操作系统教程第四版(孙钟秀)全部课件

第1章操作系统概论主要内容1.1操作系统概观1.2操作系统的形成和发展1.3操作系统提供的服务和用户接口1.4操作系统结构和运行模型1.5流行操作系统简介11.1操作系统概观1.1.1操作系统的定义和目标1.1.2操作系统的资源管理技术1.1.3操作系统的作用与功能1.1.4操作系统的主要特性21.1.1操作系统的定义和目标操作系统是管理系统资源、控制程序执行，改善人机界面，提供各种服务，合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算机提供良好运行环境的最基本的一种系统软件。3操作系统的主要目标方便用户使用扩充机器功能管理系统资源提高系统效率构筑开放环境4计算机系统的层次结构(1)财务系统航空订票上网浏览电子商务科学计算(应用软件)编译程序汇编程序数据库(支撑软件)操作系统(系统软件)操作系统(系统软件)计算机硬件………用户n用户4用户3用户2用户1实用程序5计算机系统的层次结构(2)硬件层提供基本的可计算性资源，如处理器、寄存器、存储器及各种I/O设备。操作系统层负责管理和控制计算机硬件并对其做首次扩充和改造。系统程序层（支撑软件层）利用系统所提供的扩展指令集，实现编译、汇编等实用程序，支持应用软件的开发和运行。应用层解决用户特定的或不同应用所需要的信息处理问题。6操作系统与支撑软件及应用软件的区别程序意图不同，操作系统有权分配资源，而其它程序只能使用资源；操作系统是软件系统的核心，是各种软件的基础运行平台；通用操作系统提供共性功能支持，与硬件相关但和应用领域无关；支撑软件及应用软件不能直接而只能通过操作系统来使用计算机系统的物理资源。71.1.2操作系统的资源管理技术资源复用(解决物理资源数量不足)资源虚化(解决物理资源数量不足，提高服务的能力和水平)资源抽象(处理系统的复杂性，解决资源的易用性)1.资源管理技术81)资源复用(1)空分复用共享--该资源可进一步分割成更多和更小的单位供进程使用。如内存、磁盘。(2)时分复用共享--并不把资源进一步分割成更小的单位，进程可在一个时间片内独占使用整个物理资源。如处理器。92)资源虚化是对资源进行转化、模拟或整合，把物理上的一个资源变成逻辑上的多个对应物的一类技术。虚化的例子—虚拟设备、虚拟存储器、虚拟屏幕(终端)、虚拟信道、虚拟文件。103)资源抽象资源抽象用于处理系统的复杂性，重点解决资源的易用性。资源抽象指通过创建软件来屏蔽硬件资源物理特性和接口细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用的一类技术。单级资源抽象与多级资源抽象。114)组合使用抽象和虚化技术对于一类资源，操作系统往往同时实施抽象和虚化技术。例1，为打印机既配置“打印函数”(设备驱动程序)，又实施虚拟设备，通过打印函数抽象隐蔽打印机动作细节，实施SPOOLing虚化“扩充”物理打印机数量。例2，窗口软件是对物理终端的虚化和抽象，能为用户提供虚拟终端和方便的I/O服务。122.操作系统中的基础抽象进程抽象是对已进入主存正在运行的程序在处理器上操作的状态集的抽象。虚存抽象是对物理主存的抽象，进程可获得一个硕大的连续地址空间来存放可执行程序和数据，可使用虚拟地址来引用物理主存单元。文件抽象是对磁盘之类存储设备的抽象。13文件抽象是操作系统对磁盘设备的多层次抽象第一层抽象，从磁盘到分区。第二层抽象，从分区到扇区。第三层抽象，从扇区到簇。第四层抽象，从簇到文件系统分区。14操作系统最基础抽象小结文件抽象虚存抽象进程抽象处理器主存设备153.虚拟计算机什么是虚拟计算机?虚拟计算机是一台抽象计算机，它在硬件的基础上由软件来实现，并且与物理计算机一样，具有指令集及可用的存储空间。什么是操作系统虚拟机?如果某台机器上配有操作系统，对于用户来说，就是一台以操作系统语言（系统调用）为机器语言的操作系统虚拟机。操作系统虚拟机的组成：1)虚处理器2)虚拟主存3)虚拟辅存4)虚拟设备16虚拟计算机操作系统资源管理(复用、虚化、主抽象)处II理//主辅器OO存存设设备备物理计算机虚虚虚虚处主辅设理存存备器虚拟机n进程Pn时分复用共享空分复用共享…虚虚虚虚处主辅设理存存备器虚拟机1进程P1171.1.3操作系统的作用与功能操作系统的作用：对内是“管理员”，对外是“服务员”：OS作为用户接口和服务提供者OS作为作为扩展机或虚拟机OS作为资源管理者和控制者18OS作为用户接口和服务提供者操作系统提供友善的人机接口，使得用户能够方便、可靠、安全、高效地使用硬件和运行应用程序；操作系统对计算机硬件进行改造和扩充，为用户提供强有力的各种服务；19OS作为扩展机或虚拟机在计算机裸机上加上操作系统来组成整个计算机系统；操作系统把硬件的复杂性与用户隔离开来；操作系统与硬件组成一台功能显著增强，使用更加方便，安全可靠性更好的扩展机器或虚拟机。20操作系统作为计算机系统的资源管理者(1)操作系统中，能分配给用户使用的硬件和软件设施总称为资源，包括两类：硬件资源和信息资源。硬件资源又分：处理器、存储器、I/O设备等；信息资源又分：程序和数据等。也可把操作系统定义为：是能使诸用户有效、方便地共享一套计算机系统资源的一种系统软件。21操作系统作为计算机系统的资源管理者(2)操作系统的重要任务之一对资源进行抽象研究，找出各种资源共性和个性，有序地管理计算机中的硬件、软件资源，跟踪资源使用情况，监视资源的状态，满足用户对资源的需求，协调各程序对资源的使用冲突；研究使用资源的统一方法，让用户简单、有效的使用资源，最大限度地实现各类资源的共享，提高资源利用率，从而，使得计算机系统的效率有很大提高。22操作系统的功能处理机管理存储管理设备管理文件管理网络与通信管理用户接口23处理机管理(1)进程控制和管理；(2)进程同步和互斥；(3)进程通信；(4)进程死锁；(5)线程控制和管理；(6)处理器调度，又分高级调度，中级调度和低级调度。24存储管理(1)主存分配；(2)地址转换与存储保护；(3)主存共享；(4)存储扩充。25设备管理(1)提供设备中断处理；(2)提供缓冲区管理；(3)提供设备独立性，实现逻辑设备到物理设备之间的映射；(4)设备的分配和回收；(5)实现共享型设备的驱动调度；(6)实现虚拟设备。26文件管理(1)提供文件的逻辑组织方法；(2)提供文件的物理组织方法；(3)提供文件的存取和使用方法；(4)实现文件的目录管理；(5)实现文件的共享和安全性控制；(6)实现文件的存储空间管理。27网络与通信管理(1)网络资源管理；(2)数据通信管理；(3)网络管理。用户接口(1)程序接口；(2)操作接口。281.1.4操作系统的主要特性第一个特性--并发性第二个特性--共享性第三个特性--异步性29操作系统中的并发性(1)并发性---指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生。发挥并发性能够消除系统中部件和部件之间的相互等待，有效地改善系统资源的利用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率。30并发性使系统变得复杂化：如何从一个活动切换到另一个活动？怎样将各个活动隔离开来，使之互不干扰，免遭对方破坏？怎样让多个活动协作完成任务？怎样协调多个活动对资源的竞争？如何保证每个活动的资源不被其它进程侵犯?多个活动共享文件数据时，如何保证数据的一致性？操作系统中的并发性(2)31采用并发技术的系统称多任务系统。并发的实质是一个物理CPU(也可以多个物理CPU)在若干道程序之间多路复用，并发性是对有限物理资源强制行使多用户共享以提高效率。结论：实现并发技术的关键之一是如何对系统内的多个活动(进程)进行切换的技术。操作系统中的并发性(3)32并行性---两个或两个以上的事件或活动在同一时刻发生并行的事件或活动一定是并发的，但反之并发的事件或活动未必是并行的。并行性是并发性的特例，而并发性是并行性的扩展。操作系统中的并发性(4)33操作系统中的共享性共享指操作系统中的资源可被多个并发执行的进程所使用：透明资源共享：资源隔离与授权访问显式资源共享：临界资源与独占访问与共享性有关的问题：资源分配、信息保护、存取控制等，必须要妥善解决好。34操作系统中的异步性(1)操作系统中的异步性处处可见：(1)进程何时执行？何时暂停？怎样的速度向前推进？都是异步(随机)的。(2)作业到达系统的类型和时间是随机的；(3)操作员发出命令或按按钮的时刻是随机的；(4)程序运行发生错误或异常的时刻是随机的；(5)各种各样硬件和软件中断事件发生的时刻是随机的。35操作系统中的异步性(2)异步性给系统带来潜在危险,有可能导致与时间有关的错误。操作系统的一个重要任务是必须确保捕捉任何一种随机事件，正确处理可能发生的随机事件，正确处理任何一种产生的事件序列，否则将会导致严重后果。361.2操作系统的发展和形成1.2.1人工操作阶段1.2.2管理程序阶段1.2.3多道程序设计与操作系统的形成1.2.4操作系统的分类371.2.1人工操作阶段人工把源程序用穿孔机穿制在卡片或纸带上将准备好的汇编解释程序或编译系统装入计算机汇编程序或编译系统读入人工装在输入机上的穿孔卡或穿孔带执行汇编过程或编译过程，产生目标程序，并输出目标卡片迭或纸带通过引导程序把装在输入机上的目标程序读入计算机启动目标程序执行，从输入机上读入人工装好的数据卡或数据带产生计算结果，执行结果从打印机上或卡片机上输出38人工操作阶段的缺点用户上机独占全机资源，造成资源利用率不高，系统效率低下手工操作多，浪费处理机时间，也极易发生差错数据的输入，程序的执行、结果的输出均联机进行，从上机到下机的时间拉得非常长391.2.2管理程序阶段(1)工作流程如下：操作员集中一批用户提交的作业，由管理程序将作业从纸带或卡片机输入到磁带上，每当一批作业输入完成后，管理程序自动把磁带上的第一个作业装入主存，并把控制权交给作业。当该作业执行完成后，作业又把控制权缴回管理程序，管理程序再调入磁带上的第二个作业到主存执行40管理程序阶段(2)中断处理设备驱动作业定序命令和JCL语言解释器用户程序区管理程序的主存组织41管理程序阶段(3)管理程序的主要功能:自动控制和处理作业流提供一套操作命令提供设备驱动和I/O控制功能提供库函数和程序装配功能提供简单的文件管理功能42管理程序阶段(4)程序算题过程管理程序还有未处理作业取下一个作业步控制卡读Job卡登记新作业End作业卡回收资源撤离作业执行作业步作业步正常结束分析原因作相应处理作业继续执行转向某作业步SSSFFF结束431.2.3多道程序设计与操作系统形成1.多道程序设计的概念中断与通道多道程序设计是指允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计算的方法从宏观上看是并行的从微观上看是串行的引入多道程序设计技术的目的:可以提高CPU的利用率，充分发挥计算机硬件的并行性。44多道程序设计例(1)78输入机处理器磁带机130150228280300378430450时间单道算题运行时处理器的使用效率52/（78十52十20）≈35%45多道程序设计例(2)78输入机处理器磁带机1130150228280300378430450时间磁带机2打印机P1P2P1P2两道算题运行时处理器的使用效率（52+42）/150≈63％46多道程序设计的效果采用多道程序设计提高了系统效率，即增长了单位时间的算题量，但对每道程序来说，却延长了计算时间。多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐率是以牺牲用户的响应时间为代价的。472.多道程序设计的道数问题程序等待I/O操作的时间占其运行时间的比例为p，当主存中有n道程序时，所有程序都等待I/O的概率是pn，那么，CPU利用率=1-pnn称为多道程序的道数或度数，可见CPU的利用率是n的函数。48多道程序设计的优点与缺点提高了CPU的利用率提高了主存和I/O设备的利用