OP_第一章

操作系统引论操作系统原理OperatingSystemPrinciple主讲教师：郭伟操作系统引论前言计算机专业最为重要的专业课程之一国内外计算机学科的核心课程之一是将来（软/硬）许多课程的先行课其它很多专业的热门选修课是想成为“编程高手”必须掌握的课程操作系统引论良好的开端是成功的一半!操作系统引论教材《计算机操作系统》汤小丹等.西安电子科技大学出版社(第三版)操作系统引论参考书《现代操作系统》（ModernOperatingSystems）AndrewS.Tanenbaum著，陈向群译机械工业出版社《操作系统——内核与设计》（OperatingSystemsInternalsandDesignPrinciples）WilliamStallings著，魏迎梅等译电子工业出版社操作系统引论参考书《操作系统概念》（OperatingSystemsConcepts）AbrahamSilberschatz,PeterBaerGalvin,GragGagne著，郑扣根译高等教育出版社张尧学，史美林编著《计算机操作系统教程》，第二版，清华大学出版社，2000-08张红光、李福才等编著《UNIX操作系统教程》，第一版，机械工业出版社，2003-01操作系统引论*本课程先修课程*C语言（程序设计语言）数据结构汇编语言计算机组成原理OperatingSystemPrinciple操作系统引论OperatingSystemPrinciple目标:掌握操作系统的基本理论、基本原理及算法思想，能运用所学理论解决实际问题，通过原理技术及实验更好理解和重视设计原理。内容（2W+H）:What:whatisOS?Dowhat?Why:whyneedsOS?How:Howtowork?Howtouse?操作系统引论动与静宽与深OperatingSystemPrinciple操作系统引论引言OperatingSystemPrinciple课程特点：概念多，原理性强，较抽象课程学习目的：基础核心课，有利于对计算机系统的理解和软件开发课程学习难点：概念、原理、算法、数据结构课程学习方法：以问题驱动学习，理论联系实际操作系统引论教学安排本课程共64学时，其中56学时讲授课本基本知识，8学时上机实验。课堂：以问题驱动知识讲解引言成绩评定课程最终成绩=期末考试成绩+平时成绩+实验期末考试成绩：闭卷考试平时成绩=测试+作业+小论文，占30%操作系统引论课程要求:OperatingSystemPrinciple提前预习,认真听课,理解基本概念,基本原理与基本算法；必须认真、独立、按时完成作业，且勿抄袭！公用邮箱：[e-mail]辅导地点：耘慧楼423第一章操作系统引论操作系统引论讨论问题什么是操作系统？为什么要使用操作系统？操作系统引论本章主要内容操作系统的目标、作用和模型操作系统的发展过程操作系统的基本特征OS（OperatingSystems)的主要功能OS的结构设计操作系统引论课程内容安排第一章操作系统引论第二章进程管理第三章处理机调度与死锁第四章存储器管理第五章设备管理第六章文件管理第七章UNIX系统应用与开发操作系统引论一、什么是操作系统？现在并无精确定义不同的观点用户角度：操作系统是用户使用计算机的界面。提供用户与计算机硬件之间的接口，一般可以分为三种：命令方式，系统调用，图形界面。软件角度：操作系统是程序和数据结构的集合。它是直接和硬件相邻的第一层软件，是由大量极其复杂的系统程序和众多的数据结构集成的。操作系统引论1.1操作系统的目标、作用和模型系统观点：操作系统是对计算机资源管理，这些资源包括硬件和软件。操作系统向用户提供了高级而调用简单的服务，掩盖了绝大部分硬件设备复杂的特性和差异，使得用户可以免除大量的乏味的杂务，而把精力集中在自己所要处理的任务上。操作系统概念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以及方便用户的程序集合。操作系统引论二、为什么要使用操作系统？计算机系统的结构应用程序操作系统core裸机研究内容OS的地位位于硬件（裸机）之上，所有其他软件之下。它是对硬件系统功能的首次扩充。操作系统引论引入操作系统的目标（特性）1.方便性计算机只能识别0、1；用户熟悉的是各种语言。2.有效性使计算机的各类资源在系统的管理下得到更有效的利用，提高系统吞吐量。3.可扩充性便于修改和增加功能（如何设计？）。4.开放性系统能支持世界标准规范。1.1操作系统的目标、作用和模型操作系统引论1.1.2操作系统的作用(1)作为用户与计算机硬件系统之间的接口图1－1OS作为接口的示意图计算机硬件操作系统系统调用，命令，图标，窗口应用程序及实用程序系统设计者程序员用户操作系统引论操作系统的作用(2)作为计算机系统资源的管理者٭处理机管理：分配和控制处理机٭存储器管理：分配及回收内存٭I/O(Input/Output)设备管理：I/O分配与操作٭文件管理：文件存取、共享和保护作为扩充机器(extendedmachine)٭把覆盖了软件的机器称为扩充机或虚拟机(Virtualmachine)。٭分层扩充的特点。操作系统引论OS应用程序DBMS虚拟机裸机裸机：指令系统中断捕获能力OS：操作命令系统调用C语言、DBMSORACLE软件工具教学软件管理信息系统言语处理程序具件工软OperatingSystemPrinciple操作系统引论不断提高计算机资源利用率的需要如批处理系统的出现方便用户分时交互式系统的出现器件的不断更新换代8位－16位－32位－64位－...计算机体系结构的不断发展：单机OS－多机OS－网络OS－…1.1.3操作系统发展的主要动力操作系统引论1.2操作系统的发展操作系统的发展和计算机体系结构有着密切联系第一台机械计算机：差分机由英国数学家CharlesBabbage设计电脑之父CharlesBabbage（1792－1871）差分机虽然这台机器不怎么美观，却和现代电脑一样，拥有记忆体、运算部门、控制中心和输出输入中心这四部分，可谓历史性的创造。不过这台机器最终还是没能运行起来，当然它也没有操作系统。操作系统引论第一代电子计算机（1946－1955）：人工操作方式重量30t,功率150kW占地167m2结构：由数万个真空电子管、插件板、导线组成，体积巨大，运算极慢，且很不可靠。操作：程序员提前在墙上的机时表上预约一段时间，然后到机房将他的插板插到计算机里，在接下来的几小时里计算自己的题目。这个阶段基本上所有的题目都是数值计算问题。缺点：系统资源利用率极低。操作系统引论1.2操作系统的发展过程1.2.1无操作系统时的计算机系统人工操作方式如纸带输入机。特点是用户独占全机及CPU等待人工操作。脱机I/O方式（图1.2）引入I/O机的概念，解决前者的缺点。特点是减少了CPU的空闲时间且提高I/O速度。操作系统引论图1-2脱机I/O示意图输入设备外围机磁盘磁盘磁盘主机磁盘外围机输出设备图1－2脱机I/O示意图操作系统引论第二代计算机（1955-1965）：脱机和批处理系统结构：使用晶体管，体积减小，可靠性提高，可以批量生产，仅有少数大公司、主要的政府部门和大学买得起。早期的批处理系统典型的操作系统：FMS,IBSYS(7094配备)操作系统引论1.2.2单道批处理系统处理过程（图1.3）监督程序（monitor）概念：系统对作业的处理都是成批进行的、且内存中始终只保持一道作业，称为单道批处理系统（simplebatchsystem）。批处理系统的引入是为了提高系统资源的利用率和吞吐量概念：运行控制权操作系统引论1.2.2单道批处理系统操作系统引论图1－3单道批处理系统的处理流程还有下一个作业？把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？装配目标程序运行目标程序开始是否停止是否OperatingSystemPrinciple操作系统引论单道批处理系统是最早出现的一种OS，严格地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。该系统的主要特征如下：(1)自动性：一批作业自动逐个运行，无须人工干预(2)顺序性：正常情况下作业按顺序完成(3)单道性：内存中只有一道程序操作系统引论第三代计算机（1965-1980）：多道程序设计结构：小规模集成电路芯片，性价比有较大提升，典型的有IBM360系列，它提出了软件兼容的概念，可在科学计算和商用计算领域通用。操作系统引论第三代计算机（1965-1980）：多道程序设计---IBM360的的操作系统OS/360以失败而告终，但是它提出了两项非常重要的技术：(1)多道程序设计技术。极大的提高了CPU的利用率(2)Spooling（SimultaneousPeripheralOperationOnLine）技术。---多道程序设计技术的出现给系统的管理提出了挑战，例如：内存管理问题、处理机等资源共享问题、文件检索和存储问题等。为了解决这些问题，系统中必须设置一套管理软件以方便用户使用，于是便形成了操作系统。因此我们说：多道程序设计技术是操作系统形成的标志。---这一时期著名的操作系统有:MIT:CTSS（第一个分时系统，1963年）Bell实验室:UNIX操作系统引论1.2.3多道批处理系统基本概念多道：系统中同时驻留多个作业多道引入的优点：提高CPU利用率（图1.4）提高内存和I/O设备利用率提高了系统吞吐量特征多道性、无序性调度性：作业调度、进程调度操作系统引论图1－4单道程序运行情况用户程序监督程序I/O操作I/O中断请求启动I/OI/O完成结束中断I/O中断请求启动I/OI/O完成结束中断t1t2t3t4t5t6t7t8(a)单道程序运行情况操作系统引论程序A调度程序I/O请求(b)四道程序运行情况程序B程序C程序DI/O请求I/O请求I/O请求I/O完成I/O完成I/O完成A完成表示获得CPUC再运行图1－4多道程序运行情况操作系统引论图1-4单道和多道程序运行情况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完成结束中断操作系统引论多道批处理系统的特征多道性：内存中同时驻留多个程序，并发执行无序性：多个作业完成的先后顺序与它们进入内存顺序无对应关系。调度性：完成两次调度•作业调度：从外存中选择若干个作业•进程调度：分配CPU操作系统引论多道批处理系统需解决的问题处理机管理问题内存管理问题I/O管理问题文件管理问题作业管理问题缺点：平均周转时间长、无交互能力操作系统引论1.2.4分时系统分时系统的产生概念：指一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，各个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机。是用户的需求：人机交互性共享主机便于用户上机操作系统引论1.2.4分时系统“分时”的定义：指把计算机的系统资源(尤其是CPU时间)进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片，每个用户依次轮流使用时间片。典型的分时系统：早期：CTSS,MULTICS现代：Windows,UNIX,Linux分时系统独立性交互性及时性同时性操作系统引论分时系统（1）操作系统引论分时系统（2）分时系统在实现中的关键问题及时接收：多终端卡、输入缓冲区及时处理：交互作业应在内存、响应时间应短操作系统引论分时系统(3)分时系统的实现方法交互式作业直接进入内存以分配时间片方式实现类型：单道分时系统具