操作系统01第一章操作系统概论

操作系统原理PrinciplesofOperatingSystem2011年2月2计划安排总课时：56学时理论教学：44课时实验教学：12课时3教材：孙钟秀,费翔林，骆斌.操作系统教程（第4版）.高等教育出版社参考书：汤子瀛等.计算机操作系统.西安电子科技大学出版社庞丽萍.操作系统原理.华中理工大学出版社梁红兵等.《计算机操作系统学习指导与题解》.西安电子科技大学出版社4本课程地位专业核心课程考研核心课程技术开发的理论基础5学习方法认真学习积极思考加强交流开阔眼界，打开思路6本课程主要内容第一章操作系统概论第二章处理器管理第三章同步、通信与死锁第四章存储管理第五章设备管理第六章文件管理操作系统的作用：管理系统软硬件资源；扩展计算机的功能；向用户提供服务。处理机管理存储管理设备管理文件管理用户接口7第一章操作系统概论1.1操作系统概观1.2操作系统的形成和发展1.3操作系统纵览81.1操作系统概观一、操作系统的定义你所用过的操作系统你知道下列哪些是操作系统吗?DOSLINUXWINDOWSTURBO-CWORDFOXPROUNIXVI一个C语言源程序9流行的操作系统微软：Windows系列（以前MS-DOS）UNIX家族：Solaris,AIX,HPUX,SVR4,BSD,ULTRIX自由软件：Linux,freeBSD,MinixIBM:AIX,OS/390,OS/2,OS/400,PCDOS其他：Mach，MacOS,NetWare,……10你用过的操作系统能做什么?各种命令：dircopydelformat启动、结束用户程序系统调用：例如INT指令WINDOWS、UNIX等提供多任务或多用户环境11你知道操作系统不能做什么?不做天气预报不做房屋设计不是编译程序总之，操作系统不直接解决最终具体应用问题，也不负责编译源程序...12操作系统是什么操作系统为你完成所有“硬件相关、应用无关”的工作，以给你方便、效率、安全131.操作系统定义操作系统（OS:operatingsystem）：管理系统资源、控制程序执行、改善人机界面、提供各种服务，并合理组织计算机工作流程和为用户提供方便而有效地使用计算机良好运行环境的最基本的系统软件。14图1.1计算机系统组成2.操作系统的地位计算机系统软件硬件(裸机）应用软件系统软件操作系统支撑软件编译程序、数据库……15操作系统在计算机系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下，是各种软件的基础运行平台。计算机硬件操作系统支撑软件应用软件应用用户应用开发人员操作系统开发人员图1.2计算机系统的软硬件层次结构16二、操作系统的作用（1）操作系统作为资源的管理者和控制者。资源管理对象：硬件资源：处理器、存储器、外部设备等信息资源：程序和数据资源管理的内容：记录资源使用情况，确定资源分配策略，实施资源的分配和回收等17资源管理的技术：资源复用空分复用共享：例如主存和辅存时分复用共享：例如处理器资源虚化（虚拟）把一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。例：CPU－－每个用户（进程）的虚处理机存储器－－每个进程都占有的地址空间（虚拟主存）显示设备－－多窗口或虚拟终端资源抽象资源复用和虚化主要解决物理资源不足的问题，资源抽象解决资源的易用性。资源抽象是指通过创建软件来屏蔽硬件资源的物理特性和接口细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用。三种最基本的抽象：进程抽象、虚存抽象、文件抽象18（2）操作系统作为扩展机或虚拟机OS自身包含了若干层软件，因此当在裸机上覆盖上OS后，便可获得一台功能显著增强，使用更加方便，安全可靠性更好，效率明显提高的扩展器或多层虚拟机。在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理、处理机管理；另外，为合理组织工作流程：作业管理、进程管理。19（3）操作系统作为用户接口和服务提供者。操作系统处于用户和计算机硬件之间，用户通过操作系统来使用计算机系统。分两类接口：操作接口：操作控制命令：字符型用户界面：命令行方式、批命令方式图形用户界面作业控制语言（命令）程序接口：应用程序需要获得操作系统服务，就必须利用系统提供的程序接口——系统调用20三、操作系统的功能1.处理机管理2.存储管理3.设备管理4.文件管理5.网络与通信管理6.用户接口211.处理机管理处理机是最重要的资源，现代操作系统采用多道程序设计技术，组织多个作业并发执行，共享处理机，按照某种算法（分时、优先级）交替地使用处理机。处理机管理包括：进程控制和管理进程同步和互斥进程通信进程死锁线程控制和管理处理机调度222.存储管理存储管理要具备下列功能：主存分配地址转换：把程序中的逻辑地址映射为物理地址存储保护：使多道程序间互不干扰主存共享：存储扩充：用辅存扩充主存，实现“虚拟存储器”233.设备管理最庞大、琐碎的部分，因为：物理设备品种繁多、用法各异各种外设能和主机并行工作主机与各类外设速度极不匹配，级差很大设备管理应具备的功能：提供设备中断处理提供缓冲区管理提供设备独立性设备分配和回收实现共享型设备的驱动调度实现虚拟设备244.文件管理文件系统管理的功能：文件的逻辑组织文件的物理组织文件的存取和使用目录管理文件的共享和安全性控制文件存储空间管理。255.网络与通信管理操作系统至少应具有与网络有关的以下几项功能：网络资源管理数据通信管理网络管理266.用户接口操作接口程序接口27四、操作系统的特性1.并发（Concurrency）2.共享（Sharing）3.异步性（Asynchronism）281.并发性所谓并发是指在内存中放多道作业，在一个时间段上来看，每一道作业都能不同程度地向前推进，即这些作业在执行在时间上是重叠的，即使这种重迭是很小的。与并发相关的两个概念：串行：在内存中每次只能放一道作业，只有它完全执行完后别的作业才能进入内存执行。并行：存在于有多个CPU的环境中，在内存中放多道作业，在任一时间点上都可能有多道作业在不同的CUP上同时执行。292.共享性系统中的资源可供多个并发的进程共同使用。两种共享方式：互斥共享方式同时访问方式并发和共享是操作系统的两个基本特征，它们互为依存。303、异步性(随机性)在多道环境中允许多个程序并发执行，它们共享系统资源。进程运行时“走走停停”，无法预知每个进程的运行推进快慢，有可能导致程序执行结果不唯一。从用户运行程序的要求的角度看，操作系统必须是确定的，即用户给定一个程序和相应的初始数据，无论在什么时候，在什么计算机系统上运行，产生的结果都应是相同的。这就要求操作系统的设计要很好地解决并发和共享的问题。311.2操作系统的形成和发展操作系统的产生人工操作阶段单道批处理阶段操作系统的形成多道批处理系统分时系统实时系统操作系统的发展微机操作系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统多处理机操作系统32一、人工操作阶段1946-50年代中期，操作系统尚未出现，由手工控制作业的输入输出,通过控制台开关启动程序运行。用户使用计算机的过程大致如下：先把程序和数据穿孔在卡片或纸带上,然后将卡片或纸带装上输入机，启动输入机把程序和数据送入计算机，然后通过控制台开关启动程序运行，运行完毕后，用户拿走计算结果。33手工操作方式的特点用户独占全机：系统资源利用率低；CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；主要矛盾计算机处理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪费）；例如：上机操作要1分钟，运行时间20分钟（10万次/sec）上机操作要1分钟，运行时间0.2分钟（1000万次/sec）用户独占全机的所有资源；34如何解决矛盾利用一个控制程序实现作业的自动转换和按步执行.这样用户可一次向系统提交多个作业处理.这个控制程序称为管理程序或监督程序.35二、单道批处理阶段操作系统的雏形。单道批处理系统的工作过程：用户将作业交到机房操作员，操作员收集一批作业后将作业输入到辅存（如磁带）上，形成一个作业队列。在管理程序的控制下实现作业的自动运行.管理程序从这一批中选一道作业调入内存运行。当这一作业完成时，管理程序调入另一道程序，直到这一批作业全部完成。36单道批处理阶段的特点(1)作业（步）间不需要人的干预(2)监控程序常驻内存，开机后第一个进入内存，直到关机一直驻留在内存中(3)专职操作员，程序员不在现场(4)单道(5)监控程序只为一个计算机系统设计37对单道批处理阶段的评价(1)作业转换时间大大减小，系统运行效率提高(2)资源利用率低:单道,很多资源空闲(3)程序员（和非编程用户）无法同计算机交互(4)一个管理程序只能在一种机器上运行如何提高系统资源的利用率?---多道程序设计38三、多道批处理系统在60年代中期引入了多道程序设计技术，形成了多道批处理系统。操作系统发展史上革命性变革。多道程序设计技术：在内存中同时存放多道作业，在管理程序的控制下交替地执行。这些作业共享CPU和系统中的其它资源。39多道运行的特点•多道。•宏观上并行：同时有多道程序有内存运行，某一时间段上，各道程序不同程度地向前推进。•微观上串行：任一时刻最多只有一道作业占用CPU，多道程序交替使用CPU。40多道程序设计技术提高资源利用率例:作业1:输入机输入数据需78ms,在处理器上计算需52ms,结果存放到磁带上需20ms.单道情况下:处理器利用率=52/(78+52+20)≈35%如何提高处理器利用率:同时接收多道作业.例如接收作业1同时还接收作业2.作业2:从另一磁带机输入数据需20ms,在处理器上计算需42ms,结果打印需88ms.分析过程见教材P19多道情况下:处理器利用率=(52+42)/150≈63%4178输入机处理器磁带机130150228280300378430450时间磁带机打印机206217032042利用概率方法计算CPU利用率假设程序平均等待I/O操作时间占整个运行时间比例为P,当主存中有n道程序时,所有程序都等待I/O操作的概率是Pn,此时CPU是空闲的.那么CPU利用率=1-Pn例:计算机主存1MB,操作系统占用200KB,其余主存装入4道程序,每道程序占200KB,程序80%时间用于等待I/O操作.CPU利用率=1-Pn=1-0.84=59%若增加1MB主存空间,则可装入9道作业,此时CPU利用率=1-Pn=1-0.89=87%43多道批处理系统的优点提高了资源(CPU、主存和设备)利用率高。提高了系统吞吐量。系统吞吐量指系统在单位时间完成的作业数。20世纪60年代中期，相继出现多道批处理系统、分时系统和实时系统，此时标志操作系统正式形成。44四、分时系统推动多道批处理系统形成和发展的动力是提高资源利用率和系统吞吐量。推动分时系统形成和发展的主要动力是用户的需要：交互、共享主机、方便上机。分时操作系统：允许多个联机用户同时使用一个计算机系统进行交互式计算的操作系统。45分时系统实现思想主机终端把处理器的时间分成若干个时间单位，称为时间片，轮流分配给各个联机终端，终端用户获得CPU，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运行，当时间片到，用户程序暂停运行，等待下一次运行。46分时系统的特点同时性：若干终端用户联机使用计算机。独立性：每一用户独占一个终端，互不干扰。及时性：用户请求能及时响应。交互性：可人机对话。47五、实时系统早期计算机系统是用于数值计算，如第一台计算机产生的原因就是解决大口径火炮设计中的计算问题：弹道轨迹、弹着点和材料的各种应力分布的计算。还有原子弹设计和实验中大量的计算问题，用当时的计算工具已经解决不了。到了60年代初，计算机开始应用到生产过程控制、工业控制、防空系统、信息处理等，在这些应用中不但要解决计算问题题，还要求在规定的时间内完成计算，即实