操作系统-第1章-概述-1

OperatingSystem(OS)操作系统2什么是操作系统？•操作系统天天见！234Vista5Win76Apple的Mac操作系统78桌面秀9Ubuntu10SmartphoneOperatingSystem11什么是操作系统？•计算机系统！12什么是操作系统？•计算机系统！–硬件系统13什么是操作系统？•硬件系统：例如磁盘I/O操作！–初始化、格式化、检测状态、复位、校准控制器及设备、移动磁头臂、读写数据……–Read()/write()，13个参数：磁盘块地址，磁道的扇区数、物理介质的记录格式、扇区间隙，对已删除数据地址标识的处理方法……–通过文件名，对文件进行常规操作Open()/read()/write()/close()14什么是操作系统？•一般用户（程序员）不想涉足硬件（例如磁盘）的复杂的操作细节，需要一个简单的，高度抽象的处理。•抽象来源于具体，但是有超越具体15什么是操作系统？•操作系统的任务就是创建抽象，并实现和管理它所创建的抽象对象16什么是操作系统？•计算机系统！–软件系统17什么是操作系统？•计算机系统！–软件系统18什么是操作系统？•操作系统的任务是在相互竞争的程序之间有序地控制对硬件（CPU，Memory，Printer……）的分配，即资源管理–时间复用•CPU，Printer–空间复用•Memory，Disk19什么是操作系统？•管理和优化计算机的硬件和软件资源，为用户（用户程序）提供一个更好，更简单，更清晰的计算机模型，这就是操作系统。•俗称“管家婆”–对上–对下20什么是操作系统？•魔术师和管理者21什么是操作系统？•魔术师–将计算机以一个更加容易，方便，强大的方式呈现给用户使用•差的变好、少的变多、复杂的变容易–屏蔽不同设备的差异性，同样的方式访问不同的设备–多个程序都能申请到“内存”–多个程序都在“同时”运行占用CPU22什么是操作系统？•管理者–管理硬件、软件资源–有效，不能浪费资源–公平，都能享用到资源，当然没有真正的公平，但是追求公平是我们的本能23什么是操作系统？•CPU管理•内存管理•外存管理•I/O管理•健壮性管理–确保操作系统自身的正常运行•安全性管理–防止非法操作24什么是操作系统？•操作系统是程序，用户程序也是程序，程序与程序之间能有什么关系呢？252627什么是操作系统？•操作系统是程序，用户程序也是程序，程序与程序之间能有什么关系呢？•操作系统和用户程序互相调用，形成一个复杂的动态关系28什么是操作系统？•当你在玩游戏，聊天，听歌，运行程序时，你有没有想过他们是如何显示或打印出来的？•操作系统是掌控计算机运行的系统，在学习操作系统的过程中，能够了解到程序在计算机上运行的“全景”29课程建议•课程特点–内容庞杂、涉及面广–课前预习，认真做课后习题–有些概念需要反复理解体会•学习方法–思考细节（易用性的坏处）–广泛查阅资料，cnki–互相讨论30考核方式•期末考试占40%•期中考试占20%•平时考核占10%（出勤+课堂提问）•上机实验占20%（8-9次）•个人加分占10%31主要参考书•AndrewS.Tanenbaum著,陈向群,马洪兵等译.《现代操作系统》（第三版），机械工业出版社,2009[教材]•AndrewS.Tanenbaum著.《现代操作系统》(ModernOperatingSystems(第三版))英文版[教材]•WilliamStallings.《操作系统：精髓与设计原理》(第六版)，电子工业出版社，•张红光，李福才.《操作系统原理与应用教程》，清华大学出版社•于渊.《自己动手写操作系统》，电子工业出版社•龚奕利.《深入理解计算机系统》,机械工业出版社•……32学时分配•适当调整章节学时第1章引论8+2学时第2章进程与线程10+4学时第3章存储管理10+4学时第4章文件系统10+2学时第5章输入与输出8+2学时第6章死锁6+2学时总复习2学时33交流平台•网络教学平台•招募课代表一名–沟通的桥梁3334分组•每个小组成员3-6名，推荐一名小组长•组队原则是优势互补，尽量避免强强联合或集体打酱油•组长权利和义务–督促组员按时完成作业–不定期组织小组讨论，集中攻克难题•执行组长问责制和奖励机制•最终分组名单在第一次实验课确定第一章操作系统概述36本章学习内容及目标•什么是操作系统•操作系统的发展史•计算机硬件系统概述•操作系统概念•系统调用•操作系统结构37操作系统的地位•CPU(CenterProcessingUnit)是计算机硬件的核心，可以比做是计算机系统的心脏•操作系统（OSOperatingSystem）是计算机软件的核心，可以比做是计算机系统的大脑38操作系统的地位•OS是–用户和计算机之间的接口–计算机硬件和软件的接口–配置在计算机硬件上的第一层软件应用软件系统软件裸机用户39操作系统的地位•操作系统是计算机系统资源（硬件资源、软件资源）的管理者•操作系统又是计算机用户（用户、应用程序）的服务者40操作系统的作用•操作系统对资源的管理：有效和公平–监视资源–实施资源分配策略–分配资源–回收资源41操作系统的作用•进程管理–进程的描述、同步、通信、调度，解决死锁•存储管理–内存、虚拟存储器和磁盘存储器的分配、保护•文件管理–文件结构、目录管理、文件共享和保护•设备管理–I/O设备的分配、缓冲、共享等42操作系统所处的位置关键词:用户态/目态；内核态/管态43操作系统所处的位置•就像世界上的人并不平等一样（VIP客户），并不是所有的程序都是平等的。世界上有的人占有资源多，有的人占有资源少•内核态（也称为管态，核心态）这种模式下操作系统具有对所有硬件的完全访问权，可以执行机器能够运行的任何指令•用户态（也称为目态），只能使用机器指令的一个子集44操作系统所处的位置•CPU的状态（程序状态字PSW寄存器），即使用CPU的进程的状态•内核态比用户态进程有更多的权限，可以访问更多的资源–进程表谁能访问–用户程序数据谁能访问45什么是操作系统•作为扩展机器的操作系统–提供资源集的清晰抽象•作为资源管理者的操作系统–管理资源46抽象•抽象是管理复杂性的一个关键，好的抽象可以把一个几乎不可能管理的任务划分为两个可管理的部分–有关抽象的定义和实现–随时用这些抽象解决问题•进程、地址空间、文件47小结•什么是操作系统？•说出至少5个和操作系统有密切关系的词语–软件、管家婆、魔术师–硬件、抽象、用户、服务–资源（内容）、CPU、存储、磁盘、I/O管理等–竞争、时间复用、空间复用–内核态–……4748本章学习内容及目标什么是操作系统操作系统的发展史计算机硬件系统概述操作系统概念系统调用操作系统结构49操作系统的发展史•为什么要了解历史–操作系统为什么是今天这个样子–思考其将来会是什么样子–你能否找到一个感兴趣的点，做点什么，在其历史上留下一笔50问答•快速阅读教材1.2.1-1.2.4内容51操作系统的历史•(1945–55)VacuumTubes真空管和穿孔卡片•(1955–65)TransistorsandBatchSystems晶体管和批处理系统•(1965–1980)ICsandMultiprogramming集成电路芯片和多道程序设计•(1980–Present)PersonalComputers个人计算机，大规模集成电路与现代操作系统52真空管和穿孔卡53真空管和穿孔卡•程序员预约一段时间，到机房中将插件板接到计算机上，等几个小时，期盼真空管不会烧坏•穿孔卡，将机器语言构成的程序用穿孔卡表示，读入计算机，不用插件板了，其他过程依旧54操作系统的历史•(1945–55)VacuumTubes真空管和穿孔卡片•(1955–65)TransistorsandBatchSystems晶体管和批处理系统•(1965–1980)ICsandMultiprogramming集成电路芯片和多道程序设计•(1980–Present)PersonalComputers个人计算机，大规模集成电路与现代操作系统55晶体管和批处理系统•晶体管的发明–计算机可靠性提高，可长时间运行，批量制造–设计人员、生产人员、操作人员、程序人员和维护人员第一次有了明确的分工•期待计算机能完成更多的任务56晶体管和批处理系统•程序员将程序穿孔卡片盒送到输入室，•操作员从输入室取走任务（可能需要Fortran编译器编译），在计算机上运行，计算结果从打印机输出，•操作员撕下运行结果送到输出室，•程序员取走结果。•你有什么想法？–搬一本书or搬一堆书？放到对应的书架上57晶体管和批处理系统(a)程序员将穿孔卡片程序送给1401机处.(b)1401机将程序读到磁带上.(c)操作员将输入带送至7094机.(d)7094机进行计算.（运行一个特殊的程序，读作业，执行，输出到磁带）(e)操作员将输出磁带送到1401机.(f)1401机打印输出.58晶体管和批处理系统图1-4.典型的FMS（FORTRANMonitorSystem）作业结构.现代Shell和命令解释器的先驱59晶体管和批处理系统•什么是批处理系统•批处理系统有何优缺点60晶体管和批处理系统•什么是批处理系统？–所谓批处理系统是指加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地成批地处理一个或多个用户的作业。•批处理系统的优缺点？–优点：系统吞吐量大，资源利用率高–缺点：在批处理环境下，用户作业一旦投入运行就不再由用户控制，直到运行结束，所以批处理系统不具有交互性61操作系统的历史•(1945–55)VacuumTubes真空管和穿孔卡片•(1955–65)TransistorsandBatchSystems晶体管和批处理系统•(1965–1980)ICsandMultiprogramming集成电路芯片和多道程序设计•(1980–Present)PersonalComputers个人计算机，大规模集成电路与现代操作系统62集成电路芯片和多道程序设计•集成电路芯片–计算机性能/价格比有了很大提高•计算机产品线–科学用计算机（计算密集型）–商用计算机（I/O密集型）•期待计算机高性能的完成更多的任务–I/O密集型时，I/O能否快一点？–交互性能否更好一些？63Uniprogramming单道程序•处理器在输入/输出指令完成前必须等待（空转）64Multiprogramming多道程序设计•在一个作业等待I/O时将处理器切换到另一个作业65集成电路芯片和多道程序设计•要实现多道程序设计需要什么条件呢？66集成电路芯片和多道程序设计•内存管理技术Figure1-5.一个内存中有三个作业的多道程序系统67集成电路芯片和多道程序设计•分时技术–人们想回到计算机面前，亲自管理自己的程序–每个用户都有一个联机终端，操作系统分时段为每个终端用户轮流服务，如果时间掌握得好，用户输入完一个命令，正好轮到计算机为它服务，用户就无需等待。68集成电路芯片和多道程序设计•在操作系统中引入多道程序设计技术以后，会使系统具有以下特征–Multi-channel(多道性)–Schedulable(调度性)–Disorder/Uncertainty(无序性/不确定性)–Parallelmacro,serialmicro(宏观上并行、微观上串行)69实时操作系统•实时操作系统是指所有任务都在规定时间内完成的操作系统，即必须满足时序可预测性。精确、合理和及时的进程调度才能保证响应时间–工业流水线控制系统–军事控制系统–化学反应堆监控系统–航空飞行控制系统70操作系统的历史•(1945–55)VacuumTubes真空管和穿孔卡片•(1955–65)TransistorsandBatchSystems晶体管和批处理系统•(1965–1980)ICsandMultiprogramming集成电路芯片和多道程序设计•(1980–Present)PersonalComputers个人计算机，大规模集成电路与现代操作系统71大规模集成电路与现代操作系统