第1章 操作系统概述总结

操作系统原理PrincipleofOperatingSystem刘扬E-mail:[e-mail]:18623718868课程类型：必修课学时安排：56学时（1－14周）8学时上机学分：3.5学分考核形式：平时成绩30%（实验20%+作业5%+考勤5%）+卷面70%教材：《计算机操作系统》(第四版)——汤小丹等编著西安电子科技大学出版社参考：《计算机操作系统(第四版)》学习指导与题解——梁红兵,汤小丹西安电子科技大学出版社课程安排计算机系统硬件(裸机)：中央处理机（CPU）、内存、外存、外部设备。软件应用软件：为多种应用而编制的程序，如：办公自动化软件、财务管理软件、即时通信软件等系统软件操作系统（DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX）语言处理系统（命令解释器、窗口系统、编译、汇编程序）常用的例行程序（库连接程序、诊断排错程序）应用软件其它系统软件操作系统裸机一般用户程序员OS开发人员课程内容第一章、操作系统概述第二章、进程管理第三章、处理机死锁与调度第四章、存储器管理（内存管理）第五章、设备管理（输入输出I/O管理）第六章、文件管理第一章操作系统概述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操作系统的基本特征1.4操作系统的主要功能1.5操作系统的结构1.1操作系统的目标和作用什么是操作系统操作系统的目标操作系统的作用1.1.1什么是操作系统操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理的对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序集合。操作系统是系统软硬资源的管理控制中心，它以尽量合理有效的方法组织多个用户（进程）共享计算机的各种资源并提供使用接口。1.1.2操作系统的目标(1)方便性：(2)有效性：(3)可扩充性：(4)开放性：使计算机易学易用提高系统资源的利用率和吞吐量能适应硬件的发展，容易升级具备可移植性和互操作性1.1.3操作系统的作用(1)用户与计算机硬件之间的接口(2)计算机四类资源的管理者(3)用作扩充机器(1)用户与计算机硬件之间的接口计算机硬件系统调用命令图形窗口方式操作系统应用程序用户软件接口，给用户提供3种方式(2)计算机四类资源的管理者①处理机管理对处理机进行分配——进程管理和调度②存储器管理对内存进行分配、保护和扩充③I/O设备管理接收用户程序的I/O请求，分配设备，启动设备④文件管理文件的存储、信息的共享、信息的保密与保护(3)用作扩充机器裸机：无任何软件的计算机系统扩充机器：覆盖了软件的机器，又称虚拟机1.2操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统单道批处理系统（50年代）多道批处理系统（60年代）分时系统（60年代）实时系统（60年代）1.2.1无操作系统的计算机系统人工操作方式（46～50年代）1、工作方式2、特点：用户独占全机、CPU等待人工操作（串行性），联机输入输出方式（输入输出都由主机控制）。3、问题:人机矛盾，CPU和I/O设备间不匹配。纸带（卡片）输入机计算机打印结果取走纸带脱机输入输出方式（输入输出在外围机控制下完成）：1、减少CPU的空闲时间2、提高I/O速度输入设备外围机输入磁盘输入磁盘输出磁盘输出磁盘外围机主机输出设备1、过程：在监督程序（Monitor,OS的雏形）的控制下，把一批作业脱机输入到磁带上，使这批作业能一个接一个的连续得到处理。2、特征：(1)自动性无人工干预(2)顺序性按进入内存的先后执行(3)单道性内存中只保持一道作业1.2.2单道批处理系统（1）单道程序程序的工作情况CPU程序A运行I/O操作程序A运行外设1.2.3多道批处理系统1、多道：内存中同时存在多个相互独立程序。多道技术是共享的基础。CPUI/O设备程序B程序A程序A程序B输入输入输出输出I/O设备等CPUt1t2t3t4t52、多道批处理系统的特征：(1)多道性：内存中有多道程序，可并发执行(2)无序性：完成时间与进入内存先后无关(3)调度性：作业从提交到完成经两次调度①作业调度：外存（后备队列）内存（选多个）②进程调度：分配处理机（选1个内存中的作业）3、优点：(1)资源利用率高(2)系统吞吐量大原因(1)资源忙(2)完成或运行不下去时才切换缺点：(1)作业平均周转时间较长(2)无交互能力-修改和调试极不方便多道系统引发处理机管理、内存管理、I/O设备管理、文件管理、作业管理等一系列问题，促成操作系统的形成。问：多道程序需要什么技术作为支持？必须有中断和通道技术支持。通道是一种控制一台或多台外设的硬件机构，能做到输入输出操作与CPU并行工作。中断是输入输出结束时，向CPU发出中断信号，CPU响应中断请求，处理完后继续原来工作。1.2.4分时系统1、分时系统的产生原因(1)人机交互能力的需求（边运行边调试）(2)共享主机（设备昂贵）(3)方便用户上机（在终端上输入、控制）2、定义：一台主机上连接了多个终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。3、分时技术：把处理机时间划分成很短的时间片(如100毫秒)轮流地分配给各个联机作业使用，如果某个作业在分配的时间片用完之前计算还未完成，该作业就暂时中断，等待下一轮继续计算。┇主机终端1终端2终端n4、分时系统实现中的关键问题及时接收－多路卡（多个I/O端口）及时处理－作业直接进内存、时间片轮转5、分时系统的特征(1)多路性即同时性，宏观上同时，微观上轮流(2)独占性每个用户感觉独占主机(3)及时性较短时间响应(2-3秒)(4)交互性1.2.5实时系统1、实时：及时响应外部事件请求，在规定的时间完成对该事件的处理，控制所有实时任务协调一致运行。2、应用需求：(1)实时控制系统：生产过程控制、作战指挥(2)实时信息处理系统：订购机票、情报检索3、几种操作系统的比较多道批处理系统分时系统实时系统CPU时间分配作业运行时独占时间段分时事件发生时立即分配内存同时存放多批作业同时存放多道程序存放预置的事件处理程序响应时间运行期间不响应及时响应立即响应特殊要求极大的资源利用率公平面向多用户高可靠性面向用户群委托用户普通用户定向用户批处理、分时系统、实时系统是三种基本的操作系统。OS的进一步发展：微机OS、嵌入式OS、网络OS、分布式OS、移动OS、智能化OS、网格OS、云OS……OS发展的驱动力：提高资源利用率、方便用户、体系结构的发展、互联时代、移动时代1.3操作系统的特征1、并发性2、共享性3、虚拟性4、异步性1、并发性并行性：多个事件在同一时刻同时发生并发性：多个事件在同一时间段内同时运行单处理机系统：宏观上并发，微观上交替执行。多处理机系统：可能有并行。2、共享性(1)互斥共享方式在一段时间内只允许一个进程访问的临界资源如：打印机等硬件；栈、变量、表格等(2)同时访问方式在一段时间内允许多个进程“同时”访问某些资源，微观上“轮流”（交替访问）如：处理机、内存、磁盘、可重入代码3、虚拟性(1)虚拟：通过某种技术把一个物理设备实体变为若干个逻辑上的对应物。(2)虚拟对象类型：虚拟处理机：通过多道程序设计技术，让多道程序并发执行的方法来实现虚拟内存：虚拟存储器技术虚拟外部设备：虚拟设备技术4、异步性异步性：进程是以人们不可预知的速度向前推进的。导致的原因：多道环境的复杂性进程的动态性每个进程的运行过程是不可预测的1.4操作系统的主要功能资源管理1、处理机管理（硬件）5、用户接口2、存储器管理（硬件）3、设备管理（硬件）4、文件管理（软件）命令接口程序接口图形接口联机用户接口脱机用户接口1.4.1处理机管理进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等－－主动改变进程的状态进程同步：协调并发进程之间的推进步骤，以协调资源共享；－－交换信息能力弱进程通信：进程之间传送数据，以协调进程间的协作；－－交换信息能力强，也可以用来协调进程之间的推进进程调度：作业和进程的运行切换，以充分利用处理机资源和提高系统性能；－－未必是进程控制操作所引起（可能是时间片轮转、I/O操作）同一类型内的公平性、高效率（吞吐量大）、作业周转时间等完成处理机资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为进程或线程。1.4.2存储管理存储分配与回收存储保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如：访问合法性检查、甚至要防止从垃圾中窃取其他进程的信息；地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地址的映射；内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存利用率、扩大进程的内存空间；管理目标：提高利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、方便进程并发运行。1.5.3设备管理设备操作：利用设备驱动程序（通常在内核中）完成对设备的操作。还需处理外设的IRQ。设备独立性(deviceindependence)：提供统一的I/O设备接口，使应用程序独立于物理设备，提高可适应性；在同样的接口和操作下完成不同的内容（如FAXModem作为Windows上的打印机设备）。设备分配与回收：在多用户间共享I/O设备资源。虚拟设备(virtualdevice)：设备由多个进程共享，每个进程如同独占。缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率（单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区）设备管理的目标是：方便的设备使用、提高CPU与I/O设备利用率；1.5.4文件管理文件的读写管理：快速的从磁盘读出文件或者向磁盘写入文件文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能。目录管理：解决信息检索问题。文件的属性（如文件名）、单一副本赋予多文件名文件的安全性管理：解决存取控制等问题。系统设口令哪个用户、用户分类哪个用户组、文件权限针对用户或用户组的读写权”解决软件资源的存储、共享、保密和保护。联机用户接口1、适用：几乎所有计算机的操作系统中。2、组成：命令+终端处理程序+命令解释程序3、过程：用户在键盘上输入命令；终端处理程序接收命令并显示在屏幕上；命令解释程序解释并执行该命令。脱机用户接口1、适用：批处理系统。2、组成：JCL+作业说明书+命令解释程序3、过程：用户把对作业的控制用JCL写在作业说明书上，命令解释程序按照作业说明书解释并执行。作业控制语言4、联机命令举例：UNIX：login；logout；DOS：copy；format；命令解释程序：操作系统的最高层MS-DOS：COMMAND.COMUNIX：Shell2.作业的组成作业说明书包括作业基本情况、作业控制、作业资源要求的描述；它体现用户的控制意图。如：预计运行时间、要求的资源情况、执行优先级等。作业基本情况：用户名、作业名、编程语言、最大处理时间等；作业控制描述：作业控制方式、作业步骤的操作顺序、作业执行出错处理；作业资源要求描述：处理时间、优先级、内存空间、外设类型和数量等；作业由程序、数据和作业说明书三部分组成。3.作业的处理过程作业提交：作业的输入；作业执行：先到就绪，经调度运行，有I/O请求等待，I/O完成到就绪作业完成：作业的输出；用户作业录入提交收容完成运行就绪阻塞等待I/OI/O完成进程调度作业调度执行作业调度4.作业输入方式无通道处理方式：联机（降低了CPU效率）：由主机直接控制输入/输出；I/O与作业处理不能并行。脱机（人工干预）：通过磁带或磁盘在外围处理机与主机之间交换作业（需人工移动）；用于主机不太快的情况。直接耦合：通过共享外存在外围处理机与主机之间交换作业；用于高速主机。有通道处理：输入/输出由主机和通道来承担。假脱机(spooling,SimultaneouslyPeripheralOperationOnLine)：系统把作业处理的全过程划分为相对独立的三个部分--输入流、处理流和输出流。spooling-in/spooling-out进程：控制输入/输出；网络：在网络上一台机器进行作业输入/输出，在另一台主机上运行；5.作业控制表(JCB,JobControlBlock)作业名估计执行时间优先级（用于调度）作业说明书文件名程序类型（需调用的系统程序）资源要求：（静态，或中间可以随作业步变化－－效率不高；动态