計算機操作系統(tǒng)第四版課件

1、計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)Computer Operating System課程簡介How many?Windows旗幟Opensuse變色龍Ubuntu環(huán) Linux企鵝 Sun的SolarisMAC OS 谷歌的Android 典型版本典型版本日期日期Windows 1.01985-11-20Windows 2.01987-11-1Windows 3.01990-5-22Windows 3.11992-3-18Windows 3.21994-4-14Windows NT1993-7-27Windows 951995-8-24Windows 981998-6-25典型版本典型版本日期日期W

2、indows 20002000-2-17Windows ME2000-9-14Windows XP2001-10-25Windows Server 20032003-4-24Windows Vista2007-1-30Windows Server 20082008-2-27Windows 72009-10-22Windows 8預覽版已出預覽版已出 Window 1.0 Windows 3.1 Windows 95 Windows 98Window 2000 Windows XP Windows Vista Windows 7 課程簡介What is？DOSMac OSVistaWindows

3、 7FedoraSolarisSuseUbuntuRedhat紅旗Linux課程簡介Important？v 操作系統(tǒng)課程是計算機教育的操作系統(tǒng)課程是計算機教育的必修必修內(nèi)容內(nèi)容v 計算機專業(yè)的計算機專業(yè)的核心課核心課v 技術開發(fā)的技術開發(fā)的理論基礎理論基礎Text1Text2Text3Text4TextText3學習什么學習什么不是不是理解操作系統(tǒng)如何工作理解操作系統(tǒng)如何工作OS的工作方式的工作方式OS內(nèi)部算法和數(shù)據(jù)結構內(nèi)部算法和數(shù)據(jù)結構設計設計OS 過程中的問題、過程中的問題、解決方案和折中權衡解決方案和折中權衡操作系統(tǒng)中的典型技術操作系統(tǒng)中的典型技術和應用和應用 而是而是如何使用操作系統(tǒng)如

4、何使用操作系統(tǒng)設計或修改現(xiàn)有的操作系統(tǒng)設計或修改現(xiàn)有的操作系統(tǒng)加深對所用加深對所用OS的理解，有利于編程用戶的理解，有利于編程用戶深入地與操作系統(tǒng)打交道深入地與操作系統(tǒng)打交道編程時借鑒操作系統(tǒng)的設計思想和算法編程時借鑒操作系統(tǒng)的設計思想和算法選擇購買操作系統(tǒng)選擇購買操作系統(tǒng)課程簡介Why？如如FIFO算法，最佳算法，最佳適應算法適應算法思維方式的學習思維方式的學習課程簡介What？v教材教材 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)，湯小丹編著。西安電子科技大學，湯小丹編著。西安電子科技大學出版社出版社v參考書參考書 現(xiàn)代操作系統(tǒng)，陳向群等譯，機械工業(yè)出版社現(xiàn)代操作系統(tǒng)，陳向群等譯，機械工業(yè)出版社 Win

5、dowsWindows操作系統(tǒng)原理，陳向群等，機械工業(yè)出版社操作系統(tǒng)原理，陳向群等，機械工業(yè)出版社 計算機操作系統(tǒng)教程，張堯學，史美林。清華大學出版社計算機操作系統(tǒng)教程，張堯學，史美林。清華大學出版社 計算機操作系統(tǒng)教程，周長林，左萬歷。高等教育出版社計算機操作系統(tǒng)教程，周長林，左萬歷。高等教育出版社 操作系統(tǒng)教程，孫鐘秀主編。高等教育出版社操作系統(tǒng)教程，孫鐘秀主編。高等教育出版社 操作系統(tǒng)，孟靜等。人民郵電出版社操作系統(tǒng)，孟靜等。人民郵電出版社 Ch7其他內(nèi)容其他內(nèi)容Ch6文件管理文件管理Ch1引論引論Ch2進程管理進程管理Ch3處理機調度與死鎖處理機調度與死鎖Ch5設備管理設備管理Ch4存

6、儲器管理存儲器管理課程簡介課程簡介HowHow？ 實踐性強（從實踐總結出原理）實踐性強（從實踐總結出原理）涉及面廣（并行程序、性能問題、結構問題、程序方法論、軟件涉及面廣（并行程序、性能問題、結構問題、程序方法論、軟件工程等）工程等） 錯綜復雜錯綜復雜( (概念多、抽象概念多、抽象) )學習重點：概念、原理、算法學習重點：概念、原理、算法學習方法：興趣學習方法：興趣+ +態(tài)度態(tài)度+ +方法方法v 課前預習教材課前預習教材v 按時上課，認真聽講按時上課，認真聽講v 研讀參考書和參考網(wǎng)站研讀參考書和參考網(wǎng)站, ,結合操作系統(tǒng)專題學習網(wǎng)站等豐富的結合操作系統(tǒng)專題學習網(wǎng)站等豐富的教學資源教學資源, ,

7、 掌握基本原理掌握基本原理, ,拓展知識，延伸視野，提高分析問拓展知識，延伸視野，提高分析問題和解決問題的能力。題和解決問題的能力。v 整理筆記，認真思考，積極討論，善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并整理筆記，認真思考，積極討論，善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并努力尋求問題的答案。努力尋求問題的答案。 1介紹操作系統(tǒng)的基本概念、基本結構及運行環(huán)境介紹操作系統(tǒng)的基本概念、基本結構及運行環(huán)境v2 2介紹操作系統(tǒng)原理、設計方法和實現(xiàn)技術介紹操作系統(tǒng)原理、設計方法和實現(xiàn)技術v3 3介紹操作系統(tǒng)的演化過程、發(fā)展研究動向、新技介紹操作系統(tǒng)的演化過程、發(fā)展研究動向、新技術以及新思想術以及新思想v4 4介紹各種有代表性的、典型

8、的操作系統(tǒng)實例介紹各種有代表性的、典型的操作系統(tǒng)實例v5 5培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的基本能力，培養(yǎng)培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的基本能力，培養(yǎng)創(chuàng)造型人才創(chuàng)造型人才課程簡介future gainv使學生對操作系統(tǒng)的基本概念、基本結構及運行環(huán)使學生對操作系統(tǒng)的基本概念、基本結構及運行環(huán)境有深入的認識，對操作系統(tǒng)這一課程有比較全面境有深入的認識，對操作系統(tǒng)這一課程有比較全面的把握的把握v使學生深入到操作系統(tǒng)內(nèi)部，理解并掌握操作系統(tǒng)使學生深入到操作系統(tǒng)內(nèi)部，理解并掌握操作系統(tǒng)的基本原理、設計方法和實現(xiàn)技術的基本原理、設計方法和實現(xiàn)技術v使學生了解操作系統(tǒng)的演化過程、發(fā)展研究動向、使學生了解操作系統(tǒng)的

9、演化過程、發(fā)展研究動向、新技術以及新思想，使學生具有透過變化看趨勢、新技術以及新思想，使學生具有透過變化看趨勢、透過技術抓原理、把握學科發(fā)展脈搏的基本素質，透過技術抓原理、把握學科發(fā)展脈搏的基本素質，為其今后在相關領域開展工作打下堅實的基礎為其今后在相關領域開展工作打下堅實的基礎名稱的演變核心程序核心程序(Kernel)5監(jiān)控（督）程序（系統(tǒng)）監(jiān)控（督）程序（系統(tǒng)）（Monitor)1執(zhí)行系統(tǒng)（程序）執(zhí)行系統(tǒng)（程序）(Executive System(program)2控制系統(tǒng)（程序）控制系統(tǒng)（程序）(Control System program)3管理程序管理程序(Supervisor, S

10、upervisor System)4操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)(Operating System)6操作系統(tǒng)在程序執(zhí)行時做什么？操作系統(tǒng)在程序執(zhí)行時做什么？#include int main(int argc, char *argv ) puts(hello world); return 0; 用戶告訴操作系統(tǒng)執(zhí)行用戶告訴操作系統(tǒng)執(zhí)行hellohello程序程序 操作系統(tǒng)找到該程序，檢查其類型操作系統(tǒng)找到該程序，檢查其類型檢查程序首部，找出正文和數(shù)據(jù)的地址檢查程序首部，找出正文和數(shù)據(jù)的地址文件系統(tǒng)找到第一個磁盤塊文件系統(tǒng)找到第一個磁盤塊父進程需要創(chuàng)建一個新的子進程，執(zhí)行父進程需要創(chuàng)建一個新的子進程，執(zhí)行

11、hellohello程序程序操作系統(tǒng)需要將執(zhí)行文件映射到進程結構操作系統(tǒng)需要將執(zhí)行文件映射到進程結構操作系統(tǒng)設置操作系統(tǒng)設置CPUCPU上下文環(huán)境，并跳到程序開始處上下文環(huán)境，并跳到程序開始處程序的第一條指令執(zhí)行，失敗，缺頁中斷發(fā)生程序的第一條指令執(zhí)行，失敗，缺頁中斷發(fā)生操作系統(tǒng)分配一頁內(nèi)存，并將代碼從磁盤讀入，繼續(xù)執(zhí)行更多的缺頁中斷，讀入更多操作系統(tǒng)分配一頁內(nèi)存，并將代碼從磁盤讀入，繼續(xù)執(zhí)行更多的缺頁中斷，讀入更多的頁面的頁面程序執(zhí)行系統(tǒng)調用，在文件描述符中寫一字符串程序執(zhí)行系統(tǒng)調用，在文件描述符中寫一字符串操作系統(tǒng)檢查字符串的位置是否正確操作系統(tǒng)檢查字符串的位置是否正確操作系統(tǒng)找到字符串被

12、送往的設備操作系統(tǒng)找到字符串被送往的設備設備是一個偽終端，由一個進程控制設備是一個偽終端，由一個進程控制操作系統(tǒng)將字符串送給該進程操作系統(tǒng)將字符串送給該進程該進程告訴窗口系統(tǒng)它要顯示字符串該進程告訴窗口系統(tǒng)它要顯示字符串窗口系統(tǒng)確定這是一個合法的操作，然后將字符串轉換成像素窗口系統(tǒng)確定這是一個合法的操作，然后將字符串轉換成像素窗口系統(tǒng)將像素寫入存儲映像區(qū)窗口系統(tǒng)將像素寫入存儲映像區(qū)視頻硬件將像素表示轉換成一組模擬信號控制顯示器（重畫屏幕）視頻硬件將像素表示轉換成一組模擬信號控制顯示器（重畫屏幕）顯示器發(fā)射電子束顯示器發(fā)射電子束你在屏幕上看到你在屏幕上看到hello worldhello wor

13、ld用戶應用程序序程其他系統(tǒng)軟件 與硬件的關系：與硬件的關系： 控制控制CPUCPU的工作的工作 訪問存儲器訪問存儲器 設備驅動、中斷處理。設備驅動、中斷處理。 作系操統(tǒng) 裸機與用戶及應用程序的關系：與用戶及應用程序的關系： 提供方便的用戶界面、提供方便的用戶界面、 提供優(yōu)質的服務。提供優(yōu)質的服務。 1. OS1. OS與各層的關系與各層的關系 操作系統(tǒng)在計算機中的位置操作系統(tǒng)在計算機中的位置下層硬件環(huán)境：下層硬件環(huán)境： 提供提供OSOS運行基礎運行基礎; ; 限制了限制了OSOS的功能實現(xiàn)的功能實現(xiàn)2. 2. 各層對操作系統(tǒng)的制約各層對操作系統(tǒng)的制約上層軟件上層軟件: : 對對OSOS提出要

14、求提出要求 良好的用戶界面良好的用戶界面 裸機作系操統(tǒng)其他系統(tǒng)軟件用戶應用程序序程與開發(fā)者的關系計算機硬件計算機硬件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)其他系統(tǒng)軟件其他系統(tǒng)軟件應用程序應用程序其他用戶其他用戶操作系統(tǒng)設計者操作系統(tǒng)設計者系統(tǒng)軟件設計者系統(tǒng)軟件設計者應用程序設計者應用程序設計者v1.1 1.1 操作系統(tǒng)的目標和作用操作系統(tǒng)的目標和作用v1.2 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的發(fā)展過程v1.3 1.3 操作系統(tǒng)的基本特性操作系統(tǒng)的基本特性v1.4 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的主要功能v1.5 OS1.5 OS結構設計結構設計第一章 操作系統(tǒng)引論本章學習目標v掌握什么是操作系統(tǒng)掌握什么是操作

15、系統(tǒng)v掌握操作系統(tǒng)的掌握操作系統(tǒng)的目標目標和作用和作用v了解操作系統(tǒng)的發(fā)展過程，掌握不同種類操作系了解操作系統(tǒng)的發(fā)展過程，掌握不同種類操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點統(tǒng)的優(yōu)缺點v理解操作系統(tǒng)的基本特性理解操作系統(tǒng)的基本特性v掌握操作系統(tǒng)的主要功能掌握操作系統(tǒng)的主要功能v了解常用的操作系統(tǒng)結構設計方法了解常用的操作系統(tǒng)結構設計方法1.1 操作系統(tǒng)的目標和作用操作系統(tǒng)的目標和作用v有效性有效性 改善資源利用率，提高系統(tǒng)吞吐量改善資源利用率，提高系統(tǒng)吞吐量 v方便性方便性 使計算機系統(tǒng)使用起來更方便使計算機系統(tǒng)使用起來更方便v可擴充性可擴充性 能夠不斷適應發(fā)展的要求能夠不斷適應發(fā)展的要求v開放性開放性 使來自不同廠

16、家的計算機和設備能夠有效地協(xié)同工作，使來自不同廠家的計算機和設備能夠有效地協(xié)同工作，實現(xiàn)應用的可移植性和互操作性實現(xiàn)應用的可移植性和互操作性操作系統(tǒng)的目標操作系統(tǒng)的作用v OS作為用戶與計算機硬件之間的接口作為用戶與計算機硬件之間的接口OSOS處于用戶和計算機硬件系統(tǒng)之間，用戶通過處于用戶和計算機硬件系統(tǒng)之間，用戶通過OSOS使用計使用計算機系統(tǒng)算機系統(tǒng)用戶可以通過命令方式、系統(tǒng)調用方式和圖形、窗口方用戶可以通過命令方式、系統(tǒng)調用方式和圖形、窗口方式使用計算機式使用計算機用戶用戶應用程序應用程序系統(tǒng)調用系統(tǒng)調用 命令命令 圖標、窗口圖標、窗口操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)計算機硬件計算機硬件v OS作為計算

17、機系統(tǒng)的資源管理者作為計算機系統(tǒng)的資源管理者硬件資源：處理器、存儲器、硬件資源：處理器、存儲器、I/OI/O設備設備信息資源：程序和數(shù)據(jù)信息資源：程序和數(shù)據(jù)OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象實現(xiàn)了對計算機資源的抽象 當計算機上覆蓋了操作系統(tǒng)后，便為用戶提供了一臺功能當計算機上覆蓋了操作系統(tǒng)后，便為用戶提供了一臺功能顯著增強，使用更加方便，效率明顯提高的虛擬計算機顯著增強，使用更加方便，效率明顯提高的虛擬計算機用戶物理接口硬件用戶I/O軟件物理接口硬件I/O操作命令操作命令（Read,Write）虛機器虛機器用戶需了用戶需了解物理接解物理接口的實現(xiàn)口的實現(xiàn)細節(jié)；細節(jié)；利用機器利用機器指令進行指令進行編

18、程編程用戶無需了用戶無需了解物理接口解物理接口的實現(xiàn)細節(jié)；的實現(xiàn)細節(jié)；在窗口環(huán)境在窗口環(huán)境下使用計算下使用計算機機v不斷提高計算機資源利用率不斷提高計算機資源利用率 計算機價格昂貴！從單個作業(yè)到批處理作業(yè)，從單道程序到多道程序，以及計算機價格昂貴！從單個作業(yè)到批處理作業(yè)，從單道程序到多道程序，以及SPOOLing，虛擬存儲器和網(wǎng)絡環(huán)境下允許所有網(wǎng)絡用戶訪問文件系統(tǒng)和數(shù)，虛擬存儲器和網(wǎng)絡環(huán)境下允許所有網(wǎng)絡用戶訪問文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)據(jù)庫系統(tǒng)v方便用戶方便用戶 改善用戶上機、調試程序時的環(huán)境改善用戶上機、調試程序時的環(huán)境v器件的不斷更新?lián)Q代器件的不斷更新?lián)Q代 微電子技術的迅猛發(fā)展，推動著計算機器件

19、的更新?lián)Q代。如芯片從微電子技術的迅猛發(fā)展，推動著計算機器件的更新?lián)Q代。如芯片從8 8位位1616位位 3232位位6464位。存儲設備從磁盤位。存儲設備從磁盤移動硬盤移動硬盤閃存盤閃存盤掃描儀等。掃描儀等。v計算機體系結構的不斷發(fā)展計算機體系結構的不斷發(fā)展 單處理機系統(tǒng)到多處理系統(tǒng)，支持網(wǎng)絡的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)單處理機系統(tǒng)到多處理系統(tǒng)，支持網(wǎng)絡的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)OSOS在短短在短短5050年中取得了很大的發(fā)展。規(guī)模由原來的數(shù)十年中取得了很大的發(fā)展。規(guī)模由原來的數(shù)十KBKB發(fā)展發(fā)展到如今的數(shù)千萬行代碼，其發(fā)展的主要動力歸結為如下所述的到如今的數(shù)千萬行代碼，其發(fā)展的主要動力歸結為如下所述的四個方面：四個方面

20、：操作系統(tǒng)的發(fā)展動力v 不斷提高計算機資源利用率不斷提高計算機資源利用率v 方便用戶方便用戶v 器件的不斷更新?lián)Q代器件的不斷更新?lián)Q代v 計算機體系結構的不斷發(fā)展計算機體系結構的不斷發(fā)展操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)（第一代計算機）人工操作人工操作穿孔卡片穿孔卡片用于輸入數(shù)據(jù)和程序，F(xiàn)ortan程序表達式Z(1) = Y + W(1)穿孔紙帶穿孔紙帶既用來輸入數(shù)據(jù)，輸出同樣也在穿孔紙帶上。每一行代表一個字符。脫機輸入輸出脫機輸入輸出單道批處理系統(tǒng)（第二代計算機）單道批處理系統(tǒng)（第二代計算機）一批作業(yè)存到磁帶，由監(jiān)督程序監(jiān)督程序

21、控制逐個逐個運行。自動、順序、單道。 t1t2t3t4t5t6t7t8結束中斷I/O 完成啟動 I /OI/O 中斷請求I/O 完成啟動 I/OI/O 中斷請求用戶程序監(jiān)督程序I/O 操作(a) 單道程序運行情況程 序 A程序 A I/O 請求程序 A I/O 完成程 序 B程序 B I/O 請求程 序 C程序 C I/O 請求程 序 D程序 D I/O 請求C I/O 完成 C 再 被 調 度程序 B I/O 完成程序 A 再被調度程 序 A程 序 B程 序 C程 序 D調 度 程 序(b) 四 道 程 序 運 行 情 況A 完成結束中斷在t2t3、t6t7時間間隔內(nèi)CPU空閑多道批處理系統(tǒng)

22、（第三代計算機）多道批處理系統(tǒng)（第三代計算機）一批作業(yè)存到外存，由調度程序調度程序選擇若干個作業(yè)進入內(nèi)存，共享CPU。多道批處理系統(tǒng)的特征：多道性、無序性、調度性。 優(yōu)點：資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大。缺點：平均周轉時間長、無交互能力。多道批處理系統(tǒng)必須解決下列問題：(1) 處理機管理問題。(2) 內(nèi)存管理問題。(3) I/O設備管理問題。(4) 文件管理問題。(5) 作業(yè)管理問題。t1t2t3t4t5t6t7t8結束中斷I/O 完成啟動 I /OI/O 中斷請求I/O 完成啟動 I/OI/O 中斷請求用戶程序監(jiān)督程序I/O 操作(a) 單道程序運行情況程 序 A程序 A I/O 請求程序 A

23、I/O 完成程 序 B程序 B I/O 請求程 序 C程序 C I/O 請求程 序 D程序 D I/O 請求C I/O 完成 C 再 被 調 度程序 B I/O 完成程序 A再被調度程 序 A程 序 B程 序 C程 序 D調 度 程 序(b) 四 道 程 序 運 行 情 況A完成結束中斷分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)將一臺計算機提供給多個用戶同時使用。每個作業(yè)只運行一個很短的時間片，然后暫停該作業(yè)的運行，并立即調度下一個程序運行。在不長的時間(如3秒)內(nèi)能使所有的用戶作業(yè)都執(zhí)行一次。特征：多路、獨立、及時、交互。實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)系統(tǒng)能及時(或即時)響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制

24、所有實時任務協(xié)調一致地運行。特征：多路、獨立、及時、交互、可靠微機操作系統(tǒng)的發(fā)展（第四代計算機）微機操作系統(tǒng)的發(fā)展（第四代計算機）單用戶單任務微機操作系統(tǒng)：CP/M和MS-DOS。單用戶多任務操作系統(tǒng)，微軟公司推出的Windows。多用戶多任務操作系統(tǒng)，UNIX OS。最有影響的兩個能運行在微機上的UNIX操作系統(tǒng)的變型是Solaris OS和Linux OS。 1.3操作系統(tǒng)的基本特性操作系統(tǒng)的基本特性并發(fā)性并發(fā)性在計算機系統(tǒng)中同時存在多個程序。 宏觀上：這些程序是同時在執(zhí)行的 微觀上：任何時刻只有一個程序在執(zhí)行（即微觀上這些程序在CPU上輪流執(zhí)行）思考：并發(fā)與并行的區(qū)別？并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生；并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。共享性共享性共享指計算機系統(tǒng)中的資源可被多個并發(fā)執(zhí)行的用戶程序和系統(tǒng)程序共同使用。在一段時間內(nèi)只允許一個進程訪問的資源稱為臨界資源或獨占資源，如：打印機?？晒┒鄠€進程“同時”訪問的資源，如磁盤。虛擬技術虛擬技術虛擬是指物理上沒有提供，但是邏輯上卻具備的功能。在用戶看來好像是物理上原來就具有的功能一樣