）,系統(tǒng)對(duì)用戶提出的請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng),要求：響應(yīng)時(shí)間短，在一定范圍系統(tǒng)可靠性高任務(wù)的類型：周期性實(shí)時(shí)任務(wù)非周期性實(shí)時(shí)任務(wù),用于工業(yè)過(guò)程控制、軍事實(shí)時(shí)控制、金融等領(lǐng)域,?實(shí)時(shí)系統(tǒng)(real-time system),并發(fā)(concurrency)共享(sharing)虛擬(virtual)異步性(asynchronism),?操作系統(tǒng)的特征,在多道程序處理時(shí)，宏觀上并發(fā)，微觀上交替執(zhí)行（在單處理器情

15、況下）。程序的靜態(tài)實(shí)體是可執(zhí)行文件，而動(dòng)態(tài)實(shí)體是進(jìn)程。,多個(gè)事件在同一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)是一個(gè)并發(fā)系統(tǒng)，各進(jìn)程間的并發(fā)，系統(tǒng)與應(yīng)用間的并發(fā)。操作系統(tǒng)要完成這些并發(fā)過(guò)程的管理。并行(parallel)是指在同一時(shí)刻發(fā)生。,并發(fā)(concurrency),共享(sharing),互斥共享：資源分配后到釋放前，不能被其他進(jìn)程所用。同時(shí)訪問(wèn)資源分配難以達(dá)到最優(yōu)化,多個(gè)進(jìn)程共享有限的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配和使用

16、。資源在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)交替被多個(gè)進(jìn)程所用。,虛擬(virtual),CPU－－每個(gè)用戶（進(jìn)程）的"虛處理機(jī)"存儲(chǔ)器－－每個(gè)進(jìn)程都占有的地址空間（指令＋數(shù)據(jù)＋堆棧）顯示設(shè)備－－多窗口或虛擬終端(virtual terminal),一個(gè)物理實(shí)體映射為若干個(gè)對(duì)應(yīng)的邏輯實(shí)體－－分時(shí)或分空間。虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率。,異步性(asynchronism),進(jìn)程的運(yùn)行速度不可預(yù)知：分時(shí)系統(tǒng)中，多個(gè)

17、進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，"時(shí)走時(shí)停"，不可預(yù)知每個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行推進(jìn)快慢判據(jù)：無(wú)論快慢，應(yīng)該結(jié)果相同－－通過(guò)進(jìn)程互斥和同步手段來(lái)保證難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)（包括重現(xiàn)運(yùn)行中的錯(cuò)誤）,也稱不確定性，指進(jìn)程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時(shí)間的不確定性；,? 1.3 操作系統(tǒng)的分類,操作系統(tǒng)分類主要討論操作系統(tǒng)的功能特征。,? 1.3.1 批處理操作系統(tǒng)? 1.3.2 分時(shí)操作系統(tǒng)? 1.3.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)? 1.3.4 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

18、? 1.3.5 分布式操作系統(tǒng),? 作業(yè)的處理流程作業(yè)提交：作業(yè)的輸入；作業(yè)執(zhí)行作業(yè)完成：作業(yè)的輸出；,1.3.1 批處理操作系統(tǒng)(Batch Processing Operation System),? 批處理的主要特征,用戶脫機(jī)使用計(jì)算機(jī)作業(yè)成批處理多道程序并行,? 三種批處理類型單道批處理操作系統(tǒng)；多道批處理操作系統(tǒng)；遠(yuǎn)程批處理系統(tǒng),把計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源（尤其是CPU時(shí)間）進(jìn)行時(shí)間上的分割，每個(gè)時(shí)間段稱為一個(gè)時(shí)間片

19、（time slice），每個(gè)用戶依次輪流使用時(shí)間片。,1.3.2 分時(shí)操作系統(tǒng)(Time Sharing Operating System),? 分時(shí)的定義,?分時(shí)系統(tǒng)的特征,多路性：多個(gè)用戶同時(shí)工作。獨(dú)立性：各用戶獨(dú)立操作，互不干擾。交互性：系統(tǒng)能及時(shí)對(duì)用戶的操作進(jìn)行響應(yīng)，顯著提高調(diào)試和修改程序的效率：縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間。,? 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理：提供系統(tǒng)日期和時(shí)間、定時(shí)和延時(shí)等時(shí)鐘管理功能；及時(shí)性：響應(yīng)時(shí)間的要求；多

20、任務(wù)管理：系統(tǒng)的并發(fā)性和隨機(jī)性；高度可靠性和安全性：容錯(cuò)能力（如故障自動(dòng)復(fù)位）和冗余備份（雙機(jī)，關(guān)鍵部件）；,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要用于過(guò)程控制、事務(wù)處理等有實(shí)時(shí)要求的領(lǐng)域，其主要特征是實(shí)時(shí)性和可靠性。,1.3.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real Time Operating System),通常操作系統(tǒng)的功能：處理機(jī)管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理、文件管理等；網(wǎng)絡(luò)通信功能：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸；網(wǎng)絡(luò)資源管理：協(xié)調(diào)各用戶使用；網(wǎng)絡(luò)

21、服務(wù)：文件和設(shè)備共享，信息發(fā)布；提供網(wǎng)絡(luò)接口,1.3.4 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NOS, Network Operating System),分布式系統(tǒng)：處理和控制的分散（相對(duì)于集中式系統(tǒng)）,1.3.5 分布式操作系統(tǒng)(Distributed Operating System),多機(jī)合作：自動(dòng)的任務(wù)分配和協(xié)調(diào),堅(jiān)強(qiáng)性：計(jì)算機(jī)或通路發(fā)生故障時(shí)，其它部分可自動(dòng)重構(gòu)成一個(gè)新的系統(tǒng)，繼續(xù)工作,結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn),資源管理的觀點(diǎn),進(jìn)程的觀點(diǎn),用戶觀點(diǎn),? 1.

22、4研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn),操作系統(tǒng)是由一些可同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行的進(jìn)程和一個(gè)對(duì)這些進(jìn)程進(jìn)行協(xié)調(diào)的核心組成。,? 進(jìn)程的觀點(diǎn),進(jìn)程（任務(wù)）：,完成某一特定功能的程序是程序的一次執(zhí)行過(guò)程是動(dòng)態(tài)有生命的，當(dāng)它執(zhí)行時(shí)存在，否則消亡,進(jìn)程是并發(fā)程序的執(zhí)行，是獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，是資源分配的基本單位。,操作系統(tǒng)---資源管理者 硬件資源：CPU,內(nèi)存,外部設(shè)備(I/O設(shè)備，外存等) 軟件資源：硬盤上的文件,信息,? 資源管理的觀點(diǎn),? 操作

23、系統(tǒng)的主要功能： 處理機(jī)管理 存儲(chǔ)器管理 I/O設(shè)備管理 文件管理,管理資源,記錄資源使用狀況 如 哪些資源空閑，好壞與否，被誰(shuí)使用,使用多長(zhǎng)時(shí)間等合理的分配資源靜態(tài)分配策略 (在程序運(yùn)行前分配，但效率不高)動(dòng)態(tài)分配策略 (在程序運(yùn)行過(guò)程中何時(shí)用資源，何時(shí)分配。其缺點(diǎn)是會(huì)出現(xiàn)死鎖)具體完成分配回收資源,資源管理的目的,實(shí)現(xiàn)資源共享提高資源利用率,傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法－－－

24、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法 設(shè)計(jì)思想： a.按功能劃分成若干模塊 b.規(guī)定模塊間的接口 c.分別對(duì)各模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)、研制,? 結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn),? 模塊結(jié)構(gòu)法：,缺點(diǎn)：,a.接口規(guī)定困難b.無(wú)序性：模塊間調(diào)用關(guān)系復(fù)雜,操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,可維護(hù)性：改錯(cuò)性維護(hù)適應(yīng)性維護(hù)完善性維護(hù)可靠性：正確性穩(wěn)健性可理解性性能：有效地使用系統(tǒng)資源；盡可能快地響應(yīng)用戶請(qǐng)求；,設(shè)計(jì)思想： a.將功能按功能流圖的調(diào)用次序