操作系统引论课件

计算机操作系统主讲教师：李莉操作系统引论课程主要内容课程主要内容操作系统引论（1章）进程管理（2-3章）存储管理（4章）设备管理（5章）文件管理（6章）操作系统接口（7章）系统安全性（9章）*分布式操作系统操作系统引论本课程的安排n理论理论（56学时）n52学时的理论教学；n2-4学时的复习课。n*实验实验（20学时）（可选）n模拟进程的并发执行；（用C语言、JAVA均可）；n模拟生产者与消费者问题；n模拟先来先服务或优先数调度算法；操作系统引论参考书：参考书：n计算机操作系统计算机操作系统 汤子瀛等汤子瀛等 西安电子科技大学出西安电子科技大学出版社版社n操作系统原理操作系统原理DOS篇篇 张昆苍张昆苍 清华大学出版社清华大学出版社n计算机操作系统教程计算机操作系统教程 张尧学等张尧学等 清华大学出版社清华大学出版社nOPERATING SYSTEM Design and Implementation Andrew S.Tanenbaum等等 清华大学出版社清华大学出版社操作系统引论最后成绩评定最后成绩评定1、平时作业、平时作业 10%缺缺1次作业扣次作业扣2分。分。2、实验、实验 10%提交实验报告和代码。提交实验报告和代码。3、平时表现、平时表现 10%旷课旷课(含实验课含实验课)一次扣一次扣2分分，迟到迟到(早退早退)两次为一次两次为一次旷课。旷课。4、期未考试、期未考试 70%操作系统引论第第1 1章章 操作系统引论操作系统引论n操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用n操作系统的发展过程操作系统的发展过程n操作系统的基本特征操作系统的基本特征n操作系统的主要功能操作系统的主要功能n操作系统的结构设计操作系统的结构设计n本章作业本章作业操作系统引论1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用OS引论 一、一、操作系统目的操作系统目的/目标目标 二、二、计算机系统组成计算机系统组成 三、三、操作系统的作用操作系统的作用 返回目录返回目录操作系统引论二、计算机系统组成二、计算机系统组成操作系统的地位操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）他软件的共同环境）虚机器1.1OS引论操作系统引论一、一、操作系统目的操作系统目的/目标目标执行用户程序并使用户问题更易解决。执行用户程序并使用户问题更易解决。使计算机系统更易于使用（使计算机系统更易于使用（方便性方便性）。）。以一种效率的方式使用资源（以一种效率的方式使用资源（有效性有效性）.采用模块化结构采用模块化结构,易于增、删、改易于增、删、改（可扩充）。（可扩充）。要求统一开放的环境，能通过网络集成化并正确、要求统一开放的环境，能通过网络集成化并正确、有效地协同工作，实现应用程序的移植（有效地协同工作，实现应用程序的移植（开放性）开放性）1.1OS引论操作系统引论三、操作系统的作用三、操作系统的作用 nOs作为用户与计算机硬件系统之间的接作为用户与计算机硬件系统之间的接口。口。nOS作为计算机系统资源的管理者。作为计算机系统资源的管理者。nOS用作扩充机器用作扩充机器 1.1OS引论操作系统引论1.3 1.3 操作系统的基本特征操作系统的基本特征n并发并发(concurrence)n共享共享(sharing)n虚拟虚拟(virtual)n异步性异步性(asynchronism)返回目录返回目录操作系统引论并发并发(concurrence)(concurrence)P并并发发：指在计算机系统中同时存在着多道运行的程序（进程）宏观上：多道程序同时在执行 微观上：任何时刻只有一道程序在执行，即微观上多道程序在CPU上轮流（交替）执行（单机）P并并行行(parallel)：与并发相似，指多道程序在同一时刻执行，但需多个硬件支持。注注：1、并发执行能有效改善系统资源的利用率，但使系统复杂化，因此操作系统必须对并发活动进行控制和管理。2、并发是操作系统最重要的特征，其它特征均以并发为前提。特征操作系统引论共享共享(sharing)(sharing)F并发和共享是操作系统的两个最基本的特征并发和共享是操作系统的两个最基本的特征,二二者互为存在条件：者互为存在条件：资源的共享是以程序的并发执行为条件。资源的共享是以程序的并发执行为条件。程序的并发执行也以资源的共享为条件。程序的并发执行也以资源的共享为条件。P指系统中的资源不再为某道程序所独占，而 是供多道程序共同使用。资源共享方式：互斥共享式、同时访问式特征操作系统引论虚拟虚拟(virtual)(virtual)H把一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体分时或分空间。H虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。如：虚拟处理机、虚拟存储器、虚拟设备特征操作系统引论异步性异步性(asynchronism)(asynchronism)S也称不确定性，指进程在执行中，其执行时间、顺序、向前推进的速度和完成的时间等都是不可预知的。特征操作系统引论1.4 1.4 操作系统的功能操作系统的功能处理机管理存储器管理设备管理文件管理用户接口返回目录返回目录操作系统引论一、处理机管理的功能一、处理机管理的功能n处理机管理的主要任务处理机管理的主要任务：n是对处理机进行分配分配n对处理机运行进行有效的控制和管理运行进行有效的控制和管理注：注：处理机的分配和运行以进程为基本单位，因此对处理机的管理可归结为对进程的管理n处理机管理的功能处理机管理的功能n进程控制n进程同步n进程通信n调度功能操作系统引论二、存储器管理的功能二、存储器管理的功能n主要任务主要任务n为多道程序的运行提供良好的环境n方便用户使用存储器n提高存储器的利用率n从逻辑上扩充内存n功能功能n内存分配n内存保护n地址映射n内存扩充功能操作系统引论三、设备管理的功能三、设备管理的功能n主要任务主要任务n完成用户提出的I/O请求n为用户分配I/O设备n提高I/O设备的利用率及速度n方便用户使用I/O设备n功能功能n缓冲管理n设备分配n设备处理n虚拟设备功能操作系统引论四、文件管理的功能四、文件管理的功能n主要任务主要任务n对用户文件和系统文件进行管理n方便用户使用文件n保证文件的安全性n功能功能n文件存储空间的管理n目录管理n文件的读、写管理n文件的共享与保护功能操作系统引论五、用户接口管理的功能五、用户接口管理的功能n主要任务主要任务n方便用户使用操作系统方便用户使用操作系统n功能功能n命令接口命令接口n程序接口（系统调用）程序接口（系统调用）n图形接口图形接口功能操作系统引论1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统n 人工操作方式n 脱机输入输出方式批处理系统n单道批处理系统n多道批处理系统分时系统实时系统微机操作系统多处理机操作系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统智能卡操作系统推动操作系统发展的主要动力 返回目录返回目录操作系统引论1.2.1 1.2.1 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力q不断提高计算机资源利用率的需要不断提高计算机资源利用率的需要q 方便用户方便用户q 器件的不断更新换代器件的不断更新换代q 计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展返回返回操作系统引论（1 1）人工操作方式）人工操作方式工作流程：（1）由程序员事先穿孔（对应程序和数据）（2）将穿孔的纸带（卡片）装入纸带（卡片)输入机（3）再启动输入机将程序和数据输入计算机，（4）然后启动计算机运行。（5）运行完毕取走计算机结果。（6）下一位用户OS-Introduction操作系统引论人工操作方式带来的矛盾及解决方法人工操作方式带来的矛盾及解决方法n缺点：（1）用户独占全机（资源浪费）（2）CPU等待人工操作：装入时、取走时CPU及内存等资源是空闲。CPU即负责计算，又要负责传输。（即属于单控制方式）n矛盾n人机矛盾即人工操作方式与机器利用率的矛盾nCPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾n解决方法n通道技术、缓冲技术n脱机输入输出方式返回返回操作系统引论（2 2）脱机输入）脱机输入/输出方式输出方式(off-Line I/O(off-Line I/O）n工作流程：（示意图)n优点：（1）减少了CPU的空闲时间。（2）提高了I/O速度（与高速的磁盘打交道）输入设备外围机外存输出设备主机外存外存外存外围机OS-Introduction高速高速返回返回操作系统引论1.2.3 1.2.3 单道批处理系统单道批处理系统1、工作流程、工作流程：（1）作业作业合成一批输入到外存上，同时在系统中配上监控程序。合成一批输入到外存上，同时在系统中配上监控程序。（2）monitor将作业逐个送入内存并运行。将作业逐个送入内存并运行。2、特征：、特征：（1）自动性）自动性 （2）顺序性）顺序性 （3）单道性）单道性3、优点：、优点：减少了人工操作的时间，提高机器的利用率和系统吞吐量。减少了人工操作的时间，提高机器的利用率和系统吞吐量。4、缺缺点点：对对某某些些作作业业来来说说，当当它它发发出出输输入入/输输出出请请求求后后，CPU必必须须等等待待I/O的的完完成成，特特别别因因为为I/O设设备备的的低低速速性性，从从而而使使机机器器的的利利用用率率很低。很低。OS-Introduction用户在一次解题或一个事务处理过程中要求计算机系统所做的全部工作。返回返回操作系统引论1.2.4 1.2.4 多道批处理系统多道批处理系统n特征：特征：（1 1）调度性）调度性 （2 2）无序性）无序性 （3 3）多道性）多道性n优点：优点：（1 1）资源的利用率高）资源的利用率高 （2 2）系统吞吐量大）系统吞吐量大n缺点：缺点：（1 1）平均周转周期长）平均周转周期长 （2 2）无交互能力）无交互能力n需解决问题需解决问题 处理机管理、内存管理、处理机管理、内存管理、I/OI/O设备管理、文件及作业管理问题设备管理、文件及作业管理问题n操作系统的形成操作系统的形成 为解决上述问题，在多道程序系统中增设一组软件以有为解决上述问题，在多道程序系统中增设一组软件以有效加以解决，同时增设方便用户使用计算机的软件，这样便效加以解决，同时增设方便用户使用计算机的软件，这样便形成了操作系统。形成了操作系统。操作系统：操作系统：是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地组织计算工作流程，以及方便用户使用的程序集合。组织计算工作流程，以及方便用户使用的程序集合。OS-Introduction操作系统引论卡片卡片早期批处理系统早期批处理系统IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带输入磁带磁带机磁带机卡卡片片阅阅读读机机输出磁带输出磁带打打印印机机OS-Introduction操作系统引论批处理操作系统优缺点批处理操作系统优缺点l优点：l作业流程自动化;l效率高l吞吐量高l缺点：l无交互手段l调试程序困难返回返回操作系统引论三、分时系统三、分时系统OS-Introductionn见图n实现方法实现方法 单道分时、前台和后台及多道分时n分时系统的特征分时系统的特征 人机交互性好人机交互性好 共享主机（多路性、同时性）共享主机（多路性、同时性）用户独立性用户独立性 *及时性及时性返回返回操作系统引论主机主机终终端端返回返回操作系统引论四、实时系统四、实时系统n实时操作系统：实时操作系统：指系统能及时（或即时）响应外部事件的请求，并控制所有实时任务协调一致地运行。n应用领域应用领域:过程控制及事务处理n实时系统分类：实时系统分类：（1）实时控制系统 （2）实时信息处理系统实时操作系统的主要特征：实时操作系统的主要特征：实时性和可靠性；多路性、独立性、交互性OS-Introduction操作系统引论三种基本的操作系统三种基本的操作系统n三种基本的操作系统三种基本的操作系统 批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统n通用操作系统通用操作系统n如果一个操作系统兼有批处理、分时如果一个操作系统兼有批处理、分时和实时系统三者或二者的功能和实时系统三者或二者的功能，则，则称该操作系统为通过操作系统。称该操作系统为通过操作系统。返回返回操作系统引论五、微机操作系统五、微机操作系统n微机操作系统的特征微机操作系统的特征n应用领域应用领域：事务处理、个人娱乐事务处理、个人娱乐，n系统要求系统要求：使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信）、效率不必很高。设备、网络、远程通信）、效率不必很高。n常用的微机操作系统常用的微机操作系统n单用户单任务：单用户单任务：CP/MCP/M，MS-DOSMS-DOSn单用户多任务：单用户多任务：OS/2,Windows OS/2,Windows n多用户多任务：多用户多任务：UNIX,Solaris x86,LinuxUNIX,Solaris x86,Linux。OS-Introduction返回返回操作系统引论六、多处理机操作系统六、多处理机操作系统n多处理机系统引入原因n增加系统的吞吐量n节省投资n提高系统的可靠性n多处理机系统的类型n紧密耦合MPSn松散耦合MPSn多处理机操作系统的类型n非对称多处理模式n对称多处理模式OS-Introduction并行系统并行系统返回返回操作系统引论七、网络操作系统七、网络操作系统n计算机网络的类型n网络OS的模式n客户/服务器模式n对等模式n网络OS的功能通信、资源管理、网络服务、网络管理、互操作能力OS-Introduction返回返回操作系统引论并行系统并行系统n并行系统并行系统：多于一个CPU的多处理机系统。n并行系统的优点并行系统的优点n增大吞吐量增大吞吐量：能在更短的时间内完成更多的工作。n经济经济：共享许多设备（内存，总线等）n提高可靠性提高可靠性：当一个CPU出故障时，会将部分工作分给其它CPU，从而不会使整个系统停机，只是降低了速度而已。OS-Introduction多处理系统操作系统引论八、分布式操作系统八、分布式操作系统n分布式系统分布式系统：能将任务处理和控制进行分散/分布的系统（相对于集中式）。n分布式系统的两种环境分布式系统的两种环境：多处理系统；多计算机系统。l分布式分布式OSOS与网络与网络OSOS的比较的比较 1.分布性 2.并行性 3.透明性 4.共享性 5.键壮性 分布式系统基本特征分布式系统基本特征:处理上的分布处理上的分布，即功能和任务的分布。返回返回操作系统引论嵌入式操作系统嵌入式操作系统(Embedded OS(Embedded OS）的应用）的应用智能卡智能卡移动通信移动通信计算机外设计算机外设机顶盒机顶盒零售设备零售设备印刷机印刷机复印机复印机互联网服务器互联网服务器电话交换设备电话交换设备操作系统引论1.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计操作系统的结构设计经历了以下几代：操作系统的结构设计经历了以下几代：n传统的操作系统结构传统的操作系统结构n无结构操作系统无结构操作系统n模块化模块化OSOS结构结构n分层式分层式OSOS结构结构n现代操作系统结构现代操作系统结构n微内核的微内核的OSOS结构结构返回目录返回目录操作系统引论无结构操作系统无结构操作系统nOS是由众多的过程直接构成，各过程之间可相互调用，但OS内容不存在任何结构，所以这种OS是无结构的，又称为整体系统结构。n缺点：既宠大又杂乱，缺乏清晰的程序结构；程序错误多，调试难、阅读难、理解难、维护难。返回返回操作系统引论模块化操作系统结构模块化操作系统结构nOS是采用“模块化程序设计”技术，按其功能划分为若干个独立的模块，管理相应的功能，同时规定好各模块之间的接口，以实现其交互，对较大模块又可按子功能进一步细分下去。所以这种OS称为模块化OS结构。n优点n 提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性n增强了OS的可适用性n加速了OS的开发过程n缺点：n模块及接口划分较困难n未区别共享资源和独占资源n由于管理的差异，使OS结构变得不够清晰nLinux（多用户、多任务OS）返回返回操作系统引论分层式操作系统结构分层式操作系统结构n分层式分层式OS结构是对模块化结构的一种改进，它按分层式结结构是对模块化结构的一种改进，它按分层式结构设计的基本原则，将构设计的基本原则，将OS 划分为若干个层次，每一层都划分为若干个层次，每一层都只能使用其底层所提供的功能和服务，从硬件开始，在其只能使用其底层所提供的功能和服务，从硬件开始，在其上面一层一层地自底向上增添相应功能的软件，这种上面一层一层地自底向上增添相应功能的软件，这种OS结结构称为分层式构称为分层式OS结构。结构。n特点：特点：n每一步设计都建立在可靠的基础上，结构更清晰每一步设计都建立在可靠的基础上，结构更清晰n调试和验证更容易，正确性更高调试和验证更容易，正确性更高返回返回操作系统引论微内核的微内核的OSOS结构结构n微内核技术的主要思想微内核技术的主要思想 在在OS内核中只留下一些最基本的功能，而将其他服务内核中只留下一些最基本的功能，而将其他服务分离出去，由工作在用户态下的进程来实现，形成所谓分离出去，由工作在用户态下的进程来实现，形成所谓“客户客户/服务器服务器”模式。客户进程可通过内核向服务器进程发模式。客户进程可通过内核向服务器进程发送请求，以取送请求，以取OS的服务。的服务。n微内核微内核 精心设计的，能实现现代精心设计的，能实现现代OS核心功能的小型内核，它小核心功能的小型内核，它小而精炼，运行在核心态下，开机后常驻内存，不会因内存而精炼，运行在核心态下，开机后常驻内存，不会因内存紧张而换出，它为构建通用紧张而换出，它为构建通用OS提供了一个重要基础。提供了一个重要基础。操作系统引论n微内核的基本功能微内核的基本功能n进程管理进程管理n存储器管理存储器管理n进程通信管理进程通信管理nI/O设备管理设备管理n特点特点n小而精练小而精练n系统的灵活性和可扩充性好系统的灵活性和可扩充性好n系统的可靠性高系统的可靠性高n适用于分布式系统适用于分布式系统nwindows 2000/XP、UNIX、嵌入式OS返回返回操作系统引论吞吐量：吞吐量：单位时间(1小时)内系统所处理的作业个数。周转时间：周转时间：从作业进入系统到作业完成退出系统所用的时间。平均周转时间：平均周转时间：同时参与系统运行的几个作业的周转时间的平均值。补充几个概念操作系统引论 虚拟机虚拟机 裸机:没有任何的软机支持的计算机。它仅仅构成了计算机系统的物质基础。它的硬件功能即使很强，但它往往是不方便于用户使用的，功能上相对来说也是有局限性的。而软件软件是在硬件基础之上对硬件的性能加以扩充和完善。因而一个裸机在每加上去一层软件后，就变成了一个功能更强的机器，我们通常把这“新的更强功能的机器”称之为“虚拟机虚拟机”。操作系统引论n打开一个打开一个word处理程序，处理程序，OS需要作需要作什么？什么？n系统需要为系统需要为word处理程序进行存储资处理程序进行存储资源的分配源的分配n进程的管理将结果输出到外进程的管理将结果输出到外部设备部设备操作系统引论n要拷贝一个文件，具体的拷贝操作是谁完成的？n你需要知道文件存放在何处吗你需要知道文件存放在何处吗？n柱面、磁道、扇区描述什么？柱面、磁道、扇区描述什么？n数据的搬动过程怎样进行数据的搬动过程怎样进行操作系统引论n标准I/On中断处理n错误处理操作系统的三大技术：操作系统的三大技术：操作系统引论操作系统繁琐留给自己，简单留给用户穿上华丽的外衣图形界面穿上朴素的外衣字符界面操作系统引论 有两道程序A、B，按下图以多道程序方式运行，要求在右图画出它们的运行轨迹，并计算在60ms内，CPU的利用率，假设起始时首先运行B，并允许忽略监督程序切换A、B的时间。课堂练习：课堂练习：操作系统引论运行15msI/O 20ms运行10msI/O 10msABBAI/OI/O10ms60mstBA操作系统引论解：解：BAI/OI/O1060t20304050253545操作系统引论若在单道程序系统中，没有任何并行情况存在，在任一特定时刻只有CPU或某一个设备在工作。操作系统引论作业：作业：P33 1、2、12、13、23操作系统引论第一讲要达到的目标n明确本课整体安排n观念的转变：从操作系统的使用者到操作系统的开发者n了解操作系统的基本类型n掌握操作系统概念操作系统引论UNIXUNIX系统的发展系统的发展nUNIX系统是美国贝尔实验室的两名程序员K.Thompson和D.M.Ritchie为PDP-7机器所设计和实现的一个分时操作系统。n最初采用汇编语言编写，后采用了C语言，并先后形成了第3、4、5、6、7版、UNIX System v2.0(UNIX SVR 2)、UNIX SVR 3、UNIX SVR 4、UNIX SVR 4.2版本以及BSD UNIX版本系列。nUNIX是目前世界上最成功、最流行的OS之一。nUNIX操作系统发展历程图（下页）操作系统引论SVR4 1989IBMAIXSun Solaris第10版1988System III 1982System v 1983SvR2 1984SVR3 19871 BSD 19772 BSD 19783 BSD 19784.0 BSD 19794.3 BSD 19864.4 BSD 1992第1版1969年第5版1973第6版1976第7版1978第8版1982第9版1986Bell LabsUNIX版本发展历史返回返回操作系统引论本章作业本章作业第33页（第1章习题）第2、3、12、13题返回目录返回目录操作系统引论