操作系统第1讲--概述

1计算机操作系统吴明礼北方工业大学计算机科学与技术系2张尧学计算机操作系统教程清华大学出版社第3版3上课时间本学期1-16周每周五上午1，2节五教305单周三上午3，4节五教305上课36学时实验12学时4考试成绩闭卷考试期末考试占80%平时作业占10%上机实验占10%5基本要求掌握基本原理熟悉主要功能特点了解操作系统设计思想与结构6参考资料1.Unix操作系统教程西安电子科技大学出版社，尤晋元2.OperatingSystemsInternalsandDesignPrinciples(操作系统精髓与设计原理，影印版），WilliamStalling(thirdedition)清华大学出版社，19983.AppliedOperatingSystemConcepts(实用操作系统概念，影印版）高等教育出版社，2001，侧重于应用。4.操作系统原理技术与编程，蒋静，徐志伟机械工业出版社5.计算机操作系统，汤子瀛等西安电子科技大学6.操作系统原理，庞丽萍华中理工大学出版社，20007课程安排：两次实验：进程管理6存储管理68计算机操作系统第一章操作系统绪论第二章操作系统用户界面第三章进程管理第四章处理机调度第五章存储管理第六章文件系统第七章设备管理第八章现代操作系统发展9第一章操作系统绪论1.1操作系统概念1.2操作系统的历史1.3操作系统基本类型1.4操作系统功能1.5计算机硬件介绍1.6算法的描述1.7研究操作系统的几种观点101.1操作系统概念裸机：没有任何软件支持的计算机虚拟机（扩展机）：操作系统为裸机提供资源管理功能和方便用户的各种服务功能，改造后的机器称为虚拟机操作系统定义：一个系统软件管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程。为用户提供一个功能强大、使用方便、可扩展、安全的工作环境是用户和计算机之间的一个接口11裸机计算机用户各种应用软件汇编和编译软件、编辑软件等计算机操作系统操作系统与软硬件关系的层次示意图裸机12操作系统属于一种系统软件：从系统管理人员的观点看：管理和分配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工作流程的软件。从用户的观点看：提供良好的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别，是硬件的扩充。以发展的观点看：支撑计算机系统的功能扩展，利于追加新的服务和功能13管理对象包括：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）；管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）。操作系统的作用1OS是计算机硬件、软件资源的管理者。14操作系统的作用2OS是用户使用系统硬件、软件的接口。系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口GUI）；系统调用（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）。15操作系统的作用3OS改造扩展裸机。在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对CPU）；另外，为合理组织工作流程：作业管理、进程管理。操作系统的非形式化定义（关键点）：系统软件，程序模块的集合，资源管理和用户接口功能16操作系统的设计目标用户观点：方便用户资源观点：充分利用资源方便用户和充分利用资源常常是矛盾的。操作系统就是要协调这对矛盾。171.2操作系统的发展历史181.2.1手工操作工作方式用户：用户既是程序员，又是操作员，是计算机专业人员；编程语言：为机器语言；输入输出：纸带或卡片；计算机的工作特点用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，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；1946~50年代末（电子管），集中计算（计算中心），计算机资源昂贵；19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）；用户独占全机的所有资源；提高效率的途径专门的操作员，批处理201.2.2单道批处理系统simplebatchprocessingm早期批处理批处理中作业的组成：程序数据作业说明书（作业控制语言）批：供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软件（系统带）50年代末~60年代中（晶体管）：利用磁带把若干个作业编成作业序列，由一个专门的监督程序（Monitor）自动依次处理。程序可使用汇编语言开发。211.2.2.1联机批处理用户提交作业：以纸带或卡片为介质；操作员合成批作业：结果为磁带介质；批作业处理：对批作业中的每个作业进行相同的处理：从磁带读入用户作业和编译链接程序，编译链接用户作业，生成可执行程序；启动执行；结果输出。问题：慢速的输入输出处理仍直接由主机来完成。输入输出时，CPU处于等待状态。221.2.2.2脱机批处理卫星机：完成面向用户的输入输出（纸带或卡片），中间结果暂存在磁带或磁盘上。作业控制命令由监督程序(monitor)来执行：如装入程序、编译、运行等操作。优点：同一批内各作业的自动依次更替，改善了主机CPU和I/O设备的使用效率，提高了吞吐量。缺点：磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分类，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预才可恢复）。利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并行工作。23通道和中断技术通道：一种专用处理部件，用于控制I/O设备与内存间的数据传输。启动后可独立于CPU运行，实现CPU与I/O的并行。通道有专用的I/O处理器，可与CPU并行工作可实现I/O联机处理中断是指CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。中断处理过程：中断请求，中断响应，中断点（暂停当前任务并保存现场），中断处理例程，中断返回（恢复中断点的现场并继续原有任务）可处理算术溢出和非法操作码，死循环（利用时钟中断进行超时限定）监督程序发展为执行系统(executivesystem)，常驻内存60年代初，发展了通道技术和中断技术，这些技术的出现使监督程序在负责作业运行的同时提供I/O控制功能。24单道批处理的主要问题CPU和I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）。对计算为主的作业，外设空闲；对I/O为主的作业，CPU空闲；251.2.3多道批处理系统(multiprogrammingsystem)多道批处理的运行特征多道：内存中同时存放几个作业；宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；微观上串行运行：各作业交替使用CPU；60年代中~70年代中（集成电路），利用多道批处理提高资源的利用率。在当前运行的作业需作I/O处理时，CPU转而执行另一个作业。I/O完成后可恢复执行）26程序A监督程序I/O操作中断请求中断请求启动I/O启动I/OI/O完成I/O完成程序A程序B程序C程序D调度程序单道程序运行情况多道程序运行情况27多道要解决的问题处理机管理问题：分配和回收内存管理问题：各得所需、互不干涉I/O设备管理问题：各种设备同时运行提高设备利用率文件管理问题：磁盘空间管理和信息内容组织作业管理问题：不同类型程序的运行，提高效率28多道批处理系统的特点优点：资源利用率高：CPU和内存利用率较高；作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；缺点：用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；批处理：交互性差－－提高对CPU利用率；分时处理：用户与应用程序随时交互，控制程序运行，适于商业和办公事务处理－－缩短响应时间291.2.4分时系统(time-sharingsystem)“分时”是指多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。多个用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。前台和后台程序(foreground&background)分时：后台程序不占用终端输入输出，不与用户交互。通常按时间片(timeslice)分配：各个程序在CPU上执行轮换时间。70年代中期至今30分时系统的特点人机交互性好：在调试和运行程序时由用户自己操作。共享主机：多个用户同时使用。用户独立性：对每个用户而言好象独占主机。现在的许多操作系统都具有分时处理的功能，在分时系统的基础上，操作系统的发展开始分化，如实时系统、通用系统、个人系统等。311.2.5实时系统(real-timesystem)响应时间短，在一定范围之内（秒级或更小）系统可靠性高资源利用率低应用工业过程控制军事实时控制手机、PDA通用操作系统，同时具有分时、实时和多道批处理功能，或其中两种以上的功能。例如UNIX系统(Solaris、AIX、Linux)、WindowsNT等。32重申几个重要概念单道运行：每次只调一个用户程序进入内存让它运行。多道程序设计：在系统内存同时存放并运行几道相互独立的程序。多道程序设计的基础：将运行过程进一步细化成几个小的步骤，从而实现宏观上的并行，微观上串行地或分时地占用处理机，交替执行。33多重处理系统一般指多CPU系统。多用户的关键技术是在用户之间要有保密保安措施。终端指用户使用的硬件设备，即使一个终端也可为多用户使用，例如，银行的自动取款机(ATM)。341.3操作系统的几种基本类型批处理操作系统分时操作系统实时操作系统网络操作系统分布式操作系统个人计算机操作系统351.3.1批处理操作系统(BatchProcessingOperationSystem)作业的处理流程作业提交：作业的输入；作业执行作业完成：作业的输出；36用户作业录入提交收容完成运行就绪等待作业调度执行作业调度图1批处理系统中作业处理及状态37单道(uniprogramming)和多道批处理的比较单道多道内存使用每次一个作业每次多个作业（充分利用内存）作业次序顺序，先进先出无确定次序多道程序系统和多处理系统(multiprocessingsystem)的区别：前者指多个程序同时在内存中交替运行，后者指多个处理器。38多道批处理的主要特征用户脱机使用计算机：作业提交后直到获得结果之前，用户无法与作业交互。作业成批处理多道程序并行：充分利用系统资源。39多道批处理系统的资源利用效率特征多道批处理系统的资源利用效率特征是基于各作业对系统资源的需求差异得到的。例如：有3个作业A、B、C，分别为计算、检索和打印作业，单道运行时间分别为5分、15分和10分钟。它们可并行在15分钟内完成3个作业。各资源的利用效率为：CPU打印机磁带单道17%33%50%多道33%66%100%401.3.2分时操作系统(TimeSharingOperatingSystem)分时的定义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（timeslice），每个用户依次轮流使用时间片。41分时系统的特征多用户同时性多个用户同时工作，共享系统资源，提高了资源利用率。促进了计算机的普遍应用。独立性各用户独立操作，互不干扰。交互性：系统能及时对用户操作进行响应，提高了调试和修改程序的效率，缩短了周转时间。远地用户通过终端（较便宜）联机使用，不必将其作业提交给机房。421.3.3实时操作系统(RealTimeOperatingSystem)设计实时系统考虑因素实时时钟管理：提供系统日期和时间、定时和延时等时钟管理功能；过载保护：缓冲区排队，丢弃某些任务，降低服务频率；过载是指进入系统的任务数目超出系统的处理能力。高度可靠性和安全性：容错能力和冗余备份；实时操作系统要在被控对象允许时间范围内作出响应，其主要特征是实时响应、安全可靠、资源利用率低。43实时系统与批处理系统和分时系统的区别专用系统：许多实时系统是专用系统，而批处理与分时系统通常是通用系统。实时控制：实时系统用于