教材：《计算机操作系统(第三版)》汤小丹、汤子瀛等编西安电子科

第一章操作系统引论教材：《计算机操作系统（第三版）》汤小丹、汤子瀛等编西安电子科大出版社参考教材：《操作系统概念（第六版）》AbrahamBaerGalvin,GregGagne著，郑扣根译高等教育出版社第一章操作系统引论第一章引论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操作系统的基本特性1.4操作系统的主要功能1.5操作系统的结构设计第一章操作系统引论•计算机系统由软硬件组成，•操作系统是用户和硬件系统之间的接口•其他的系统软件和应用软件都必须依赖它的支持。第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用1.1.1操作系统的目标目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常的OS，有以下几个目标：1.方便性(机器语言难使用，OS可编译)2.有效性(改善资源的利用率及提高系统呑吐量)3.可扩充性(层次化和模块化使之可扩充)4.开放性(遵循同一标准，软硬件兼容)第一章操作系统引论1.1.2操作系统的作用1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。第一章操作系统引论图1-1OS作为接口的示意图用户应用程序系统调用命令图标、窗口操作系统计算机硬件第一章操作系统引论(1)命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(语言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。(2)系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机。(3)图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。第一章操作系统引论2.OS作为计算机系统资源的管理者计算机系统资源分为四类：处理器、存储器、I/O设备以及信息(数据和程序)。•处理机管理，用于分配和控制处理机；•存储器管理，主要负责内存的分配与回收；•I/O设备管理，负责I/O设备的分配与操纵；•文件管理，负责文件的存取、共享和保护。第一章操作系统引论3.OS用作扩充机器•裸机：一台完全无软件的计算机系统。•扩充机器或虚机器：覆盖了软件的机器。•若在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件，可用来进行数据输入和打印输出。•若再覆盖上一层文件管理软件，可用来进行文件的存取。•若再覆盖一层面向用户的窗口软件，则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能更强的虚机器。第一章操作系统引论1.1.3推动操作系统发展的主要动力1.不断提高计算机资源利用率(批处理)2.方便用户(分时系统)3.器件的不断更新换代(8位-16位-32位)4.计算机体系结构的不断发展(单CPU到多CPU)第一章操作系统引论1.2操作系统的发展过程1.2.1无操作系统的计算机系统1.人工操作方式•穿孔－－输入计算机－－运行－－输出结果这种人工操作方式有以下两方面的缺点：(1)用户独占全机。(2)CPU等待人工操作。第一章操作系统引论2.脱机输入/输出(Off-LineI/O)方式这种脱机I/O方式的主要优点如下：(1)减少了CPU的空闲时间。(2)提高I/O速度。输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备图1-2脱机I/O示意图第一章操作系统引论1.2.2单道批处理系统1.单道批处理系统(SimpleBatchProcessingSystem)的处理过程图1-3单道批处理系统的处理流程把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？否装配目标程序还有下一个作业？是否停止运行目标程序是开始监督程序调度一批程序第一章操作系统引论2.单道批处理系统的特征单道批处理系统并非是现在人们所理解的OS。但比起人工操作方式的系统已有很大进步。该系统的主要特征如下：(1)自动性。(2)顺序性。(3)单道性。第一章操作系统引论1.2.3多道批处理系统1.多道程序设计的基本概念•用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；•然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。第一章操作系统引论多道程序设计技术的好处：(1)提高CPU的利用率。•内存中若干道程序交替地运行。•当运行的程序因I/O而暂停执行时，系统可调度另一道程序运行。•保持了CPU处于忙碌状态。第一章操作系统引论图1-4单道和多道程序运行情况t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O完成启动I/OI/O中断请求I/O完成启动I/OI/O中断请求用户程序监督程序I/O操作(a)单道程序运行情况程序A程序AI/O请求程序AI/O完成程序B程序BI/O请求程序C程序CI/O请求程序D程序DI/O请求CI/O完成C再被调度程序BI/O完成程序A再被调度程序A程序B程序C程序D调度程序(b)四道程序运行情况A完成结束中断第一章操作系统引论(2)可提高内存和I/O设备利用率。(3)增加系统吞吐量。第一章操作系统引论2.多道批处理系统的特征(1)多道性。(2)无序性。(3)调度性。（作业调度，进程调度）第一章操作系统引论3.多道批处理系统的优缺点(1)资源利用率高。(2)系统吞吐量大。(3)平均周转时间长。(4)无交互能力。第一章操作系统引论4.多道批处理系统需要解决的问题(1)处理机管理问题（CPU分配及提高利用率）(2)内存管理问题。（内存分配和安全）(3)I/O设备管理问题。（方便使用和利用率）(4)文件管理问题。（文件的组织，安全，一致）(5)作业管理问题。（组织作业，计算型，IO型）第一章操作系统引论1.2.4分时系统1.分时系统(Time-SharingSystem)的产生•“用户的需求”是分时系统发展的动力。•用户的需求具体表现在以下几个方面：(1)人—机交互。（如调试程序）(2)共享主机。(3)便于用户上机。（终端直接连入）第一章操作系统引论2.分时系统实现中的关键问题(1)及时接收。（多路连接，缓冲区）(2)及时处理。（时间片）第一章操作系统引论3.分时系统的特征(1)多路性。（宏观上共享，微观上轮转）(2)独立性。（一个用户一个终端）(3)及时性。（每个用户能获及时响应）(4)交互性。第一章操作系统引论1.2.5实时系统实时系统(Real-TimeSystem)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理1.应用需求(1)实时控制。（如生产控制、导弹制导、飞机自动驾驶）(2)实时信息处理。（如：火车票订票系统）第一章操作系统引论根据对截止时间的要求来划分(1)硬实时任务。系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。(2)软实时任务。它也联系着一个截止时间，但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响也不会太大。第一章操作系统引论1.3操作系统的特征1.3.1并发(Concurrence)并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；多处理机上，多个程序被分配到多个处理机上，实现并行执行并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。单处理器上，宏观上有多个程序在同时运行，微观上只能分时地交替执行第一章操作系统引论1.3.2共享(Sharing)共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。1.互斥共享方式临界资源或独占资源：在一段时间内只允许一个进程访问的资源（如打印机、磁带机）2.同时访问方式允许多个进程“同时”对它们进行访问。宏观上同时，在微观上，交替访问。（磁盘、文件）第一章操作系统引论并发和共享关系：一方面，有并发才有共享另一方面，若系统不能协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。第一章操作系统引论1.3.3虚拟(Virtual)“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。虚拟处理器：处理机同时为多个用户服务，使每个终端用户都认为是有一个CPU在专门为他服务。虚拟存储器：通过虚拟存储器技术，用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多。虚拟设备：通过虚拟设备技术，将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备。（如打印机）第一章操作系统引论1.3.4异步性(Asynchronism)多道作业并发运行，何时暂停、何时完成无法预知，但同一环境下运行结果是一致的。（无法预知的原因：临界资源、IO型和计算型等）第一章操作系统引论1.4操作系统的主要功能1.4.1处理机管理功能1.进程控制•为作业创建进程、撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。•在现代OS中，还应具有为一个进程创建若干个线程的功能和撤消(终止)已完成任务的线程的功能。第一章操作系统引论2.进程同步•进程同步的主要任务是协调多个进程(含线程)的运行。•两种协调方式：①进程互斥：是指诸进程(线程)互斥地访问临界资源；②进程同步：同步机构协调合作完成共同任务的进程(线程)的执行次序。•最简单进程互斥的机制，是为每一个临界资源配置一把锁W，当锁打开时，允许访问；而当锁关上时，则禁止访问。第一章操作系统引论3.进程通信进程通信：实现在相互合作的进程之间的信息交换。如，有三个相互合作的进程，它们是输入进程、计算进程和打印进程）直接通信：处于同一计算机系统相互合作的进程(线程)间的通信方式。源进程将消息(message)挂到目标进程的消息队列上，目标进程从其消息队列中取出消息。第一章操作系统引论4.调度在后备队列上等待的每个作业，通常都要经过调度才能执行。作业调度，是从后备队列中按照一定的算法，选择出若干个作业，为它们分配其必需的资源(首先是分配内存)。进程调度，是从进程的就绪队列中选出一新进程，把处理机分配给它，并为它设置运行现场，使进程投入执行。在多线程OS中，通常是把线程作为独立运行和分配处理机的基本单位。第一章操作系统引论1.4.2存储器管理功能1.内存分配静态分配：内存空间是在作业装入时确定的，不允许增加或“移动”；动态分配：内存空间，也是在装入时确定的，但允许申请附加内存空间和也允许“移动”。第一章操作系统引论实现内存分配应具有的结构和功能：①内存分配数据结构：用于记录内存空间的使用情况，作为内存分配的依据；②内存分配功能：系统按照一定的内存分配算法，为用户程序分配内存空间；③内存回收功能：系统对于用户不再需要的内存，通过用户的释放请求，去完成系统的回收功能。第一章操作系统引论2.内存保护内存保护：确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。一种比较简单的内存保护机制：设置两个界限寄存器。须对访问的地址进行越界检查，越界则停止程序执行。第一章操作系统引论3.地址映射“逻辑地址”或“相对地址”：一般应用程序地址都是从“0”开始的，程序中的其它地址都是相对于起始地址计算的；这些地址称为“逻辑地址”或“相对地址”。“物理地址”：由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为“内存空间”，其中的地址称为“物理地址”。地址映射功能：将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的支持下完成。第一章操作系统引论4.内存扩充（虚拟存储技术）从逻辑上去扩充内存容量内存扩充的功能：(1)请求调入功能。装入部分程序和数据便可运行，需要时再请求调入(2)置换功能。内存不够时，需调出暂时不用的程序，将需要的程序调入内存第一章操作系统引论1.4.3设备管理功能设备管理的主要任务•响应用户进程提出的I/O请求；•为用户进程分配其所需的I/O设备；•提高CPU和I/O设备的利用率；•提高I/O速度；•方便用户使用I/O设备。第一章操作系统引论1.缓冲管理缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，进而提高系统吞吐量。单缓冲机制、双缓冲机制，公用缓冲池机制。第一章操作系统引论2.设备分配设备分配:根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配其所需的设备。设备控制表、控制器控制表等数据结构，用于记录设备及控制器的标识符和状态。设备使用完后，还应立即由系统回收。第一章操作系统引论3.设备处理设备