操作系统第一章

操作系统（OS）专业基础必修课总学时52、实验学时8不迟到、早退，不旷课认真听讲，做有效率的学生第一章操作系统导论学习目标理解操作系统在计算机系统中所处的地位，熟练掌握操作系统的概念、功能和特性。了解操作系统的发展历史。掌握不同类型操作系统的设计目标、特点和适用场合。理解并掌握操作系统的体系结构。了解操作系统的人机界面。1.1操作系统概念指令系统微程序机器级数字逻辑级汇编语言级高级语言级操作系统机器级软件硬件1.1.1计算机系统1.1操作系统概念CPU扩展槽寄存器组ARPCI/O桥主存储器USB控制器图形适配器磁盘控制器鼠标键盘显示器磁盘IRDRCache图1-1典型计算机系统硬件组成1.1操作系统概念1.处理器和几种主要的寄存器（1）数据寄存器（DR）：用于暂存指令执行过程中需要或产生的数据。（2）地址寄存器（AR）：包含指令和数据的主存储器地址。数据寄存器和地址寄存器可以是通用的，对程序员也是可见的，可通过编程引用，减少对主存储器的访问，提高执行速度。（3）程序计数器（PC）：保存下一条指令的地址，处理器每取指一次则自动递增。（4）指令寄存器（IR）：保存处理器即将执行的指令的内容。（5）程序状态字（PSW）寄存器组：包含条件码和其他状态信息。1.1操作系统概念2.主存储器和高速缓冲存储器高存取速度寄存器高速缓存主存储器磁盘磁带光盘…存储容量大图1-2存储器层次结构图1.1操作系统概念图1-3处理器执行指令过程不允许中断允许中断开始取下一条指令执行指令检查并初始化中断处理机构结束3.指令执行过程1.1操作系统概念图1-4完整的计算机系统构成操作系统（OperatingSystem）是控制和管理计算机系统硬件资源和软件资源的系统软件，它合理地组织计算机工作流程，是用户与计算机之间的接口。1.1.2操作系统概念1.1.2操作系统的含义•操作系统是一个系统软件•操作系统管理和控制计算机系统的资源、合理地组织计算机工作流程•操作系统给用户提供了一个方便、友好的使用操作的平台1.1.3操作系统的功能•1.用户和用户程序与计算机之间的接口•2.资源管理（1）处理器管理（2）存储管理（3）文件管理（4）设备管理•3.控制和协调程序的运行第一章绪论处理机管理完成处理机资源的分配、调度和回收等功能。处理机调度的单位可为进程或线程。由于处理机调度策略不同，出现不同类型的操作系统，如批处理系统、分时系统、实时系统第一章绪论存储管理管理目标：提高利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、方便进程并发运行。内存的分配、保护和扩充。存储器分配与回收地址映射（变换）：逻辑地址到内存物理地址映射存储保护：保证进程间互不干扰、相互保密内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存利用率、扩大进程的内存空间第一章绪论设备管理管理目标：方便设备的使用、提高CPU与I/O设备利用率设备操作：利用设备驱动程序完成对设备的操作设备独立性(deviceindependence)：提供统一的I/O设备接口，使应用程序独立于物理设备，提高可适应性；在同样的接口和操作下完成不同的内容设备分配与回收：在多用户间共享I/O设备资源缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率。主机与外设并行第一章绪论信息管理管理目标：解决软件资源的存储、共享、保密和保护文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能目录管理：解决信息检索问题。文件的属性（如文件名）、单一副本赋予多文件名文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。系统设口令“哪个用户”、用户分类“哪个用户组”、文件权限“针对用户或用户组的读写权”第一章绪论用户接口管理目标：提供一个友好的用户访问操作系统的接口。操作系统向上提供两种接口系统命令：供用户用于组织和控制自己的作业运行。命令行、菜单式或GUI“联机”；命令脚本“脱机”编程接口：供用户程序和系统程序调用操作系统功能。系统调用和高级语言库函数通过这些命令和调用，向OS提出申请，由OS调用内部功能来完成1.1.4操作系统的特性1.并发性2.共享性3.不确定性4.虚拟性5.可扩展性第一章绪论1.1.4操作系统的特性并发性指在计算机系统内同时存在有多个程序，宏观上，这些程序是同时向前推进的。并发：指多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。并行（parallel）:是指在同一时刻发生。在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称作任务），并发指的是进程。第一章绪论1.1.4操作系统的特性共享（sharing）多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。资源在一个时间段内交替被多个进程所用互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用同时访问（如磁盘文件）资源分配难以达到最优化第一章绪论1.1.4操作系统的特性虚拟（virtual）一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体——分时或分空间虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率CPU——每个用户（进程）的“虚处理机”存储器——每个进程都占有的地址空间（指令＋数据＋堆栈）“虚拟存储器”显示设备——多窗口或虚拟终端（virtualterminal）独享设备——假脱机技术（Spooling），虚设备第一章绪论1.1.4操作系统的特性异步性（asynchronism）也称不确定性：指进程的执行顺序和执行时间的不确定性进程的运行速度不可预知：分时系统中，多个进程并发执行，“时走时停”，不可预知每个进程的运行推进快慢无论快慢，应该结果相同——通过进程互斥和同步手段来保证难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误）因为不确定性，在设计OS时，要充分考虑各种可能性，以便稳定、安全、高效地达到并发和资源共享1.2.1手工操作阶段（20世纪40年代）工作方式用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员；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；1.2操作系统的历史1.2.1手工操作阶段ENIAC计算机没有程序设计语言（甚至没有汇编），更谈不上操作系统，通过在一些插板上的硬连线来控制计算机的基本功能。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。1.2操作系统的历史1.2.1手工操作阶段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，而不用插板，但计算过程则依然如旧。1.2操作系统的历史1.2.1手工操作阶段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，而不用插板，但计算过程则依然如旧。问题：计算机处理能力的提高与手工操作的低效率（造成浪费）用户独占全机的所有资源解决：摆脱手工操作，实现作业的自动过渡1.2操作系统的历史1.2.2早期批处理（20世纪50年代）联机批处理：I/O设备与主机直接连接1.2操作系统的历史输入带输出设备输入设备主机纸带机卡片机打印机系统带图1-5联机批处理系统模型图1.2.2早期批处理（20世纪50年代）联机批处理：I/O设备与主机直接连接用户将程序写在纸上（用高级语言或汇编语言）将作业穿孔成卡片，再将卡片盒交给操作员操作员有选择地把若干作业合成一批，通过输入设备（纸带输入机或读卡机）输入监督程序读入一个作业从输入设备调入，编译、连接、运行程序返回4，再读入一个作业，直到一批作业完成返回3，处理下一批1.2操作系统的历史1.2.2早期批处理1.联机批处理优点：解决了作业的自动转接，减少了人工操作时间问题：作业输入和结果输出过程中，CPU处于等待状态1.2操作系统的历史2.脱机批处理：增加一台不与主机直接相连而专门与I/O设备交换信息的卫星机1.2操作系统的历史作业5作业6卫星机作业1作业2打印/输出输入作业3主计算机作业4作业5作业4作业3作业2输入带输出带图1-6脱机批处理系统模型图1.2操作系统的历史脱机批处理系统的发展中，还有两项重要的硬件技术起到了重要的作用。（1）中断技术（2）通道技术•无论是联机批处理还是脱机批处理，作业都是一一有序排队，一道作业全部处理完才会处理下一道作业。1.2操作系统的历史1.2.3多道程序批处理系统两道程序并行的时序程序1的运行时间为t8-t1程序2的运行时间为t7-t2串行运行时，总运行时间需t8-t1+t7-t2若采用并发方式运行，则总运行时间仅为t8-t1，显然可以缩短作业总的周转时间。1.2操作系统的历史1.2操作系统的历史1.2.3多道程序批处理系统例：两个相同的作业，依次要执行15秒计算、10秒输入、15秒计算、10秒输出这4个环节图1-7给出了这两个作业分别在串行执行和并行执行时的时序图，并将执行过程中相关数据作了统计对比。10070计算J1输入计算输出J2J2输入输出计算J1输入计算计算J1作业时间CPUJ1J2计算输出J2J2输出计算J1输入计算CPUJ1J2并行串行完成完成图1-7两个作业的串行与并行时序对比图1.2操作系统的历史单道串行方式多道并行方式总运行时间10070CPU工作时间6060CPU利用率60%85%平均周转时间7562.5多道批处理：CPU利用率高、系统吞吐量大在处理大量的计算作业时最给力！串行与并行执行的数据对比1.2操作系统的历史1.2.4分时系统交互性强的作业•你有多快？CPU有多快？所谓分时技术，是指多个用户可以共享一个主机的CPU时间。在分时系统中，一个主机同时连接多个终端。主机时间被划分成很小的时间片，每一个时间片为一个终端服务，依次轮转。1.2操作系统的历史1.2.4分时操作系统（20世纪70年代）含义：分时是指多个用户分享使用同一台计算机，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；前台和后台程序分时：后台程序不占用终端输入输出，不与用户交互——现在的图形用户界面(GUI)，除当前交互的程序(输入焦点)之外，其他程序均作为后台；通常按时间片分配：各个程序在CPU上执行的轮换时间。把处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各作业使用。1.2操作系统的历史1.2.4分时操作系统人机交互性好：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。1.2操作系统的历史1.2.5实时操作系统用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域，包括实时控制、实时信息处理要求：响应时间短，在一定范围之内；系统可靠性高目前的操作系统，通常具有分时、实时和批处理功能，又称作通用操作系统。可适用于计算、事务处理等多种领域，能运行在多种硬件平台上，如UNIX系统、WindowsNT等。——通用化、小型化1.2操作系统的历史操作系统的进一步发展个人计算机上的操作系统嵌入式操作系统网络操作系统分布式操作系统智能化操作系统第一章绪论1.3操作系统的基本类型批处理操作系统（batchprocessingoperatingsystem）分时操作系统（timesharingoperatingsystem）实时操作系统（realtimeoperatingsystem）个人计算机操作系统（personalcomputeroperatingsystem）网络操作系统（networkoperatingsystem）分布式操作系统（distributedoperatingsystem）第一章绪论1.3操作系统的基本类型1.3.1批处理操作系统特征用户脱机使用计算机成批处理多道程序运行提交收容运行就绪等待