操作系統(tǒng)原理第一章緒言.ppt

1、操作系統(tǒng)原理 The Principles of Operating System 龐麗萍 華中理工大學(xué)出版社,武漢科技學(xué)院 陳勇躍 email: chenyongyue_ Tel:2,參考教材,現(xiàn)代操作系統(tǒng) 陳向群等譯 機械工業(yè)出版社Windows操作系統(tǒng)原理 機械工業(yè)出版社操作系統(tǒng)教程 武偉 機械工業(yè)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)教程 孟慶昌 西安電子科技大學(xué)出版社操作系統(tǒng)教程 曾平等 清華大學(xué)出版社操作系統(tǒng)原理 謝青松 人民郵電出版社操作系統(tǒng)原理 美伯爾；梁洪亮譯 清華大學(xué)出版社,Modern Operating System

2、Andrew S.TanenbaumOperating Systems William StallingsOperating System Concept Abrahan Silberschatz,etcApplied Operating System Concept Abrahan Silberschatz,etc,3,授課方式和成績考核,授課時間 1周12周（48個課時） 授課形式 課堂講授 成績考核 平時成績 30% 考試成績 70%,4,為什么學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)?,掌握操作系統(tǒng)的基本理論，具備開發(fā)核心系統(tǒng)軟件的技能，設(shè)計操作系統(tǒng)或者修改現(xiàn)有的系統(tǒng) 掌握并行處理的思想方法，加深對使用的OS的理

3、解，有利于深入編程 用戶為了開發(fā)應(yīng)用程序必須與操作系統(tǒng)打交道 操作系統(tǒng)中所用的許多概念和技巧可以推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域 為后繼課程打好基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、分布式系統(tǒng) 了解當前流行的實際操作系統(tǒng)的使用方法與實現(xiàn)技術(shù)UNIX, Linux, Windows,5,操作系統(tǒng)能做什么 ?,操作系統(tǒng)提供一系列服務(wù)： 多任務(wù)、用戶界面 內(nèi)存管理、內(nèi)存保護 文件存取、網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備控制、硬件控制 錯誤檢測及恢復(fù)系統(tǒng)、安全,6,操作系統(tǒng)特點,內(nèi)容龐雜、涉及面廣 負責全部資源管理。與計算機軟、硬件及用戶都有著密切的交互 實踐性強 與實際運行著的各類操作系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系 技術(shù)發(fā)展快（20世紀40年代至今）,7,基本目的,

4、介紹操作系統(tǒng)的基本概念、基本結(jié)構(gòu)及運行環(huán)境 介紹操作系統(tǒng)原理、設(shè)計方法和實現(xiàn)技術(shù) 介紹操作系統(tǒng)的演化過程、發(fā)展研究動向、新技術(shù)以及新思想 介紹各種有代表性的、典型的操作系統(tǒng)實例 培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的基本能力，培養(yǎng)創(chuàng)造型人才,8,主要內(nèi)容,1 緒論 2 操作系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu) 3 用戶界面 4 并發(fā)處理 5 資源分配與調(diào)度 6 處理機調(diào)度 7 主存管理 8 輸入/輸出管理 9 文件系統(tǒng),第一章 緒 論,1.1 存儲程序式計算機 1.2 操作系統(tǒng)發(fā)展歷程 1.3 操作系統(tǒng)的基本概念 1.4 操作系統(tǒng)的基本類型 1.5 UNIX操作系統(tǒng),10,1.1 存儲程序式計算機,存儲程序式計算機之前，計算

5、是一種手工計算方式。 計算方案輸入原始數(shù)據(jù)第一步計算記下中間結(jié)果第二步計算直到最終結(jié)果結(jié)果記錄。 著名數(shù)學(xué)家 Von Neumann 總結(jié)了手工操作的規(guī)律，提出了“存儲程序式計算機”方案，使計算初步實現(xiàn)了自動化。 自動地計算要求： 必須使機器可以“看到”計算方案即計算機程序 能夠“理解”程序語言的含義并順序執(zhí)行指定的操作 可以及時取得初始數(shù)據(jù)和中間數(shù)據(jù)，能夠自動地輸出結(jié)果。,11,1.1 存儲程序式計算機,存儲程序式計算機的結(jié)構(gòu)和特點 存儲程序式計算機(Von Neumann計算機)基本部件：CPU + 存儲器 + I/O設(shè)備。 CPU：解釋指令、執(zhí)行指令、控制操作順序執(zhí)行。包括算術(shù)邏輯運算單

6、元（ALU）+ 控制單元。 ALU：算術(shù)和邏輯操作的功能單元 + 寄存器。 通用寄存器能為功能單元提供操作數(shù)，并接收、保存操作結(jié)果。 控制單元：一個程序計數(shù)器（PC）+ 一個指令寄存器（IR）。負責從主存儲器提取指令、分析其類型，并產(chǎn)生信號通知計算機其他部分執(zhí)行指令所指定的操作。,12,1.1 存儲程序式計算機,存儲器：計算機存儲程序和數(shù)據(jù)的部件。 主存接口：存儲地址寄存器（MAR）+ 存儲數(shù)據(jù)寄存器（MDR）+ 命令寄存器（CR）。 I/O設(shè)備：完成信息的傳輸。 分存儲設(shè)備 + 字符設(shè)備 + 通信設(shè)備 總線（Bus），一般指通過分時復(fù)用的方式，將信息以一個或多個源部件傳送到一個或多個目的部件

7、的一組傳輸線。是電腦中傳輸數(shù)據(jù)的公共通道。每個設(shè)備都通過設(shè)備控制器與計算機的地址和數(shù)據(jù)總線相連。,13,1.1 存儲程序式計算機,存儲程序式計算機的特點 集中順序過程控制：即控制部件根據(jù)程序?qū)φ麄€計算機的活動實行集中過程控制，并根據(jù)程序規(guī)定的順序依次執(zhí)行每一個操作。 集中控制：由CPU集中管理 順序性：程序計數(shù)器控制 過程性：模擬人們手工操作過程,14,1.1 存儲程序式計算機,3. 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)的關(guān)系 馮.諾依曼型計算機的特點 并行作業(yè) 順序計算模型 并行計算模型 如何解決矛盾 ? OS采用了一系列軟件技術(shù)-多道程序設(shè)計技術(shù)、分時技術(shù)、資源分配與調(diào)度等。,沖突,15,1.2操作系

8、統(tǒng)的發(fā)展歷程,從1950年至今，操作系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了如下幾個階段： 手工操作階段 無操作系統(tǒng)； 批處理系統(tǒng) 早期批處理（聯(lián)機、脫機）、執(zhí)行系統(tǒng)； 操作系統(tǒng)形成 批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)； 現(xiàn)代操作系統(tǒng) 個人計算機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)。,16,1 手工操作階段 特點：無任何軟件，主要元件是電子管，速度慢。由主機、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、控制臺組成。 有人工干預(yù) 獨占性 串行性 問題：人 機矛盾 機器 作業(yè)在機器上 人工操 操作時間與機器 速度 計算所需時間 作時間 有效運行時間之比 1萬次/秒 1小時 3分鐘 1 ：20 60萬次/秒 1分鐘 3分鐘 3 ：1

9、,1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程,17,2 批處理階段 聯(lián)機批處理 特點：有監(jiān)督程序；作業(yè)自動過渡 問題：CPU高速與I/O慢速的矛盾 解決：由衛(wèi)星機負責I/O 脫機批處理 特點：主機與衛(wèi)星機并行操作 問題：調(diào)度不靈活；系統(tǒng)沒有保護自己的措施 解決：硬件技術(shù)的發(fā)展通道技術(shù)、中斷技術(shù),1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程,18,執(zhí)行系統(tǒng) 什么是執(zhí)行系統(tǒng) 通道：是專用處理部件，能控制一臺或多臺外設(shè)工作，負責外部設(shè)備與主存之間的信息傳輸。一旦啟動，能獨立于 CPU 運行 。 中斷：指當主機接到某種信號時，馬上停止原來的工作，轉(zhuǎn)去處理這一事件，處理完后，主機又回到原來的工作點繼續(xù)工作。 借助于通道與中斷技術(shù)，由主機控制

10、I/O工作。原有的監(jiān)督程序不僅要負責調(diào)度作業(yè)自動地運行，而且還要提供I/O控制功能。它常駐主存，稱為執(zhí)行系統(tǒng)。 特點 主機和通道、主機和外設(shè)并行操作；增強了保護能力。 問題 處理機仍有空閑等待現(xiàn)象,1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程,19,3 多道程序設(shè)計技術(shù)與分時技術(shù) 單道程序的工作情況 多道程序的工作情況,1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程,20,什么是多道程序設(shè)計技術(shù) 計算機主存中同時存放幾道相互獨立的程序，它們在管理程序控制之下，相互穿插地運行。當某道程序因某種原因不能繼續(xù)運行時（如等待外部設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)），管理程序便將另一道程序投入運行。 多道運行的特征 多道主存中同時存放幾道相互獨立的程序 宏觀上并行同

11、時進入系統(tǒng)的幾道程序都處于運行過程中 微觀上串行主存中的多道程序輪流或分時地占有處理機，交替執(zhí)行。,1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程,21,分時技術(shù) 分時技術(shù) 所謂分時技術(shù)，是把處理機時間劃分成很短的時間片(如幾百毫秒)輪流地分配給各個聯(lián)機作業(yè)使用，如果某個作業(yè)在分配的時間片用完之前計算還未完成，該作業(yè)就暫時中斷，等待下一輪繼續(xù)計算。 分時處理 一臺計算機與許多終端設(shè)備連接，終端用戶以聯(lián)機方式使用計算機。,1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程,22,4 實時處理 什么是”實時” 計算機對外來的信息能夠以足夠快的速度進行處理，并且在被控對象允許的時間范圍內(nèi)作出快速反應(yīng)。 實時處理 以快速反應(yīng)為特征，對實時信號能在截

12、止期限之內(nèi)處理并作出反應(yīng)。 實時系統(tǒng)對響應(yīng)時間的要求比分時系統(tǒng)更高，一般要求秒級、毫秒級甚至微秒級的響應(yīng)時間。,1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程,23,1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程,5 現(xiàn)代操作系統(tǒng) 個人計算機系統(tǒng)：圖形用戶界面、功能強大 現(xiàn)代批處理系統(tǒng)：吞吐量大、處理能力強 分時操作系統(tǒng)：交互能力強、響應(yīng)快 實時操作系統(tǒng)：實時響應(yīng)、可預(yù)測分析 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)資源共享、遠程通信 分布式操作系統(tǒng)：單一映像、分布處理 分布式實時操作系統(tǒng),24,1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的差別 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)不支持全局的動態(tài)的資源分配；不支持合作計算。 分布式系統(tǒng)能解決網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不能解決的問題。 在硬件

13、體系結(jié)構(gòu)上分布式系統(tǒng)由多個地理位置分布（或分離）的節(jié)點，通過通信網(wǎng)絡(luò)鏈接的系統(tǒng)。 分布式操作系統(tǒng)下，硬件體系結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的是具有單一系統(tǒng)映像，能夠進行透明地資源訪問、支持合作計算的一個邏輯整體。,25,1.3操作系統(tǒng)的基本概念,1 操作系統(tǒng)的定義及其在計算機系統(tǒng)中的地位 操作系統(tǒng)是所有軟件中與硬件相連的第一層軟件，它在裸機上運行；同時它又是系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序運行的基礎(chǔ)。,26,1.3操作系統(tǒng)的基本概念,資源共享與資源競爭 資源共享 指多個計算任務(wù)對計算機系統(tǒng)資源的共同享用。 資源競爭 多個計算任務(wù)對計算機系統(tǒng)資源的爭奪。 操作系統(tǒng)定義 是一個大型的程序系統(tǒng)，它負責計算機的全部軟、硬資源的分配、調(diào)度

14、工作，控制和協(xié)調(diào)并發(fā)活動，實現(xiàn)信息的存取和保護。它提供用戶接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境。 操作系統(tǒng)使整個計算機系統(tǒng)實現(xiàn)高度自動化、高效率、高利用率、高可靠性。操作系統(tǒng)是整個計算機系統(tǒng)的核心。,27,1.3操作系統(tǒng)的基本概念,2 操作系統(tǒng)的資源管理功能 處理機管理 制訂調(diào)度策略 (調(diào)度原則) 確決將CPU先分給哪個用戶程序，它占用多長時間，下一個又該輪到哪個程序運行等問題。 給出調(diào)度算法 具體的實施處理機分派 在調(diào)度時機到來時，進行處理機分派,28,存儲器管理 存儲分配和存儲無關(guān)性 確定各應(yīng)用程序在主存中的位置及所占區(qū)域的大??；應(yīng)用程序無需關(guān)系存儲細節(jié)，由存儲管理模塊提供地址重定位能力。 存儲

15、保護 系統(tǒng)提供基址、界限寄存器等存儲保護方法，使各應(yīng)用程序相互隔離。 存儲擴充 系統(tǒng)提供虛擬存儲技術(shù)，擴大邏輯主存。,1.3操作系統(tǒng)的基本概念,29,設(shè)備管理 設(shè)備無關(guān)性 用戶向系統(tǒng)申請和使用的設(shè)備與實際操作的 設(shè)備無關(guān)，以達到方便用戶、提高設(shè)備利用率的目的。 設(shè)備分配 向個應(yīng)用程序和運行實體分配各種設(shè)備。設(shè)備分配通常采用三種基本技術(shù)：獨享、共享及虛擬技術(shù)。 設(shè)備的傳輸控制 啟動設(shè)備、中斷處理、結(jié)束處理等。,1.3操作系統(tǒng)的基本概念,30,軟件資源管理 指各種程序和數(shù)據(jù)的集合，程序又分為系統(tǒng)程序和用戶程序，系統(tǒng)程序包括操作系統(tǒng)的功能模塊、系統(tǒng)庫和實用程序。 為用戶提供一種簡便的、統(tǒng)一的存取和管

16、理信息的方法，并要解決信息的共享、數(shù)據(jù)的存取控制和保密等問題。 操作系統(tǒng)的主要功能,1.3操作系統(tǒng)的基本概念,31,1.3操作系統(tǒng)的基本概念,3 操作系統(tǒng)的特征 并發(fā)：并發(fā)性是指能處理多個同時性活動的能力。 共享：并享是指多個計算任務(wù)對系統(tǒng)資源的共同享用。 不確定性： 操作系統(tǒng)能處理大量的、隨機的事件序列，使各用戶的計算任務(wù)正確地完成。,32,為了解決程序程序并發(fā)執(zhí)行和資源共享引起的矛盾，操作系統(tǒng)必須解決如下幾個問題： 提出解決資源分配的策略 協(xié)調(diào)并發(fā)活動的關(guān)系 保證數(shù)據(jù)的一致性（系統(tǒng)程序、多道程序、共享數(shù)據(jù)） 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲控制（權(quán)限）,1.3操作系統(tǒng)的基本概念,33,1.4 操作系統(tǒng)的基本

17、類型,操作系統(tǒng)的類型有： 批量操作系統(tǒng) 分時操作系統(tǒng) 實時操作系統(tǒng) 個人計算機操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 分布式操作系統(tǒng),34,1.4 操作系統(tǒng)的基本類型,1 批量操作系統(tǒng) 什么是批量操作系統(tǒng) 是操作系統(tǒng)的一種類型。該系統(tǒng)把用戶提交的作業(yè)成批送入計算機，然后由作業(yè)調(diào)度程序自動選擇作業(yè)，在系統(tǒng)內(nèi)多道運行。 特點 系統(tǒng)吞吐率高。作業(yè)的輸入、作業(yè)的調(diào)度等完全有系統(tǒng)控制，并允許多道程序同時投入運行，只要合理搭配作業(yè)。 脫機處理方式下用戶不能與機器直接對話，用戶使用計算機十分不方便。 對用戶的相應(yīng)時間較長，用戶不能及時了解自己程序運行情況并加以控制。,35,2 分時操作系統(tǒng) 分時系統(tǒng) 分時操作系統(tǒng)的定義 是

18、操作系統(tǒng)的另一種類型。它一般采用時間片輪轉(zhuǎn)的辦法，使一臺計算機同時為多個終端用戶服務(wù)。該系統(tǒng)對每個用戶都能保證足夠快的響應(yīng)時間，并提供交互會話功能。 分時操作系統(tǒng)的特點 并行性 獨占性 交互性,1.4 操作系統(tǒng)的基本類型,36,3 實時操作系統(tǒng) 實時操作系統(tǒng)的定義 操作系統(tǒng)的又一種類型。實時操作系統(tǒng)對外部輸入的信息，能夠在規(guī)定的時間內(nèi)處理完畢并作出反應(yīng)。 最重要的特征： 必須滿足控制對象的截止期限的要求。 可預(yù)測性分析 實時系統(tǒng)按使用方式分類 實時控制：生產(chǎn)過程控制、作戰(zhàn)指揮。 實時信息處理：訂購機票、情報檢索。,1.4 操作系統(tǒng)的基本類型,37,實時操作系統(tǒng)的特點 實時操作系統(tǒng)主要是為聯(lián)機實

19、時任務(wù)服務(wù)的，其特點如下： 系統(tǒng)對外部實時信號必須能及時響應(yīng)。 實時系統(tǒng)要求有高可靠性和安全性。 系統(tǒng)的整體性強。 實時操作系統(tǒng)沒有分時操作系統(tǒng)那樣強的交互會話功能，實時終端設(shè)備通常只是作為執(zhí)行裝置或詢問裝置。 實時系統(tǒng)大部分是為特殊的實時任務(wù)設(shè)計的，這類任務(wù)是對系統(tǒng)的可靠性和安全性要求很高。所以，系統(tǒng)的所有部分通常是采用雙工方式工作的。,1.4 操作系統(tǒng)的基本類型,38,個人計算機操作系統(tǒng) 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，操作系統(tǒng)的目標：不再是最大化CPU和外設(shè)的利用率， 而是最大化用戶方便性和響應(yīng)速度。 個人計算機和工作站（功能更強大的個人計算機）領(lǐng)域的主流操作系統(tǒng)： 微軟的磁盤操作系統(tǒng)（MS-DO

20、S）和具有圖形用戶界面的視窗操作系統(tǒng)（Windows）； UNIX系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)。,1.4 操作系統(tǒng)的基本類型,39,5 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 什么是計算機網(wǎng)絡(luò) 利用通信線路將一些獨立自治的計算機相互連接形成的一個集合體稱為計算機網(wǎng)絡(luò)。,1.4 操作系統(tǒng)的基本類型,40,計算機網(wǎng)絡(luò)的功能 信息傳遞 資源共享 可以實現(xiàn)分布處理 提高計算機的可靠性和可用性 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)具備一般操作系統(tǒng)應(yīng)具有的功能模塊（如系統(tǒng)核心、設(shè)備管理、存儲管理、文件系統(tǒng)等），還要增加一個網(wǎng)絡(luò)通信模塊。該模塊由通信接口中斷處理程序、通信控制程序以及各級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件組成。,1.4 操作系統(tǒng)的基本類型,41,分布式系統(tǒng)概述 分布式系統(tǒng)產(chǎn)生的原因 計算機網(wǎng)絡(luò)不是一個一體化的系統(tǒng)，它沒有標準的、統(tǒng)一的接口。網(wǎng)上各節(jié)點計算機有各自的系統(tǒng)調(diào)用、數(shù)據(jù)格式等。 計算機網(wǎng)絡(luò)對用戶來講是不透明的。 分布式系統(tǒng)的定義 分布式計算機系統(tǒng)或分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，簡稱分布式系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)是由多個相互連接的處理單元組成的計算機系統(tǒng)。這些處一單元能夠在整個系統(tǒng)的控制下合作完成一個共同的任務(wù)，最少依賴集中的程序、數(shù)據(jù)或硬件。這些處理單元可以是物理上相鄰的、也可以是在物理上分散的。,1.4 操作系統(tǒng)的基本類型,42,1.4 操作系統(tǒng)的基本類型,分布式系統(tǒng)的特征： 構(gòu)成分布式系統(tǒng)的處理單元就是一個個獨立的計算機系統(tǒng)，這些計算機都有自