課件：操作系統(tǒng)_第一章

1、課程安排教材:計算機操作系統(tǒng)教材（第4版）張堯?qū)W，宋虹，張高編著。參考書：現(xiàn)代操作系統(tǒng)AndrewSTenenbeum著。考核：平時作業(yè)：20%， 期中考試：20%，期末考試：60%。授課老師：徐澤林，操作系統(tǒng)第一章 緒論第一章 緒論操作系統(tǒng)概念操作系統(tǒng)歷史操作系統(tǒng)的基本類型操作系統(tǒng)功能計算機硬件簡介算法的描述研究操作系統(tǒng)的幾種觀點1. 操作系統(tǒng)概念什么是操作系統(tǒng)？計算機系統(tǒng)的組成：硬件和軟件。硬件：中央處理機（運算器和控制器）、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。軟件：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、多種語言處理程序（匯編和編譯程序）、連接裝配程序、系統(tǒng)實用程序和多種工具軟件。應(yīng)用軟件：各種

2、為應(yīng)用而編制的軟件。裸機操作系統(tǒng)編輯和編譯軟件各種應(yīng)用軟件1. 操作系統(tǒng)概念引入操作系統(tǒng)的目的用戶：滿足計算和處理需求和諧的交互環(huán)境安全可靠的服務(wù)管理 系統(tǒng)管理員：合理地組織計算機工作流程合理地分配計算機軟硬件資源滿足多用戶高效率共享發(fā)展的觀點：為計算機系統(tǒng)功能拓展提供支撐平臺1. 操作系統(tǒng)概念操作系統(tǒng)的定義和特點定義：操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，它是這樣一些程序模塊的集合它們管理和控制計算機系統(tǒng)中的硬件和軟件資源，合理地組織計算機工作流程，以便有效地利用這些資源為用戶提供一個具有足夠的功能、使用方便、可拓展、安全和可管理的工作環(huán)境，從而在計算機與其用戶之間起到接口的作用。特點：可靠

3、性、安全性、可用性和可管理性。2. 操作系統(tǒng)歷史人們通常按照器件工藝的演變把計算機發(fā)展過程分為4個階段。1946年至20世紀50年代末：第一代，電子管時代，無操作系統(tǒng)。20世紀50年代末至60年代中期：第二代，晶體管時代，批處理系統(tǒng)。20世紀60年代中期至70年代中期：第三代，集成電路時代，多道程序設(shè)計。20世紀70年代中期至20世紀末：第四代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代，分時系統(tǒng)。21世紀初：移動、分布和網(wǎng)絡(luò)計算等。2. 操作系統(tǒng)歷史手工操作階段特點：沒有操作系統(tǒng)，沒有任何軟件。輸入輸出設(shè)備為紙帶（卡片）。上機完全手工操作。所有運行管理和作業(yè)步由 用戶自己承擔。2. 操作系統(tǒng)歷史早期批處理

4、手工操作的問題：CPU利用率太低。解決途徑：配備專門的計算機操作員，程序員不再直接操作計算機；進行批處理：把用戶的作業(yè)分類，由專門程序依次處理一批作業(yè)。早期批處理分類：聯(lián)機批處理脫機批處理2. 操作系統(tǒng)歷史早期批處理聯(lián)機批處理用戶提交作業(yè)程序、數(shù)據(jù)以及作業(yè)說明書；作業(yè)被做成穿孔紙帶或卡片；操作員選擇若干作業(yè)合成一批，通過紙帶輸入機存入磁帶；監(jiān)督程序讀入一個作業(yè)；從磁帶調(diào)入?yún)R編程序和編譯程序，將用戶作業(yè)源程序翻譯成目標代碼；連接裝配程序把目標代碼及其所需子程序裝配成可執(zhí)行程序；啟動執(zhí)行；執(zhí)行完畢，輸出計算結(jié)果；再讀入一個作業(yè)，重復（5）-（9）；一批處理完，返回到（3），處理下一批作業(yè)。2. 操

5、作系統(tǒng)歷史早期批處理脫機批處理衛(wèi)星機：作為輸入輸出設(shè)備與主機之間的橋梁。輸入設(shè)備通過衛(wèi)星機把作業(yè)輸入到輸入帶；輸出帶通過衛(wèi)星機將作業(yè)執(zhí)行結(jié)果輸出到輸出設(shè)備。主機和衛(wèi)星機可以并行工作。紙帶機卡片機打印機衛(wèi)星機主機輸入帶輸出帶2. 操作系統(tǒng)歷史批處理的特點：優(yōu)點：改善了主機CPU和輸入輸出設(shè)備的使用情況，提高了計算機系統(tǒng)的處理能力。缺點：磁帶需要人工拆裝；系統(tǒng)的保護問題：在批處理過程中，監(jiān)督程序、系統(tǒng)程序和用戶程序之間存在著一種調(diào)用關(guān)系，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)都會停頓。執(zhí)行系統(tǒng)通道： 專用部件，負責輸入和輸出設(shè)備與主存之前的信息傳輸。中斷技術(shù)：當主機接收到外部信號時，馬上停止原來的工作，轉(zhuǎn)

6、去處理這一事件，處理完畢后，主機回到原來的斷點繼續(xù)工作。執(zhí)行系統(tǒng)利用通道和中斷技術(shù)，輸入輸出可在主機下完成批處理。2. 操作系統(tǒng)歷史執(zhí)行系統(tǒng)的特點：優(yōu)點：輸入輸出工作是由主機控制下的通道完成的，主機和通道、主機和輸入輸出設(shè)備可以并行工作。用戶的輸入輸出工作由系統(tǒng)執(zhí)行沒有人工干預，由系統(tǒng)檢查其合法性，提高了系統(tǒng)的安全性。中斷技術(shù)。除了輸入輸出的中斷外，其他中斷如算術(shù)溢出和非法操作碼中斷等可以克服錯誤停機，時鐘中斷可以解決用戶程序中出現(xiàn)的死循環(huán)等。缺點：執(zhí)行系統(tǒng)是單道順序地處理作業(yè)，外圍設(shè)備與主機可能會出現(xiàn)空閑。2. 操作系統(tǒng)歷史多道程序系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備CPU輸入數(shù)據(jù)運行處理運行處理輸出數(shù)據(jù)輸入數(shù)

7、據(jù)輸入輸出設(shè)備CPU輸入數(shù)據(jù)運行處理運行處理輸出數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)單道程序多道程序2. 操作系統(tǒng)歷史多道程序系統(tǒng)多道程序系統(tǒng)特點：計算機內(nèi)存中同時存放幾道相互獨立的程序。宏觀上并行。微觀上串行，各道程序輪流使用CPU，交替執(zhí)行。多道程序系統(tǒng)技術(shù)問題：并行運行程序的同步與互斥機制問題。對內(nèi)存的使用問題（覆蓋技術(shù)、交換技術(shù)、虛擬存儲技術(shù)）。系統(tǒng)程序存儲區(qū)與用戶程序存儲區(qū)的內(nèi)存保護問題。2. 操作系統(tǒng)歷史多用戶分時操作系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)：CPU速率的提高和分時技術(shù)的出現(xiàn)。概念：把處理機的運行時間分成很短的時間片，按時間片輪流把處理機分配給各聯(lián)機作業(yè)使用。特點：交互性?？梢栽诔绦蜻\行狀態(tài)下加以控制。多用戶同時性。

8、共享CPU和其他資源。獨立性。每個用戶有獨占計算機的錯覺。2. 操作系統(tǒng)歷史實時操作系統(tǒng)概念：實時操作系統(tǒng)是以在允許的時間范圍之內(nèi)做出響應(yīng)為特征的。它要求計算機對于外來信息能夠以足夠快的速度進行處理，并在被控對象允許時間范圍內(nèi)做出快速響應(yīng)。特點：即時響應(yīng)。保證對實時信息的分析和處理速度比進入系統(tǒng)速度快。高可靠性。系統(tǒng)本身安全可靠。專用性。大多用于嵌入式設(shè)備中。常用領(lǐng)域：實時生產(chǎn)控制、武器系統(tǒng)、航空訂票、銀行業(yè)務(wù)。2. 操作系統(tǒng)歷史通用操作系統(tǒng)概念：可以同時兼有多道批處理、分時、實時處理的功能，或其中兩種以上的功能。舉例：實時批處理系統(tǒng)：優(yōu)先處理實時任務(wù)，插空進行批處理。分時批處理系統(tǒng)：無分時用

9、戶前提下進行批處理。Unix：通用的多用戶分時交互型操作系統(tǒng)。2. 操作系統(tǒng)歷史個人計算機上的操作系統(tǒng)概念：聯(lián)機的交互式單用戶，具有高速數(shù)據(jù)處理能力的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。特點：用戶友好，多媒體技術(shù)豐富。高速信號處理；大容量內(nèi)存、外存；大數(shù)據(jù)量寬頻帶傳輸舉例：Windows系列、Linux。2. 操作系統(tǒng)歷史網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)概念：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的研制開發(fā)是在原來各自的計算機操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行的，按照網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的各個協(xié)議標準進行開發(fā)，包括網(wǎng)絡(luò)管理、通信、資源共享、系統(tǒng)安全和多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)等達到上述諸方面的要求。特點：通過通信設(shè)施執(zhí)行信息交換、資源共享、互操作和協(xié)作處理，實現(xiàn)多種應(yīng)用要求。舉例：No

10、vell公司的NetWare。2. 操作系統(tǒng)歷史分布式操作系統(tǒng)概念：通過通信網(wǎng)絡(luò)將物理上分布的、具有自治功能的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)互聯(lián)起來，實現(xiàn)信息交換和資源共享，協(xié)作完成任務(wù)。與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的區(qū)分：分布式操作系統(tǒng)沒有明確的通信協(xié)議（諸如ISO/OSI一系列協(xié)議）；分布式操作系統(tǒng)需要一個統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)操作的統(tǒng)一性：高級操作系統(tǒng)（各處理機有自己的私有操作系統(tǒng)，必須有一個策略使整個系統(tǒng)融為一體）。高級操作系統(tǒng)的兩種形式:獨立于私有操作系統(tǒng)，私有操作系統(tǒng)識別并調(diào)用；作為私有操作系統(tǒng)的擴展。2. 操作系統(tǒng)歷史與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的區(qū)分：系統(tǒng)的透明性。系統(tǒng)對用戶透明，提供統(tǒng)一的界面和標準的接口，

11、為用戶提供所需的操作和使用系統(tǒng)資源。分布式系統(tǒng)是物理上的松耦合，邏輯上的緊耦合系統(tǒng)。由于分布式系統(tǒng)更強調(diào)分布式計算和處理，因此對于多機合作和系統(tǒng)重構(gòu)、堅強性和容錯能力有更高的要求，希望系統(tǒng)有更短的響應(yīng)時間、高吞吐量和高可靠性。分布式系統(tǒng)目前還沒有真正實用的系統(tǒng)。3. 操作系統(tǒng)功能處理機管理單道作業(yè)或單用戶情況下：處理機為一個作業(yè)或用戶獨占。多道程序、多用戶下：處理機管理要解決處理機分配調(diào)度策略、分配實施和資源回收等問題。操作系統(tǒng)對處理機管理策略不同作業(yè)處理方式不同不同性質(zhì)的操作系統(tǒng)3. 操作系統(tǒng)功能存儲管理對存儲器進行分配、保護和擴充的管理。內(nèi)存分配：保證系統(tǒng)和各用戶程序的存儲區(qū)互不沖突。存儲

12、保護：系統(tǒng)中有多個程序運行，一道程序在執(zhí)行過程中不會有意或無意破壞另一道程序。內(nèi)存擴充：把內(nèi)部存儲器和外部存儲器結(jié)合起來管理，可以為用戶提供一個容量比實際內(nèi)存大得多的虛擬內(nèi)存器。3. 操作系統(tǒng)功能設(shè)備管理通道、控制器和輸入輸出設(shè)備的管理。根據(jù)一定的分配策略，把通道、控制器和輸入輸出設(shè)備分配給請求輸入輸出操作的程序。虛擬技術(shù)和緩沖技術(shù)。設(shè)備獨立性。設(shè)備管理不應(yīng)設(shè)計具體的設(shè)備特性。3. 操作系統(tǒng)功能信息管理（文件系統(tǒng)管理）軟件資源的管理程序和數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為信息或文件。管理文件在外存中的存儲。負責文件的共享、保密和保護。 避免非授權(quán)用戶訪問修改文件，實現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠。3. 操作系統(tǒng)功能用戶接口程序一級

13、接口：提供一組廣義指令供用戶或其他系統(tǒng)程序調(diào)用，諸如數(shù)據(jù)傳輸、文件操作等。作業(yè)一級接口：提供一組控制操作指令共用戶去組織和控制自己作業(yè)的運行。Shell。脫機控制、聯(lián)機控制 。4. 計算機硬件簡介計算機的基本硬件元素處理器、存儲器、輸入輸出控制與總線、外部設(shè)備。PCIRMARMBRI/OARI/OBR程序數(shù)據(jù)I/O控制器緩沖外部設(shè)備處理器I/O控制器總線PC: 程序計數(shù)器IR: 指令寄存器MAR: 內(nèi)存地址寄存器MBR: 內(nèi)存緩沖寄存器I/OAR: I/O地址寄存器I/OBR: I/O緩沖寄存器4. 計算機硬件簡介計算機的基本硬件元素處理器、存儲器、輸入輸出控制與總線、外部設(shè)備。處理器：控制和

14、執(zhí)行計算機的指令操作。在每個CPU基本周期內(nèi)，從內(nèi)存中取出指令，解碼以確定其類型和操作數(shù)，執(zhí)行后再取指、解碼下一指令。每個CPU有一套可執(zhí)行的專門指令集。CPU內(nèi)有一些保存關(guān)鍵變量和臨時數(shù)據(jù)的寄存器，避免頻繁讀取內(nèi)存。多數(shù)計算機還有一些對程序員可見的專門寄存器：程序計數(shù)器、堆棧指針、程序狀態(tài)字（PSW）等。4. 計算機硬件簡介計算機的基本硬件元素處理器、存儲器、輸入輸出控制與總線、外部設(shè)備。存儲器：用來存儲數(shù)據(jù)和程序。分為：寄存器、高速緩存、內(nèi)存和外存。各級存儲器的訪問速度、存儲容量、職能和造價各不相同。4. 計算機硬件簡介計算機的基本硬件元素處理器、存儲器、輸入輸出控制與總線、外部設(shè)備。輸入

15、輸出控制器與緩沖器：控制和暫存外部設(shè)備與計算機內(nèi)存之間交換的數(shù)據(jù)和程序。實現(xiàn)I/O的方式：忙等待：CPU一直輪詢設(shè)備，直到對應(yīng)的I/O操作完成。中斷：設(shè)備驅(qū)動程序啟動設(shè)備，并在該設(shè)備完成時發(fā)出一個中斷。直接存儲器訪問（DMA）芯片：可以控制在內(nèi)存和某些控制器間的位流而無須持續(xù)的CPU干預。 4. 計算機硬件簡介計算機的基本硬件元素處理器、存儲器、輸入輸出控制與總線、外部設(shè)備。外部設(shè)備：獲取和輸出數(shù)據(jù)與程序的基本單位。模擬式設(shè)備要通過模/數(shù)，數(shù)/模轉(zhuǎn)換才能與計算機通信。 4. 計算機硬件簡介計算機的基本硬件元素處理器、存儲器、輸入輸出控制與總線、外部設(shè)備?？偩€：連接計算機各部件的通信線路。 單總

16、線：處理機、外部設(shè)備和存儲器都連接在一起。多總線：CPU和內(nèi)存分開連接，外部設(shè)備和外存也用其他總線分開連接進行管理和數(shù)據(jù)傳送。高速緩存總線、內(nèi)存總線、PCI總線、SCSI總線、USB總線、IDE總線等。4. 計算機硬件簡介與操作系統(tǒng)相關(guān)的幾種主要寄存器寄存器：在處理機中交換數(shù)據(jù)的速度比內(nèi)存更快、體積更小、價格又更貴的暫存器件。用戶可編程寄存器：機器語言或匯編語言的程序員可對用戶可編程寄存器進行操作，以獲得更高的執(zhí)行效率?？刂婆c狀態(tài)寄存器：對處理機的優(yōu)先級、保護模式或用戶程序執(zhí)行時的調(diào)用關(guān)系等進行控制和操作。4. 計算機硬件簡介與操作系統(tǒng)相關(guān)的幾種主要寄存器用戶可編程寄存器： 數(shù)據(jù)寄存器：功能豐

17、富。地址寄存器：一般用來存放內(nèi)存中某個數(shù)據(jù)或指令的地址，或某段數(shù)據(jù)和指令的入口地址，或用來計算更復雜的地址。地址標識位寄存器內(nèi)存管理用的各種始地址寄存器堆棧指針設(shè)備地址寄存器等。條件碼寄存器：標志寄存器，其比特位由處理機硬件設(shè)置。例如一次算術(shù)運算，可能導致條件碼寄存器被設(shè)置正、負、零或溢出。4. 計算機硬件簡介與操作系統(tǒng)相關(guān)的幾種主要寄存器控制與狀態(tài)寄存器：程序計數(shù)器（PC）。裝有下一周期被執(zhí)行指令的地址。指令寄存器（IR）。裝有待執(zhí)行的指令。程序狀態(tài)字（PSW）寄存器。各個比特位代表系統(tǒng)中當前的各種不同的狀態(tài)和信息，例如執(zhí)行模式，是否允許被中斷等。中斷現(xiàn)場保護寄存器。保存被中斷程序的現(xiàn)場和鏈

18、接中斷恢復處。過程調(diào)用堆棧。存放過程調(diào)用時的調(diào)用名、調(diào)用參數(shù)以及返回地址等。4. 計算機硬件簡介存儲器的訪問速度寄存器高速緩存內(nèi)存硬盤緩存硬盤光盤、磁盤訪問速度存儲量4. 計算機硬件簡介指令的執(zhí)行與中斷指令的讀入和執(zhí)行過程為一個執(zhí)行周期。執(zhí)行指令的基本過程：處理機從內(nèi)存根據(jù)程序計數(shù)器（PC）所指地址讀入指令的過程。執(zhí)行指令寄存器（IR）中的指令。讀入下一條指令執(zhí)行當前指令開始結(jié)束4. 計算機硬件簡介指令的執(zhí)行與中斷指令的讀入和執(zhí)行過程為一個執(zhí)行周期。指令的執(zhí)行涉及范圍：處理機與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸；處理機與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)處理（算術(shù)運算、邏輯運算等）；對其他指令的控制；以上幾種情況的

19、組合。4. 計算機硬件簡介指令的執(zhí)行與中斷中斷：在指令的執(zhí)行過程中或一條指令執(zhí)行結(jié)束后，處理機暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去處理外部設(shè)備或計算機內(nèi)部發(fā)生的緊急事件，處理完畢后，返回原處繼續(xù)執(zhí)行的過程。用戶程序中斷處理程序中斷指令i指令i+14. 計算機硬件簡介指令的執(zhí)行與中斷中斷好處：可以實時處理許多緊急事件；增加處理機的效率；簡化操作系統(tǒng)的程序設(shè)計。讀入下一條指令執(zhí)行當前指令開始結(jié)束允許中斷？檢查中斷位讀入中斷處理指令NY4. 計算機硬件簡介操作系統(tǒng)的啟動啟動計算機電源。計算機硬件自動產(chǎn)生一個中斷信號，這個中斷信號觸發(fā)處理器中的一段指令執(zhí)行。該段指令執(zhí)行的結(jié)果將是發(fā)現(xiàn)外部存儲設(shè)備中操作系統(tǒng)引導區(qū)（boot block）的位置。操作系統(tǒng)引導區(qū)中的代碼將被自動導入計算機的內(nèi)存，并開始執(zhí)行。操作系統(tǒng)程序加載到計算機內(nèi)存中的指定區(qū)域，并