操作系統(tǒng)課件：Chapter-01 Introduction

1、1課程名稱：操作系統(tǒng)2教學(xué)用書 現(xiàn)代操作系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社，Tanenbaum著 操作系統(tǒng)：設(shè)計與實現(xiàn)，電子工業(yè)出版社，中譯本 操作系統(tǒng)內(nèi)核與設(shè)計原理，電子工業(yè)出版社，William Stallings著，英文原版 Windows操作系統(tǒng)原理，機械工業(yè)出版社，陳向群著3教學(xué)用書con.操作系統(tǒng)教程 王素華 人民郵電出版社計算機操作系統(tǒng)教程 張堯?qū)W史美林 清華大學(xué)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)基礎(chǔ) 屠立德 屠祁 清華大學(xué)出版社操作系統(tǒng)教程 孟慶昌 西安電子科大出版社計算機操作系統(tǒng) 湯子瀛等 西安電子科大出版社操作系統(tǒng)原理DOS篇 張昆蒼 清華大學(xué)出版社操作系統(tǒng)教

2、程 孫鐘秀主編 高等教育出版社操作系統(tǒng)原理技術(shù)與編程蔣靜 徐志偉機械工業(yè)出版社Operating System Concept Abrahan Silberschatz,etcApplied Operating System ConceptAbrahan Silberschatz,etc 4IntroductionChapter 11.1 What is an operating system1.2 History of operating systems1.3 The operating system zoo1.4 Computer hardware review1.5 Operating

3、system concepts1.6 System calls1.7 Operating system structure 5Introduction A computer system consists of hardware system programs application programs6Windows 2K/XP結(jié)構(gòu)圖課程導(dǎo)論課程導(dǎo)論7最專業(yè)的最專業(yè)的底層設(shè)計底層設(shè)計人員人員絕大多數(shù)從絕大多數(shù)從業(yè)人員業(yè)人員計算機硬件設(shè)備計算機硬件設(shè)備 如何使用？如何使用？底層硬件控制底層硬件控制用戶輸入用戶輸入處理結(jié)果處理結(jié)果8What is an Operating System It is

4、 an extended machine Hides the messy details which must be performed Presents user with a virtual machine, easier to use It is a resource manager Each program gets time with the resource Each program gets space on the resource 9What is an Operating System 操作系統(tǒng)是由程序模塊組成的系統(tǒng)軟件，它能夠以盡量有效、合理的方式管理計算機底層硬件資源、

5、規(guī)劃計算機工作流程、控制程序的執(zhí)行、提供各種服務(wù)功能，為用戶提供計算機抽象接口，使得用戶能夠方便、靈活的使用計算機，計算機系統(tǒng)得以高效運行。10History of Operating Systems (1)Early batch system bring cards to 1401 read cards to tape put tape on 7094 which does computing put tape on 1401 which prints output11History of Operating Systems (2) First generation 1945 - 1955

6、vacuum tubes, plug boards Second generation 1955 - 1965 transistors, batch systems Third generation 1965 1980 ICs and multiprogramming Fourth generation 1980 present personal computers12大型機時代：19481970年極其復(fù)雜，缺少人機交互控制臺：一次允許一個用戶使用批處理：裝入程序運行打印輸出數(shù)據(jù)通道與中斷：I/O與計算重疊多道程序設(shè)計：存儲保護技術(shù)的出現(xiàn)OS與計算機軟件設(shè)計的危機MULTICS系統(tǒng)：1963年

7、開始研發(fā)，拖延至1969年發(fā)布IBM OS/360系統(tǒng)：發(fā)布時就帶著已知的1000多個Bug提倡人機交互與服務(wù)：19701985年分時交互概念：虛擬和分布的概念出現(xiàn)用戶使用體驗：提供強大的用戶操作能力系統(tǒng)性能危機：如何保證穩(wěn)定的系統(tǒng)性能13玩出來的杰作：Unix，貝爾實驗室，DEC PDP-7，回歸簡單Ken Thompson,Dennis Ritchie：1983圖靈獎，1999美國國家技術(shù)金獎14History of Operating Systems (3) Structure of a typical FMS job 2nd generation15History of Operati

8、ng Systems (4) Multiprogramming system three jobs in memory 3rd generation16The Operating System Zoo Mainframe operating systems Server operating systems Multiprocessor operating systems Personal computer operating systems Real-time operating systems Embedded operating systems Smart card operating s

9、ystems17Computer Hardware Review (1) Components of a simple personal computerMonitorBus18Computer Hardware Review (2)(a) A three-stage pipeline(b) A superscalar CPU19Computer Hardware Review (3) Typical memory hierarchy numbers shown are rough approximations20Computer Hardware Review (4)Structure of

10、 a disk drive21Computer Hardware Review (5)One base-limit pair and two base-limit pairs22Computer Hardware Review (6)(a) Steps in starting an I/O device and getting interrupt(b) How the CPU is interrupted(a)(b)23Computer Hardware Review (7)Structure of a large Pentium system24操作系統(tǒng)的特征:并發(fā)(concurrency)

11、 多個事件在同一時間段內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)是一個并發(fā)系統(tǒng)，各進程間的并發(fā)，系統(tǒng)與應(yīng)用間的并發(fā)。操作系統(tǒng)要完成這些并發(fā)過程的管理。注：并行(parallel)是指在同一時刻發(fā)生。 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（或稱作任務(wù)），并發(fā)指的是進程。25操作系統(tǒng)的特征:共享(sharing) 多個進程共享有限的計算機系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)要對系統(tǒng)資源進行合理分配和使用。資源在一個時間段內(nèi)交替被多個進程所用。 互斥共享（如音頻設(shè)備）：資源分配后到釋放前，不能被其他進程所用。 同時訪問（如可重入代碼，磁盤文件） 資源分配難以達到最優(yōu)化

12、26操作系統(tǒng)的特征:虛擬(virtual) 一個物理實體映射為若干個對應(yīng)的邏輯實體分時或分空間。虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率。 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(shù)據(jù)堆棧） 顯示設(shè)備多窗口或虛擬終端(virtual terminal)27操作系統(tǒng)的特征:異步性(asynchronism) 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。 進程的運行速度不可預(yù)知：分時系統(tǒng)中，多個進程并發(fā)執(zhí)行，“時走時?！?，不可預(yù)知每個進程的運行推進快慢 判據(jù)：無論快慢，應(yīng)該結(jié)果相同通過進程互斥和同步手段來保證 難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個時刻的狀態(tài)（包

13、括重現(xiàn)運行中的錯誤） 性能保證：實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)相似，但通過資源預(yù)留以保證性能28操作系統(tǒng)的功能 處理機管理：完成處理機資源的分配調(diào)度等功能。包括：進程控制、進程同步、進程通信、調(diào)度等。 存儲管理：提高利用率、方便用戶使用、提供足夠的存儲空間、方便進程并發(fā)運行。包括：存儲分配與回收、存儲保護、地址映射、內(nèi)存擴充（覆蓋、交換和虛擬存儲）等。 設(shè)備管理：方便設(shè)備使用、提高CPU與I/O設(shè)備利用率。包括：設(shè)備操作、設(shè)備獨立性、設(shè)備分配與回收、緩沖區(qū)管理等。 信息管理：解決軟件資源的存儲、共享、保密和保護。包括：文件存儲空間管理、目錄管理、文件的讀寫管理和存取控制、軟件管理等。 用戶接口：提供一個友

14、好的用戶訪問操作系統(tǒng)的接口。操作系統(tǒng)向上提供兩種接口：系統(tǒng)命令、編程接口。29Operating System Concepts (1) A process tree A created two child processes, B and C B created three child processes, D, E, and F30Operating System Concepts (2)(a) A potential deadlock. (b) an actual deadlock.31Operating System Concepts (3)File system for a univ

15、ersity department32Operating System Concepts (4) Before mounting, files on floppy are inaccessible After mounting floppy on b, files on floppy are part of file hierarchy33Operating System Concepts (5)Two processes connected by a pipe34Steps in Making a System Call There are 11 steps in making the sy

16、stem call read (fd, buffer, nbytes)35Some System Calls For Process Management36Some System Calls For File Management37Some System Calls For Directory Management38Some System Calls For Miscellaneous Tasks39System Calls (1) A stripped down shell:while (TRUE) /* repeat forever */ type_prompt( );/* disp

17、lay prompt */ read_command (command, parameters)/* input from terminal */ if (fork() != 0) /* fork off child process */ /* Parent code */ waitpid( -1, &status, 0);/* wait for child to exit */ else /* Child code */ execve (command, parameters, 0);/* execute command */ 40System Calls (2) Processes

18、 have three segments: text, data, stack41System Calls (3)(a) Two directories before linking/usr/jim/memo to asts directory(b) The same directories after linking42System Calls (4)(a) File system before the mount(b) File system after the mount43System Calls (5)Some Win32 API calls44操作系統(tǒng)的設(shè)計原則 可維護性，有三種可

19、能的維護：改錯性維護、適應(yīng)性維護、完善性維護。 可靠性，包括兩方面：正確性、穩(wěn)健性。 可理解性：易于理解，以方便測試、維護和交流。 性能：有效地使用系統(tǒng)資源，盡可能快地響應(yīng)用戶請求。45Operating System Structure 整體模塊結(jié)構(gòu)：整個系統(tǒng)按功能進行設(shè)計和模塊劃分。系統(tǒng)是一個單一的、龐大的的軟件系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)思想來源于服務(wù)功能觀點，而不是資源管理的觀點。 特點：模塊由眾多服務(wù)過程（模塊接口）組成，可以隨意調(diào)用其他模塊中的服務(wù)過程。 優(yōu)點：具有一定靈活性，在運行中的高效率。 缺點：功能劃分和模塊接口難保正確和合理，模塊之間的依賴關(guān)系（功能調(diào)用關(guān)系）復(fù)雜，降低了模塊之間的相對獨立性，不利于修改。46Operating System Structure(con.)Simple structuring model for a monolithic system47Operating System Structure (con.)Structure of the THE operating system優(yōu)點：功能