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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 計算機操作系統(tǒng) 西安電子科技大學(xué)出版社 1996張堯?qū)W史美林 計算機操作系統(tǒng)教程 清華大學(xué)出版社周長林左萬歷 計算機操作系統(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 基本原理和實現(xiàn)技術(shù) 加深對計算機運行環(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 存儲管理 設(shè)備管理和文件管理的功能 原理與實現(xiàn)的基本思想 初步體會具體操作系統(tǒng)在這些方面的工作機制 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 第一章引論 計算機系統(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)在計算機系統(tǒng)中的地位 有效性 系統(tǒng)管理人員的觀點 方便性 用戶的觀點 引入操作系統(tǒng)的目標(biāo) OS是計算機硬件 軟件資源的管理者 管理的對象 CPU 存儲器 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 在裸機上添加 設(shè)備管理 文件管理 存儲管理 針對內(nèi)存和外存 處理機管理 針對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 系統(tǒng)軟件 程序模塊的集合 資源管理和用戶接口功能 OS是擴展機 extendedmachine 虛擬機 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 分時系統(tǒng) time sharingsystem 實時系統(tǒng) real timesystem 工作方式用戶 用戶既是程序員 又是操作員 用戶是計算機專業(yè)人員 編程語言 為機器語言 輸入輸出 紙帶或卡片 1946 58年 電子管 集中計算 計算中心 計算機資源昂貴 手工操作 主要矛盾計算機處理能力的提高 手工操作的低效率 造成浪費 用戶獨占全機的所有資源 提高效率的途徑專門的操作員 批處理 工作特點用戶獨占全機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 利用磁帶把若干個作業(yè)分類編成作業(yè)執(zhí)行序列 每個批作業(yè)由一個專門的監(jiān)督程序 Monitor 自動依次處理 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)機批處理 早期 解決人機矛盾 用戶提交作業(yè)操作員合成批作業(yè)批作業(yè)處理 對批作業(yè)中的每個作業(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來完成 輸入輸出時 CPU處于等待狀態(tài) 優(yōu)點 同一批內(nèi)各作業(yè)的自動依次更替 改善了主機CPU和I O設(shè)備的使用效率 提高了吞吐量 缺點 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)星機完成輸入輸出功能 主機與衛(wèi)星機可并行工作 兩種批處理方式 2 脫機批處理 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)存僅放一道運行程序?qū)τ嬎銥橹鞯淖鳂I(yè) 外設(shè)空閑 對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 啟動后可獨立于CPU運行 實現(xiàn)CPU與I O的并行 中斷是指CPU在收到外部中斷信號后 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繼續(xù)工作 引進(jìn)緩沖技術(shù) 減少cpu和外設(shè)的等待時間 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)運行特征多道 內(nèi)存中同時存放幾個作業(yè) 宏觀上并行運行 都處于運行狀態(tài) 但都未運行完 微觀上串行運行 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 隨機存取 作業(yè)管理 處理機管理 存儲管理 設(shè)備管理 文件系統(tǒng)管理 filesystem 假脫機批處理使用多道程序設(shè)計技術(shù)和通道技術(shù) 由輸入和輸出進(jìn)程實現(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)機方式下實現(xiàn)脫機批處理操作 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)對系統(tǒng)資源的需求差異得到的 例如 有3個作業(yè)A B C 分別為計算 檢索和打印作業(yè) 單道運行時間分別為5分 15分和10分鐘 它們可并行在15分鐘內(nèi)完成3個作業(yè) 各資源的利用效率為 多道批處理系統(tǒng)的特點 優(yōu)點 資源利用率高 CPU和內(nèi)存利用率較高 作業(yè)吞吐量大 單位時間內(nèi)完成的工作總量大 缺點 用戶交互性差 不利于調(diào)試和修改 作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時間長 短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間顯著增長 分時 的含義分時是指多個用戶分享使用同一臺計算機 多個程序分時共享硬件和軟件資源 多個用戶分時通常按時間片 timeslice 分配 各個程序在CPU上執(zhí)行的輪換時間 設(shè)計目標(biāo) 對用戶的請求及時響應(yīng) 并在可能條件下盡量提高系統(tǒng)資源的利用率 適合辦公自動化 教學(xué)及事務(wù)處理等要求人機會話的場合 70年代中期至今 分時系統(tǒng) time sharingsystem 主機 終端 分時系統(tǒng)示意圖 分時操作系統(tǒng)特點 多路性交互性 獨占 性及時性 同時有多個用戶使用一臺計算機宏觀上 是多個人同時使用一個CPU微觀上 多個人在不同時刻輪流使用CPU 用戶根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)一步提出新請求 用戶直接干預(yù)每一步 用戶感覺不到計算機為其他人服務(wù) OS提供虛機器 各個用戶的虛機器互不干擾 系統(tǒng)對用戶提出的請求及時響應(yīng) 要求 響應(yīng)時間短 在一定范圍系統(tǒng)可靠性高任務(wù)的類型 周期性實時任務(wù)非周期性實時任務(wù) 用于工業(yè)過程控制 軍事實時控制 金融等領(lǐng)域 實時系統(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 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(jìn)程 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(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 同時訪問資源分配難以達(dá)到最優(yōu)化 多個進(jìn)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(jìn)行合理分配和使用 資源在一個時間段內(nèi)交替被多個進(jìn)程所用 虛擬 virtual CPU 每個用戶 進(jìn)程 的 虛處理機 存儲器 每個進(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 異步性 asynchronism 進(jìn)程的運行速度不可預(yù)知 分時系統(tǒng)中 多個進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行 時走時停 不可預(yù)知每個進(jìn)程的運行推進(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)在某個時刻的狀態(tài) 包括重現(xiàn)運行中的錯誤 也稱不確定性 指進(jìn)程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時間的不確定性 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分時操作系統(tǒng) 1 3 3實時操作系統(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 用戶脫機使用計算機作業(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) 把計算機的系統(tǒng)資源 尤其是CPU時間 進(jìn)行時間上的分割 每個時間段稱為一個時間片 timeslice 每個用戶依次輪流使用時間片 1 3 2分時操作系統(tǒng) TimeSharingOperatingSystem 分時的定義 分時系統(tǒng)的特征 多路性 多個用戶同時工作 獨立性 各用戶獨立操作 互不干擾 交互性 系統(tǒng)能及時對用戶的操作進(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)時間 實時系統(tǒng)的特征實時時鐘管理 提供系統(tǒng)日期和時間 定時和延時等時鐘管理功能 及時性 響應(yīng)時間的要求 多任務(wù)管理 系統(tǒng)的并發(fā)性和隨機性 高度可靠性和安全性 容錯能力 如故障自動復(fù)位 和冗余備份 雙機 關(guān)鍵部件 實時操作系統(tǒng)主要用于過程控制 事務(wù)處理等有實時要求的領(lǐng)域 其主要特征是實時性和可靠性 1 3 3實時操作系統(tǒng) RealTimeOperatingSystem 通常操作系統(tǒng)的功能 處理機管理 存儲器管理 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 相對于集中式系統(tǒng) 1 3 5分布式操作系統(tǒng) DistributedOperatingSystem 多機合作 自動的任務(wù)分配和協(xié)調(diào) 堅強性 計算機或通路發(fā)生故障時 其它部分可自動重構(gòu)成一個新的系統(tǒng) 繼續(xù)工作 結(jié)構(gòu)的觀點 資源管理的觀點 進(jìn)程的觀點 用戶觀點 1 4研究操作系統(tǒng)的幾種觀點 操作系統(tǒng)是由一些可同時獨立運行的進(jìn)程和一個對這些進(jìn)程進(jìn)行協(xié)調(diào)的核心組成 進(jìn)程的觀點 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)行過程是動態(tài)有生命的 當(dāng)它執(zhí)行時存在 否則消亡 進(jìn)程是并發(fā)程序的執(zhí)行 是獨立運行的基本單位 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 操作系統(tǒng)的主要功能 處理機管理存儲器管理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 使用多長時間等合理的分配資源靜態(tài)分配策略 在程序運行前分配 但效率不高 動態(tài)分配策略 在程序運行過程中何時用資源 何時分配 其缺點是會出現(xiàn)死鎖 具體完成分配回收資源 資源管理的目的 實現(xiàn)資源共享提高資源利用率 傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)設(shè)計方法 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法設(shè)計思想 a 按功能劃分成若干模塊b 規(guī)定模塊間的接口c 分別對各模塊獨立設(shè)計 研制 結(jié)構(gòu)的觀點 模塊結(jié)構(gòu)法 缺點 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)計原則 可維護(hù)性 改錯性維護(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)用戶請求 設(shè)計思想 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 a 無序改為有序 減少設(shè)計的返工現(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 命令接口程序級接口 用戶觀點 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