操作系統(tǒng)chapter1【專業(yè)教育】

1、Operating Systems,1,學(xué)習(xí)幻燈,課程簡(jiǎn)介,操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，操作系統(tǒng)課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課。 教學(xué)要求:通過(guò)本課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生掌握操作系統(tǒng)的基本概念、原理、技術(shù)和方法; 能用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě)和調(diào)試運(yùn)行操作系統(tǒng)的主要算法和功能模塊;深入了解操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位及作用, 以及它與硬件和其它軟件之間的關(guān)系;進(jìn)而了解操作系統(tǒng)控制整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的全過(guò)程,具有操作系統(tǒng)的整體概念。 先導(dǎo)課程:程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),2,學(xué)習(xí)幻燈,教材及參考書(shū),1. Operating System Concepts (Sixth Ed

2、ition), Abraham Silberschatz & Peter Baer Galvin & Greg Gagne, John Wiley & Sons,Inc,3,學(xué)習(xí)幻燈,2. 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（修訂版）， 湯子瀛 哲鳳屏 湯小丹， 西安電子科技大學(xué)出版社,4,學(xué)習(xí)幻燈,課程特點(diǎn),理論性,抽象性 涉及面廣（并行程序，性能問(wèn)題，結(jié)構(gòu)問(wèn)題，程序方法論，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，等等） 錯(cuò)綜復(fù)雜縱橫交叉,各模塊間彼此聯(lián)系,5,學(xué)習(xí)幻燈,考核及成績(jī)?cè)u(píng)定,上課時(shí)間：10-17 總學(xué)時(shí)：32 考核 作業(yè)及課堂表現(xiàn)(20%)，期末筆試(80,6,學(xué)習(xí)幻燈,Part One: Overview Part Tw

3、o: Process Management Part Three: Memory Management Part Four: Storage Management,主要內(nèi)容,7,學(xué)習(xí)幻燈,操作系統(tǒng)概念,第一章：概述,8,學(xué)習(xí)幻燈,本章主要內(nèi)容,操作系統(tǒng)是什么？ 大型機(jī)系統(tǒng) 桌面系統(tǒng) 多處理器系統(tǒng) 分布式系統(tǒng) 集群系統(tǒng) 實(shí)時(shí)系統(tǒng) 手持系統(tǒng) 功能遷移 計(jì)算環(huán)境,9,學(xué)習(xí)幻燈,1.1 操作系統(tǒng)是什么,操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)硬件的程序，它還為應(yīng)用程序提供基礎(chǔ)，并且充當(dāng)計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)用戶的中介。 操作系統(tǒng)的兩大目標(biāo)： 執(zhí)行用戶程序，并且更易于解決用戶問(wèn)題； 更便于使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)； 以一種有效的方式保用

4、計(jì)算機(jī)硬件,10,學(xué)習(xí)幻燈,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成部分,Hardware provides basic computing resources (CPU, memory, I/O devices) Operating System controls and coordinates the use of the hardware among the various application programs for the various users Applications programs define the ways in which the system resources are used t

5、o solve the computing problems of the users (compilers, database systems, video games, business programs) Users (people, machines, other computers,11,學(xué)習(xí)幻燈,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成部分的邏輯圖,12,學(xué)習(xí)幻燈,1. 用戶觀點(diǎn),作為計(jì)算機(jī)用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口的程序 用戶觀點(diǎn)由于面對(duì)的接口不同而不同 PC用戶：易用，適當(dāng)注意性能，忽略資源利用率 大型機(jī)或小型機(jī)的終端用戶：最大資源利用率 工作站用戶：可用性與資源利用率折衷 手持系統(tǒng)用戶：可用性 某些系

6、統(tǒng)幾乎沒(méi)有用戶觀點(diǎn)：例如家電和汽車中的嵌入式系統(tǒng),13,學(xué)習(xí)幻燈,2. 用戶觀點(diǎn),操作系統(tǒng)是資源分配者：管理所有資源 處理機(jī)管理：分配和控制處理機(jī) 存儲(chǔ)器管理：主要負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配和回收 I/O設(shè)備管理：負(fù)責(zé)I/O設(shè)備的分配和操縱 文件管理：負(fù)責(zé)文件的存取、共享和保護(hù) 權(quán)衡效率與公平性 操作系統(tǒng)是程序控制者 控制程序的執(zhí)行以預(yù)防錯(cuò)誤和不當(dāng)使用計(jì)算機(jī),14,學(xué)習(xí)幻燈,沒(méi)有被普遍接受的定義 一種比較接近的定義是“當(dāng)定購(gòu)計(jì)算機(jī)時(shí)商家裝載的所有內(nèi)容” 但是變化范圍很大 “始終在運(yùn)行的程序”內(nèi)核。所有其他內(nèi)容要么是系統(tǒng)程序要么是應(yīng)用程序,3. 操作系統(tǒng)定義,15,學(xué)習(xí)幻燈,操作系統(tǒng) 是一組控制和管理計(jì)算機(jī)

7、硬件和軟件資源,合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程,以及方便用戶的程序的集合,16,學(xué)習(xí)幻燈,設(shè)計(jì)）操作系統(tǒng)的目標(biāo),執(zhí)行用戶程序，使得解決用戶問(wèn)題更加容易。 使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方便使用 以高效的方式使用計(jì)算機(jī)硬件。 未配置OS前，CPU、I/O設(shè)備等各類資源，都會(huì)經(jīng)常處于空閑狀態(tài)而得不到充分利用；內(nèi)存及外存中所存放的數(shù)據(jù)由于無(wú)序而浪費(fèi)了存儲(chǔ)空間,方便 速度 效率 efficiency（資源利用率resource utilization,方便性和有效性是操作系統(tǒng)最重要的兩個(gè)目標(biāo),17,學(xué)習(xí)幻燈,1.2 大型機(jī)系統(tǒng),通過(guò)作業(yè)批處理以減少安裝時(shí)間 作業(yè)自動(dòng)序列化 作業(yè)操作之間的自動(dòng)銜接。第一個(gè)基本的操作系統(tǒng) 常

8、駐監(jiān)控器 大型機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展歷程：批處理系統(tǒng)、多道程序系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng),18,學(xué)習(xí)幻燈,1945年50年代中期 程序員通過(guò)人工操作方式直接使用計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 缺點(diǎn)： 用戶獨(dú)占主機(jī) CPU等待人工操作 降低了計(jì)算機(jī)資源利用率，即人機(jī)矛盾 解決方法： 脫機(jī)輸入輸出方式,人工操作時(shí)代,19,學(xué)習(xí)幻燈,Off-Line I/O 脫機(jī)輸入/輸出,the Main Advantage of Off-line I/O (1) Shorten the CPU idle time. (2) Heighten the I/O rate,20,學(xué)習(xí)幻燈,通過(guò)批處理類似作業(yè)來(lái)減少設(shè)置時(shí)間 自動(dòng)作業(yè)程序化：自動(dòng)地在作業(yè)間傳

9、遞控制權(quán)操作系統(tǒng)的雛形。 駐留的監(jiān)控程序 initial control in monitor control transfers to job when job completes control transfers back to monitor,單道批處理系統(tǒng),21,學(xué)習(xí)幻燈,Memory Layout for a Simple Batch System,22,學(xué)習(xí)幻燈,Put a batch of jobs on tape machine by off-line input,and dispatch the jobs by Monitor,單道批處理系統(tǒng)的處理流程,23,學(xué)習(xí)幻燈,單道

10、批處理系統(tǒng)特點(diǎn) First rudimentary OS 出現(xiàn)最早的OS，嚴(yán)格上講，只能算OS的前身 Autonomous(自動(dòng)性) Sequential(順序性) Single program(單道性,24,學(xué)習(xí)幻燈,User programe,I/O interrupt request,Start-up I/O,I/O operation,Monitor,End interrupt,t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8,I/O complete,Fig. single program running,I/O interrupt request,Start-up I/O,I/O c

11、omplete,End interrupt,多道批處理系統(tǒng),25,學(xué)習(xí)幻燈,Several jobs are kept in main memory at the same time, and the CPU is multiplexed among them,Memory Layout for Multiprogrammed System,26,學(xué)習(xí)幻燈,Pc dispatched again,27,學(xué)習(xí)幻燈,多道批處理系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) 提高CPU的利用率 提高內(nèi)存和I/O設(shè)備的利用率 增大系統(tǒng)吞吐量,系統(tǒng)吞吐量是指在單位時(shí)間內(nèi)所完成的總工作量 缺點(diǎn) 周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng),作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間是指從作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)開(kāi)始

12、，直至完成退出系統(tǒng)為止所經(jīng)歷的時(shí)間 無(wú)交互性,28,學(xué)習(xí)幻燈,多道程序設(shè)計(jì),單個(gè)用戶不能獨(dú)占CPU，I/O設(shè)備始終忙 多道程序設(shè)計(jì)組織作業(yè)以使得CPU總是有任務(wù) 系統(tǒng)中的部分作業(yè)駐留在內(nèi)存 通過(guò)作業(yè)調(diào)度選擇一個(gè)作業(yè) 一個(gè)作業(yè)必須等待時(shí)（比如要進(jìn)行I/O），OS（負(fù)責(zé)）切換到另一個(gè)作業(yè),29,學(xué)習(xí)幻燈,系統(tǒng)提供的I/O子例程 內(nèi)存管理 CPU調(diào)度 設(shè)備分配,多道批處理系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題,30,學(xué)習(xí)幻燈,多道批處理系統(tǒng)的特征,多道性 無(wú)序性 調(diào)度性,31,學(xué)習(xí)幻燈,2. 分時(shí)系統(tǒng)交互式計(jì)算,Time-Sharing System：一臺(tái)主機(jī)連接多個(gè)帶有顯示器和鍵盤的終端，同時(shí)允許多個(gè)用戶共享主機(jī)中的

13、資源，每個(gè)用戶都可通過(guò)自己的終端以交互方式使用計(jì)算機(jī),32,學(xué)習(xí)幻燈,John McCarthy（麥卡錫），1971年圖靈獎(jiǎng)獲得者。 最早于1959年1月提出了分時(shí)（time sharing)的概念。分時(shí)的基本思想是將CPU時(shí)間劃分為許多小片，叫“時(shí)間片”（time slice），輪流去為多個(gè)用戶程序服務(wù)。如果在時(shí)間片結(jié)束時(shí)該用戶程序尚未完成，它就被時(shí)鐘中斷，等待下一輪再處理，計(jì)算機(jī)則讓給另一用戶程序使用。由于CPU速度很快，每個(gè)用戶程序的每次要求都能快速響應(yīng)，每個(gè)用戶都感覺(jué)好像自己在獨(dú)占計(jì)算機(jī)一樣。 MIT成立了一個(gè)“l(fā)ong Range Study Committee”負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)麥卡錫的設(shè)想

14、，麥卡錫、考巴脫都是該委員會(huì)的成員。但麥卡錫由于種種原因中途離開(kāi)MIT去了斯坦福，這樣，實(shí)現(xiàn)麥卡錫設(shè)想的重任落在了考巴脫身上,33,學(xué)習(xí)幻燈,FernandoCorbat （費(fèi)爾南多考巴脫 ），1990年圖靈獎(jiǎng)獲得者，表彰他在實(shí)現(xiàn)世界上第一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)CTSS及其后開(kāi)發(fā)MULTICS中所發(fā)揮的巨大作用。 1961年，世界上第一個(gè)分時(shí)系統(tǒng) CISS（Compatible Time Sharing System）在考巴脫領(lǐng)導(dǎo)下研制成功。CTSS建立在改進(jìn)的 IBM 7094型計(jì)算機(jī)上，可以為多達(dá) 30個(gè)聯(lián)機(jī)用戶以分時(shí)方式提供服務(wù)，同時(shí)也還可以為一個(gè)批處理作業(yè)流服務(wù)。 CTSS的成功開(kāi)創(chuàng)了以交互方式由

15、多用戶同時(shí)共享計(jì)算機(jī)資源的新時(shí)代，成為計(jì)算機(jī)發(fā)展史上有里程碑意義的一個(gè)重大技術(shù)突破與創(chuàng)新。由于分時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)使昂貴的計(jì)算機(jī)的巨大效益和潛力得以凸顯，因此它也成了計(jì)算機(jī)真正走向普及的開(kāi)始,34,學(xué)習(xí)幻燈,CPU被多元化到內(nèi)存及磁盤上多個(gè)作業(yè) 一個(gè)作業(yè)（在生存期間會(huì)被）對(duì)換進(jìn)（出）內(nèi)存從（到）磁盤 提供了用戶間及與系統(tǒng)間的聯(lián)機(jī)通信；當(dāng)操作系統(tǒng)完成一個(gè)命令的執(zhí)行，則從用戶鍵盤查找下一條控制語(yǔ)句 聯(lián)機(jī)系統(tǒng)必須允許用戶訪問(wèn)數(shù)據(jù)和代碼,35,學(xué)習(xí)幻燈,Response time should be 1 second Each user has at least one program executing

16、in memory process If several jobs ready to run at the same time CPU scheduling If processes dont fit in memory, swapping moves them in and out to run Virtual memory allows execution of processes not completely in memory,分時(shí)系統(tǒng)允許交互式計(jì)算,36,學(xué)習(xí)幻燈,1.3 桌面系統(tǒng),PC 為單個(gè)用戶服務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) I/O設(shè)備 鍵盤，鼠標(biāo)，顯示器，打印機(jī)等 用戶方便性和響應(yīng)性 可以采

17、用大型操作系統(tǒng)上的技術(shù) 通常人們都可以擁有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，從而CPU的利用率也不再是主要問(wèn)題。所以，有些大型機(jī)OS的設(shè)計(jì)決策可能不再適用于小系統(tǒng) 可以運(yùn)行多個(gè)不同類型的操作系統(tǒng)（Windows，MacOS，UNIX，Linux,37,學(xué)習(xí)幻燈,1.4 并行系統(tǒng)（paralel system,這類系統(tǒng)有多個(gè)緊密通信的處理器 亦稱為多處理器系統(tǒng)或緊耦合系統(tǒng) 緊耦合系統(tǒng)（tightly coupled system） 處理器共享計(jì)算機(jī)總線、內(nèi)存、時(shí)鐘；通信常通過(guò)共享內(nèi)存的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。 其主要優(yōu)點(diǎn)： 增加吞吐量（throughput） 經(jīng)濟(jì)節(jié)約 增加可靠性（在某些情況下） 功能退化（graceful de

18、gradation） 容錯(cuò)系統(tǒng)（fault tolerant） 流水線,38,學(xué)習(xí)幻燈,非對(duì)稱處理（Asymmetric multiprocessing） 每個(gè)處理器被賦予一個(gè)特定的任務(wù)，主處理器為從處理器調(diào)度和安排工作。 類似于超大型系統(tǒng) 對(duì)稱處理（Symmetric multiprocessing, SMP） 每個(gè)處理器都運(yùn)行同一個(gè)操作系統(tǒng)的拷貝，這些拷貝需要互相通信 許多處理器可能同時(shí)運(yùn)行而性能上不會(huì)有多大損失 例如N個(gè)處理器理念上可以同時(shí)運(yùn)行N個(gè)進(jìn)程 許多現(xiàn)代操作系統(tǒng)支持SMP Windows NT、Solaris、Digital UNIX、OS/2、Linux等,39,學(xué)習(xí)幻燈,對(duì)稱

19、多處理體系結(jié)構(gòu),40,學(xué)習(xí)幻燈,1.5 分布式系統(tǒng)(distributed system,在若干個(gè)位于不同位置的處理器之間組成分布式計(jì)算 松耦合系統(tǒng) （loosely coupled system） 每個(gè)處理器都有自己的內(nèi)存；處理器相互之間通過(guò)不同的通信線路進(jìn)行通信，如高速總線或電話線 優(yōu)點(diǎn) 資源共享 計(jì)算速度提高 可靠性 通信 需要網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 局域網(wǎng)（local-area network, LAN） 或 廣域網(wǎng)（wide-are network, WAN） 根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的距離來(lái)劃分 可以是C/S系統(tǒng)或端對(duì)端系統(tǒng),41,學(xué)習(xí)幻燈,客戶 服務(wù)器系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu),42,學(xué)習(xí)幻燈,1.6 集群系統(tǒng)（c

20、lustered system,集群系統(tǒng)將多個(gè)CPU集中起來(lái)完成計(jì)算任務(wù)。然而，集群系統(tǒng)與并行系統(tǒng)不同，它是由兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)耦合起來(lái)的。 通常接受的定義是集群復(fù)讀機(jī)共享存儲(chǔ)并通過(guò)LAN網(wǎng)絡(luò)緊密鏈接 通常用來(lái)提供高可用性（high availability） 非對(duì)稱集群（asymmetric clustering）： 一臺(tái)機(jī)器處于熱備份模式（hot standby mode），而另一臺(tái)運(yùn)行應(yīng)用程序。 對(duì)稱集群（symmetric clustering）：兩個(gè)或多個(gè)主機(jī)都運(yùn)行應(yīng)用程序，它們互相監(jiān)視,43,學(xué)習(xí)幻燈,不管分布式計(jì)算機(jī)如何改善，絕大多數(shù)系統(tǒng)并不提供通用分布式文件系統(tǒng)。因此，絕大多數(shù)集群不允許對(duì)磁盤上的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享訪問(wèn)。因此，分布式文件系統(tǒng)必須提供對(duì)文件的訪問(wèn)控制和加鎖，以確保不出現(xiàn)互為矛盾的操作。這種類型的服務(wù)通常稱為分布式鎖管理器（distributed lock manager, DLM） 全球集群,44,學(xué)習(xí)幻燈,1.7 實(shí)時(shí)系統(tǒng)（real-time system,當(dāng)對(duì)處理器操作或數(shù)據(jù)流動(dòng)有嚴(yán)格時(shí)間要求時(shí)，就需要使用實(shí)時(shí)系統(tǒng)。通常用于控制特定應(yīng)用的設(shè)備。如控制