计算机操作系统第三版全部课件

操作系统原理OperatingSystem第1章操作系统绪论•操作系统的概念•操作系统的历史•操作系统的特性•操作系统的基本类型•操作系统的功能•计算机硬件简介•算法的描述•研究操作系统的观点1.1操作系统概念•操作系统的地位•引入操作系统的目的•操作系统定义Whatisoperatingsystem?1.1.1操作系统地位•硬件抽象层（HAL）之上•所有其它软件层之下硬件（HAL）OS其它系统软件层（如编译软件）应用软件层1.1.2引入操作系统的目的•从用户的观点：为用户（应用程序）提供良好的服务界面。API、GUI•从系统管理员的观点：为管理和分配系统资源，提高系统工作效率。•从发展的观点：为系统提供功能扩展平台。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，是管理和控制系统中各种软硬件资源，方便用户使用计算机系统的程序集合。Operatingsupervisormonitoringprogram1.2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、微观上串行推进–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•虚拟性–物理上的一台设备变成逻辑上的多台设备•不确定性1.4操作系统的基本类型•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)•单用户操作系统(singleusersystem)•网络操作系统(networkoperatingsystem)•分布式操作系统(distributedoperatingsystem)•多处理机操作系统(multi-processorsystem)1.4.1多道批处理系统（Off-line）1.4.1多道批处理系统•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–宏观上并行，微观上串行多道批处理系统是以脱机为标志的操作系统，适用于处理运行时间比较长的程序。•主机中作业合理搭配–目标1：提高资源利用率–目标2：提高吞吐量(throughput)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…...1.4.2分时操作系统•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。分时操作系统是以联机为标志的操作系统，特别适用于程序的动态调试与修改。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，…….实时控制HALRealTimeOS被控对象A/DD/At1t2t2-t1:responsetime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）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)–实时(前台)+批处理(后台)Foreground/BackgroundSystem1.4.5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–databaseserver–ftpserver–e-mailserver–telnetserver–etc.NoTransparentview1.4.7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…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DOShost3DOShost2DOShost11.4.7分布式操作系统•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,Windows1.5操作系统的功能•处理机管理•存储管理•设备管理•信息管理（文件系统管理）•用户接口1.6计算机硬件简介1.6.1计算机的基本硬件元素构成计算机基本硬件元素包含以下4种：处理器、存储器、输入输出控制与总线、外部设备。计算机的基本硬件元素1.6.2与操作系统相关的几种主要寄存器1.数据寄存器2.地址寄存器3.条件码寄存器4.程序计数器PC5.指令寄存器IR6.程序状态字PSW7.中断现场保护寄存器8.过程调用用堆栈1.6.3存储器的访问速度存储介质的访问速度一般来说，速度高的存储介质，成本高，容量小；容量大的存储介质，速度慢，成本低。1.6.4指令的执行与中断指令的执行周期中断执行过程f1.6.4指令的执行与中断中断处理时的指令执行周期1.7算法的描述算法描述的方式：自然语言流程图方式类Pascal语言本书：beginRepeatWhile条件If条件end操作dothen……操作……操作Untilodelse操作1.8研究操作系统的几种观点•操作系统是计算机资源的管理者•用户界面的观点•进程管理的观点第2章操作系统用户界面•用户界面简介•一般用户的输入输出界面•命令控制界面•Linux与Windows的命令控制界面•系统调用2.1用户界面简介•用户界面的功能用户界面负责用户与操作系统之间的交互。•用户分类使用和管理计算机的应用程序的用户程序开发人员•用户界面分类命令控制界面系统调用2.2一般用户的输入输出界面2.2.1作业的定义2.2.2作业组织2.2.3一般用户的输入输出方式2.2.1作业的定义在一次应用业务处理过程中，从输入开始到输出结束，用户要求计算机所做的有关该次业务处理的全部工作称为一个作业。作业由不同的顺序相连的作业步组成。图2.1一般编程过程2.2.2作业组织图2.2作业说明书的主要内容2.2.3一般用户的输入输出方式•1.联机输入输出方式外围设备直接和主机相连，速度慢。•2.脱机输入输出方式外围机进行联机输入输出处理，通过外围机的后援存储来实现和主机的连接。速度快。•3.直接耦合方式主机和外围机通过一个公共外存直接连接。速度快，人工不用干预2.2.3一般用户的输入输出方式图2.3直接耦合方式•4.SPOOLING系统•5.网络联机方式2.2.3一般用户的输入输出方式外围设备通过通道或DMA器件与主机和外存相连。2.3命令控制界面用户使用命令控制界面的方式：1、脱机方式填写作业说明书，用户不能干预作业执行。2、联机方式不用填写作业说明书，用户能够干预作业执行。2.4Linux与Windows的命令控制界面RedhatLinux9.0的窗口界面2.4.1Linux的命令控制界面2.4.1Linux的命令控制界面Linux的命令一般包含9类：1系统维护与管理命令2文件操作与管理命令3进程管理命令4磁盘及设备管理命令5用户管理命令6文档操作命令7网络通信命令8程序开发命令9XWindows管理命令2.4.2Windows的命令控制界面Windows的命令控制界面分为两个部分：窗口交互：通过键盘和鼠标在图形上操作。命令解释器：通过cmd.exe为用户服务。2.4.2Windows的命令控制界面图2.6相互调用批处理示例2.5系统调用系统调用分为6类：1设备管理2文件管理3进程控制4进程通信5存储管理6线程管理2.5系统调用系统调用的处理过程第3章进程管理•进程的概念•进程的描述•进程状态及其转换•进程控制•进程互斥•进程同步•进程的通信•死锁问题•线程的概念、分类与执行3.1进程的概念•3.1.1程序的并发执行•3.1.2进程的定义3.1.1程序的并发执行1.程序(program)用来描述计算机所要完成的独立功能，并在时间上严格地按前后次序相继地进行计算机操作序列集合，是一个静态的概念。2.程序的顺序执行（sequence)※程序顺序执行的概念一个具有独立功能的程序独占处理机直至最终结束的过程称为程序的顺序执行。※程序顺序执行的特征﹡顺序性﹡封闭性﹡可再现性3.1.1程序的并发执行•3.程序的并发(concurrent)执行※程序的并发执行：宏观上同时向前推进，微观上同一时刻只有一个程序运行。※程序并发执行分为两种：一种是程序间的并发。另一种是同一程序内部多条指令的并发。※程序并发执行的特性：交叉性、非封闭性、不可再现性3.1.1程序的并发执行•4.程序的顺序性与并发性举例：–顺序性•内部顺序性：P1:a1,a2,a3;P2:b1,b2,b3•外部顺序性：a1,a2,a3,b1,b2,b3;b1,b2,b3,a1,a2,a3–并发性•内部并发性：P1:a1,a2,a3;P2:b1,b2,b3•外部并发性：a1,b1,b2,a2,a3,b3;b1,b2,a1,b3,a2,a33.1.2进程的定义•定义：并发执行的程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位。•定义强调两个方面：–动态：执行中的程序;–并发：可与其他进程同时执行。并发vs.并行•并发：concurrent–宏观同时，“交替执行”，不要求多个CPU•并行：parallel–微观同时，要求多个CPU–“并行算法”3.1.2进程的定义•进程与程序的区别与联系：★进程是一个动态概念，程序是一个静态概念。★进程具有并发特征，而程序没有。★进程是竞争计算机系统资源的基本单位。★不同的进程可以包含同一程序，只要该程序所对应的数据集不同。3.2进程的描述•进程控制块•进程组成与进程上下文•进程上下文的切换•进程空间与大小•进程的类型•进程的相互联系与相互作用3.2.1进程控制块PCB•定义：标志进程存在的数据结构，其中保存系统管理进程所需的全部信息。•PCB的内容：(不同系统不尽相同)–1.描述信息–2.控制信息–3.资源管理信息–4.CPU现场保护结构ProcessControlBlock3.2.2进程的组成与上下文•进程的组成–进程控制块(processcontrolblock)•建立进程建立PCB•撤销PCB撤销进程–程序•代码(code)•数据(data)•堆栈(stack+heap)3.2.2进程的组成与上下文•进程的表记PCB程序PCB代码数据+堆栈表记1表记2系统空间用户空间3.2.2进程的组成与上下文进程上下文（processcontext)–进程的物理实体与支持进程运行的物理环境统称为进程上下文。PCB+程序系统环境：地址空间，系统栈，打开文件表，…3.2.2进程的组成与上下文进程上下文结构3.2.3进程上下文切换•上下文切换（contextswitch)–由一个进程的上下文转到另外一个进程的上下文•系统开销（systemoverhead)–运行操作系统