【大學】操作系統

操作系統編輯ppt教材史杏榮、楊壽保編著，《操作系統原理與實現技術》，中國科學技術大學出版社，1997參考書湯子瀛等著，《計算機操作系統》，西安電子科技大學出版社，1996

張堯學史美林，計算機操作系統教程，清華大學出版社周長林左萬歷，計算機操作系統教程，高等教育出版社作業(yè)統一閉卷筆試編輯ppt課程目的：了解操作系統的功能、基本原理和實現技術，加深對計算機運行環(huán)境的理解。基本要求：掌握一般操作系統的進程管理、作業(yè)管理、存儲管理、設備管理和文件管理的功能、原理與實現的基本思想，初步體會具體操作系統在這些方面的工作機制。編輯ppt1.1什么是操作系統1.2操作系統發(fā)展史1.3操作系統的分類1.4研究操作系統的幾種觀點第一章引論編輯ppt計算機系統(層次結構)軟件硬件及固件（裸機）應用軟件系統軟件編輯軟件，編譯軟件操作系統計算機系統的組成1.1什么是操作系統操作系統的地位和目標編輯ppt操作系統在計算機系統中的地位編輯ppt有效性（系統管理人員的觀點）方便性（用戶的觀點）引入操作系統的目標:編輯ppt

OS是計算機硬件、軟件資源的管理者。管理的對象：CPU、存儲器、外部設備、信息（數據和軟件）；管理的內容：資源的當前狀態(tài)（數量和使用情況）、資源的分配、回收和訪問操作，相應管理策略。操作系統的作用

OS是用戶使用系統硬件、軟件的接口。系統命令（命令行、菜單式、命令腳本式、圖形用戶接口GUI）；系統調用（形式上類似于過程調用，在應用編程中使用）。編輯ppt在裸機上添加：設備管理、文件管理、存儲管理（針對內存和外存）、處理機管理（針對CPU）；合理組織工作流程：作業(yè)管理、進程管理。操作系統的非形式化定義（關鍵點）：系統軟件，程序模塊的集合，資源管理和用戶接口功能

OS是擴展機(extendedmachine)/虛擬機(virtualmachine)。編輯pptMSOS:MSDOS,MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows2000UNIX:BSD,SRV4,OSF1,SCOUNIX,AIX,Solaris,LinuxNOS:NovellNetware操作系統舉例編輯ppt1.2操作系統的發(fā)展史手工操作批處理系統(batchprocessing)多道程序系統(multiprogrammingsystem)分時系統(time-sharingsystem)實時系統(real-timesystem)編輯ppt工作方式用戶：用戶既是程序員，又是操作員；用戶是計算機專業(yè)人員；編程語言：為機器語言；輸入輸出：紙帶或卡片；1946－58年（電子管）：集中計算（計算中心），計算機資源昂貴；手工操作編輯ppt主要矛盾計算機處理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪費）；用戶獨占全機的所有資源；提高效率的途徑專門的操作員，批處理工作特點用戶獨占全機CPU等待用戶編輯ppt批處理中的作業(yè)的組成：用戶程序數據作業(yè)說明書（作業(yè)控制語言）58年－64年（晶體管）：利用磁帶把若干個作業(yè)分類編成作業(yè)執(zhí)行序列，每個批作業(yè)由一個專門的監(jiān)督程序（Monitor）自動依次處理?？墒褂脜R編語言開發(fā)。批處理系統(batchprocessingm)編輯ppt

兩種批處理方式

(1)聯機批處理（早期）（解決人機矛盾）用戶提交作業(yè)操作員合成批作業(yè)批作業(yè)處理：對批作業(yè)中的每個作業(yè)進行相同的處理：從磁帶讀入用戶作業(yè)和編譯鏈接程序，編譯鏈接用戶作業(yè)，生成可執(zhí)行程序；啟動執(zhí)行；執(zhí)行結果輸出。問題：慢速的輸入輸出處理仍直接由主機來完成。輸入輸出時，CPU處于等待狀態(tài)。編輯ppt優(yōu)點：同一批內各作業(yè)的自動依次更替，改善了主機CPU和I/O設備的使用效率，提高了吞吐量。缺點：磁帶或磁盤需要人工裝卸，作業(yè)需要人工分類，監(jiān)督程序易遭到用戶程序的破壞（由人工干預才可恢復）。利用衛(wèi)星機完成輸入輸出功能。主機與衛(wèi)星機可并行工作。

兩種批處理方式

(2)脫機批處理

（解決cpu與I/O設備速度不匹配的矛盾）編輯ppt

CPU和I/O設備使用忙閑不均（取決于當前作業(yè)的特性）。內存僅放一道運行程序對計算為主的作業(yè)，外設空閑；對I/O為主的作業(yè)，CPU空閑；

單道批處理的主要問題編輯ppt通道：用于控制I/O設備與內存間的數據傳輸。啟動后可獨立于CPU運行，實現CPU與I/O的并行。中斷是指CPU在收到外部中斷信號后，停止原來工作，轉去處理該中斷事件，完畢后回到原來斷點繼續(xù)工作。引進緩沖技術，減少cpu和外設的等待時間，提高cpu和外設并行工作的程度。

通道和中斷技術編輯ppt多道程序技術運行特征多道：內存中同時存放幾個作業(yè)；宏觀上并行運行：都處于運行狀態(tài)，但都未運行完；微觀上串行運行：各作業(yè)交替使用CPU；64年－70年（集成電路）：利用多道批處理提高資源的利用率。多道程序系統

(multiprogrammingsystem)編輯ppt多道程序系統上的技術作業(yè)調度資源共享內存使用內存保護文件非順序存放、隨機存取作業(yè)管理、處理機管理、存儲管理、設備管理、文件系統管理(filesystem)編輯ppt假脫機批處理使用多道程序設計技術和通道技術，由輸入和輸出進程實現在低速設備和高速設備（磁盤）之間的信息傳輸任務；在聯機方式下實現脫機批處理操作，消除人工干預，提高系統資源利用率；現代操作系統中廣泛使用假脫機處理技術。編輯ppt多道批處理系統的資源利用效率特征多道批處理系統的資源利用效率特征是基于各作業(yè)對系統資源的需求差異得到的。例如：有3個作業(yè)A、B、C，分別為計算、檢索和打印作業(yè)，單道運行時間分別為5分、15分和10分鐘。它們可并行在15分鐘內完成3個作業(yè)。各資源的利用效率為：編輯ppt多道批處理系統的特點優(yōu)點：資源利用率高：CPU和內存利用率較高；作業(yè)吞吐量大：單位時間內完成的工作總量大。缺點：用戶交互性差：不利于調試和修改；作業(yè)平均周轉時間長：短作業(yè)的周轉時間顯著增長。編輯ppt“分時”的含義分時是指多個用戶分享使用同一臺計算機。多個程序分時共享硬件和軟件資源。多個用戶分時通常按時間片(timeslice)分配：各個程序在CPU上執(zhí)行的輪換時間。設計目標：對用戶的請求及時響應，并在可能條件下盡量提高系統資源的利用率。適合辦公自動化、教學及事務處理等要求人機會話的場合。70年代中期至今分時系統(time-sharingsystem)編輯ppt主機終端分時系統示意圖編輯ppt分時操作系統特點多路性交互性

“獨占”性及時性同時有多個用戶使用一臺計算機宏觀上：是多個人同時使用一個CPU微觀上：多個人在不同時刻輪流使用CPU用戶根據系統響應結果進一步提出新請求(用戶直接干預每一步)用戶感覺不到計算機為其他人服務（OS提供虛機器，各個用戶的虛機器互不干擾）系統對用戶提出的請求及時響應編輯ppt要求：響應時間短，在一定范圍系統可靠性高任務的類型：周期性實時任務非周期性實時任務用于工業(yè)過程控制、軍事實時控制、金融等領域實時系統(real-timesystem)編輯ppt并發(fā)(concurrency)共享(sharing)虛擬(virtual)異步性(asynchronism)操作系統的特征

編輯ppt在多道程序處理時，宏觀上并發(fā)，微觀上交替執(zhí)行（在單處理器情況下）。程序的靜態(tài)實體是可執(zhí)行文件，而動態(tài)實體是進程。多個事件在同一時間段內發(fā)生。操作系統是一個并發(fā)系統，各進程間的并發(fā)，系統與應用間的并發(fā)。操作系統要完成這些并發(fā)過程的管理。并行(parallel)是指在同一時刻發(fā)生。并發(fā)(concurrency)編輯ppt共享(sharing)互斥共享：資源分配后到釋放前，不能被其他進程所用。同時訪問資源分配難以達到最優(yōu)化多個進程共享有限的計算機系統資源。操作系統要對系統資源進行合理分配和使用。資源在一個時間段內交替被多個進程所用。編輯ppt虛擬(virtual)CPU－－每個用戶（進程）的"虛處理機"存儲器－－每個進程都占有的地址空間（指令＋數據＋堆棧）顯示設備－－多窗口或虛擬終端(virtualterminal)一個物理實體映射為若干個對應的邏輯實體－－分時或分空間。虛擬是操作系統管理系統資源的重要手段，可提高資源利用率。編輯ppt異步性(asynchronism)進程的運行速度不可預知：分時系統中，多個進程并發(fā)執(zhí)行，"時走時停"，不可預知每個進程的運行推進快慢判據：無論快慢，應該結果相同－－通過進程互斥和同步手段來保證難以重現系統在某個時刻的狀態(tài)（包括重現運行中的錯誤）也稱不確定性，指進程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時間的不確定性；編輯ppt1.3操作系統的分類操作系統分類主要討論操作系統的功能特征。

1.3.1批處理操作系統

1.3.2分時操作系統

1.3.3實時操作系統

1.3.4網絡操作系統

1.3.5分布式操作系統編輯ppt

作業(yè)的處理流程作業(yè)提交：作業(yè)的輸入；作業(yè)執(zhí)行作業(yè)完成：作業(yè)的輸出；1.3.1批處理操作系統(BatchProcessingOperationSystem)批處理的主要特征用戶脫機使用計算機作業(yè)成批處理多道程序并行

三種批處理類型單道批處理操作系統；多道批處理操作系統；遠程批處理系統編輯ppt把計算機的系統資源（尤其是CPU時間）進行時間上的分割，每個時間段稱為一個時間片（timeslice），每個用戶依次輪流使用時間片。1.3.2

分時操作系統(TimeSharingOperatingSystem)分時的定義分時系統的特征多路性：多個用戶同時工作。獨立性：各用戶獨立操作，互不干擾。交互性：系統能及時對用戶的操作進行響應，顯著提高調試和修改程序的效率：縮短了周轉時間。編輯ppt實時系統的特征實時時鐘管理：提供系統日期和時間、定時和延時等時鐘管理功能；及時性：響應時間的要求；多任務管理：系統的并發(fā)性和隨機性；高度可靠性和安全性：容錯能力（如故障自動復位）和冗余備份（雙機，關鍵部件）；實時操作系統主要用于過程控制、事務處理等有實時要求的領域，其主要特征是實時性和可靠性。1.3.3

實時操作系統(RealTimeOperatingSystem)編輯ppt通常操作系統的功能：處理機管理、存儲器管理、設備管理、文件管理等；網絡通信功能：通過網絡協議進行高效、可靠的數據傳輸；網絡資源管理：協調各用戶使用；網絡服務：文件和設備共享，信息發(fā)布；提供網絡接口1.3.4網絡操作系統(NOS,NetworkOperatingSystem)編輯ppt分布式系統：處理和控制的分散（相對于集中式系統）1.3.5分布式操作系統(DistributedOperatingSystem)多機合作：自動的任務分配和協調堅強性：計算機或通路發(fā)生故障時，其它部分可自動重構成一個新的系統，繼續(xù)工作編輯ppt結構的觀點資源管理的觀點進程的觀點用戶觀點1.4研究操作系統的幾種觀點編輯ppt

操作系統是由一些可同時獨立運行的進程和一個對這些進程進行協調的核心組成。進程的觀點進程（任務）：完成某一特定功能的程序是程序的一次執(zhí)行過程是動態(tài)有生命的，當它執(zhí)行時存在，否則消亡進程是并發(fā)程序的執(zhí)行，是獨立運行的基本單位，是資源分配的基本單位。編輯ppt操作系統---資源管理者硬件資源：CPU,內存,外部設備(I/O設備，外存等)

軟件資源：硬盤上的文件,信息資源管理的觀點操作系統的主要功能：處理機管理存儲器管理

I/O設備管理文件管理編輯ppt管理資源記錄資源使用狀況如哪些資源空閑，好壞與否，被誰使用,使用多長時間等合理的分配資源靜態(tài)分配策略