计算机操作系统原理

《计算机操作系统》教案-1-《计算机操作系统》课程参考书1.[张]张尧学，史美林，计算机操作系统教程，清华大学出版社2.[Stallings98]WilliamStallings,OperatingSystems(3rdedition),清华大学出版社3.*《操作系统：设计与实现》（第2版）电子工业出版社4.汤子瀛等,《计算机操作系统》,西安电子科技大学出版5.[Vahalia]UreshVahalia,UNIX高级教程—系统技术内幕，清华大学出版社课程要求作业：10%平时：20%期中考试：20%期末考试：50%课程进度安排日期周次讲课内容分章和分节的名称课内时数9．91第一章绪论41.1操作系统的历史1.2操作系统的概念1.3操作系统的功能9．162第二章操作系统用户界面29．233第三章进程管理123.1进程的概念3.2进程的描述3.3进程状态及其转换3.4进程控制3.5进程互斥3.6进程同步3.7进程通信3.8死锁问题3.9线程10．145实验一进程管理810．217第四章处理机调度24.1分级调度4.2作业调度4.3进程调度4.4调度算法4.5实时系统调度方法《计算机操作系统》教案-2-10．288实验二处理机调度411．49第五章存储管理85.1存储管理的功能5.2分区存储管理5.3覆盖与交换技术5.4页式管理5.5段式与段页式管理5.6局部性原理和抖动问题11．2512实验三存储管理412．213第六章文件系统86.1文件系统的概念6.2文件的逻辑结构与存取方法6.3文件的物理结构与存取设备6.4文件存储空间管理6.5文件目录管理6.6文件存取控制6.7文件的使用6.8文件系统的层次模型12．914实验四文件管理612．1615第七章设备管理88.1引言8.2数据传送控制方式8.3中断技术8.4缓冲技术8.5设备分配8.6I/O进程控制8.7设备驱动程序12．2317复习2第一章操作系统引论《计算机操作系统》教案-3-1.操作系统的作用、分类2.处理机、作业、存储、设备、文件管理3.常用OS的知识、新型操作系统4.用户界面操作系统的英文名称为OperatingSystem，简称OS，它是计算机系统运行和工作必不可少的软件。无论是巨型机、大型机，不是中小型机，也无论是台式个人计算机，便携式微型机，还是连接多台计算机的计算机网络，都离不开操作系统。一个完整的计算机系统是由硬件(通常由中央处理机、存储器、I/O设备等部件组成，它构成了系统本身和作业赖以活动的物质基础和工作系统。)和软件(程序、数据、文档的统称)两部分组成的（图1.1）。其中软件部分又分为系统软件和应用软件。应用软件指的是为了某一类的应用而设计的程序，或用户为了解决某个特定问题而编制的程序。系统软件包括操作系统、语言处理程序和常用的例行服务程序。操作系统是系统软件的基本部分。系统软件由计算机公司提供，面向机器本身，其算法和功能不依赖于特定的用户。它的主要任务是使得硬件所提供的能力可以得到充分的利用，支持用户应用软件的运行并提供恰当的服务。因此，系统软件的设计必须十分注意其正确性及效率。在计算机系统中，所有这些软、硬件资源（泛称资源）必须由一个统一的管理者来协调它们正确、可靠、高效地工作，这就是OS的使命。所以，如果将构成计算机系统的一切硬件系统和软件系统称为资源，则操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源，合理组织计算机工作流程以及方便用户的程序的集合。是最基本的系统软件，是硬件机器的第一级扩充(图1.2)。图1.1计算机系统的组成计算机硬件操作系统系统工具用户应用应用用户应用开发人员操作系统开发人员图1.2操作系统在计算机系统中的地位操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）引入操作系统的目标：有效性（系统管理人员的观点）：管理和分配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工作流程方便性（用户的观点）：提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别可扩充性（开放的观点）：硬件的类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、计算机系统(层次结构)软件硬件及固件（裸机）应用软件系统软件编辑软件，编译软件操作系统《计算机操作系统》教案-4-多个系统之间的资源共享和互操作一、操作系统的作用可以从不同的观点来观察操作系统的作用。从一般用户的观点，可把操作系统看做是用户与计算机硬件系统之间的接口；从资源管理观点，则可把OS视为计算机系统资源的管理者。1．用户界面的观点对于用户来说，对操作系统的内部结构并没有多大的兴趣，他们最关心的是如何利用操作系统提供的服务来有效的使用计算机。因此操作系统提供了什么样的用户界面成为关键问题。一般情况下，用户界面有两种方式：（1）命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令（语言），用户可通过键盘键入有关的命令，来直接操作计算机系统。（2）系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在应用程序中通过调用相应的系统调用来操作计算机。2．资源管理观点这种观点把操作系统看作管理系统资源的程序集合，根据它所管理的资源类别来考虑操作系统的结构。它在共享的前提下，以资源的分配、使用和回收作为出发点，来考虑操作系统各部分程序的功能和算法，解决并行环境中资源的管理问题。通常，把操作系统分为处理机管理、存储管理、作业管理、设备管理、文件管理等五个主要部分，由这几部分程序的协调配合运行来完成用户的作业要求。3．虚拟机观点对于任何一个软件来说，它都有一个用户机器和一个基本机器。用户机器是该软件和基本机器的结合，提供了该软件以及基本机器的的所有功能。基本机器则是该软件运行的环境。操作系统的用户机器提供了操作系统的全部功能（系统调用、命令、作业控制语言等等），又称操作系统虚机器。它的基本机器则是硬件机器。虚机器观点从功能分解的角度出发来考虑操作系统的结构，将操作系统分成若干个层次，每一层次完成特定的功能从而构成一个虚机器，并为上一层次提供支持，构成它的运行环境，通过逐个层次的功能扩充最终完成操作系统虚机器。从而向用户提供全套的服务，完成用户的作业要求。OS是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程，以及方便用户的程序的集合。二、操作系统的ＯＳ的历史（形成和发展）操作系统是在人们不断地改善计算机系统性能和提高资源利用率的过程中，逐步地形成和发展起来的。随着机器硬件的功能和性能的不断提高，机器的处理能力越来越强，提供的资源越来越多。如果仍然采用单个用户独占一台计算机的使用方式，势必造成相当大的浪费。为了更加有效地使用机器的资源，希望有多个用户同时利用机器来完成各自的工作，即各个用户同时使用不同的资源（例如外部设备、CPU等），既相对独立，又彼此协调。正是在这种实际要求面前，操作系统才得以问世。下面是OS形成过程中的几个里程碑：1.手工操作阶段早期的计算机采用人工操作方式，由操作员将纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片输入机）等输入设备，通过输入设备将程序和数据输入计算机，当程序完成并人工取走纸带和计算结果后，才让下一用户上机操作。这种人工操作方式具有以下两个特点：（１）用户独占全机。一台计算机为一个用户独占，系统中的全部资源由他一人支配，因此用户可以较方便地使用各种资源，不会出现因资源已被其它用户占用而等待的现象。但资源《计算机操作系统》教案-5-利用率却非常低。（２）CPU等待人工操作。用户仅在上机时才能将纸带或卡片装入相应的输入设备，显然，此时CPU空闲；当计算完成，进行当卸带取卡操作时，CPU又空闲。可见，CPU的利用极不充分，这在运行短程序时尤为突出。矛盾：①使用不方便；②串行操作可见，人工操作方式严重地降低了资源的利用率，此即所谓的人-机矛盾。随着CPU速度的提高，CPU和I/O设备间不匹配的矛盾日益严重。为缓和此矛盾，必须摆脱手工干预，实现作业的自动过渡，因此出现了成批处理。2.早期批处理阶段在计算机发展的早期阶段，用户上机时需自己建立、运行作业，并最后作结尾处理。为了缩短作业的建立时间，人们研制了监督程序，它是一个常驻内存的小的核心代码。当若干用户作业合成一个作业执行序列时，监督程序自动地依次执行。早期的批处理可分为两种方式：(1)联机批处理联机输入输出：程序和数据的输入输出都由主机控制的输入输出。即慢速的输入/输出设备是和主机直接相连打交道的。作业的执行过程大致为：①用户提交作业；②作业被做成穿孔纸带或卡片；③操作员有选择地将若干作业合成一批，通过输入设备（输入机或读卡机）把它们存入磁带；④监督程序读入一个作业（若系统资源能满足该作业要求）；⑤从磁带调入汇编程序或编译程序，将用户作业源程序翻译成目标代码；⑥连接装配程序把编译后的目标代码及所需的子程序装配成一个可执行程序；⑦启动执行；⑧执行完毕，由善后处理程序输出计算结果；⑨再读入一个作业，重复步骤⑤-⑨；一批作业完成，返回到③，处理下一批作业。早期的联机批处理系统实现了作业的自动过渡，同手工操作阶段相比，计算机的使用效率提高了。但在这种批处理系统中，作业的输入输出是联机的，也就是说作业从输入机到磁带，由磁带调入内存，以至结果的输出打印都是由中央处理机直接控制的。在这种联机操作方式下，虽然解决了作业自动转接，从而减少作业建立和人工操作时间。但是随着处理机速度的不断提高，处理机和输入/输出设备之间的速度差距就形成了一对矛盾。即在执行结果的输出过程中，主机CPU仍处于停止等待状态，这样慢速的输入/出设备和快速主机之间仍处于串行工作，CPU的时间仍有很大的浪费。(2)脱机批处理脱机批处理系统由主机和外围机（卫星机）组成。为了解决输入机的低速问题，可将用户程序和数据，在一台外围机的控制下，预先从低速设备输入到磁带或磁盘上。当CPU需要这些数据时，再直接从磁带或磁盘上高速地调入内存。这样就大大地加速了输入过程。类似地，当CPU需要输出时，可立即将输出数据送到磁带或磁盘上，以后再在外围机的控制下，把磁带或磁盘上的处理结果通过相应的输出设备输出。这对程序的执行来说，显然是大大地加速了数据的输出过程。脱机输入输出过程如下图所示。慢速输入设备磁带机外围机主机慢速输出设备磁带机脱机输入输出：程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下完成的，或者说它《计算机操作系统》教案-6-们是脱离主机进行的，故称脱机输入输出。矛盾：①使用不方便；②串行操作——CPU利用率低(3)批处理技术在早期的脱机I/O方式中，事先把一批作业输入到磁带上，这意味着作业的处理是成批的；为使这一批作业能自动连续地进行处理，在系统中还需配置监督程序，在它的控制下，先把磁带上第一个作业装入内存，并将运行的控制权交给该作业。当该作业处理完后，又把控制权还给监督程序，又由监督程序将第二个作业装入内存。这样自动地一个作业一个作业地进行处理，直到磁带上的所有作业全部完成，这样就形成了早期的批处理系统。可见，批处理系统是在解决人机矛盾和CPU与I／O速度不匹配的矛盾的过程中发展起来的，或者说，批处理技术旨在提高系统的吞吐量和资源的利用率。该系统的主要特征：①自动性（减少了手工操作）。实现了作业的自动过渡，改善了CPU与I/O的使用情况，提高了计算系统的处理能力。②顺序性。磁带上的各道作业是顺序地进入内存的，各道作业完成的顺序与它们进入内存的顺序之间，在正常情况下应当完全相同，亦即先调入内存的作业先完成。③单道性。在某一时刻，内存中仅有一道程序在运行，仅当该程序完成或发生异常情况时，才调入后继程序进入内存运行。缺点：①平均周转时间长。所谓周转时间是指从作业进行系统开始，到作业完成所经历的时间。由于在批处理系统中，一个作业一旦运行便将运行到完成，这必然使许多短作业的周转时间显著增长；②不能提供交互能力，用户使用机器不方便；③CPU利用率较低（单道、串行）。在进行批处理过程中，监督程序、系统程序和用户程序之间存在着一种调用关系，任何一个环节出了问题，整个系统都会停顿；用户程序也可能会败坏监督程序和系统程序，这时，只有操作员进行干预才能恢复。后来，通道和中断技术的使用，导致了操作系统进行执行系统阶段。所