计算机操作系统 PPT

第1章操作系统引论1.0引言教材计算机操作系统汤子赢参考教材操作系统设计与实现王鹏等译电子工业出版社现代操作系统陈向群等译机械工业出版社操作系统教程王素华人民邮电出版社计算机操作系统教程张尧学,史美林清华大学出版社操作系统教程孟庆昌西安电子科技大学出版社涉及面广（并行程序，性能问题，结构问题，程序方法论，软件工程，等等）实践性强（从实践总结出原理）错综复杂：纵横交叉操作系统课程的特点：教师只指出要点要通过自学、研读参考书掌握内容善于发现问题、提出问题要努力寻求问题的答案注意学习方式的变化操作系统检查字符串的位置是否正确操作系统找到字符串被送往的设备,该设备是一个伪终端,由一个进程控制操作系统将字符串送给该进程该进程告诉窗口系统它要显示字符串窗口系统确定这是一个合法的操作，然后将字符串转换成像素窗口系统将像素写入存储映像区视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器（重画屏幕）,显示器发射电子束用户在屏幕上看到helloworld专业—微观层面计算机领域综合—宏观层面技术、经济、政治、…二.为什么学习操作系统?•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，有利于深入编程用户为了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的许多概念和技巧可推广到其他领域•选择购买操作系统•我们并不总使用微软Windows四、操作系统的性能指标1.系统的RSA可靠性(Reliability):用平均无故障时间(MTBF)度量可维修性(Serviceability):用平均故障修复时间度量可用性(Availability):正常工作的概率2.系统吞吐量:单位时间完成的作业数3.系统响应时间:从输入到回应所需时间4.资源利用率:资源(CPU,内存,I/O设备)实际使用比例5.可维护性:改错、改变功能、扩充功能6.可移植性:将OS移植到另以机型所需工作量7.方便用户:用户界面友好，使用灵活方习题：p251,2课后思考题1.谈谈你对操作系统的初步认识2.你对学习操作系统课程有什么样的希望和要求？你打算这样来学习这门课？操作系统是随着计算机硬件技术、软件技术的发展而发展的。目标：充分地利用资源更好的提供服务1.2操作系统的发展过程真空管计算机时代硬件非常昂贵,人工操作,没有操作系统1.人工操作方式：控制台一个用户•一次完成一个功能（计算，I/O，用户操作三者串行）•程序通过穿孔机或卡片装入•用户在控制台前调试程序1.2.1无操作系统的操作方式50年代早期出现了穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机缺点：(1)上机用户独占计算机的全部资源,资源利用率低,工作效率非常低。(2)CPU等待人工操作。(3)每个用户都要自行编写涉及到硬件的源代码。工作量大,难度高,易出错。出现两个矛盾：人机矛盾—人低速与机器高速CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾。2.脱机I/O方式习题p254为了解决这两个矛盾，50年代末出现了脱机I/O方式,I/O设备由外围机控制。减少了CPU的空闲时间，提高了I/O速度外围机外围机主机输入设备输出设备磁盘为了提高资源利用率和系统吞吐量一.单道批处理系统用户把程序(卡片)交给系统管理员,他把一批作业以脱机方式输入到磁带上,常驻监督程序(Moniter)对这批作业一个接一个连续处理。1.单道批处理系统处理过程：重复进行装入程序、运行、打印结果、撤出1.2.2批处理有作业？有错吗？把作业的源程序转换为目标程序装配目标程序运行目标程序开始终止是是否否单道批处理过程2.单道批处理系统的特征•自动性:磁带上一批作业能自动逐个依次运行•顺序性:作业顺序进入内存,执行与完成的顺序和调入的顺序完全相同。•单道性:内存中仅有一道程序,只有该程序完成或发生异常时,才调入后继程序进入内存运行。一个用户独占全部资源CPU负责计算，也负责传输,CPU与外设速度不匹配CPU与I/O串行资源利用率仍然很低。3.单道批处理系统的典型代表•FMS(FORTRANMonitorSystem,FORTRAN监控系统)•IBMSYS（IBM为7094机配备的操作系统）这些操作系统由监控程序，特权指令，存储保护和简单的批处理构成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OperatingSystem基本控制卡片是现代作业控制语言和命令解释器的先驱•在IBM7094机上,若当前作业因等待I/O而暂停，CUP只能踏步直至该I/O完成。对于CPU操作密集的科学计算问题,浪费时间少。对于商业数据处理,I/O等待时间常占80-90％。•解决办法多道程序设计技术(multiprogramming)将内存分几个部分,每部分放不同的作业。当一个作业等待I/O时,另一个作业可以使用CPU。注意：在主存中同时驻留多个作业需要进行保护,以避免信息被窃取或攻击。二.多道批处理系统1.多道程序设计•在磁盘上多个作业等待运行排成“后备队列”。•多道程序–内存中同时有多个作业。-选择(调度)若干作业装入内存(存储管理)。-运行的作业遇到I/O请求时,切换(调度)至内存中的另一个作业并运行之。•增加:存储管理重定位保护,并发程序设计技术。采用缓冲,DMA,中断处理•多道程序共享资源,提高CPU、内存和I/O设备的利用率。增加系统吞吐量。单道：用户程序监督程序I/O操作I/O请求启动I/OI/O完成I/O请求多道：程序A程序B程序C调度程序A:I/O请求A:I/OB:I/O请求B:I/OC:I/OA:完成tt2.多道批处理系统的特征1)多道性:内存同时驻留多道程序允许并发执行。2)无序性:作业完成顺序与进入内存顺序五严格对应关系。3)调度性:作业从提交到完成经两步调度。作业调度、进程调度。3.多道批处理系统的优缺点优点:多道程序共享资源,CPU、内存和I/O设备的利用率高。系统吞吐量大,资源保持忙,系统开销小。缺点:作业平均周转时间长,无交互能力。4.多道批处理系统需要解决的问题处理机管理、内存管理、I/O设备管理文件管理、作业管理5.据此定义：操作系统是一组能够高效地控制和管理计算机硬件和软件资源、公平合理地对各类作业进行调度、以及方便用户使用计算机的程序集合。6.采用Spooling技术•SimultaneousPeripheralOperationOnLine(同时的外围设备联机操作--假脱机技术)利用磁盘作缓冲，将输入、计算、输出分别组织成独立的任务流，使I/O和计算真正并行。1961年,英国曼彻斯特大学,Atalas机上实现。•作业(包括数据)从卡片读入到磁盘上的输入井•按某种调度策略选择作业调入内存,运行时遇到输入数据时从输入井读入。•运行遇到输出时,先将结果输出到磁盘上的输出井。•到作业结束时再从磁盘输出到输出设备上。2.多道批处理系统的典型代表1964年IBM宣布推出System/360计算机系统，是第一个采用小规模集成电路的主流机型。IBMSystem/360的问题•存储管理有基地址寄存器寻址方式,程序可以访问和修改基地址寄存器,但程序被钉死在调入内存时的物理地址上,不进行动态再分配。CPU访问的是绝对地址。•数千程序员写的数百万行汇编代码,系统占了大量存储空间和一半的CPU时间,成为庞大的软件怪兽。•数百万行汇编代码中有成千上万处错误。•IBM不断发行新的版本试图更正这些错误,新版本在更正老错误的同时又引入新错误。•随着时间的流逝,错误的数量大致保持不变。硬件速度更快，人力较以前昂贵1.分时系统的产生—用户需要1)交互:所有用户看似独占全机,都能直接修改错误,及时进行人--机交互。2)共享:多个用户用便宜终端,共享一台计算机。3)方便:用户对自己的作业进行控制,调试方便。分时系统是一台主机带多个终端,同时允许多个用户用终端,共享一台主机,每个用户都可以通过终端方便地以交互方式使用主机。1.2.3分时系统•分时系统的思想于1959年在麻省理工学院(MIT)提出。•每个用户有一个联机终端。•分时系统中,假设20个用户登录,其中17个在思考或谈论或喝咖啡,则CPU可给那3个需要的作业轮流服务。•调试程序的用户常常只发出简短的命令,而很少有长的费时命令。•所以计算机能够为许多用户提供交互式快速服务,同时在CPU空闲时还能在后台运行大作业。•1961年,第一个分时系统由MIT的FernandoCorbato等在一改装的IBM7090/94机上开发成功,当时有32个交互式用户。2.关键问题和实现方法1)及时接受:系统配置多路卡,与各终端连结,每个终端配置一个缓冲区,暂存接受各用户键入的命令和数据。2)及时处理(及时响应):每个用户键入命令后,能控制自己作业的运行,并及时得到处理。各作业都必须在内存,在响应周期内都能得到执行。方法是,将响应周期分为很短的时间片,每个作业占一个时间片轮流执行。不允许某个作业长期占用处理机。解决•需要抢占式调度以保持适当的响应时间•避免抖动(程序在内存中过于频繁的对换)•需要提供适用的安全检测•与多道批处理相结合,具有“前台”和“后台”3.带来的问题及时处理,响应时间(周期)问题相互之间的影响终端上人操作运算量变化太大,有时空闲。具有“前台”和“后台”的多道分时系统内存中同时存放多道作业,道数和位置都不固定,某些道为“前台区”存放按时间片调度的前台作业流,其余道为“后台区”存放批处理作业流。前台优先,只有当前台调进调出或前台无可运行的作业时才运行后台作业。既有分时系统多台终端共享主机交互性好,又有多道批处理系统资源利用率高的优点。4.分时系统的特点1)多路性:一台主机同时联接多个终端,系统按分时的原则为每个用户服务,共享资源。2)独立性:用户各占一个终端,感觉像独占主机3)及时性:用户请求能在容许的响应周期内及时获得响应,响应周期通常在3秒以内。4)交互性:用户通过终端与系统进行广泛的人机对话,以请求系统提供多方面的服务。3.单道批处理系统的典型代表1)MULTICS的灾难•1965年在ARPA的支持下MIT、贝尔实验室和通用电气公司决定开发一种“公用计算服务系统”,希望能同时支持整个波士顿所有的分时用户。系统称MULTICS(MULTiplexedInformationandComputingService)。•MULTICS设计目标是：便利的远程终端使用，大量终端通过电话线接入计算机主机。高可靠的大型文件系统；大容量的用户信息共享；存储和构造层次化信息结构的能力。•MULTICS研制难度超出了所有人预料长期研制工作达不到预期目标，1969年4月贝尔实验室退出，通用电气公司也退出了。但最终，经过多年的努力，MULTICS成功地应用了。运行MULTICS的计算机系统在九十年代中陆续被关闭。•MULTICS引入了许多现代操作系统领域概念雏形，对随后操作系统特别是UNIX的成功有着巨大的影响2)UNIX的成功•1969年贝尔退出了MULTICS项目,KenThompson和DennisRitchie(肯.汤普森和丹尼斯.里奇)想申请经费买计算机做操作系统研究,未批准。•项目无着落，他们在一台无人用的PDP-7上,重新摆弄原先在MULTICS项目上设计的“空间旅行”游戏。•为了使游戏能够在PDP-7上顺利运行,他们用汇编语言陆续开发了浮点运算软件包、显示驱动软件,设计了文件系统、实用程序、shell和汇编程序。•1970年K.Thompson将BCPL语言简化为B语言,并用它改写系统,起了同MULTICS发音相近的名字UNIX。•1971年用B语言将UNIX正式移植到PDP-11上。•1972年D.M.Ritchie将B语言改进为C语言,他们合作用C语言改写90%的UNIX代码,73年完成UNIXv5正式版UNIX是现代操作系统的代表。它的安全性、可靠性以及强大的功能赢得广大用户的信赖。促使UNIX系统成功的因素：1)由于UNIX是用C语言编写,因此它是可移植的,是世界上唯一能在笔记