第一章—A 操作系统引论

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,计算机操作系统,（,Computer Operating System,）,九江学院信息科学与技术学院,张攀东,E-mail,：,xcsabc0668,课程说明,学习目的,：学习操作系统的基本原理和基本概念， 掌握操作系统的基本管理功能，加深对计算机系统的理解和提高软件开发水平；,课程地位,：基础核心课；承上启下；,学习方法,：以问题驱动学习、理论联系实际；,课堂要求,：遵守课堂纪律，,“,预习,+,课堂学习,+,复习,”,，按时按量完成作业。,课程内容,操作系统引论,进程管理,处理机调度与死锁,存储管理,设备管理,文件管理,操作系统接口,网络操作系统,UNIX,系统结构,1. OS,引论（,I,ntroduction,）,1.1,操作系统的目标和作用,1.2,操作系统的发展过程,1.3,操作系统的基本特性,1.4,操作系统的主要功能,1.5 OS,结构设计,存储程序式计算机结构与特点,冯,诺依曼,(Von Neumann),于,1946,年提出存储程序概念,:,要一个运算器处理；,-,执行指定的操作,要一个控制器；,-,实现自动操作,计算机能自动地计算；,-,存储器存储程序和数据,输入,/,输出部件；,-,输入原始数据和输出结果,主要特点是,存储程序、程序控制。,计算机系统的组成,计算机系统,软件系统,硬件系统,工具软件,应用软件,系统软件,CPU,Memory,I/O,计算机系统的组成,计算机系统的组成（续）,计算机系统的四个层次,1.1,操作系统的目标和作用,操作系统的目标：,1,）有效性：,充分利用系统资源；,2,）方便性：,计算机系统更容易使用；,3,）可扩充性：,便于功能的增加和修改；,4,）开放性：,程序的可移植和互操作性。,1.2,操作系统的目标和作用,操作系统的作用：,计算机硬件,系统调用 命令 图形、窗口,操作系统,应用程序,用 户,1,）用户与计算机硬件系统之间的接口,提供良好的界面；方便使用；,操作系统提供了三种方式来使用计算机：,（,1,）命令方式；（,2,）系统调用方式,;,(3),图形、窗口方式。,1.1.2,操作系统的作用,1.1.2,操作系统的作用,2,）计算机资源的管理者,合理组织工作流程；,管理和分配系统资源（软、硬）；,资源共享；,3,） 对资源的抽象,(,扩充机器,),硬 件,物理接口,用户,用户,硬 件,物理接口,I/O,软件,I/O,操作命令,（,Read,Write),裸机；,软件虚拟机；,操作系统虚拟机,(,多次扩充,),。,软件：语言处理程序 虚拟机,2,软件：操作系统 虚拟机,1,硬件（裸机）,虚拟机,：二者结合变成了功能更强大、使用更方便 的机器,固件,：为了改善系统的性能，将操作系统中与硬件密切有关的部分软件，通过微程序设计技术转化为硬件，也就是通常所说的固化，这些具有软件功能的硬件称为固件。,总结：,5,、从发展观点看：,1,、从用户的观点看：,操作系统是用户和计算机之间的接口。,2,、从资源管理的观点看：,它是管理和控制计算机系统资源的管理软件。,3,、从进程的观点看：,它是合理组织计算机工作流程的大型软件。,4,、从软件分层、扩充机器的观点看：,OS,是扩充裸机的第一层系统软件，它是由若干层次、按照一定结构形式组成的有机体。,OS,是为了给计算机系统功能扩展提供支撑平台，使之在追加新的服务和功能时更加容易和不影响原有的服务和功能。,什么是操作系统？,定义：,操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。,理解：,.,是系统软件，由一整套程序组成,.,基本职能是控制和管理系统内各种,资源，有效的组织多道程序运行,.,提供众多服务方便用户使用，扩充,硬件功能,即：管理者、组织者、服务者,操作系统举例,MS OS:,MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 9X, Windows NT, Windows 2000/XP, Windows Vista,Win7,UNIX:,BSD, SRV4, OSF1, SCO UNIX, AIX, Solaris,Linux,NOS:,Novell Netware,1.1.3,推动操作系统发展的主要动力,不断提高计算机资源的利用率,方便用户,器件的不断更新换代,计算机体系结构的不断发展,1.2,操作系统的发展过程,计算机的发展过程,（按元器件）,第一代：电子管时代，无,第二代：晶体管时代，批处理系统,第三代：集成电路时代，多道程序设计,第四代：大规模和超大规模集成电路，,分时系统,操作系统的形成与发展,人工（无）操作阶段,批处理阶段,多道程序系统,分时系统,实时系统,通用操作系统,微机操作系统,网络操作系统,分布式操作系统,1.,人工操作阶段（无操作系统）,上机过程：,程序纸带（或卡片）装上输入机，启动输入机把程序和数据送入计算机,通过控制台开关，启动程序运行监视和控制它的执行打印机输出计算结果，卸下纸带,人工干预,计算机运行的高速度与手工操作的慢速度之间的矛盾。,缺点：,作业不能自动转换,用户独占机器,CPU,等待人工操作（人,机矛盾）,为了缩短作业的建立时间,减少错误操作尽可能地提高,CPU,的利用率,采取了两个措施,:,1.,配备专门的操作员,2.,批处理,(,联机批处理、 脱机批处理,),联机批处理,:,用户上机前,需向操作员提交程序、数据和一个作业说明书,提供用户标识、用户想使用的编译程序以及所需的系统资源等基本信息,.,2.,早期批处理,脱机批处理模型,脱机批处理原理：,在主机之外另设一台卫星机（外围计算机），它负责工作而主机专门完成计算任务。,纸带机,卡片机,打印机,卫星机,主机,输入带,输出带,批处理阶段,早期批处理系统,联机批处理：解决了作业自动转换；,脱机批处理：使,I/O,操作和主机分离；,解决人,-,机矛盾以及高速,CPU,和低速,I/O,设备的矛盾,由主机和卫星机组成。卫星机又称外围计算机，不与主机直接连接，只与外部设备打交道,。,主机与卫星机可以并行操作，二者分工明确，可以充分发挥主机的高速计算能力。,批处理系统解决了人,机矛盾以及高速,CPU,和低速,I/O,设备的矛盾。它的出现促进了软件的发展，最重要的是产生了起管理作用的监督程序。,优点,:,减少了,CPU,的空闲时间；,提高了,I/O,速度；,实现了作业的自动过渡,缺点,:,磁带需人工拆卸；系统的保护问题,;,3.,单道批处理系统,单道批处理系统,:,系统每次中调用一个用户作业程序进入主存并运行。,用户程序,计算,监督程序,请求,输入,I/O,操作,启动,I/O,结束中断,I/O,完成,继续计算,单道程序工作示例,还有下一个作业？,把下一个作业的源程,序转换为目标程序,源程序有错吗？,装配目标程序,运行目标程序,开始,是,否,停止,是,否,图,1-4,单道批处理系统的处理流程,单道批处理的特征,特征：,1),自动性,：无需人工干预,2),顺序性,：,按进入磁带的顺序进入内存,3),单道性,：,内存中仅存一个作业运行,缺点：,1,）,系统没有任何保护自己的措施,；,2,）程序进入死循环必须要程序员干预,。,作业,(Job),要求计算机系统按指定步骤对初始数据进行处理并得到结果的一系列工作的集合。,4.,多道批处理系统,多道程序设计的概念,单道程序工作：,指计算机主存中只存一个作业，辅存中存放多个作业,多道程序工作：,在辅存中存有大量作业，并将这些作业按一定要求排成队列，从这些作业队列中，选出几个作业进入主存多道运行,单道与多道程序工作示意,中断请求,中断,中断,（,Interrupts,）,：,是指,CPU,对系统中发生的,异步事件,的响应。中断的含义是当这些,异步事件发生后,，打断了处理机对当前程序的执行，而,转去处理该异步事件,，即执行该事件的中断处理程序，直到处理完了之后，再转向原程序的中断点执行。,中断一般可分为,硬件中断和软件中断,二大类,。,硬件中断,又可分为,硬件故障中断,例如：电源故障、从内存取指令错、取数据错,输入输出中断,当外部设备或通道操作正常结束或发生某种错误时发生的中断。例如：设备出错、传输结束,外部中断,对某台中央处理机而言，它的外部非通道式装置所引起的中断称为外部中断。例如：时钟中断、操作员控制台中断。,2,、分级,即：根据,中断源,来确定中断执行的优先级。也就是当有多个中断源同时发出中断请求时先执行哪个中断。,中断的优先选择由,硬件,来实现的，在计算机中设置了若干个中断级，从大到小给每个中断级,编号,。对每个优先级分配的原则，一般是对,紧急的、重要的、较频繁发生的,中断源,分配较高的中断优先级,。,中断处理过程,图,1-5,单道和多道程序运行情况,多道程序系统,多道程序系统,：指允许多个相互独立的程序同时存在于主存中，而且同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，各道程序轮流占用处理机，交替运行。,多道批处理的,运行特征：,多道：内存中同时存放几个作业；,宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；,微观上串行运行：各作业交替使用,CPU,；,在当前运行的作业需作,I/O,处理时，,CPU,转而执行另一个作业。（,I/O,完成后是否立刻恢复执行？）,多道批处理系统需要解决的问题：,处理机管理问题；,内存管理问题；,I/O,设备管理问题；,文件管理问题；,作业管理问题；,多道程序系统,优点：,资源利用率高：,CPU,和内存利用率较高；,系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；,缺点：,平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；,无交互能力：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；,分时系统,1.,分时系统,(Time-Sharing System),的产生,推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，是提高资源利用率和系统吞吐量，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力，则是用户的需求。,(1),人,机交互。,(2),共享主机。,(3),便于用户上机。,2.,分时系统实现中的关键问题,最关键的问题是如何,使用户能与自己的作业进行交互,，即当用户在自己的终端上键入命令时， 系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理,。,(1),及时接收,：多路卡缓冲区,(2),及时处理,：各个用户的作业必须都在内存中，且应能频繁地获得处理机而运行,为实现人机交互，必须改变批处理系统的运行方式：,.,作业不能先进入磁盘，应直接进入内存。,.,不允许一个作业长期占用处理机，直至它运行结束或出现请求后方才调度其他作业运行。,分时系统,分时技术是把处理机的时间,分成很短的时间片,，这些,时间片轮流地分配给各个联机的各作业使用,。如果某作业在分配给它的时间片用完时仍未完成，则该作业就,暂时中断,，等待下一轮运行，并把,处理机的控制权,让给另一个作业使用。这样在一个相对较短的时间间隔内，每个用户作业都能得到快速响应，以实现,人机交互。,作业,1,作业,2,作业,3,作业,2,作业,3,作业,1,t,分时系统的特征,多路性,：,允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。宏观上是多个用户同时工作，共享系统资源，而微观上则是每个用户作业轮流运行一个时间片。,独立性,：,每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。因此用户会感觉到就象他一人独占主机。,及时性,：,用户的请求能在很短时间内获得响应，此时间间隔是以人们所能接受的等待时间来确定的，通常为,1-3,秒。,交互性,：,用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。用户可以请求系统提供多方面服务，如文件编辑，数据处理和资源共享等。,多道批处理系统和分时系统的出现标志着操作系统的初步形成。,实时系统,实时系统,所谓,“,实时,”,，是表示,“,及时,”,，而实时系统,(Real-Time System),是指系统能及时,(,或即时,),响应外部事件的请求,，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。,用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域，包括,实时控制、实时信息处理；,设计要求：,1,）及时响应、快速处理；,2,）高可靠性和安全性，不强求系统资源的利用率；,2.,实时任务,1),按任务执行时是否呈现周期性划分为,周期性实时任务。,(2),非周期性实时任务。,外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性，但都必须联系着一个截止时间,(Deadline),。它又可分为：,开始截止时间,任务在某时间以前必须开始执行；,完成截止时间,任务在某时间以前必须完成。,2),根据对截止时间的要求划分为,硬实时任务：系统必须满足对截止时间的要求。,软实时任务。,3.,实时系统与分时系统特征的比较,多路性；,(2),独立性；,(3),及时性；,(4),交互性；,(5),可靠性；,微机操作系统,3. Linux,Linux,操作系统是一个遵循标准操作系统界面的标准免费操作系统。,4,多,用户,多,任务,操作系统,UNIX,SCO,公司将运行于,大、中、小型机,上,UNIX,操作系统移植到微机上，,UNIX,是多用户多任务操作系统。,2,单用户多任务,操作系统,MS Windows Windows98/2000,是,Microsoft,公司开发的一个图形用户界面的多任务、多线程、全,32,位的操作系统。,1,单用户单任务,操作系统,MS-,DOS,MS-DOS,是,Microsoft,公司开发的首先在,IBM-PC,机上使用的微机,OS,，,MS-DOS,操作系统现在成了事实上的,16,位,微机单用户单任务操作系统的标准。,1.3,操作系统的基本特征,并发性（,Concurrence,）,并行性,和,并发性,是既相似又有区别的两个概念。,并行性,是指两个或多个事件在,同一时刻,发生，而,并发性,是指两个或多个事件在,同一时间间隔,内发生。在多道程序环境下，并发性是指宏观上在一段时间内有多道程序在同时执行。但在单处理机系统中，每一个时刻仅能执行一道程序，故微观上，这些程序是在交互执行。,进程,程序是,静态实体,，在多道程序系统中，是,不能独立运行,的，更不能和其它程序并发执行。在,OS,中引入进程的目的，就是,为了使多个程序能并发执行,。,定义：,在系统中能独立运行并作为资源分配的,基本单位,， 由一组机器指令、数据和堆栈等组成，是一个能独立运 行的活动实体。,共享性（,Sharing,）,共享是指系统中的所有资源不再为一个程序所独占，而是供同时存在于系统中的多道程序所共同使用。根据资源属性不同，可有,互斥共享,和,同时共享,两种不同的共享方式。,互斥共享：在一段时间内只允许一个,进程访问该资源（临界资源）。,同时访问：,“,同时,”,是宏观上的，在微观,上可能是交替地对该资源进行访问。,线程,一个进程中可以包含若干个线程，它们可以利用进程所拥有的资源。在引入线程的,OS,中，把,进程作为分配资源的基本单位,，而把,线程作为独立运行和独立调度的基本单位。,操作系统的特征,并发和共享关系,：,并发和共享是操作系统的两个最基本的特征,，它们又是互为存在条件。一方面资源共享是以程序（进程）的并发性执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题。另一方面若系统不能对资源共享实施有效管理，则也必将影响到程序并发执行。,虚拟性（,Virtual,）,虚拟是指通过某种技术,把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物,。物理实体是实际存在的，,是实的,；逻辑物体是用户感觉到的，,是虚拟的,。例如在单,CPU,多道分时系统中，通过多道程序技术和分时技术可以把一个物理,CPU,虚拟为多台逻辑上的,CPU,，使每个终端用户都认为有一台,“,独立,”,的,CPU,为它运行，用户感觉的,CPU,是虚拟,CPU,。在,OS,中利用,时分复用技术,和,空分复用技术,实现虚拟技术。,1,、时分复用技术,时分复用，即,分时使用方式,，最早用于电信业中。,1,）,虚拟处理机技术,利用多道程序设计技术，为每道程序建立一个进程，让多道程序并发地执行，分时使用一台处理机。,2,）,虚拟设备技术,将一台物理,I/O,设备虚拟为多台逻辑上的,I/O,设备。,2,、空分复用技术,1,）,虚拟磁盘技术,2,）,虚拟存储器技术,利用存储器的空闲空间存放其它程序，提高内存的利用率。,单纯的空分复用存储器,只能提高内存的利用率,，并,不能实现在逻,辑上扩大存储容量,，必须引入虚拟存储技术。而虚拟存储技术本质上,就是使,内存分时复用,。它可以使一道程序通过时分复用方式，在远小,于它的内存空间中运行。,操作系统的特征和功能,异步性,（,Asynchronism,）,在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源等 因素的限制，程序的执行并非,“,一气呵成,”,，而是以,“,走走停停,”,的方式运行，即程序是以,异步方式,运行的。多个程序异步并发执行带来了,二种不确定性。,一种是每个程序（进程）执行的速度和时间不确定，各程序（进程）之间推进的序列也不确定。即是不可预测的。另一种是每个程序（进程）执行结果不确定，即对同一程序，给定相同的初始条件、在相同的环境下进行多次执行，却可能获得完全不同的结果，这也称为程序并发执行的不可再现性。执行结果的不确定性是绝对不允许的，这是操作系统为实现程序并发执行必须解决的问题。,操作系统的功能由五个部分组成：,处理机管理,：处理中断事件、处理机调度；,存储器管理,：主存的分配与回收；主存的共享和保护；主存扩充；,设备管理,：设备的分配与去配；设备处理；虚拟设备；,文件管理,：文件存储空间的管理；目录管理；,文件操作；文件的共享、保护和保密；,OS,与用户之间的接口：,用户接口，程序接口,1.4,操作系统的主要功能,处理机管理（又称进程管理）,功能之一：处理中断事件。,首先由硬件的中断装置触发产生的事件，然后中断装置中止现行程序的执行，调出处理该事件的程序进行处理。,功能之二：处理机调度。,负责动态地把处理机分配给进程，即记住进程的状态，决定进程何时获得处理机，可占用多长时间；把处理机分配给进程；收回处理机。,处理机管理,进程控制,：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等主动改变进程的状态,进程同步,：协调并发进程之间的推进步骤，以协调资源共享；进程互斥方式和进程同步方式,进程通信：,进程之间传送数据，以协调进程间的协作；,进程调度,：在后备队列上等待的作业经过调度才能执行。包括,作业调度,和,进程调度,。,存储管理,存储管理是指对,主存储器,的管理，即：如何把有限的主存储器进行合理的分配，满足多个用户程序运行的需要。,主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充内存，为此存储管理应具有,内存分配,、,内存保护,、,地址映射,和,内存扩充,等功能。,存储器管理,内存分配：,为每道程序分配内存空间，提高存储器的利用率，允许正在运行的程序申请附加的内存空间。,OS,在实现内存分配时，有,静态,和,动态,两种方式。,内存保护,为避免相互干扰，必须对主存中的程序和数据进行保护。,地址映射：,进程逻辑地址到内存物理地址的映射。,扩充主存容量,通过虚拟存储技术，从逻辑上扩充；请求调入功能和置换功能,.,设备管理,主要任务,：完成用户进程提出的,I/O,请求；为用户进程分配其所需的,I/O,设备；提高,CPU,和,I/O,设备的利用率；提高,I/O,速度；方便用户使用,I/O,设备。,1.,缓冲管理,：,CPU,和,I/O,速度的矛盾,2.,设备分配,：根据用户进程的,I/O,请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配其所需设备。,3.,设备处理,：实现,CPU,和设备控制器之间的通信,.,文件管理,计算机系统的软件信息都以,文件,形式进行管理，操作系统中负责此任务的部分是文件系统，文件系统的任务是对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性，为此文件系统管理应具有对,文件存储空间的管理,、,目录管理,、,文件的读,/,写管理,和,文件保护,等功能。,.,操作系统与用户之间的接口,1.,用户接口,联机用户接口；,脱机用户接口；,图形用户接口；,2.,程序接口,1.5,操作系统的结构设计,传统结构,无结构,模块化结构,分层式结构,微内核结构（现代,OS,结构）,客户,/,服务器模式,面向对象程序设计,微内核技术,随着操作系统的发展，功能越强，,OS,自身代码量越大采用良好的结构,有利于保证正确性以及自身修改和扩充,.,模块化,OS,结构,模块结构,特点：一些过程模块的任意组合，可以随意调用其他模块，调用不受任何约束,优点：具有一定灵活性，在运行中的高效率,缺点：功能划分和模块接口难保正确和合理；模块之间的依赖关系（功能调用关系）复杂（调用深度和方向），降低了模块之间的相对独立性不利于修改，用户调用若发生错误，会导致整个系统崩溃,分层结构,从资源管理观点出发，划分层次。在某一层次上代码只能调,用低层次上的代码，使模块间的调用变为有序性。系统每加一,层，就构成一个比原来功能更强的虚拟机。有利于系统的维护性,和可靠性。,优点：,系统结构的模块化，功能明确，,调用关系清晰,（高层对低层单向依赖），有利于保证设计和实现的正确性,低层和高层可分别实现（,便于扩充,）；高层错误不会影响到低层；避免递归调用,选择题,1.,人与裸机的接口是（ ）,A.,应用软件,B.,操作系统,C.,支撑软件,D.,都不是,2.,在分时系统中，当时间片一定时，（ ），响应越快。,A .,内存越大,B.,用户越少,C.,用户越多,D.,内存越小,3.,下面（ ）不属于操作系统功能。,A.,用户管理,B. CPU,和存储管理,C .,设备管理,D.,文件和作业管理,4.,下列说法哪一个是错误的（ ）,A.,操作系统是一种软件,B.,计算机是一个资源的集合体，包括软件和硬件资源,C.,计算机硬件是操作系统工作的实体，操作系统的运行离不开硬件的支持,D.,操作系统是独立于计算机系统的，它不属于计算机系统,B,B,A,D,5.,操作系统的基本特征是共享性和（ ）。,A.,动态性,B.,并发性,C.,交互性,D.,制约性,6.,多道程序设计是指,( ),A.,在实时系统中并发运行多个程序,B.,在分布系统中同一时刻运行多个程序,C.,在一台处理机上同一时刻运行多个程序,D.,在一台处理机上并发运行多个程序,7.,操作系统是一套（ ）程序的集合。,A.,文件管理,B.,中断管理,C .,资源管理,D.,设备管理,8.,用户在程序设计过程中，要得到系统功能，必须通过（ ）,A.,进程调度,B.,作业调度,C.,键盘命令,D.,系统调用,B,D,C,D,9.,（ ）操作系统允许在一台主机上同时联接多台终端，多个用户可以通过各自的终端同时交互地使用计算机。,A.,网络,B.,分布式,C.,分时,D.,实时,10.,实时操作系统必须在（ ）内处理完来自外部的事件。,A.,响应时间,B.,周转时间,C.,规定时间,D.,调度时间,11.,在操作系统中，并发性是指若干事件（ ）发生。,A.,同一时刻,B.,一定在不同时刻,C.,在某一时间间隔内,D.,依次在不同时间间隔内,12.,订购机票系统处理各个终端的服务请求，处理后通过终端回答用户，所以它是一个（ ）。,A.,分时系统,B.,多道批处理系统,C.,计算机网络,D.,实时信息处理系统,C,C,C,D,