主講教師 萬壽紅中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)學(xué)院 操作系統(tǒng) 教材史杏榮 楊壽保編著 操作系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù) 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社 1997參考書湯子瀛等著 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 西安電子科技大學(xué)出版社 1996張堯?qū)W史美林 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程 清華大學(xué)出版社周長林左萬歷 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程 高等教育出版社作業(yè)統(tǒng)一閉卷筆試 課程目的 了解操作系統(tǒng)的功能 基本原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù) 加深對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)行環(huán)境的理解 基本要求 掌握一般操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理 作業(yè)管理 存儲(chǔ)管理 設(shè)備管理和文件管理的功能 原理與實(shí)現(xiàn)的基本思想 初步體會(huì)具體操作系統(tǒng)在這些方面的工作機(jī)制 1 1什么是操作系統(tǒng)1 2操作系統(tǒng)發(fā)展史1 3操作系統(tǒng)的分類1 4研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn) 第一章引論 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 1 1什么是操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的地位和目標(biāo) 操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位 有效性 系統(tǒng)管理人員的觀點(diǎn) 方便性 用戶的觀點(diǎn) 引入操作系統(tǒng)的目標(biāo) OS是計(jì)算機(jī)硬件 軟件資源的管理者 管理的對(duì)象 CPU 存儲(chǔ)器 外部設(shè)備 信息 數(shù)據(jù)和軟件 管理的內(nèi)容 資源的當(dāng)前狀態(tài) 數(shù)量和使用情況 資源的分配 回收和訪問操作 相應(yīng)管理策略 操作系統(tǒng)的作用 OS是用戶使用系統(tǒng)硬件 軟件的接口 系統(tǒng)命令 命令行 菜單式 命令腳本式 圖形用戶接口GUI 系統(tǒng)調(diào)用 形式上類似于過程調(diào)用 在應(yīng)用編程中使用 在裸機(jī)上添加 設(shè)備管理 文件管理 存儲(chǔ)管理 針對(duì)內(nèi)存和外存 處理機(jī)管理 針對(duì)CPU 合理組織工作流程 作業(yè)管理 進(jìn)程管理 操作系統(tǒng)的非形式化定義 關(guān)鍵點(diǎn) 系統(tǒng)軟件 程序模塊的集合 資源管理和用戶接口功能 OS是擴(kuò)展機(jī) extendedmachine 虛擬機(jī) virtualmachine MSOS MSDOS MSWindows3 x Windows95 WindowsNT Windows2000UNIX BSD SRV4 OSF1 SCOUNIX AIX Solaris LinuxNOS NovellNetware 操作系統(tǒng)舉例 1 2操作系統(tǒng)的發(fā)展史 手工操作 批處理系統(tǒng) batchprocessing 多道程序系統(tǒng) multiprogrammingsystem 分時(shí)系統(tǒng) time sharingsystem 實(shí)時(shí)系統(tǒng) real timesystem 工作方式用戶 用戶既是程序員 又是操作員 用戶是計(jì)算機(jī)專業(yè)人員 編程語言 為機(jī)器語言 輸入輸出 紙帶或卡片 1946 58年 電子管 集中計(jì)算 計(jì)算中心 計(jì)算機(jī)資源昂貴 手工操作 主要矛盾計(jì)算機(jī)處理能力的提高 手工操作的低效率 造成浪費(fèi) 用戶獨(dú)占全機(jī)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(diǎn)用戶獨(dú)占全機(jī)CPU等待用戶 批處理中的作業(yè)的組成 用戶程序數(shù)據(jù)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(gè)作業(yè)分類編成作業(yè)執(zhí)行序列 每個(gè)批作業(yè)由一個(gè)專門的監(jiān)督程序 Monitor 自動(dòng)依次處理 可使用匯編語言開發(fā) 批處理系統(tǒng) batchprocessingm 兩種批處理方式 1 聯(lián)機(jī)批處理 早期 解決人機(jī)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(duì)批作業(yè)中的每個(gè)作業(yè)進(jìn)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(dòng)執(zhí)行 執(zhí)行結(jié)果輸出 問題 慢速的輸入輸出處理仍直接由主機(jī)來完成 輸入輸出時(shí) CPU處于等待狀態(tài) 優(yōu)點(diǎn) 同一批內(nèi)各作業(yè)的自動(dòng)依次更替 改善了主機(jī)CPU和I O設(shè)備的使用效率 提高了吞吐量 缺點(diǎn) 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(yù)才可恢復(fù) 利用衛(wèi)星機(jī)完成輸入輸出功能 主機(jī)與衛(wèi)星機(jī)可并行工作 兩種批處理方式 2 脫機(jī)批處理 解決cpu與I O設(shè)備速度不匹配的矛盾 CPU和I O設(shè)備使用忙閑不均 取決于當(dāng)前作業(yè)的特性 內(nèi)存僅放一道運(yùn)行程序?qū)τ?jì)算為主的作業(yè) 外設(shè)空閑 對(duì)I O為主的作業(yè) CPU空閑 單道批處理的主要問題 通道 用于控制I O設(shè)備與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸 啟動(dòng)后可獨(dú)立于CPU運(yùn)行 實(shí)現(xiàn)CPU與I O的并行 中斷是指CPU在收到外部中斷信號(hào)后 停止原來工作 轉(zhuǎn)去處理該中斷事件 完畢后回到原來斷點(diǎn)繼續(xù)工作 引進(jìn)緩沖技術(shù) 減少cpu和外設(shè)的等待時(shí)間 提高cpu和外設(shè)并行工作的程度 通道和中斷技術(shù) 多道程序技術(shù)運(yùn)行特征多道 內(nèi)存中同時(shí)存放幾個(gè)作業(yè) 宏觀上并行運(yùn)行 都處于運(yùn)行狀態(tài) 但都未運(yùn)行完 微觀上串行運(yùn)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(tǒng) multiprogrammingsystem 多道程序系統(tǒng)上的技術(shù) 作業(yè)調(diào)度資源共享內(nèi)存使用內(nèi)存保護(hù)文件非順序存放 隨機(jī)存取 作業(yè)管理 處理機(jī)管理 存儲(chǔ)管理 設(shè)備管理 文件系統(tǒng)管理 filesystem 假脫機(jī)批處理使用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)和通道技術(shù) 由輸入和輸出進(jìn)程實(shí)現(xiàn)在低速設(shè)備和高速設(shè)備 磁盤 之間的信息傳輸任務(wù) 在聯(lián)機(jī)方式下實(shí)現(xiàn)脫機(jī)批處理操作 消除人工干預(yù) 提高系統(tǒng)資源利用率 現(xiàn)代操作系統(tǒng)中廣泛使用假脫機(jī)處理技術(shù) 多道批處理系統(tǒng)的資源利用效率特征 多道批處理系統(tǒng)的資源利用效率特征是基于各作業(yè)對(duì)系統(tǒng)資源的需求差異得到的 例如 有3個(gè)作業(yè)A B C 分別為計(jì)算 檢索和打印作業(yè) 單道運(yùn)行時(shí)間分別為5分 15分和10分鐘 它們可并行在15分鐘內(nèi)完成3個(gè)作業(yè) 各資源的利用效率為 多道批處理系統(tǒng)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 資源利用率高 CPU和內(nèi)存利用率較高 作業(yè)吞吐量大 單位時(shí)間內(nèi)完成的工作總量大 缺點(diǎn) 用戶交互性差 不利于調(diào)試和修改 作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長 短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間顯著增長 分時(shí) 的含義分時(shí)是指多個(gè)用戶分享使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī) 多個(gè)程序分時(shí)共享硬件和軟件資源 多個(gè)用戶分時(shí)通常按時(shí)間片 timeslice 分配 各個(gè)程序在CPU上執(zhí)行的輪換時(shí)間 設(shè)計(jì)目標(biāo) 對(duì)用戶的請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng) 并在可能條件下盡量提高系統(tǒng)資源的利用率 適合辦公自動(dòng)化 教學(xué)及事務(wù)處理等要求人機(jī)會(huì)話的場(chǎng)合 70年代中期至今 分時(shí)系統(tǒng) time sharingsystem 主機(jī) 終端 分時(shí)系統(tǒng)示意圖 分時(shí)操作系統(tǒng)特點(diǎn) 多路性交互性 獨(dú)占 性及時(shí)性 同時(shí)有多個(gè)用戶使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)宏觀上 是多個(gè)人同時(shí)使用一個(gè)CPU微觀上 多個(gè)人在不同時(shí)刻輪流使用CPU 用戶根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)一步提出新請(qǐng)求 用戶直接干預(yù)每一步 用戶感覺不到計(jì)算機(jī)為其他人服務(wù) OS提供虛機(jī)器 各個(gè)用戶的虛機(jī)器互不干擾 系統(tǒng)對(duì)用戶提出的請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng) 要求 響應(yīng)時(shí)間短 在一定范圍系統(tǒng)可靠性高任務(wù)的類型 周期性實(shí)時(shí)任務(wù)非周期性實(shí)時(shí)任務(wù) 用于工業(yè)過程控制 軍事實(shí)時(shí)控制 金融等領(lǐng)域 實(shí)時(shí)系統(tǒng) real timesystem 并發(fā) concurrency 共享 sharing 虛擬 virtual 異步性 asynchronism 操作系統(tǒng)的特征 在多道程序處理時(shí) 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(shí)體是可執(zhí)行文件 而動(dòng)態(tài)實(shí)體是進(jìn)程 多個(gè)事件在同一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生 操作系統(tǒng)是一個(gè)并發(fā)系統(tǒng) 各進(jìn)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 并行 parallel 是指在同一時(shí)刻發(fā)生 并發(fā) concurrency 共享 sharing 互斥共享 資源分配后到釋放前 不能被其他進(jìn)程所用 同時(shí)訪問資源分配難以達(dá)到最優(yōu)化 多個(gè)進(jìn)程共享有限的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源 操作系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配和使用 資源在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)交替被多個(gè)進(jìn)程所用 虛擬 virtual CPU 每個(gè)用戶 進(jìn)程 的 虛處理機(jī) 存儲(chǔ)器 每個(gè)進(jìn)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 virtualterminal 一個(gè)物理實(shí)體映射為若干個(gè)對(duì)應(yīng)的邏輯實(shí)體 分時(shí)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 異步性 asynchronism 進(jìn)程的運(yùn)行速度不可預(yù)知 分時(shí)系統(tǒng)中 多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行 時(shí)走時(shí)停 不可預(yù)知每個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行推進(jìn)快慢判據(jù) 無論快慢 應(yīng)該結(jié)果相同 通過進(jìn)程互斥和同步手段來保證難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài) 包括重現(xiàn)運(yùn)行中的錯(cuò)誤 也稱不確定性 指進(jìn)程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時(shí)間的不確定性 1 3操作系統(tǒng)的分類 操作系統(tǒng)分類主要討論操作系統(tǒng)的功能特征 1 3 1批處理操作系統(tǒng) 1 3 2分時(shí)操作系統(tǒng) 1 3 3實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 1 3 4網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 1 3 5分布式操作系統(tǒng) 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(tǒng) BatchProcessingOperationSystem 批處理的主要特征 用戶脫機(jī)使用計(jì)算機(jī)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(tǒng) 多道批處理操作系統(tǒng) 遠(yuǎn)程批處理系統(tǒng) 把計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源 尤其是CPU時(shí)間 進(jìn)行時(shí)間上的分割 每個(gè)時(shí)間段稱為一個(gè)時(shí)間片 timeslice 每個(gè)用戶依次輪流使用時(shí)間片 1 3 2分時(shí)操作系統(tǒng) TimeSharingOperatingSystem 分時(shí)的定義 分時(shí)系統(tǒng)的特征 多路性 多個(gè)用戶同時(shí)工作 獨(dú)立性 各用戶獨(dú)立操作 互不干擾 交互性 系統(tǒng)能及時(shí)對(duì)用戶的操作進(jìn)行響應(yīng) 顯著提高調(diào)試和修改程序的效率 縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理 提供系統(tǒng)日期和時(shí)間 定時(shí)和延時(shí)等時(shí)鐘管理功能 及時(shí)性 響應(yīng)時(shí)間的要求 多任務(wù)管理 系統(tǒng)的并發(fā)性和隨機(jī)性 高度可靠性和安全性 容錯(cuò)能力 如故障自動(dòng)復(fù)位 和冗余備份 雙機(jī) 關(guān)鍵部件 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要用于過程控制 事務(wù)處理等有實(shí)時(shí)要求的領(lǐng)域 其主要特征是實(shí)時(shí)性和可靠性 1 3 3實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) RealTimeOperatingSystem 通常操作系統(tǒng)的功能 處理機(jī)管理 存儲(chǔ)器管理 設(shè)備管理 文件管理等 網(wǎng)絡(luò)通信功能 通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行高效 可靠的數(shù)據(jù)傳輸 網(wǎng)絡(luò)資源管理 協(xié)調(diào)各用戶使用 網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 文件和設(shè)備共享 信息發(fā)布 提供網(wǎng)絡(luò)接口 1 3 4網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) NOS NetworkOperatingSystem 分布式系統(tǒng) 處理和控制的分散 相對(duì)于集中式系統(tǒng) 1 3 5分布式操作系統(tǒng) DistributedOperatingSystem 多機(jī)合作 自動(dòng)的任務(wù)分配和協(xié)調(diào) 堅(jiān)強(qiáng)性 計(jì)算機(jī)或通路發(fā)生故障時(shí) 其它部分可自動(dòng)重構(gòu)成一個(gè)新的系統(tǒng) 繼續(xù)工作 結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn) 資源管理的觀點(diǎn) 進(jìn)程的觀點(diǎn) 用戶觀點(diǎn) 1 4研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn) 操作系統(tǒng)是由一些可同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行的進(jìn)程和一個(gè)對(duì)這些進(jìn)程進(jìn)行協(xié)調(diào)的核心組成 進(jìn)程的觀點(diǎn) 進(jìn)程 任務(wù) 完成某一特定功能的程序是程序的一次執(zhí)行過程是動(dòng)態(tài)有生命的 當(dāng)它執(zhí)行時(shí)存在 否則消亡 進(jìn)程是并發(fā)程序的執(zhí)行 是獨(dú)立運(yùn)行的基本單位 是資源分配的基本單位 操作系統(tǒng) 資源管理者硬件資源 CPU 內(nèi)存 外部設(shè)備 I O設(shè)備 外存等 軟件資源 硬盤上的文件 信息 資源管理的觀點(diǎn) 操作系統(tǒng)的主要功能 處理機(jī)管理存儲(chǔ)器管理I O設(shè)備管理文件管理 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(shí)間等合理的分配資源靜態(tài)分配策略 在程序運(yùn)行前分配 但效率不高 動(dòng)態(tài)分配策略 在程序運(yùn)行過程中何時(shí)用資源 何時(shí)分配 其缺點(diǎn)是會(huì)出現(xiàn)死鎖 具體完成分配回收資源 資源管理的目的 實(shí)現(xiàn)資源共享提高資源利用率 傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)思想 a 按功能劃分成若干模塊b 規(guī)定模塊間的接口c 分別對(duì)各模塊獨(dú)立設(shè)計(jì) 研制 結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn) 模塊結(jié)構(gòu)法 缺點(diǎn) a 接口規(guī)定困難b 無序性 模塊間調(diào)用關(guān)系復(fù)雜 操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 可維護(hù)性 改錯(cuò)性維護(hù)適應(yīng)性維護(hù)完善性維護(hù)可靠性 正確性穩(wěn)健性可理解性性能 有效地使用系統(tǒng)資源 盡可能快地響應(yīng)用戶請(qǐng)求 設(shè)計(jì)思想 a 將功能按功能流圖的調(diào)用次序排成若干層b 各層之間的模塊只能單向調(diào)用 層次結(jié)構(gòu)法 有序分層法 優(yōu)點(diǎn) a 無序改為有序 減少設(shè)計(jì)的返工現(xiàn)象b 提高系統(tǒng)的可讀性 可適應(yīng)性 可靠性 方便系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù) 全序的層次關(guān)系 同層模塊間不存在相互調(diào)用 半序的層次關(guān)系 同層模塊間可以相互調(diào)用 命令接口程序級(jí)接口 用戶觀點(diǎn) 本章的重要概念及相關(guān)要求 了解操作系統(tǒng)發(fā)展史 了解操作系統(tǒng)分類 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)