第一章 操作系统原理概述

2/24/20201:38:35AM计算机操作系统操作系统原理PrinciplesofOperatingSystem太原科技大学计算机科学与技术学院2/24/20201:38:35AM计算机操作系统目录REFERANCE第1章绪论第2章进程第3章调度第4章进程同步与通信第5章死锁2/24/20201:38:35AM计算机操作系统目录第6章存储管理第7章虚存管理第8章设备管理第9章文件系统第10章安全与保护2/24/20201:38:35AM计算机操作系统REFERENCE1操作系统基础屠立德屠祁清华大学出版社19952UNIX操作系统教程尤晋元西北电讯工程学院出版社3操作系统王鸿武湖南科学技术出版社4计算机操作系统教程张尧学史美林清华大学出版社5ModernOperatingSystemAndrewS.Tanenbaum6AppliedOperatingSystemConceptsAbrahanSilberschatz,etc7OperatingSystemsWilliamStallings2/24/20201:38:35AM计算机操作系统INTRODUCTION课程形式主课，习题课，作业，小论文及上机成绩评定作业，小论文及上机，期末考试比例：作业10%小论文及上机10%期末考试80%2/24/20201:38:35AM计算机操作系统一、操作系统课程的特点实践性强:从实践总结出原理涉及面广:并行程序，性能问题，结构问题，程序方法论，软件工程，等等二、如何学习操作系统课程三、操作系统的名称2/24/20201:38:35AM计算机操作系统#includestdio.hintmain(intargc,char*argv[]){puts(helloworld);return0;}四、操作系统能做什么？2/24/20201:38:35AM计算机操作系统五、操作系统提供的服务多任务，内存保护，内存管理，网络，文件存取，设备控制，用户界面，错误检测及恢复系统，硬件控制，安全2/24/20201:38:35AM计算机操作系统六、为什么学习操作系统?关于学习操作系统的争议:•世界上只需要很少的操作系统设计/实现者•Windows的垄断不易改变赞成学习操作系统的理由:•需要总体上掌握系统设计•操作系统包括了所有软件设计、实现问题资源共享、管理安全和身份验证灵活性，健壮性友好界面设计2/24/20201:38:35AM计算机操作系统其他理由▲设计操作系统，或者修改现有的系统存在人们意识不到的大量“操作系统”嵌入式系统(EmbeddedOS）▲加深对使用的OS的理解，有利于深入编程开发应用程序必须与操作系统打交道▲编程时借鉴操作系统的设计思想和算法操作系统中许多算法和技巧可以应用到其他领域▲选择购买操作系统▲我们并不总使用Win95/NTIntel-CPU，微软-Windows的安全问题“后门”2/24/20201:38:35AM计算机操作系统基本目的1．介绍操作系统的基本概念、基本结构及运行环境2．介绍操作系统原理、设计方法和实现技术3．介绍操作系统的演化过程、发展研究动向、新技术以及新思想4．介绍各种有代表性、典型的操作系统实例5．培养学生分析问题、解决问题的基本能力，培养创新型人才2/24/20201:38:35AM计算机操作系统研究操作系统的几种观点•作为软件来看的观点资源管理的观点进程的观点虚机器观点服务提供者观点2/24/20201:38:35AM计算机操作系统1.作为软件来看的观点软件的特性•外在特性：软件是种语言,是界面界面:使用方式（命令,系统调用等)•内在特性：软件的结构a.由有几部分组成b.每个部分的功能c.部分之间的关系2/24/20201:38:35AM计算机操作系统2.资源管理的观点操作系统---资源管理者•硬件资源：CPU，内存，外部设备(I/O设备，外存，时钟，网络接口等)•软件资源：硬盘上的文件，信息2/24/20201:38:35AM计算机操作系统管理资源•记录资源使用状况如哪些资源空闲，好坏与否，被谁使用,使用多长时间等•合理的分配资源静态分配策略(在程序运行前分配，但效率不高)动态分配策略(在程序运行过程中何时用资源，何时分配。其缺点是会出现死锁)•具体完成分配•回收资源2/24/20201:38:35AM计算机操作系统资源管理的目的–实现资源共享–提高资源利用率操作系统功能•CPU(进程)管理•存储管理•文件管理•设备管理•作业管理2/24/20201:38:35AM计算机操作系统3.进程的观点从操作系统运行的角度动态的观察操作系统从这个观点来看：操作系统是由一些可同时独立运行的进程和一个对这些进程进行协调的核心组成.2/24/20201:38:35AM计算机操作系统进程：•完成某一特定功能的程序•是程序的一次执行过程•是动态有生命的，当它执行时存在，否则消亡2/24/20201:38:35AM计算机操作系统4.虚机器观点•从操作系统内部结构来看：•把操作系统分成若干层•每一层完成其特定功能从而构成一个虚机器，并对上一层提供支持•通过逐层功能扩充,最终完成整个操作系统虚机器•而操作系统虚机器向用户提供各种功能,完成用户请求2/24/20201:38:35AM计算机操作系统5.服务提供者的观点在操作系统之外从用户角度来看：操作系统为用户提供一组功能强大的、方便易用的命令或系统调用2/24/20201:38:35AM计算机操作系统第1章操作系统引论1.1操作系统的目标、作用和模型1.2操作系统的五个基本功能1.3操作系统的发展与形成1.4操作系统的特征和服务1.5UNIX操作系统的特征1.6WINDOWSNT简介1.7linux操作系统简介1.8PROBLEMS-12/24/20201:38:35AM计算机操作系统虚拟机的概念用户程序库管理程序编辑程序诊断程序编译程序解释程序装配程序操作系统裸机应用程序例行服务语言处理操作系统系统软件虚拟机：裸机在每增加一层软件后，就成为一个功能更强的机器，通常将这个“新的功能更强的机器”称为“虚拟机”2/24/20201:38:35AM计算机操作系统操作系统设置目标(1)管理系统资源，达到系统资源的有效利用和共享。(2)合理组织计算机的工作流程，改善系统性能（响应时间、吞吐量）。(3)提供用户接口，简化用户使用操作。P1：方便性、有效性、可扩充性、开放性。响应时间：从提出要求到系统作出响应所需时间吞吐量：单位时间内处理作业的数量。2/24/20201:38:35AM计算机操作系统操作系统定义控制和管理计算机软硬件资源、合理组织计算机的工作流程，以方便用户使用计算机的程序的集合。2/24/20201:38:35AM计算机操作系统1.2操作系统的五个基本功能1、存储管理：内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充2、处理机管理：进程控制、进程同步、进程通信、进程调度3、设备管理：缓冲管理、设备分配、设备处理、设备独立性和虚拟设备4、文件管理：外存管理、目录管理、文件操作5、用户接口：命令接口、程序接口、图形接口2/24/20201:38:35AM计算机操作系统1.3操作系统的形成发展动力1、不断提高资源利用率的需要；2、方便用户；3、器件的不断更新换代；电子管、......;8位、......4、计算机体系结构的不断发展。单处理机OS、多处理机OS、网络OS2/24/20201:38:35AM计算机操作系统无操作系统时代一、人工操作方式(ManualOperating)1945年~50年代中期，使用纸带、卡片。用户独占系统资源人机串行，CPU等待人工操作特点（缺点）：主机2/24/20201:38:35AM计算机操作系统50年代早期的穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机2/24/20201:38:35AM计算机操作系统二、脱机输入输出方式（Off-LineI/O)50年代末主机外围机外围机优点：提高CPU利用率提高了输入输出速度2/24/20201:38:35AM计算机操作系统没有程序设计语言（甚至没有汇编），更谈不上操作系统程序员提前预约一段时间,然后到机房将他的插件板插到计算机里期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断,从而可以计算自己的题目ENIAC计算机运算速度：1000次/每秒,数万个真空管,占地100平方米在1秒钟内进行了5000次加法和500次乘法运算，比最快1000多倍2/24/20201:38:35AM计算机操作系统1.3.1批处理系统一、单道批处理系统(SimpleBatchSystem)属OS前身。实现：系统配置监督程序（Monitor）,用户将需处理的一批作业按脱机方式输入到磁带中，由主机的监督程序依此读入内存处理。作业=程序+数据+处理步骤HOST2/24/20201:38:35AM计算机操作系统卡片早期批处理系统IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带磁带机卡片阅读机输出磁带打印机OperatingSystem2/24/20201:38:35AM计算机操作系统基本控制卡片是现代作业控制语言和命令解释器的先驱34I/ODevicesSlow二、多道批处理系统(MultipleBatchSystem)2/24/20201:38:35AM计算机操作系统60年代中，前提：中断技术、通道的出现。通道：专门用于负责输入输出的硬件装置(输入输出处理机，IOP)。思想：用户提交的作业先在外存排成一个队列（后备队列），由作业调度程序按照一定的算法从中选择若干作业调入内存，共享系统中的各种资源。（状态转换示意图）单道/多道程序运行示意图2/24/20201:38:35AM计算机操作系统作业状态转换示意图后备状态提交状态CPUP1P2P3运行I/O作业调度进程调度完成状态外存盘交换区外存就绪外存阻塞中级调度按任一键2/24/20201:38:35AM计算机操作系统单道/多道程序运行示意图用户程序监督程序I/O操作作业A作业B调度磁带I/O磁盘I/O38Uniprogramming•ProcessormustwaitforI/Oinstructiontocompletebeforepreceding39Multiprogramming•WhenonejobneedstowaitforI/O,theprocessorcanswitchtotheotherjob40Multiprogramming2/24/20201:38:35AM计算机操作系统多道程序设计技术的好处(1)提高CPU的利用率7%-----100%（理论上）(2)提高内存和I/O设备的利用率(3)增加系统的吞吐量多道批处理系统的特征：多道性、无序性、调度性（两级）。2/24/20201:38:35AM计算机操作系统多道批处理系统的优缺点优点：（1）资源利用率高；（2）系统吞吐量大。缺点：（1）平均周转时间长；周转时间：作业从进入系统到结束并退出系统所经历的时间。（2）无交互能力。2/24/20201:38:35AM计算机操作系统多道批处理系统需解决的问题(6)系统安全保护机制：设置管态/目态；特权指令/非特权指令(1)处理机分配、回收；(2)存储保护机制；(3)合理的I/O设备分配机制；(4)作业管理：根据具体情况，选择合理的作业调度算法；短作业优先、I/O型与CPU型搭配、......(5)完善的文件管理功能，提供有效、快速的信息检索、存储机制；44Examplejob1job2job3作业类型大量计算大量I/O大量I/O持续时间5分钟15分钟10分钟存储需求50K100K75K磁盘需求否否是终端需求否是否打印机需求否否是资源利用率比较单道程序设计多道程序设计处理器使用5/30=16.7%5/15=33.3%存储器使用(50*5+100*15+75*10)/30*250=33%(50+100+75)*5+(75+100)*5+100*5/250*15=67%磁盘使用10/30=33%10/15=67%打印机使用10/30=33%10/15=67%总共运行时间30分钟15