第1章操作系統(tǒng)引論

計算機(jī)操作系統(tǒng)Important操作系統(tǒng)課程是計算機(jī)教育的必修內(nèi)容計算機(jī)專業(yè)的核心課技術(shù)開發(fā)的理論基礎(chǔ)考研科目Text1Text2Text3Text4TextWhatText1Text2Text3Text4TextText3學(xué)習(xí)什么不是理解操作系統(tǒng)如何工作OS的工作方式OS內(nèi)部算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計OS過程中的問題、解決方案和折中權(quán)衡操作系統(tǒng)中的典型技術(shù)和應(yīng)用

而是如何使用操作系統(tǒng)WhyA設(shè)計或修改現(xiàn)有的操作系統(tǒng)B加深對所用OS的理解，有利于編程用戶深入地與操作系統(tǒng)打交道C編程時借鑒操作系統(tǒng)的設(shè)計思想和算法D選擇購買操作系統(tǒng)如FIFO算法，最佳適應(yīng)算法E思維方式的學(xué)習(xí)引言課程特點：概念多、原理性強(qiáng)、較抽象課程學(xué)習(xí)目的：基礎(chǔ)核心課，有利于對計算機(jī)系統(tǒng)的理解和軟件開發(fā)課程學(xué)習(xí)方法：以問題驅(qū)動學(xué)習(xí)、理論聯(lián)系實際課程學(xué)習(xí)難點：概念、原理、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)E-mail：qlgdxjsj@163.com教材及參考書教材：計算機(jī)操作系統(tǒng)，湯小丹等西安電子科技大學(xué)出版社參考書：計算機(jī)操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與題解，湯子瀛主審梁紅兵等編著，西安電子科技大學(xué)出版社張堯?qū)W計算機(jī)操作系統(tǒng)清華大學(xué)出版社操作系統(tǒng)教程與實驗，胡明慶、高巍、鐘梅，清華大學(xué)出版社，2007.01第1版計算機(jī)操作系統(tǒng)，何炎祥、李飛、李寧，清華大學(xué)出版社，2004年第1版

OperatingSystemConcepts，SeventhEdition.Silberschatz,Galvin,Gagne,Johnwiley&Sons.Inc.2005第一章操作系統(tǒng)引論第一章操作系統(tǒng)引論本章要點（1/3）目的：建立OS的基本概念，切實掌握OS的一些基本概念。操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用目標(biāo)：方便性、有效性、可擴(kuò)充性、開放性作用：接口資源管理者實現(xiàn)了對資源的抽象是計算機(jī)工作流程的組織者第一章操作系統(tǒng)引論本章要點（2/3）操作系統(tǒng)的引入和發(fā)展：由簡單到復(fù)雜，由低級到高級。從早期無操作系統(tǒng)

人機(jī)矛盾；CPU-I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾。單道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)分時系統(tǒng)實時系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)第一章操作系統(tǒng)引論本章要點（3/3）操作系統(tǒng)的基本特征和功能：四大特征：并發(fā)、共享、虛擬、異步性五大功能：處理機(jī)管理、存儲器管理、設(shè)備管理、文件管理、提供用戶接口操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計：分層式結(jié)構(gòu)分層的原則客戶/服務(wù)器技術(shù)面向?qū)ο蠹夹g(shù)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)第一章操作系統(tǒng)引論本章內(nèi)容第一章操作系統(tǒng)引論1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.0知識引入1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計第一章操作系統(tǒng)引論1.0知識引入1、信息技術(shù)的發(fā)展趨勢第一章操作系統(tǒng)引論戈登·摩爾GordonMoore（Intel創(chuàng)始人之一）在1965提出：半導(dǎo)體芯片上晶體管的密度大約每隔18個月就會增加一倍，性能也將提升一倍。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度微處理器變得更小、更密集、功能更強(qiáng)大。芯片上晶體管的數(shù)量每18個月翻番，這就是“摩爾定律”第一章操作系統(tǒng)引論2、世界是一個大型并行系統(tǒng)微處理器無處不在后臺是巨大的基礎(chǔ)設(shè)施作為支持Internet互聯(lián)大規(guī)模、可靠、安全的服務(wù)數(shù)據(jù)庫信息采集遠(yuǎn)程存儲在線游戲貿(mào)易……3、不同時期人們對CPU的占用率如今：人均所占有CPU的數(shù)量100第一章操作系統(tǒng)引論4、多核芯片：未來發(fā)展趨勢第一章操作系統(tǒng)引論Intel80-core多核芯片（2007年2月）80simplecores2floatingpointengines/creMesh-like“network-on-a-chip”100million晶體管（1個億）65nmFeaturesize“多核”指每個芯片上有多個處理器64？128？很難具體給出一個界限值如何進(jìn)行編程2個CPU用于視頻/音頻1個用于字處理，1個用于瀏覽器76個用于病毒檢測？每一級中都必須按“并行系統(tǒng)”的要求進(jìn)行開發(fā)5、計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)第一章操作系統(tǒng)引論計算機(jī)系統(tǒng)的操作一個或者多個CPU、設(shè)備控制器通過共享內(nèi)存的總線進(jìn)行連接CPU并發(fā)執(zhí)行，設(shè)備對內(nèi)存競爭使用6、不斷增加的軟件復(fù)雜度第一章操作系統(tǒng)引論第一章操作系統(tǒng)引論1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1、操作系統(tǒng)是什么？操作系統(tǒng)是管理計算機(jī)硬件的軟件。它也為應(yīng)用程序提供一個基礎(chǔ)，在計算機(jī)用戶與計算機(jī)硬件之間扮演一個中間者的角色。1.1.1

操作系統(tǒng)的目標(biāo)第一章操作系統(tǒng)引論2、操作系統(tǒng)的目標(biāo)：對于不同的計算機(jī)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)會有差異。大型/小型計算機(jī)微型計算機(jī)手持機(jī)（PDA）通常在計算機(jī)硬件上配置的OS，其目標(biāo)有以下幾點：有效性提高系統(tǒng)資源的利用率提高系統(tǒng)的吞吐量方便性可擴(kuò)充性開放性第一章操作系統(tǒng)引論計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第一章操作系統(tǒng)引論3、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：第一章操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)在程序執(zhí)行時做什么？#include<stdio.h>intmain(intargc,char*argv[]){puts("helloworld");return0;}第一章操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)在程序執(zhí)行時做什么？用戶告訴操作系統(tǒng)執(zhí)行hello程序操作系統(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)的地址文件系統(tǒng)找到第一個磁盤塊父進(jìn)程需要創(chuàng)建一個新的子進(jìn)程，執(zhí)行hello程序操作系統(tǒng)需要將執(zhí)行文件映射到進(jìn)程結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)設(shè)置CPU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，讀入更多的頁面程序執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，在文件描述符中寫一字符串第一章操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)在程序執(zhí)行時做什么？操作系統(tǒng)檢查字符串的位置是否正確操作系統(tǒng)找到字符串被送往的設(shè)備設(shè)備是一個偽終端，由一個進(jìn)程控制操作系統(tǒng)將字符串送給該進(jìn)程該進(jìn)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(zhuǎn)換成像素窗口系統(tǒng)將像素寫入存儲映像區(qū)視頻硬件將像素表示轉(zhuǎn)換成一組模擬信號控制顯示器（重畫屏幕）顯示器發(fā)射電子束你在屏幕上看到helloworld1.1.2

操作系統(tǒng)的作用第一章操作系統(tǒng)引論用戶觀點：OS是用戶與計算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口。資源管理觀點：OS是計算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者虛擬機(jī)觀點：OS實現(xiàn)了對計算機(jī)資源的抽象，隱藏了對硬件操作的細(xì)節(jié)。1、用戶觀點操作系統(tǒng)從用戶的觀點來看，是給用戶提供了一個工作環(huán)境操作系統(tǒng)提供的接口：命令方式（CLI，命令行接口）系統(tǒng)調(diào)用方式（也稱為應(yīng)用編程接口，ApplicationProgrammingInterface，簡稱API）圖形、窗口方式（GUI，圖形用戶接口）第一章操作系統(tǒng)引論圖1-1OS作為接口的示意圖2、資源管理觀點操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)中各類資源的管理者，它負(fù)責(zé)分配、回收以及控制系統(tǒng)中的各種軟硬件資源。處理器存儲器I/O設(shè)備信息（數(shù)據(jù)和程序）跟蹤資源的使用狀況，滿足資源請求，提高資源利用率，以及協(xié)調(diào)各程序和用戶對資源的使用沖突監(jiān)視資源分配/回收資源保護(hù)資源第一章操作系統(tǒng)引論3、虛擬機(jī)觀點OS向用戶提供了一個對硬件操作的抽象模型，使用戶更容易地使用計算機(jī)硬件資源，—實現(xiàn)了對計算機(jī)硬件操作的第一個層次的抽象。第一章操作系統(tǒng)引論3、虛擬機(jī)觀點OS為用戶提供了用于文件的管理軟件，用于實現(xiàn)對文件操作的細(xì)節(jié)，并向上提供一組對文件進(jìn)行存取操作的命令，—實現(xiàn)了對計算機(jī)硬件操作的第二個層次的抽象OS為用戶提供了許多比計算機(jī)硬件功能更強(qiáng)、使用更方便的功能。第一章操作系統(tǒng)引論機(jī)器指令物理接口硬件用戶I/O操作命令（Read,Write）用戶物理接口硬件I/O軟件虛擬機(jī)圖1-2I/O軟件隱藏了I/O操作實現(xiàn)的細(xì)節(jié)4、操作系統(tǒng)定義操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，管理和控制計算機(jī)系統(tǒng)中硬件和軟件資源，合理地組織計算機(jī)的工作流程，以便有效利用這些資源為用戶提供一個功能強(qiáng)、使用方便的工作環(huán)境，從而在計算機(jī)與用戶之間起到接口的作用。第一章操作系統(tǒng)引論1.1.3

推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力第一章操作系統(tǒng)引論不斷提高計算機(jī)資源利用率方便用戶器件的不斷更新?lián)Q代計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展：單處理機(jī)系統(tǒng)、多處理機(jī)系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)更正軟件錯誤1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程第一章操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)的簡歷50年代中期，第一個簡單批處理操作系統(tǒng)60年代中期，多道程序批處理系統(tǒng)不久，分時系統(tǒng)、實時系統(tǒng)80年代，微機(jī)、多處理機(jī)及網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)第一章操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)名稱演變第一章操作系統(tǒng)引論核心程序(Kernel)5監(jiān)控（督）程序（系統(tǒng)）（Monitor)1執(zhí)行系統(tǒng)（程序）(ExecutiveSystem(program))2控制系統(tǒng)（程序）(ControlSystem(program))3管理程序(Supervisor,SupervisorSystem)4操作系統(tǒng)(OperatingSystem)61.2.1無操作系統(tǒng)的計算機(jī)系統(tǒng)第一章操作系統(tǒng)引論巴貝奇（Babbage）機(jī)械式計算機(jī)（1822—）問題：計算數(shù)值表雖然未能實現(xiàn)，但它是首個現(xiàn)代架構(gòu)獨立的數(shù)據(jù)與程序內(nèi)存；基于操作的指令支持條件跳轉(zhuǎn)分開的I/O單元差分機(jī)實現(xiàn)了有限差有25,000個部件，重達(dá)15噸第一章操作系統(tǒng)引論運算速度：50,000指令/每秒,數(shù)萬個真空管,占地100平方米，用于精確計算彈道1.沒有程序設(shè)計語言（甚至沒有匯

編），更談不上操作系統(tǒng).2.程序員提前預(yù)約一段時間，然后

到機(jī)房將他的插件板插到計算機(jī)

里.3.期盼著在接下來的時間中幾萬個

真空管不會燒斷，從而可以計算自己的題目.ENIAC計算機(jī)1、人工操作方式第一章操作系統(tǒng)引論1、人工操作方式硬件昂貴，人工便宜用戶獨占全機(jī)目標(biāo)是更好地利用硬件當(dāng)用戶在控制臺上思考的時候，計算機(jī)處于閑置狀態(tài)批量進(jìn)行計算機(jī)輸入時，用戶處于等待狀態(tài)操作和編程完全由手工進(jìn)行，且編輯只能用機(jī)器語言（二進(jìn)制代碼）沒有保護(hù)：如果批處理程序出現(xiàn)了bug？問題：人—機(jī)矛盾CPU—I/O速度不匹配的矛盾Altair8080第一章操作系統(tǒng)引論脫機(jī)輸入/輸出技術(shù)脫機(jī)I/O方式的主要優(yōu)點如下：減少了CPU的空閑時間。提高I/O速度。2、脫機(jī)輸入/輸出（Off-LineI/O）方式圖1-3脫機(jī)I/O示意圖第一章操作系統(tǒng)引論穿孔卡片（1940s&60s）在穿孔卡片上輸入程序（例如：一行代碼一張卡片）提交穿孔卡片盒（要確?？ㄆ瑳]有搞混）幾個小時甚至幾天后才能夠得到結(jié)果1.2.2單道批處理系統(tǒng)第一章操作系統(tǒng)引論1、單道批處理系統(tǒng)（SimpleBatchProcessingSystem）硬件條件：晶體管替代真空管監(jiān)督程序（Monitor，又稱為批處理程序，或管理程序）：管理作業(yè)連續(xù)處理的程序操作步驟：收集一批作業(yè)（卡），用專用I/O計算機(jī)將作業(yè)逐個讀到磁帶上保存起來。批處理程序?qū)⒋艓系牡谝粋€作業(yè)讀入計算機(jī)，運算結(jié)束后將結(jié)果輸出到輸出磁帶上。自動讀入下一個作業(yè)，并運行。當(dāng)一批作業(yè)全部執(zhí)行結(jié)束后，取下輸入磁帶和輸出磁帶，用輸入磁帶錄下一批作業(yè)，將輸出磁帶送到專用輸出計算機(jī)，進(jìn)行脫機(jī)打印。第一章操作系統(tǒng)引論1、單道批處理系統(tǒng)把下一個作業(yè)的源程序轉(zhuǎn)換為目標(biāo)程序源程序有錯嗎？否裝配目標(biāo)程序還有下一個作業(yè)？是否停止運行目標(biāo)程序是開始圖1-3單道批處理系統(tǒng)的處理流程第一章操作系統(tǒng)引論單道批處理的引入解決人機(jī)矛盾，提高系統(tǒng)資源的利用率。解決CPU與I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高系統(tǒng)吞吐量單道批處理系統(tǒng)的特征自動性順序性單道性2、單道批處理系統(tǒng)的特征第一章操作系統(tǒng)引論解決了作業(yè)間的自動轉(zhuǎn)換問題，減少了機(jī)器時間的浪費。不管作業(yè)大小，只要它一旦占用處理機(jī)開始執(zhí)行，則它必須一直占據(jù)處理機(jī)，直到運行完畢。對短作業(yè)不公平，因為它們等待執(zhí)行的時間可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它們實際執(zhí)行的時間。交互性差。作業(yè)由批處理程序控制運行，用戶無法實時控制，如果運行中途出現(xiàn)故障，只能停下來，重新運行。3、單道批處理系統(tǒng)的評價1.2.3多道批處理系統(tǒng)硬件條件：小規(guī)模集成電路—360機(jī)引入目的：單道批處理系統(tǒng)中，任意時刻只允許一道作業(yè)在內(nèi)存中運行，資源利用率低，為了提高系統(tǒng)資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，引入多道程序設(shè)計技術(shù)。多道是指，允許多個程序同時存在于主存中，按照某種原則分派處理機(jī)，逐個執(zhí)行這些程序。批處理：用戶提交的作業(yè)首先存放在外存，并排成一個隊列。然后由作業(yè)調(diào)度程序按照一定的算法從該隊列中一次選取一個或若干個作業(yè)裝入內(nèi)存執(zhí)行。第一章操作系統(tǒng)引論1、多道程序設(shè)計的基本概念OS中引入多道程序技術(shù)可帶來的好處：提高CPU的利用率提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率增加系統(tǒng)吞吐量第一章操作系統(tǒng)引論1、多道程序設(shè)計的基本概念用戶程序監(jiān)督程序I/O操作I/O中斷請求t1結(jié)束中斷I/O完成啟動I/OI/O中斷請求結(jié)束中斷I/O完成啟動I/Ot2t3t4t5t6t7t8從黑色的實線來看CPU是斷續(xù)性運作第一章操作系統(tǒng)引論1、多道程序設(shè)計的基本概念程序A程序C程序B程序D調(diào)度程序AI/O請求AI/O完成A再次被調(diào)度BI/O請求CI/O請求DI/O請求程序BI/O完成CI/O完成C再次被調(diào)度A完成從黑色的實線來看CPU是持續(xù)性運作第一章操作系統(tǒng)引論2、多道批處理系統(tǒng)的特征多道性無序性調(diào)度性作業(yè)調(diào)度進(jìn)程調(diào)度3、多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點資源利用率高系統(tǒng)吞吐量大平均周轉(zhuǎn)時間長無交互能力適合大型科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理。處理機(jī)管理問題分配與回收提高利用率內(nèi)存管理問題分配與回收信息保護(hù)I/O設(shè)備管理問題分配與使用提高利用率第一章操作系統(tǒng)引論4、多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題文件管理問題方便使用保證數(shù)據(jù)的安全性與一致性作業(yè)管理問題根據(jù)作業(yè)類型進(jìn)行作業(yè)組織1.2.4分時系統(tǒng)為了改進(jìn)響應(yīng)時間和性能，提供交互式操作環(huán)境，導(dǎo)致了分時系統(tǒng)的出現(xiàn)。人-機(jī)交互共享主機(jī)便于用戶上機(jī)分時系統(tǒng)，在一臺主機(jī)上連接了多個帶有顯示器和鍵盤的終端，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(jī)，共享主機(jī)中的資源。第一章操作系統(tǒng)引論1、分時系統(tǒng)（Time-SharingSystem）的產(chǎn)生及時接收多路卡：使主機(jī)能同時接收各用戶從終端上輸入的數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)：暫存用戶鍵入的命令。及時處理作業(yè)直接進(jìn)入內(nèi)存不允許一個作業(yè)長時間占用處理機(jī)第一章操作系統(tǒng)引論2、分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關(guān)鍵問題多路性：一臺主機(jī)上同時連接多臺終端；獨立性：每個用戶各自通過自己的終端進(jìn)行輸入/輸出，互不干擾。用戶感覺自己獨占終端和主機(jī)資源。及時性：系統(tǒng)按人們所能接受的等待時間及時響應(yīng)用戶請求。交互性：能進(jìn)行廣泛的人機(jī)交互適合辦公自動化、教學(xué)及事務(wù)處理等要求人機(jī)會話的場合。第一章操作系統(tǒng)引論3、分時系統(tǒng)的特征終端數(shù)目多少調(diào)度算法（時間片的選取）信息交換量和信息交換速度機(jī)器處理能力請求服務(wù)的時間長短及服務(wù)請求的分布第一章操作系統(tǒng)引論4、影響響應(yīng)時間的因素1.2.5實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)：指系統(tǒng)能及時（或即時）響應(yīng)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(wù)協(xié)調(diào)一致地運行。第一章操作系統(tǒng)引論1、應(yīng)用需求實時控制火炮自動控制系統(tǒng)、飛機(jī)自動駕駛系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、煉鋼/煉油控制系統(tǒng)實時信息處理航空網(wǎng)絡(luò)售票系統(tǒng)、情報檢索系統(tǒng)第一章操作系統(tǒng)引論2、實時任務(wù)實時任務(wù)的分類：按任務(wù)執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性來劃分周期性實時任務(wù)非周期性實時任務(wù)開始截止時間——任務(wù)在某時間以前必須開始執(zhí)行；完成截止時間——任務(wù)在某時間以前必須完成根據(jù)對截止時間的要求來劃分硬實時任務(wù)：系統(tǒng)必須滿足任務(wù)對截止時間的要求，否則可能出現(xiàn)難以預(yù)測的結(jié)果軟實時任務(wù)：系統(tǒng)對截止時間的要求并不嚴(yán)格多路性。都具有多路性。實時信息處理系統(tǒng)按分時原則為多個終端用戶服務(wù)。實時控制系統(tǒng)對多路現(xiàn)場信息進(jìn)行采集，對多個對象或多個執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。獨立性。都具有獨立性。實時信息處理系統(tǒng)中，每個終端向?qū)崟r系統(tǒng)提出請求時，是彼此獨立操作，互不干擾。實時控制系統(tǒng)中，對信息的采集和對對象的控制，也都是彼此互不干擾。第一章操作系統(tǒng)引論3、實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較及時性。實時信息處理系統(tǒng)對實時性的要求與分時系統(tǒng)類似，是以人所能接受的等待時間來確定。實時控制系統(tǒng)的及時性，則是以控制對象所要求的開始截止時間或完成截止時間來確定，一般為秒級、百毫秒級、毫秒級。交互性。實時信息處理的交互性僅限于訪問系統(tǒng)中某些特定的專用服務(wù)程序。分時系統(tǒng)能向終端用戶提供數(shù)據(jù)處理服務(wù)、資源共享等服務(wù)。

可靠性。實時系統(tǒng)要求系統(tǒng)高度可靠。第一章操作系統(tǒng)引論3、實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較第一章操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)概念與特性的遷移1.2.6微機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展只允許一個用戶上機(jī)，且只允許用戶程序作為一個任務(wù)運行。最簡單的微機(jī)操作系統(tǒng)：配置在8位與16位微機(jī)上典型單用戶單任務(wù)微機(jī)OS：CP/M和MS-DOSCP/M：帶軟盤系統(tǒng)的8位微機(jī)操作系統(tǒng)MS-DOS：微軟開發(fā)的16位單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)第一章操作系統(tǒng)引論1、單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)只允許一個用戶上機(jī)，但允許用戶把程序分為若干個任務(wù)，使它們并發(fā)執(zhí)行。配置在32位微機(jī)上。典型單用戶多任務(wù)微機(jī)OS：WindowsWindows1.0與Windows2.0：16位微機(jī)Windows3.0、Windows3.1：386、486等32位微機(jī)Windows95：全32位的處理技術(shù)，兼容16位應(yīng)用程序，支持網(wǎng)絡(luò)功能Windows98：將IE整合到系統(tǒng)，增加了對多媒體的支持WindowsXP：32位版本/64版本W(wǎng)indowsNT：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)第一章操作系統(tǒng)引論2、單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)允許多個用戶通過各自的終端使用同一臺機(jī)器，共享主機(jī)系統(tǒng)中的各種資源；每個用戶程序又進(jìn)程又可進(jìn)一步分為幾個任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。配置在大、中和小型機(jī)上。典型多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)：UNIXOSSolarisOSLinuxOS第一章操作系統(tǒng)引論3、多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)第一章操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)發(fā)展歷史小結(jié)1.3操作系統(tǒng)的基本特征第一章操作系統(tǒng)引論第一章操作系統(tǒng)引論現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本特征：共享并發(fā)異步虛擬1.3.1并發(fā)（Concurrence）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。微觀上，在單處理機(jī)系統(tǒng)中，多個任務(wù)在單個處理機(jī)上交替運行稱為任務(wù)并發(fā)；多處理機(jī)系統(tǒng)中，多個任務(wù)在多個處理機(jī)上同時運行稱為任務(wù)并行。第一章操作系統(tǒng)引論1、并行與并發(fā)程序是靜態(tài)實體，不能并發(fā)執(zhí)行。進(jìn)程是指在系統(tǒng)中能獨立運行并作為資源分配的基本單位，它由一組機(jī)器指令、數(shù)據(jù)和堆棧等組成，是一個活動實體。多個進(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行和交換信息。進(jìn)程在運行時需要一定的資源。操作系統(tǒng)中引入進(jìn)程的目的：是使多個程序能并發(fā)執(zhí)行。線程是指，程序的一次相對獨立的運行過程；在現(xiàn)代OS中，線程是系統(tǒng)調(diào)度的最小單位。第一章操作系統(tǒng)引論2、引入進(jìn)程與線程1.3.2共享（Sharing）資源共享性：宏觀上，指多個任務(wù)可以同時使用系統(tǒng)資源；微觀上，指多個任務(wù)并發(fā)，即多個任務(wù)可以交替互斥地使用系統(tǒng)中的某個資源；資源共享方式：互斥共享方式：臨界資源（或獨占資源）：規(guī)定在一段時間內(nèi)只允許一個進(jìn)程訪問的資源打印機(jī)、磁帶機(jī)同時訪問方式宏觀上：同時微觀上：交替訪問磁盤設(shè)備第一章操作系統(tǒng)引論1.3.3虛擬（Virtual）虛擬：是指通過某種技術(shù)把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。如，采用分時技術(shù)，將一臺處理機(jī)虛擬為若干臺處理機(jī)。還可以虛擬存儲、虛擬設(shè)備、虛擬通道、虛擬文件、虛擬用戶組以及虛擬網(wǎng)絡(luò)等。第一章操作系統(tǒng)引論時分復(fù)用：即分時使用方式，最早用于電信業(yè)，將一條物理信道虛擬為多條邏輯信道，以提高信道的利用率。時分復(fù)用技術(shù)在計算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用：虛擬處理機(jī)技術(shù)：利用多道程序設(shè)計技術(shù)，把一臺物理上的處理機(jī)虛擬為多臺邏輯上的處理機(jī)，在每臺邏輯處理機(jī)上運行一道程序。虛擬設(shè)備技術(shù)：將一臺物理I/O設(shè)備虛擬為多臺邏輯上的I/O設(shè)備，并允許每個用戶占用一臺邏輯上的I/O設(shè)備。1、時分復(fù)用技術(shù)第一章操作系統(tǒng)引論頻分復(fù)用技術(shù)：將一個頻率范圍非常寬的信道，劃分成多個頻率范圍較窄的信道，其中的任何一個頻帶都只供一對用戶通話?？辗謴?fù)用技術(shù)在計算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用：虛擬磁盤技術(shù)：將一臺硬盤虛擬為多臺虛擬磁盤，即將硬盤劃分為若干個卷。虛擬存儲器技術(shù)：利用存儲器的空閑空間來存放其它的程序，以提高內(nèi)存的利用率。通過“請求調(diào)入功能”和“置換功能”每次只把用戶程序的一部分調(diào)用內(nèi)存運行，實現(xiàn)用戶的各部分分時進(jìn)行內(nèi)存運行的功能。2、空分復(fù)用技術(shù)第一章操作系統(tǒng)引論1.3.4異步性（Asynchronism）在多道程序環(huán)境下，允許多個進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，但由于競爭資源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行不是“一氣呵成，而是以“走走停?！钡姆绞竭\行。進(jìn)程的異步性：進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。內(nèi)存中的每個進(jìn)程何時獲得處理機(jī)運行；進(jìn)程何時因提出某種資源請求而暫停；進(jìn)程以怎樣的速度向前推進(jìn)；每道程序總共需要多少時間完成，等等。只要運行環(huán)境相同，作業(yè)經(jīng)過多次運行，都會獲得完全相同的結(jié)果。第一章操作系統(tǒng)引論1.4操作系統(tǒng)的主要功能第一章操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)的主要任務(wù)OS的主要任務(wù)：為多道程序的運行提供良好的運行環(huán)境，以保證多道程序能有條不紊地、高效地運行。OS的功能：處理機(jī)管理存儲器管理設(shè)備管理文件管理提供用戶接口網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能第一章操作系統(tǒng)引論1.4.1處理機(jī)管理功能在傳統(tǒng)的多道程序中，處理機(jī)的分配和運行都是以進(jìn)程為基本單位，對處理機(jī)的管理可歸結(jié)為對進(jìn)程的管理。在引入了線程的OS中，也包含對線程的管理。處理機(jī)管理的主要功能：創(chuàng)建和撤消進(jìn)程（線程）對諸進(jìn)程（線程）的運行進(jìn)行協(xié)調(diào)實現(xiàn)進(jìn)程（線程）之間的信息交換按照一定的算法把處理機(jī)分配給進(jìn)程（線程）第一章操作系統(tǒng)引論進(jìn)程控制：創(chuàng)建和撤消進(jìn)程以及控制進(jìn)程的轉(zhuǎn)換。進(jìn)程同步：為多個進(jìn)程的運行進(jìn)行協(xié)調(diào)。進(jìn)程互斥方式進(jìn)程同步方式進(jìn)程通信：實現(xiàn)相互合作的進(jìn)程間的信息交換。調(diào)度：作業(yè)調(diào)度：從后備隊列中按照一定的算法，選擇若干個作業(yè)，為它們分配其必需的資源。在將它們調(diào)入內(nèi)存后，便分別為它們建立進(jìn)程，使它們都成為可能獲得處理機(jī)的就緒隊列。進(jìn)程調(diào)度：按一定算法從進(jìn)程就緒隊列中選出一個進(jìn)程，把處理機(jī)分配給它，為它設(shè)置運行現(xiàn)場，使之運行。第一章操作系統(tǒng)引論1.4.2存儲器管理功能存儲器管理的主要任務(wù)：為多道程序的并發(fā)執(zhí)行提供良好的環(huán)境；便于用戶使用存儲器；提高存儲器的利用率；從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存。第一章操作系統(tǒng)引論第一章操作系統(tǒng)引論1、內(nèi)存分配主要任務(wù)為每道程序分配內(nèi)存空間；提高存儲器的利用率；允許正在運行的程序申請附加的內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)動態(tài)增漲的需要。內(nèi)存分配方式靜態(tài)分配：作業(yè)裝入時確定，運行時不能更改與移動。動態(tài)分配：作業(yè)裝入時確定，運行時可以動態(tài)增漲與移動。內(nèi)存分配機(jī)制具有的結(jié)構(gòu)和功能內(nèi)存分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)存分配功能內(nèi)存回收功能2、內(nèi)存保護(hù)主要任務(wù)確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運行，彼此互不干擾。內(nèi)存保護(hù)機(jī)制設(shè)置兩個界限寄存器，存放正在執(zhí)行程序的上界和下界。系統(tǒng)須對每條指令所要訪問的地址進(jìn)行檢查，如果發(fā)生越界，則發(fā)出越界中斷請求。第一章操作系統(tǒng)引論可裝入程序的形成源程序目標(biāo)程序可裝入程序任務(wù)將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。3、地址映射編譯鏈接第一章操作系統(tǒng)引論任務(wù)借助于虛擬存儲技術(shù)，從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量讓更多的用戶程序能并發(fā)執(zhí)行系統(tǒng)具有的內(nèi)存擴(kuò)充機(jī)制請求調(diào)入功能（部分裝入功能）置換功能4、內(nèi)存擴(kuò)充第一章操作系統(tǒng)引論1.4.3設(shè)備管理功能設(shè)備管理用于管理計算機(jī)系統(tǒng)中所有的外圍設(shè)備，主要任務(wù)有：完成用戶進(jìn)程提出的I/O請求為用戶程序進(jìn)程分配其所需的I/O設(shè)備；提高CPU和I/O設(shè)備的利用率；提高I/O速度；方便用戶使用I/O設(shè)備第一章操作系統(tǒng)引論任務(wù)用于緩解CPU和I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，提高系統(tǒng)吞吐量。緩沖區(qū)機(jī)制單緩沖機(jī)制雙緩沖機(jī)制公用緩沖池機(jī)制第一章操作系統(tǒng)引論1、緩沖管理任務(wù)根據(jù)用戶進(jìn)程的I/O請求、系統(tǒng)的現(xiàn)有資源情況以及按照某種設(shè)備分配策略，為之分配其所需的設(shè)備。設(shè)備分配機(jī)制具有的結(jié)構(gòu)和功能數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：設(shè)備控制表、控制器控制表等設(shè)備分配獨占設(shè)備分配的安全性檢查設(shè)備回收2、設(shè)備分配第一章操作系統(tǒng)引論設(shè)備處理程序又稱設(shè)備驅(qū)動程序。任務(wù)用于實現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信處理過程：檢查I/O請求的合法性，了解設(shè)備狀態(tài)是否是空閑，了解有關(guān)的傳遞參數(shù)及設(shè)置設(shè)備的工作方式。向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，啟動I/O設(shè)備完成指定的I/O操作。響應(yīng)由控制器發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)中斷請求的類型，調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。3、設(shè)備處理第一章操作系統(tǒng)引論1.4.4文件管理功能

程序和數(shù)據(jù)都是以文件的形式存儲在磁盤和磁帶上。文件管理的任務(wù)：管理用戶文件和系統(tǒng)文件，以方便用戶使用管理文件的存儲空間保證文件數(shù)據(jù)的安全第一章操作系統(tǒng)引論任務(wù)：為每個文件分配必要的外存空間提高外存的利用率有助于提高文件系統(tǒng)的存、取速度。文件管理的功能：文件管理需設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記錄文件存儲空間的使用情況，以供分配存儲空間時參考。對存儲空間進(jìn)行分配與回收。為了提高存儲空間的利用率，通常采用離散分配方式第一章操作系統(tǒng)引論1、文件存儲空間的管理文件目錄項包括：文件名文件屬性文件在磁盤上的物理位置等任務(wù)：為每個文件建立目錄項對眾多的目錄項進(jìn)行有效組織，以實現(xiàn)按名存取。能實現(xiàn)文件共享。能提供快速的目錄查詢手段，提高文件的檢索速度。第一章操作系統(tǒng)引論2、目錄管理文件的讀寫管理根據(jù)用戶的請求，從外存讀取數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)寫入外存文件讀（寫）過程：根據(jù)用戶給出的文件名檢索文件目錄，獲取文件在外存中的位置；利用文件讀（寫）指針，對文件進(jìn)行讀（寫）。一旦讀（寫）完成，便修改讀（寫）指針，為下一次讀（寫）做好準(zhǔn)備。文件的保護(hù)防止未經(jīng)核準(zhǔn)的用戶存取文件；防止冒名頂替存取文件；防止以不正確的方式使用文件。第一章操作系統(tǒng)引論3、文件的讀/寫管理和保護(hù)1.4.5操作系統(tǒng)與用戶之間的接口

操作系統(tǒng)向用戶提供：用戶與操作系統(tǒng)的接口用戶接口：是提供給用戶使用的接口，用戶可通過該接口取得操作系統(tǒng)的服務(wù)。程序接口：以系統(tǒng)調(diào)用的形式供用戶編程時使用。幾乎各種操作系統(tǒng)都提供了系統(tǒng)調(diào)用，供程序設(shè)計。第一章操作系統(tǒng)引論第一章操作系統(tǒng)引論1、用戶接口命令接口：用戶通過命令接口向作業(yè)發(fā)出命令，控制作業(yè)的運行。聯(lián)機(jī)用戶接口：為聯(lián)機(jī)用戶提供的由一組鍵盤操作命令及命令解釋程序組成脫機(jī)用戶接口：為批處理作業(yè)的用戶提供的由一組作業(yè)控制語言JCL組成。JCL是提供給批處理作業(yè)用戶的，為實現(xiàn)所需功能而委托系統(tǒng)代為控制的一種語言第一章操作系統(tǒng)引論1、用戶接口圖形用戶接口：另一種形式的聯(lián)機(jī)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(biāo)來將系統(tǒng)的各項功能、各種應(yīng)用程序和文件，直觀、逼真地表示出來。XeroxStar：1981最初只是一個研究項目（Alto）第一個“鼠標(biāo)”、“視窗”AppleLisa/Machintosh：1984“LookandFeel”suit1988MicrosoftWindows：Win1.0-Win7(1985-)第一章操作系統(tǒng)引論2、程序接口程序接口是為用戶程序在執(zhí)行中訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置的，是用戶程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的惟一途徑。程序接口由一組系統(tǒng)調(diào)用組成，每一個系統(tǒng)調(diào)用都是一個能完成特定功能的子程序。1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計第一章操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展史第一代的OS：是無結(jié)構(gòu)的第二代的OS：采用模塊式結(jié)構(gòu)第三代的OS：層次式結(jié)構(gòu)現(xiàn)代OS：微內(nèi)核結(jié)構(gòu)第一章操作系統(tǒng)引論模塊化的OS分層式OS無結(jié)構(gòu)OS現(xiàn)代結(jié)構(gòu)OS1.5.1傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)OS是一組過程的集合，各過程之間可以相互調(diào)用，在操作系統(tǒng)內(nèi)部不存在任何結(jié)構(gòu)。操作系統(tǒng)龐大而雜亂，缺乏清晰的程序結(jié)構(gòu)，造成程序錯誤多，調(diào)試?yán)щy；程序難以閱讀和理解，不方便維護(hù)。第一章操作系統(tǒng)引論1、無結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)模塊化程序設(shè)計技術(shù)：是基于“分解”和“模塊化”原則來控制大型軟件的復(fù)雜度的。OS按其功能劃分為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。并規(guī)定好各模塊間的接口，使各模塊之間能通過該接口實現(xiàn)交互，然后再進(jìn)一步將各模塊細(xì)分為若干個具有一定管理功能的子模塊內(nèi)聚性耦合度第一章操作系統(tǒng)引論2、模塊化OS結(jié)構(gòu)第一章操作系統(tǒng)引論圖1-6模塊化操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2、模塊化OS結(jié)構(gòu)模塊化OS的優(yōu)點提高了OS設(shè)計的正確性、可理解性和可維護(hù)性；增強(qiáng)了OS的可適應(yīng)性；加速了OS的開發(fā)過程。模塊化OS的缺點在開始設(shè)計OS時，對模塊的劃分及對接口的規(guī)定并不精確，而且還可能存在錯誤，因而很難保證按此規(guī)定所設(shè)計出的模塊會完全正確，這將使在把這些模塊裝配成OS時發(fā)生困難；從功能觀點來劃分模塊時，未能將共享資源和獨占資源加以區(qū)別；由于管理上的差異，又會使模塊間存在著復(fù)雜的依賴關(guān)系使OS結(jié)構(gòu)變得不清晰。第一章操作系統(tǒng)引論2、模塊化OS結(jié)構(gòu)從資源管理觀點出發(fā)，劃分層次。在某一層次上的代碼只能調(diào)用低層次上的代碼，使模塊間的調(diào)用變得有序。系統(tǒng)每加一層，就構(gòu)成一個比原來功能更強(qiáng)的虛擬機(jī)。提高了系統(tǒng)的維護(hù)性和可靠性。分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：易保證系統(tǒng)的正確性易擴(kuò)充、易維護(hù)性分層結(jié)構(gòu)的缺點：系統(tǒng)效率降低了第一章操作系統(tǒng)引論3、分層式OS結(jié)構(gòu)被調(diào)用功能在低層：如文件系統(tǒng)管理->設(shè)備管理->設(shè)備驅(qū)動程序活躍功能在低層：提高運行效率資源管理的公用模塊放在最低層：如緩沖區(qū)隊列、堆棧操作存儲器管理放在次低層：便于利用虛擬存儲功能最低層的硬件抽象層：與機(jī)器特點緊密相關(guān)的軟件放在最低層。資源分配策略放在最外層，便于修改或適應(yīng)不同環(huán)境第一章操作系統(tǒng)引論3、分層式OS結(jié)構(gòu)—分層原則各系統(tǒng)對具體劃分多少層次有不同的看法。第一章操作系統(tǒng)引論*寄存器電路1計算棧、微程序解釋器指令集2過程、調(diào)用棧、顯示過程3處理器硬件中斷處理程序中斷4進(jìn)程原語、信號量、就緒隊列進(jìn)程原語5數(shù)據(jù)塊、設(shè)備通道本地輔存6單處理器資源段、頁虛擬存儲器7管道通信8文件文件系統(tǒng)9外設(shè)設(shè)備10目錄目錄11用戶進(jìn)程用戶進(jìn)程12外部對象用戶程序設(shè)計環(huán)境shell13功能范圍對象名稱層常見操作系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)第四代OS客戶/服務(wù)器模式面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計技術(shù)微內(nèi)核OS第一章操作系統(tǒng)引論1.5.2客戶/服務(wù)器模式用戶態(tài)：用來提供各種服務(wù)的服務(wù)器（進(jìn)程）所在的層次內(nèi)核態(tài)：處理用戶和服務(wù)器間的通信，實現(xiàn)與硬件緊密相關(guān)的和較基本功能的進(jìn)程所在的層次內(nèi)核接收用戶請求，啟動相應(yīng)服務(wù)器，接著接收服務(wù)器的應(yīng)答，回送給發(fā)送請求的用戶第一章操作系統(tǒng)引論1、C/S模式1.5.2客戶/服務(wù)器模式客戶機(jī)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)第一章操作系統(tǒng)引論2、客戶/服務(wù)器（C/S）模式的組成3、客戶/服務(wù)器之間的交互客戶請求消息服務(wù)器接收消息服務(wù)器回送消息客戶機(jī)接收消息數(shù)據(jù)的分布處理和存儲便于集中管理靈活性和可擴(kuò)充性易于改編應(yīng)用程序第一章操作系統(tǒng)引論4、客戶/服務(wù)器模式的優(yōu)點5、客戶/服務(wù)器模式的缺點存在著不可靠性和瓶頸問題1.5.3面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計面向?qū)ο蠹夹g(shù)是基于“抽象”和“隱蔽”原則來控制大型軟件的復(fù)雜度的。對象，是指在現(xiàn)實世界中具有相同屬性、服從相同規(guī)則的一系列事物的抽象，而其中的具體事物稱為對象的實例。第一章操作系統(tǒng)引論1、面向?qū)ο蠹夹g(shù)的基本概念圖1-7一個對象的示意圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)過程1過程2過程3OS中的各類實體如進(jìn)程、線程、消息、存儲器等，都使用了對象這一概念。通過“重用”提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率使系統(tǒng)具有更好的易修改性和易擴(kuò)展性更易于保證系統(tǒng)的“正確性”和“可靠性”。第一章操作系統(tǒng)引論2、面向?qū)ο蠹夹g(shù)的優(yōu)點1.5.4

微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)微內(nèi)核（MicroKernel）OS能有效地支持多處理機(jī)運行，非常適用于分布式系統(tǒng)環(huán)境典型微內(nèi)核結(jié)構(gòu)OS：CarngieMellon大學(xué)研制的MachOS、Windows2000/XP操作系統(tǒng)第一章操作系統(tǒng)引論第一章操作系統(tǒng)引論第一章操作系統(tǒng)引論1、微內(nèi)核操作系統(tǒng)的基本概念足夠小的內(nèi)核內(nèi)核：精心設(shè)計的、能實現(xiàn)現(xiàn)代OS最基本的核心功能的部分實現(xiàn)與硬件緊密相關(guān)的