操作系統(tǒng)第1章

操作系統(tǒng)主講人：黃萍huangp146@行政樓408辦公核與成績評定考核方式：閉卷、筆試成績評定：平時成績：期末考試：到課情況：10%平時作業(yè)：10%20%80%使用教材操作系統(tǒng)的作用軟件硬件硬件與軟件的關系腦袋與思想的關系應用軟件操作系統(tǒng)頭主要學習內(nèi)容一、操作系統(tǒng)引論二、進程管理三、處理機調(diào)度與死鎖四、存儲器管理五、設備管理六、文件管理第一章操作系統(tǒng)引論什么是操作系統(tǒng)?操作系統(tǒng)的性質(zhì)?以下軟件那些是操作系統(tǒng)？UNIXWordDOSVBOFFICWindowsXPWindows7LinuxPowerpointPhotoshop操作系統(tǒng)軟件：UNIXWordDOSVBOFFICWindowsXPWindows7LinuxPowerpointPhotoshop定義：操作系統(tǒng)是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源、合理地對各類作業(yè)進行調(diào)度、以及方便用戶使用的程序集合。1.1操作系統(tǒng)的目標和作用1.1.1操作系統(tǒng)的目標

目前存在著多種類型的OS，不同類型的OS，其目標各有所側(cè)重。方便性有效性可擴充性開放性設計操作系統(tǒng)最重要的兩個目標1.方便性硬件只識別0和1這樣的機器代碼。因此，用戶要在計算機上運行自己所編寫的程序，就必須用機器語言書寫。2.有效性提高系統(tǒng)資源利用率，使資源忙，得到有效利用；提高系統(tǒng)吞吐率，加速程序運行，縮短程序的運行周期；3.可擴充性適應硬件與網(wǎng)絡發(fā)展要求采用層次化結(jié)構，便于增加新功能模塊和修改老的功能模塊。4.開放性遵循開放系統(tǒng)互連OSI國際標準是90年代計算機技術的核心問題。實現(xiàn)應用的可移植性和互操作性，要求操作系統(tǒng)必須提供統(tǒng)一的開放環(huán)境。1.1.2操作系統(tǒng)的作用：用戶與硬件系統(tǒng)的接口計算機四類資源的管理者實現(xiàn)了對計算機資源的抽象1.用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口

OS處于用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間，用戶通過OS來使用計算機系統(tǒng)。OS是一個系統(tǒng)軟件，因而這種接口是軟件接口。軟件接口，給互用用戶提供三種方式：（1）命令方式（2）系統(tǒng)調(diào)用方式（3）圖形、窗口方式(1)命令方式。由OS提供一組聯(lián)機命令，用戶可通過鍵盤輸入有關命令，來直接操縱計算機系統(tǒng)。(2)系統(tǒng)調(diào)用方式。OS提供了一組系統(tǒng)調(diào)用，用戶可在應用程序中通過相應的系統(tǒng)調(diào)用，來操縱計算機。(3)圖形、窗口方式。用戶通過屏幕上的窗口和圖標來操縱計算機系統(tǒng)和運行自己的程序。OS作為接口的示意圖用戶應用程序系統(tǒng)調(diào)用命令圖標、窗口操作系統(tǒng)計算機硬件2.OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者處理機管理——用于分配和控制處理機；存儲器管理——主要負責內(nèi)存的分配與回收；設備管理——負責I/O設備的分配與操縱；文件管理——負責文件的存取、共享和保護。3.OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象裸機：無任何軟件的計算機系統(tǒng)擴充機器：覆蓋了軟件的機器又稱虛擬機1.1.3推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力不斷提高計算機資源利用率2.方便用戶3.器件的不斷更新?lián)Q代4.計算機體系結(jié)構的不斷發(fā)展無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)（50年代）多道批處理系統(tǒng)（60年代）分時系統(tǒng)（60年代）實時系統(tǒng)（60年代）1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.人工操作方式從第一臺計算機誕生(1945年)到50年代中期的計算機，屬于第一代，這時還未出現(xiàn)OS。人工操作方式有以下兩方面的缺點：用戶獨占全機CPU等待人工操作2.脫機輸入/輸出方式脫機I/O方式的主要優(yōu)點如下：減少了CPU的空閑時間。(2)提高I/O速度。脫機I/O示意圖輸入設備外圍機磁盤主機外圍機輸出設備過程：一批作業(yè)以脫機方式輸入到磁帶上，在監(jiān)督程序的控制下連續(xù)處理。特征：（1）自動性無人工干預;（2）順序性按進入內(nèi)存的先后執(zhí)行;（3）單道性內(nèi)存中只保持一到作業(yè)。1.2.2單道批處理系統(tǒng)1.2.3多道批處理系統(tǒng)1.多道程序設計的基本概念多道：指內(nèi)存中同時存放多個相互獨立的程序。

多道技術是共享的基礎。引入多道程序設計技術帶來的好處：(1)提高CPU的利用率。(2)可提高內(nèi)存和I/O設備利用率。(3)增加系統(tǒng)吞吐量。啟動程序C完成完成啟動t1t2t3t4t5t6t7t8結(jié)束中斷I/O

I/OI/O

中斷請求I/O

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AI/O請求程序AI/O完成程序B程序BI/O請求程序CI/O請求程序D程序DI/O請求CI/O完成C再被調(diào)用程序BI/O完成程序A再被調(diào)度程序A程序B程序C程序D調(diào)度程序(b)多道程序運行情況A完成結(jié)束中斷2.多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點資源利用率高。(2)系統(tǒng)吞吐量大。吞吐量：單位時間內(nèi)完成的總工作量原因:①資源忙；②完成或運行不下去時才切換；(3)平均周轉(zhuǎn)時間長。通常幾小時，甚至幾天。作業(yè)周轉(zhuǎn)時間：從作業(yè)進入系統(tǒng)開始到完成并退出系統(tǒng)經(jīng)歷的時間。(4)無交互能力。修改和調(diào)試極不方便。3.多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題處理機管理內(nèi)存管理I/O設備管理文件管理作業(yè)管理1.2.4分時系統(tǒng)

分時系統(tǒng)的產(chǎn)生定義：一臺主機上連接了多個終端，同時允許多個用戶通過自己的終端，以交互方式使用計算機，共享主機中的資源。用戶的需求具體表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)人—機交互。（邊運行邊調(diào)試）(2)共享主機。（設備昂貴）(3)便于用戶上機。（在終端上輸入、控制）2.分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關鍵問題終端鍵入命令，及時接收處理，將結(jié)果返回。再鍵入下條命令，實現(xiàn)人-機交互。有多個用戶同時鍵入命令時，也應能全部地及時接收并處理。(1)及時接收。(2)及時處理。3.分時系統(tǒng)的特征多路性。即同時性，宏觀上同時微觀上輪流獨立性。每個用戶感覺獨占主機及時性。較短時間響應（1-3秒）交互性。1.2.5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，并控制所有實時任務協(xié)調(diào)一致地運行。1.應用需求實時控制。工業(yè)生產(chǎn)、武器控制飛機的自動駕駛

(2)實時信息處理。訂票系統(tǒng)2.實時任務任務執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性完成截止時間周期性實時任務非周期性實時任務開始截止時間對截止時間的要求硬實時任務軟實時任務3.實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較多路性獨立性及時性交互性可靠性1.3操作系統(tǒng)基本特征并發(fā)性（最重要特征）共享性虛擬性異步性1.3.1并發(fā)性1.并發(fā)與并行并行性：兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生；并發(fā)性：兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)，宏觀上有多個程序在同時運行；單處理機系統(tǒng)中，每一時刻卻僅能有一道程序執(zhí)行，微觀上這些程序只能是分時地交替執(zhí)行。多個處理機系統(tǒng)可以并發(fā)執(zhí)行的程序被分配到多個處理機上，實現(xiàn)并行執(zhí)行。進程程序在并發(fā)環(huán)境中的執(zhí)行過程；資源分配和獨立運行的基本單位。線程一個進程中包含多個線程，他們可以利用進程所擁有的資源；作為獨立運行和獨立調(diào)度的基本單位。所謂共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進程(線程)共同使用。1.3.2共享性資源屬性的不同，對資源共享的方式也不同。實現(xiàn)資源共享的兩種方式：(1)互斥共享方式(2)同時訪問方式1.互斥共享方式進程A訪問某資源時，必先提請求，若該資源空閑，系統(tǒng)便將之分配給A使用，此后若再有其它進程也要訪問該資源時則必須等待。僅當A訪問完并釋放該資源后，才允許另一進程對該資源進行訪問。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。2.同時訪問方式允許一段時間內(nèi)由多個進程“同時”對它們進行訪問。操作系統(tǒng)的兩個最基本的特征是并發(fā)和共享。操作系統(tǒng)中的所謂“虛擬”，是指通過某種技術把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應物。用于實現(xiàn)虛擬的技術，稱為虛擬技術。時分復用技術空分復用技術

1.3.3虛擬性虛擬處理機技術虛擬設備技術虛擬磁盤技術虛擬存儲器技術1.3.4異步性進程是以人們不可預知的速度向前推進，此即進程的異步性。由于資源等因素的限制，使進程的執(zhí)行通常都不是“一氣呵成”，而是以“停停走走”的方式運行。1.4操作系統(tǒng)的主要功能資源管理處理機管理存儲器管理設備管理文件管理用戶管理命令接口程序接口圖形接口聯(lián)機用戶接口脫機用戶接口用戶接口：提供給用戶使用的接口。程序接口：提供給程序員在編程時使用的接口。1.4.5操作系統(tǒng)與用戶之間的接口(1)聯(lián)機用戶接口。適用：幾乎所有計算機的操作系統(tǒng)中組成：命令+命令解釋程序過程：用戶在終端或控制臺上每鍵入一條命令，命令解釋程序?qū)υ撁罴右越忉尣?zhí)行該命令。(2)脫機用戶接口。適用：是為批處理作業(yè)的用戶提供的，故也稱為批處理用戶接口。組成：一組JCL（作業(yè)控制語言）過程：用戶把對作業(yè)的控制用JCL寫在作業(yè)說明書上，命令解釋程序按照作業(yè)說明書解釋并執(zhí)行。(3)圖形接口圖形用戶接口采用了圖形化的操作界面，用非常容易識別的各種圖標(icon)來將系統(tǒng)的各項功能、各種應用程序和文件，直觀、逼真地表示出來。用戶可用鼠標或通過菜單和對話框，來完成對應用程序和文件的操作。2.程序接口目的：為用戶程序在執(zhí)行中訪問系統(tǒng)資源而設置的，是用戶程序取得操作系統(tǒng)服務的唯一途徑。組成：一組系統(tǒng)調(diào)用是一個能完成特定功能的子程序。系統(tǒng)調(diào)用：每一個系統(tǒng)調(diào)用都是一個能完成特定功能的子程序，每當應用程序要求OS提供某種服務(功能)時，便調(diào)用具有相應功能的子程序。操作系統(tǒng)結(jié)構的發(fā)展階段第一代：無結(jié)構OS第二代：模塊化結(jié)構的OS第三代：分層式結(jié)構的OS第四代：微內(nèi)核結(jié)構的OS（20世紀90年代）——現(xiàn)代結(jié)構的OS傳統(tǒng)OS結(jié)構1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構設計無結(jié)構OS—是為數(shù)眾多的一組過程的集合，內(nèi)部復雜混亂；模塊化結(jié)構OS—按功能劃分成若干個具有一定獨立性和大小的模塊，每個模塊具有某方面的管理功能，使各模塊之間能通過接口實現(xiàn)交互；分層式結(jié)構OS—在目標系統(tǒng)和裸機系統(tǒng)之間，鋪設若干個層次的軟件層，最終能在裸機上運行。采用自底向上的分層原則。操作系統(tǒng)內(nèi)核是指大多數(shù)操作系統(tǒng)的核心部分。由操作系統(tǒng)中用于管理存儲器、文件、外設和系統(tǒng)資源的那些部分組成。通常運行進程，并提供進程間的通信。在微內(nèi)核系統(tǒng)中，內(nèi)核是精心設計的、能實現(xiàn)現(xiàn)代OS最基本的核心功能的部分。微內(nèi)核OS結(jié)構微內(nèi)核并非一個完整的OS，只是操作系統(tǒng)中最基本的部分；實現(xiàn)與硬件緊密相關的處理；實現(xiàn)一些較基本的功能；負責客戶和服務器之間的通信；微內(nèi)核OS結(jié)構現(xiàn)代操作系統(tǒng)，大多數(shù)采用基于客戶/服務器模式的微內(nèi)核結(jié)構，將操作系統(tǒng)劃分為兩大部分：微內(nèi)核和多個服務器；將操作系統(tǒng)中最基本的部分放在內(nèi)核中，絕大部分功能都放在微內(nèi)核外面的一組服務器（進程）中實現(xiàn)；客戶進程客戶進程進程服務器終端服務器文件服務器存儲器服務器請求回答核心用戶方式核心方式在單機環(huán)境下的客戶/服務器模式…微內(nèi)核的基本功能進程（線程管理）低級存