1-操作系统概论.

1课程设置原因一、电子信息行业特征：现在已到了不结合计算机，电子信息类专业就不能生存的年代。在光通信、移动通信等现代通信系统中，软件开发工作占了相当大的比重。对于电子信息工程专业，开发嵌入式系统、实现信息存储和处理、设计信息管理系统等软件开发工作是必须的。2课程设置原因二、人才需求：既懂得理论，又有实践经验的应用开发型人才。三、大学教学要求：大学的课堂教学还是应当以理论或原理为主，使用为辅。四、操作系统中的很多概念、管理思想和技巧可以用到各行各业中。因此，2014版培养方案增加《操作系统》3教学和学习目标不是为计算机设计操作系统而是：（1）主要是为了掌握操作系统的基本理论（2）在多种操作系统的环境上熟练地开发包括计算机通信和网络系统在内的应用软件和系统软件（3）安全、有效地管理计算机系统和网络系统。4CPU是计算机系统的心脏，操作系统是计算机系统的大脑。半个世纪以来操作系统这门软件科学吸引了世界上一大群最热情、最有智慧的杰出人材，集中了人类现代创造性思维活动的精髓。操作系统是软件世界的万花筒、世博会，是软件王国中的一顶璀璨的皇冠。能够有机会走进操作系统这个神奇、复杂而又充满诱惑的大千世界，理解其中的基本概念、结构和奥妙的管理机制是一件十分幸运的事。第一章操作系统概论什么是操作系统操作系统的发展历史现代操作系统类型操作系统的概念、特征和功能开放源代码的Unix/Linux操作系统61.1什么是操作系统•从使用者的角度看•从程序开发者的角度•从程序执行者看•从所处的位置看•打开计算机，首先跳入眼帘的是什么？•要拷贝一个文件，具体的拷贝操作是谁完成的？–你需要知道文件存放在何处吗？–柱面、磁道、扇区描述什么？–数据的搬动过程怎样进行•繁琐留给自己，简单留给用户–操作系统穿上华丽的外衣－图形界面–操作系统穿上朴素的外衣－字符界面认识操作系统－从使用者的角度看•拷贝命令的C语言实现片断inf=open(“/floppy/TEST”,O_RDONLY,0);out=open(“/mydir/test”,O_WRONLY,0600);do{l=read(inf,buf,4096);write(outf,buf,l);}while(l);close(outf);close(inf);认识操作系统－从程序开发者的角度看–操作系统是其它所有用户程序运行的基础。#includestdio.hmain(){printf(“Helloworld\n”)}•用户告诉操作系统执行test程序•操作系统通过文件名找到该程序•检查其类型,检查程序首部，找出代码和数据存放的地址•文件系统找到第一个磁盘块•操作系统建立程序的执行环境•操作系统把程序从磁盘装入内存，并跳到程序开始处执行该程序的执行过程简述如下:•操作系统检查字符串的位置是否正确•操作系统找到字符串被送往的设备•操作系统将字符串送往输出设备窗口系统确定这是一个合法的操作，然后将字符串转换成像素•窗口系统将像素写入存储映像区•视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器（重画屏幕）•显示器发射电子束。你在屏幕上看到Helloworld。从中看到什么认识操作系统－从程序执行看浏览器信息管理文件管理系统游戏编译程序编辑程序命令解释程序操作系统CPU、内存、磁盘、I/O接口硬件内核认识操作系统－从所处位置看11----用以控制和管理计算机系统资源，方便用户使用的程序和数据结构的集合。操作系统定义121．系统观点——计算机资源管理计算机是系统的控制中心，是系统的大脑。CPU是计算机硬件的核心，是计算机系统的心脏；操作系统则是计算机软件的核心，是计算机系统的大脑，从而操作系统是整个系统的控制中心，是计算机或智能控制管理系统中首要的、最重要的、最复杂的系统软件。操作系统的作用类似于城市交通的决策、指挥、控制和调度中心，它组织和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，在用户和程序之间分配系统资源，使之协调一致地、高效地完成各种复杂的任务。132.用户观点—用户使用计算机的界面用户几乎不可能使用裸机。如果在裸机之上覆盖一层I/O设备管理软件，就能使用户较方便地使用外部设备；如果在其上再覆盖一层文件管理软件，用户就很容易存取系统文件和用户文件；每覆盖一层新的软件，就构造了一台功能更强的虚拟机器。通过OS，计算机能提供种类更多，质量更高的服务。（1）命令方式：通过键盘输入有关命令。以批处理的方式连续运行命令。（2）系统调用：调用操作系统向用户提供的服务程序。（3）图形界面：用户可以在窗口环境中通过鼠标、按键、菜单和对话框等方式操纵计算机，这是现代操作系统向多媒体转化的标志之一。143．软件观点——程序和数据结构的集合操作系统是直接与硬件相邻的第一层软件，它是由大量极其复杂的系统程序和众多的数据结构集成的。在计算机中的所有软件中，它起到了核心和控制的作用，其他软件的运行都要依赖它的支持。操作系统是在系统中永久运行的超级程序。对用户——接待员，对系统——管家婆151.2操作系统的发展历史1早期的计算机和人工操作方式在早期的计算机系统中，每一次独立的运行都需要很多的人工干预，操作过程繁琐，占用机时多，也很容易产生错误。在一个程序的运行过程中，要独占系统的全部硬件资源，设备利用率很低。162脱机输入/输出和批处理系统（1）脱机输入输出需要人工干预的由慢速设备读入程序和数据及由慢速输出设备打印结果的过程往往占用了用户使用计算机的大部分时间。使用磁带作为输入/输出的中介，这种具体的输入/输出不需要在主计算机上进行的方式称“脱机输入/输出”纸带机读卡机打印机卫星机输入带输出带输入带输出带主机17（2）批处理系统基本思想是操作员取来一批作业，将它们输入到磁带中，操作系统先从磁带上将第一个作业读进内存，启动它运行，并将运行结果输出到另一条磁带上；当第一个程序运行完毕，操作系统能自动地从输入磁带上读进下一个作业，并予以运行和输出，如此直到整批作业全部处理完毕。批处理系统解决了高速计算机的运算、处理能力与人工干预之间的速度矛盾，实现了作业自动过渡。183缓冲、中断和DMA技术（1）缓冲技术（2）中断技术（3）DMA技术——一旦收到了DMA发来的中断请求后，处理机在设置了缓冲区、指针和计数器后，DMA就可以不需要CPU干预，在内存和设备之间传送整块数据。这样，通过DMA每传送一个数据块仅需要一次中断处理，而不是像低速设备那样每传送一个数据都需要一次中断处理。194SPOOLING当作业要将输出送至打印机时，该输出实际上是通过系统缓冲区写到磁盘中，在该作业运行结束后，才由操作系统自动打印存储在磁盘中的输出结果。这种由操作系统将磁盘模拟为输入/输出设备的处理方式称为SPOOLING以磁盘为几乎无限巨大的缓冲区来解决低速的I/O设备与高速的CPU之间的速度匹配问题。205多道程序设计操作系统可将多个作业存放在作业缓冲池中。在某一时刻，操作系统从缓冲池中挑选一个作业，并开始执行该作业。当执行中的作业因要等待用户键盘输入或等待其他设备I/O操作时，操作系统就可在缓冲池中挑选另一个作业，使其运行。只要系统中总是存在可执行的作业，CPU就永远不会因无事可干而闲着。–硬件角度下的操作系发展轨迹年代硬件特点操作系统特点背景机械计算机时代17世纪~20世纪初1）纯机械结构，低速2）只能进行简单的数学运算纯手工操作从计算尺至差分机到分析机发展了数百年第一代计算机1946年~50年代末电子管计算机1)体积大、能耗高、故障多、价格贵2)难以普及应用无操作系统（程序按机器码编写，载体从插件板到卡片与纸带）1906年发明电子管1946ENIAC研制成功(第一台电子管计算机)年代硬件特点操作系统特点背景第二代计算机50年代末~60年代中期晶体管计算机1)采用印刷电路2)稳定性与可靠性大大提高3)批量生产成为可能4)进入实际应用领域但数量有限1）单道批处理系统2）操作系统以监督软件形式出现3）任务按顺序方式处理1947年发明晶体管第三代计算机60年代中期~70年代初集成电路计算机1)体积减小，性价比迅速提高2)小型计算机发展迅速3)进入商业应用4)尚不适合家庭应用的需求1)涌现大批操作系统多道批处理系统、分时系统和实时系统2）奠定了现代操作系统的基本框架1958年发明集成电路1971年INTEL发明微处理器硬件角度下的操作系统发展轨迹–分析•在硬件的性价比较低的时候，操作系统设计追求什么？•在硬件性价比越来越高后，操作系统的设计开始追求的目标是什么？•计算机开始普及后，操作系统的设计开始追求？•从第三代到第四代计算机，操作系统的发展逐渐摆脱追随硬件发展的状况，形成自己的理论体系•进入第四代系统后，分布式系统和多处理器系统虽然极大的扩充了操作系统理论，但系统结构并没有变化，只是各功能模块得以进一步完善。操作系统的发展硬件角度下操作系统发展的分析231.3现代操作系统类型1分时系统为了降低交互式系统的等待时间和运行时间的比率，系统通过多台终端同时向很多用户提供运行环境，这种分时系统就能以合理的成本向用户提供交互式地使用计算机的方便。操作系统使用多道程序设计技术来支持在一个计算机系统内运行多个用户的程序。每一个用户的程序都驻在内存中，并按某一策略轮流运行。分时系统具有以下几个基本特征：（1）多路性（2）独立性（3）交互性（4）及时性242实时操作系统能在限定的时间内对输入进行快速处理并作出响应的计算机处理系统。硬实时系统主要用于工业生产的过程控制，航天系统的跟踪和控制，武器的制导等。这类操作系统要求响应速度十分快，工作极其安全可靠，还需要有一套后备系统。后备系统又可分为热备份和冷备份两种。25对响应的速度要求不像硬实时系统那么高，且时限要求也不那么严密的信息查询、事务处理领域，如情报资料检索、订票系统、银行财务管理系统、信用卡记账取款系统、仓库管理系统等。这类系统一般配有大型文件系统或数据库，涉及金融业的管理系统对系统的安全、可靠和保密等也提出了极高的要求。软实时系统263微机操作系统早期的微机——设备驱动程序CP/M（ControlProgramMonitor）MS—DOS工作站——支持多道程序设计，故其功能强得多。使用速度更快的RISC（ReducedInstructionSetComputer）芯片，较大的屏幕及高分辨率的显示器，以支持复杂的图像处理工作。采用了分时操作系统UNIX。windows3.xwindows95/98/2000XP/2003Win2003是堪称最具工作效率的基础架构平台，Win2003沿用了Windws2000Server的先进技术并使之更易于部署、管理和应用，可用于构建从工作组到数据中心级别的IT基础架构，并可提供一个结构高效、安全且强有力的应用平台。274多处理机、分布式和网络操作系统（1）多处理机系统——分为主从式和对称式。主从式操作系统主要驻留并运行在一台称为主处理机上，它控制所有系统资源，将整个任务分解成多个子任务并将子任务分配给其他的从处理机执行，还要协调这些从处理机的运行过程。对称式系统在每个处理机中都配有操作系统，它管理和控制本地资源和过程的运行。该类系统在一段时间内可以指定一台或几台处理机来执行管理程序，协调所有处理机的运行。很高的运算速度，用微处理器构成的阵列系统，运算速度可以达到千万亿次。28（2）分布式操作系统多计算机系统，这些计算机可以处于不同的地理位置和拥有不同的硬软件资源，并用通信线路连接起来，具有独立执行任务的能力，但通常不驻有完全独立的操作系统。分布式系统具有一个统一的操作系统，它可以把一个大任务划分成很多可以并行执行的子任务，并按一定的策略将它们动态地分配给各个计算机执行，并控制管理各个计算机的资源分配、运行及计算机之间的通信，以协调任务的并行执行。以上所有的管理工作对用户都是透明的。透明性、可靠性、性能、灵活性（可使用微内核结构）一些应用本身就是分布式的，如银行的许多分支机构。29（3）网络操作系