第1章 操作系统引论

1操作系统原理洪亮[e-mail]武汉大学计算机学院2操作系统课程概述操作系统课程介绍的内容操作系统的功能与结构基本的算法各子系统的工作原理和设计方法课程考试方式及成绩计算闭卷考试考试成绩由平时成绩及期末考试成绩构成平时成绩包括到课情况，回答问题，课题测验和作业3教材与参考书计算机操作系统郑鹏，曾平，李蓉蓉著武汉大学出版社操作系统习题与解析曾平，曾林，金晶著清华大学出版社现代操作系统（第2版）AndrewS.Tanenbaum著机械工业出版社4参考书UNIX操作系统设计(第2版)MauriceJ.Bach著机械工业出版社Linux内核源代码情景分析(第2版)毛德操胡希明著浙江大学出版社UNIX环境高级编程(第2版)W.RichardStevens著机械工业出版社5第1章操作系统引论操作系统是计算机系统中不可缺少的软件，是其他所有软件运行的基础。61.1计算机系统概述计算机系统由硬件和软件两部分组成。硬件：计算机系统中由电子、机械、电气、光学和磁学等元器件构成的各种部件和设备。CPU、存储器及设备都是硬件。软件：完成一定任务的程序及其数据。包括系统软件及应用软件。系统软件有操作系统、编译程序、编辑程序、数据库管理系统等；应用软件是为各种应用目的而编制的程序。7计算机的基本组成运算器存储器控制器输入设备输出设备对数据进行算术运算和逻辑运算存储二进制信息按程序要求控制各功能部件协调一致工作将用户形式转为计算机能识别的信息将计算机中的二进制转为用户可识别的信息8计算机系统的层次关系计算机硬件和软件以及软件的各部分之间形成了一种层次结构的关系。操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件的首次扩充。它位于硬件与其它软件之间之间。应用程序编译程序编辑程序……操作系统裸机9虚拟机裸机：没有配置软件的计算机。虚拟机：覆盖了软件的机器称为虚拟机或扩展机。每当人们在计算机系统上覆盖了一层软件，系统功能便增强了。10配置操作系统的主要目标提供用户与计算机之间的接口，使计算机更易于使用；有效地控制和管理计算机系统中的各种资源，使之得到更有效的利用；合理地组织计算机系统的工作流程，以提高资源利用率并改善系统性能。111.2操作系统的发展历史最初计算机上无操作系统，20世纪50年代出现了简单批处理系统，60年代出现了多道批处理系统，不久又出现了分时系统及实时系统…121.2.1手工操作阶段20世纪50年代，计算机系统上没有配置操作系统，人们使用计算机采用手工操作方式。用户使用计算机的过程大致如下：先将程序纸带（或卡片）装入输入机，然后启动输入机把程序和数据送入计算机，接着通过控制台开关启动程序运行，当程序运行完毕，由用户取走纸带和计算结果。13手工操作计算机14人工操作方式的特点人工操作方式的特点：独占计算机资源，资源利用率低CPU等待人工操作人工操作方式的不足：手工操作的慢速与与CPU运算的高速之间的矛盾。此即人机矛盾。CPU的快速与I/O设备慢速的矛盾。151.2.2早期批处理为解决低速设备与CPU速度不匹配以及人及矛盾的问题，出现了批处理技术及脱机输入/输出技术。16早期批处理系统（Whirlwind）17监督程序与批处理监督程序是一个常驻内存的程序，它管理作业的运行，负责装入和运行各种系统程序来完成作业的自动过渡。监督程序是最早的操作系统雏形。批处理技术是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。早期的批处理分为：联机批处理脱机批处理18联机批处理在早期联机批处理系统中，操作员将若干作业合成一批输入到磁带上，接着监督程序自动把磁带上该批作业的第一个调入内存编译，然后由装配程序把编译结果装入内存启动执行，该作业运行结束后输出结果；第一个作业完成后，监督程序又调入第二个作业并重复上述过程，直到该批作业全部完成。在完成了一批作业后，监督程序又控制输入另一批作业到磁带上，并按上述步骤重复处理。19脱机批处理联机批处理中采用联机输入/输出，即输入/输出操作在主机控制下进行，其缺点是速度慢。为此引入脱机输入/输出技术。在脱机批处理系统中，除主机外另设一台外围机（又称卫星机）。用户作业通过外围机输入到磁带上，而主机只负责从磁带上把作业调入内存，并予以执行。作业完成后，主机负责把结果输出到磁带上，然后再由外围机把磁带上的信息在打印机上输出。20脱机输入/输出技术脱机输入：将用户程序和数据在一台外围机（又称卫星机）的控制下，预先从低速输入设备输入到磁带上，当CPU需要这些程序和数据时，再直接从磁带机高速输入到内存。脱机输出：当CPU需要输出时，高速地把结果送到磁带上，然后在外围机的控制下，把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出。21脱机输入/输出示意图打印机纸带机外围机输入带输出带输入带输出带主机221.2.3多道程序设计技术单道批处理系统中内存仅一道程序，系统资源无法得到充分利用。下图是单道运行实例启动I/O用户程序监督程序I/O操作I/O完成结束中断计算请求输入继续计算23多道运行实例运行处理输出数据等待CPU运行处理输出等待结束CPUCPU输入设备输出设备程序A程序B程序A程序B程序A程序B请求输入请求输出输入结束请求输入运行处理输入数据运行处理输入数据24多道程序设计技术多道程序设计的基本思想是在内存中同时存放多道程序，这些程序在管理程序的控制下交替运行，共享处理机及系统中的其他资源。25单处理机系统中多道程序运行特点多道：计算机内存中同时存放多道相互独立的程序。宏观上并行：同时进入系统的多道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。微观上串行：内存中的多道程序轮流占有CPU，交替执行。26多道程序系统需要解决的问题处理机管理：如何分配回收处理机内存管理：内存分配回收，信息保护设备管理：设备分配回收、缓冲管理文件管理：文件存储、共享保护及检索271.2.4操作系统的形成及发展操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，以及方便用户的程序的集合。281.2.5推动操作系统发展的动力硬件技术更新应用需求扩大291.3操作系统的类型最基本的操作系统类型有三种：批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。随着计算机体系结构的发展及应用需求的扩大，又出现了许多新型操作系统：嵌入式操作系统、个人计算机操作系统、多处理机操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。301.3.1批处理系统作业是用户在一次解题或一个事务处理过程中要求计算机系统所做工作的集合，包括用户程序、所需的数据及命令等。内存中始终只保持一道作业的批处理系统单道批处理系统。在批处理系统中引入多道程序设计技术后就形成了多道批处理系统。31多道批处理系统的特征用户脱机使用计算机：用户提交作业后不再和计算机打交道。成批处理：操作员将提交的作业组织成批，由操作系统负责每批作业间的自动调度。多道程序运行：按多道程序设计的调度原则。321.3.2分时系统推动分时系统发展的主要动力是用户需求，即：人机交互：控制程序运行共享主机：机器昂贵，多人使用较经济方便用户上机：可以通过终端提交作业33分时技术所谓分时技术就是把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂停运行，把处理机让给另一个作业使用，等待下一轮时再继续其运行。34分时技术示意图用户1用户2用户3用户4CPU分配重复上述过程……35分时操作系统在操作系统中采用分时技术就形成了分时操作系统。在分时操作系统中，一个计算机和许多终端设备连接，每个用户可以通过终端向系统发出命令，请求完成某项工作，而系统则分析从终端设备发来的命令，完成用户提出的要求，然后用户再根据系统提供的运行结果，向系统提出下一步请求，这样重复上述交互会话过程，直到用户完成全部工作为止。36分时操作系统的特征同时性：一台计算机与若干台终端相连接，终端上的这些用户可以同时使用计算机。交互性：用户通过终端采用人机会话的方式直接控制程序运行，同程序进行交互。独立性：用户彼此之间都感觉不到别人也在使用这台计算机，好像只有自己独占计算机一样。及时性：用户请求能在很短时间内获得响应。371.3.3实时系统实时系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间范围内完成对该事件的处理，并控制实时任务协调一致地运行。38实时系统分类实时控制系统：指以计算机为中心的生产过程控制系统。实时信息处理系统：要求对信息进行实时处理的系统。39实时系统的特征响应及时可靠性高40操作系统的基本类型操作系统有三种基本类型：批处理操作系统分时操作系统实时操作系统如果一个操作系统兼有批处理、分时和实时操作系统三者或其中两者的功能，则称该操作系统为通用操作系统。41其他操作系统类型嵌入式操作系统个人计算机操作系统网络操作系统分布式操作系统42嵌入式操作系统对整个智能芯片以及它所控制的各种部件模块等资源进行统一调度、指挥和控制的系统软件称为嵌入式操作系统。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上PDA、手机、微波炉、数字相机、自动售货机、工业自动化仪表与医疗仪器等。43个人计算机操作系统个人计算机操作系统主要供个人使用，它功能强，价格便宜，能满足一般人工作、学习、游戏等方面的需求。个人计算机操作系统的主要特点是计算机在某一段时间内为单个用户服务，采用图形界面人机交互的工作方式，界面友好，使用方便。444546网络操作系统网络操作系统是基于计算机网络的，是在各种计算机操作系统上按网络体系结构协议标准开发的软件，包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和各种网络应用服务，其目标是互相通信及资源共享。4748分布式操作系统分布式系统是指多个分散的处理单元经互连网络连接而形成的系统，其中每个处理单元既具有高度自治性又相互协同，能在系统范围内实现资源管理、任务动态分配，并能并行地运行分布式程序。配置在分布式系统上的操作系统称为分布式操作系统。491.4操作系统的特征操作系统有4个特征：并发共享虚拟不确定501.并发并行：是指两个或多个事件在同一时刻发生。并发：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。并发是指宏观上在一段时间内有多道程序在同时运行，但在单处理机系统中，微观上这些程序是交替执行的。512.共享共享是指系统中的资源可供多个并发执行的进程共同使用。并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，二者之间互为存在条件。一方面，资源的共享是以程序的并发执行为条件的，若系统不允许程序的并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效的管理，也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。523.虚拟性虚拟是指把一个物理上的实体变为多干个逻辑上的对应物。如分时技术、虚拟内存534.不确定不确定性表现为多个作业的执行顺序和每个作业的执行时间是不确定的。不确定性及资源共享可能导致与时间有关的错误。541.5操作系统的功能操作系统的主要功能包括：处理机管理存储器管理设备管理文件管理551.处理机管理功能处理机管理的主要任务是对处理机的分配和运行实施有效的管理。进程控制：负责进程的创建、撤消及状态转换。进程同步：对并发执行的进程进行协调。有同步与互斥进程通信：负责完成进程间的信息交换。作业调度和进程调度：56作业调度与进程调度作业调度：从后备作业队列中按照一定的原则，选择若干作业进入内存。进程调度：决定哪个进程获得处理机。572.存储器管理功能存储器管理的主要任务内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充。58内存分配内存分配：按一定的策略为每道程序分配内存，程序运行结束后回收内存。内存分配方式有静态和动态两种：静态：作业的内存空间在作业装入时确定，作业装入内存后不允许再申