深大《操作系统》Chapter1.

OperatingSystem操作系统•Tel[phone]Office:科技楼703•普及型高性能计算机重点实验室/国家高性能计算中心深圳分中心•2015/8/191OperatingSystem课程背景•专业必修课•通过本课程的学习，使学生了解操作系统的工作原理，掌握常用操作系统的编程思想方法，学习系统设计和实现的策略，为其今后在相关领域开展工作打下坚实的基础。1）更好的理解程序的运行环境；2）为内核设计和编程做准备。2OperatingSystem课程要求•1出勤•2作业（实验报告）•3考试•中文版教材：《计算机操作系统》西安电子科技大学出版社•英文版教材：ModernOperatingSystems3rd3OperatingSystem章节安排–第1章：操作系统引论目标、角色作用、发展过程、基本特性、主要功能、设计思路–第2章：进程管理基本概念、同步、通信–第3章：处理机调度与死锁调度层次、调度队列模型和准则、调度算法、死锁–第4章：存储管理连续内存、段页式管理、虚存及置换算法–第5章：设备管理I/O控制方式、缓冲管理、设备分配、磁盘–第6章：文件管理文件系统、文件逻辑结构、外存分配、目录管理、空闲空间管理–第7章：Linux扩展学习4OperatingSystemChapter1操作系统引论OperatingSystem•OSOperatingSystem•硬件之上的第一层软件、首次功能扩充•汇编、编译、数据库等依赖于OS提供的服务•OS/桌面系统/发行版三级相关概念6OperatingSystem1.1目标及作用•1.1.1目标–共性：有效性管理资源提高利用率/吞吐率方便性提供公共服务/抽象接口可扩充性适应硬件扩展和结构变化开放性标准化接口–其他应用目标：实时性、可靠性、紧凑性77OperatingSystem•1.1.2角色、作用–用户与硬件系统间的接口•命令行模式、GUI桌面方式、编程接口–资源管理者——cpu/mem/file/dev–功能扩充、资源的抽象OSOSC、Fortran应用程序Shell等命令行程序图形桌面系统硬件用户系统调用88OperatingSystem1.1.3操作系统的发展动力9•不断提高计算机资源的利用率•方便用户•器件的不断更新换代•计算机体系结构的不断发展（单CPUOS,多CPUOS,网络OS)9OperatingSystem1.2发展历程•1.2.1无操作系统•1.2.2单道批处理•1.2.3多道批处理•1.2.4分时系统•1.2.5实时系统•1.2.6微机OS历史1010OperatingSystem一、人工操作方式11用户独占全机：一个用户独占所有计算机资源CPU等待人工操作：当用户进行装带、卸带操作时，CPU及内存等资源是空闲的效率低，操作不方便，操作人员必须有很专业的计算机知识中央处理机CPU（ALU，控制器）存储器输出设备输入设备外存（硬盘）•1.2.1无操作系统11OperatingSystem二、脱机输入输出方式12输入设备外围机磁盘/磁带计算机输出设备外围机磁盘/磁带相对人工操作方式：•减少了CPU的空闲时间，提高了输入／出速度一个用户仍独占所有计算机资源12OperatingSystem作业排队计算机运行结果输出•需要监督程序（Monitor）•多个作业顺序先后使用计算机（共享）•计算机的控制权在监督程序与作业之间交替使用摆脱人工操作，特征：•自动、单道、顺序•1.2.2单道批处理13OperatingSystem单道批处理系统(举例)：14•共需要时(10+20+20)+(20+20+30+30+10)+(20+30+30)=240S•CPU利用率：(20+20+30+30)/240=41.7%•输入设备利用率：(10+20+20)/240=20.8%•输出设备利用率：(20+30+10+30)/240=37.5%三者之和为100%现有三道作业，第一道作业需要输入10S，运行20S，输出20S；第二道作业需要输入20S，运行20S，输出30S，然后再运行30,输出10S；第三道作业需要输入20S，运行30S，输出30S14OperatingSystem15•计算机中同时有几道作业（程序）在运行，提高了计算机资源（CPU、内存、I/O）的使用效率宏观上，多个作业“并行”（并发）。某一作业在输入、另一作业在CPU中运行、可能还有一个作业正在输出。增加了系统的吞吐量微观上，多个作业串行对一个具体资源（特别是CPU）来说，每个程序轮流使用•1.2.3多道批处理15OperatingSystem多道批处理系统(举例)16•现有三道作业，第一道作业需要输入10S，运行20S，输出20S；第二道作业需要输入20S，运行20S，输出30S，然后再运行30,输出10S；第三道作业需要输入20S，运行30S，输出30S共需要时(10+20+20)+(30)+(30+10)=120SCPU利用率：(20+20+30+30)/120=83.4%输入设备利用率：(10+20+20)/120=41.6%输出设备利用率：(20+30+10+30)/120=75%三者之和为200%16OperatingSystem多道批处理系统特征17•多道性•无序性•调度性[处理机、内存、设备、文件如何管理]17OperatingSystem多道批处理系统优缺点：18•计算机资源利用率高•系统吞吐量大•平均周转时间长•无交互能力18OperatingSystem•OS里程碑–处理机管理，交替使用问题–内存管理，隔离、后备存储组织管理–I/O管理，多道程序共享使用问题–文件管理，程序代码和数据组织–作业管理，调度算法问题1919OperatingSystem•定义：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度（有效性），以及方便用户使用（方便性）的程序的集合•维基百科：操作系统（OperatingSystem，简称OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。2020OperatingSystem21•分时系统是为了满足用户需求（方便共享计算机）而发展起来的一种OS•用户需求：1、人机交互（便于调试）2、共享主机（大、小型机）3、便于用户上机（多终端）实现方式——时间间隔调整•1.2.4分时系统21OperatingSystem22分时——时间片概念•计算机内存中同时有多个用户程序•每个用户程序运行一小段时间（时间片，如0.1秒），然后停止该程序运行，由系统再调用下一个用户程序运行•每个用户程序在不长的时间内，都能执行一次22OperatingSystem分时系统特性23•多路性：系统中有多个用户程序同时运行•独立性：每个用户(程序)独立操作，互不干扰•及时性：用户的请求能在较短(秒级或以下)时间内获得响应（及时接收，及时处理）•交互性：用户可以同系统进行人机对话•分时系统的主要目的提高响应的及时性运行-阻塞23OperatingSystem•OS里程碑–第一个分时系统CTSS，MIT开发–多用户多任务MULTICS，简化后是UNIX前身–形成现代操作系统框架2424OperatingSystem25•实时系统能及时（或即时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行•实时控制：工业生产的控制，信息采集的控制等（中断）•实时信息处理：及时信息检索或处理•1.2.5实时系统25OperatingSystem•实时任务RealtimeTask–重复性•周期性•非周期性–紧迫性•硬实时•软实时•与分时系统类似–多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性2626OperatingSystem27•单用户单任务操作系统：MS-DOS等•单用户多任务操作系统：Windows等•多用户多任务操作系统：LinuxOS等•1.2.6微机操作系统发展27OperatingSystemDOS是英文DiskOperatingSystem的缩写，意思是“磁盘操作系统”。DOS是个人计算机上的一类操作系统。从1981年直到1995年的15年间（v1.0~v7.5），DOS在IBMPC兼容机市场中占有举足轻重的地位。若是把部分以DOS为基础的MicrosoftWindows版本，如Windows95、98和Me等都算进去的话，那么其商业寿命至少可以算到2000年。微软的所有后续版本中，DOS仍然被保留。1980-1981年，西雅图电脑产品公司程序员蒂姆·帕特森（TimPaterson）花费了四个月时间编写出了86-DOS操作系统。1981年7月，微软以五万美元的代价向西雅图公司购得本产品的全部版权，并将它更名为MS-DOS。随后，IBM发布了第一台个人计算机，当时采用的操作系统是西雅图公司的86-DOS1.14，但微软很快改进了MS-DOS，并使它成功地成为IBMPC采用的操作系统。并于1981年8月12日，正式发布MS-DOS1.0和PC-DOS1.0。Microsoft开始开发基于WindowsNT构件的Windows，才成了真正独立的操作系统。后续新的DOS软件的整体水平的提高是很显著的。为了挑战Windows的界面，程序员们（经常是集体合作）开发了一个又一个仿Windows的界面增强程序，著名的有Seal,Qube,WinDOS等等。还有人开发出了内核为32位的DOS操作系统，如FreeDOS32，事实证明，这些程序的编写水平是很高的。这些软件都在不断地开发中，所取得的成绩是有目共睹的。而且它们最显著的特点就是自由开放的发展2828OperatingSystem单用户单任务2929OperatingSystem3030OperatingSystem单用户多任务1.02.03.03131OperatingSystem3.13232OperatingSystem3333OperatingSystem34NT5.0就是Windows2000;NT5.1就是WindowsXP34OperatingSystem•WindowsXP之前，Windows是分2条线路的，Windows1.0/2.0/3.0/3.1/95/98/ME是家用的；而另一条就是WindowsNT1.0/2.0/4.0/2000，•XP则是将家用和服务器用NT核心集成起来的第一作。NT:NewTechnoly(新技术，因比DOS、WIN9X采用了很多新技术而得名)•NT的系统有2000内核NT5.0xp内核NT5.1win2003是NT5.2vista内核NT6.0windows7的内核版本是NT6.1，但是是NT家族第七代产品，所以被命名为Windows7•还有对应的服务器版本20002003等35OperatingSystemUNIX，是一个强大的多用户、多任务操作系统，支持多种处理器架构，按照操作系统的分类，属于分时操作系统，最早由KenThompson、DennisRitchie和DouglasMcIlroy于1969年在AT&T的贝尔实验室开发。1965年时，贝尔实验室（BellLabs）加入一项由通用电气（GeneralElectric）和麻省理工学院（MIT）合作的计划；该计划要建立一套多使用者、多任务、多层次（multi－user、multi－processor、multi－level）的MULTICS操作系统。直到1969年，因MULTICS计划的工作进度太慢，该计划被停了下来。当时，KenThompson（后被称为UNIX之父）已经有一个称为星际旅行的程序在GE－635的机器上跑，但是反应非常慢，正巧被他发现了一部被闲置的PDP－7（Digital的主机），KenThompson和DernisRitchie就将星际旅行的程序移植到PDP－7上。而这部PDP－7（如图1－1所示）就此在整个计算机历史上留下了芳名。多用户多任务3636OperatingSys