计算机操作系统第四版第1章操作系统引论.

第一章操作系统引论计算机操作系统教师：徐军利E_mail：[e-mail]电话：[phone]第一章操作系统引论理论学时分配表序号教学内容(按章填写)学时1操作系统引论42进程的描述与控制12+23处理机调度与死锁10+24存储器管理65虚拟存储器4+26输入输出系统47文件系统28磁盘存储器的管理29操作系统接口2第一章操作系统引论教材与主要参考书•教材：–《计算机操作系统(第四版)》汤小丹；西安电子科技大学出版社；2014年•参考书：–《操作系统原理linux篇》徐德民；国防工业出版社，第一版；2002年–《计算机操作系统》庞丽萍；华中科技大学出版社；第三版；2001年–《计算机操作系统教程》张尧学，史美林；清华大学出版社；第二版；2002年第一章操作系统引论第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用1.2操作系统的发展过程1.3操作系统的基本特性1.4操作系统的主要功能1.5OS结构设计第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用1.1.1操作系统的目标1.1.2操作系统的作用1.1.3推动操作系统发展的主要动力第一章操作系统引论1.1.1操作系统的目标计算机系统(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系统的组成第一章操作系统引论操作系统在计算机系统中的地位计算机硬件操作系统系统工具应用软件应用用户应用开发人员操作系统开发人员操作系统的地位：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）第一章操作系统引论引入操作系统的目标•方便性（用户的观点）：提供良好的、一致的用户接口,方便用户使用，使计算机变得易学易用。•有效性（系统管理人员的观点）：合理地管理和分配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工作流程，提高系统资源利用率和系统吞吐量。•可扩充性（发展的观点）：适应计算机硬件、体系结构以及应用发展的要求。•开放性（兼容的观点）：系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连(OSI)国际标准。凡遵循国际标准所开发的硬件和软件，均能彼此兼容，可方便地实现互连。第一章操作系统引论用户应用程序系统调用命令图标、窗口操作系统计算机硬件1.1.2操作系统的作用操作系统的作用(1)1．OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口•命令方式（命令行、菜单式、命令脚本式）•系统调用方式（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）•图形、窗口方式（屏幕上的窗口和图标）第一章操作系统引论操作系统的作用(2)2．OS作为计算机系统资源的管理者•管理对象包括：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）；•管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）。1.1.2操作系统的作用第一章操作系统引论操作系统的作用(3)3．OS实现了对计算机资源的抽象•在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对CPU）……•OS是铺设在计算机硬件上的多层系统软件，它们不仅增强了系统的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，由它们实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象。1.1.2操作系统的作用物理接口硬件用户用户I/O软件物理接口硬件机器指令虚机器I/O操作命令(Read，Write)第一章操作系统引论1.1.3推动操作系统发展的主要动力(1)不断提高计算机资源利用率(2)方便用户(3)器件的不断更新换代(4)计算机体系结构的不断发展(5)不断提出新的应用需求“需求推动发展”第一章操作系统引论操作系统举例•MSOS:MSDOS,MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows2000•UNIX:BSD,SRV4,OSF1,SCOUNIX,AIX,Solaris,Linux•NOS:NovellNetware•RTOS:VxWorks,pSoS,Nucleus•手机操作系统：Android（安卓）、iPhone（苹果）OS、PalmOS、Symbian（塞班）、Windowsmobile、Linux、BlackBerry（黑莓）OS6.0、WindowsPhone7（自WindowsPhone7出现后，WindowsMobile系列正式退出手机系统市场）。第一章操作系统引论1.2操作系统的发展过程返回1.2.1未配置操作系统的计算机系统1.2.2单道批处理系统(simplebatchprocessing)1.2.3多道批处理系统(multiprogrammingsystem)1.2.4分时系统(time-sharingsystem)1.2.5实时系统(real-timesystem)1.2.6微机操作系统的发展第一章操作系统引论1.2.1未配置操作系统的计算机系统1.人工操作方式•工作方式–用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员；–编程语言：为机器语言；–输入输出：纸带或卡片；•基本思想–由用户(即程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据)的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡片输入机)，再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果之后，才让下一个用户上机。•计算机的工作特点：用户独占全机、CPU等待人工操作1946~50年代中期（电子管）第一代计算机集中计算，计算机资源昂贵第一章操作系统引论•1801年，Joseph-MarieJacquard(杰卡德)展示了一种自动提花织机（Jacquardloom），杰卡德提花机用穿孔纸带上的小孔，主要用来控制提花操作的步骤，即编写程序。通过设计不同的穿孔控制纸带，能够织出不同的图案。1801年穿孔卡式提花织机第一章操作系统引论穿孔纸带穿孔纸带机第一章操作系统引论穿孔卡片穿孔卡片机第一章操作系统引论•主要矛盾–人工操作严重降低了计算机资源的利用率－－人机矛盾–计算机处理能力迅速提高，而I/O设备速度提高缓慢－－CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾；–用户独占全机的所有资源；•缓和矛盾的途径–脱机输入/输出技术1.人工操作方式摩尔定律:当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。第一章操作系统引论输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备•–减少了CPU的空闲时间。–提高I/O速度。1.2.1无操作系统的计算机系统2.脱机输入/输出(Off-LineI/O)方式第一章操作系统引论联机输入/输出（On－LineI/O）方式•在主机的直接控制下进行输入/输出的方式称为联机输入/输出（On－LineI/O）方式。第一章操作系统引论输入设备主机输出设备未配置操作系统的计算机系统人工操作方式第一章操作系统引论输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备单道批处理系统脱机输入/输出(Off-LineI/O)方式第一章操作系统引论1952年5月IBM的第一个磁带驱动器Model726Magnetic磁带读取器/记录器第一章操作系统引论上世纪60年代的存储容量为5MB的硬盘（27Kg重）第一章操作系统引论1.2.3单道批处理系统(simplebatchprocessingSystem)50年代末~60年代中（晶体管）第二代计算机•工作方式–用户：设计人员、操作人员、维护人员、程序员；–编程语言：汇编语言、FORTRAN语言；–输入输出：纸带或卡片、磁带、打印机；•基本思想–把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序(Monitor)，在它的控制下使这批作业能一个一个地连续处理。–由于系统对作业的处理是成批地进行的，且在内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理系统(simplebatchprocessing)。第一章操作系统引论早期批处理系统1.将卡片装入1401机的读卡机2.将卡片中的程序读入磁带3.将磁带装入7094机，完成计算4.将磁带装入1401机，打印结果第一章操作系统引论把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？否装配目标程序还有下一个作业？是否停止运行目标程序是开始1.2.2单道批处理系统监督程序的处理过程第一章操作系统引论•批处理中的作业的组成：–用户程序–数据–作业说明书（作业控制语言）•批：–供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软件（系统带）第一章操作系统引论单道批处理系统的特征•自动性：磁带上的一批作业能自动逐个地依次运行，无需人工干预。•顺序性：磁带上的各道作业是顺序地进入内存，且先调入内存的作业先完成。•单道性：监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行。第一章操作系统引论单道批处理的主要问题•CPU和I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）。–对计算为主的作业，外设空闲；–对I/O为主的作业，CPU空闲；•资源的利用率差，系统吞吐量低。第一章操作系统引论通道和中断技术•通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传输。启动后可独立于CPU运行，实现CPU与I/O的并行。–通道有专用的I/O处理器，可与CPU并行工作–可实现I/O联机处理60年代初，发展了通道技术和中断技术，这些技术的出现使监督程序在负责作业运行的同时提供I/O控制功能。第一章操作系统引论通道和中断技术•中断是指CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。–中断处理过程：中断请求，中断响应，中断点（暂停当前任务并保存现场），中断处理例程，中断返回（恢复中断点的现场并继续原有任务–可处理算术溢出和非法操作码，死循环（利用时钟中断进行超时限定）•监督程序发展为执行系统(executivesystem)，常驻内存第一章操作系统引论1.2.3多道批处理系统(multiprogrammedBatchProcessingsystem)•在60年代中期引入了多道程序设计技术。•多道程序设计技术是指在内存同时存放若干道程序，使它们在系统中并发执行，共享系统中的各种资源。当一道程序暂停执行时，CPU立即转去执行另一道程序。60年代中~70年代中(小规模集成电路)第三代计算机第一章操作系统引论t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O完成启动I/OI/O中断请求I/O完成启动I/OI/O中断请求用户程序监督程序I/O操作(a)单道程序运行情况程序A程序AI/O请求程序AI/O完成程序B程序BI/O请求程序C程序CI/O请求程序D程序DI/O请求CI/O完成C再被调度程序BI/O完成程序A再被调度程序A程序B程序C程序D调度程序(b)四道程序运行情况A完成结束中断图1-5单道和多道程序运行情况•–提高CPU的利用率；–可提高内存和I/O设备的利用率–增加系统吞吐量。第一章操作系统引论1.2.3多道批处理系统(multiprogrammedBatchProcessingsystem)•将多道程序设计技术应用于批处理系统，就形成多道批处理系统。•多道批处理系统的基本思想：用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们交替执行，共享CPU和系统中的各种资源。第一章操作系统引论作业和进程的状态转换图数据进入状态退出状态后备状态运行状态作业控制进程…输入设备数据源程序输出设备作业说明书输入井运行等待就绪输出井输入程序输出程序作业调度进程调度多道批处理系统第一章操作系统引论•多道性：内存中同时驻留多个作业；宏观上并发运行：都处于运行状态，但都未运行完；微观上串行运行：各作业交替使用CPU；在当前运行的作业需作I/O处理时，CPU转而执行另一个作业。（I/O完成后是否立刻恢复执行？要等到其他程序再次I/O时）•无序性：多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间并无严格的对应关系。•调度性：作业从提交到完成，经过两次调度：作业调度：从外存的后备作业队列中，选择若干个作业调入内存。进程调度：从已在内存的作业中选择一个作业，将CPU分配给它，使之执行。