操作系统引论高教知识

操作系统主讲人：张学敏agnes_13972655660Operating System1全面分析你用过什么操作系统？http:/ CE、Linux和Android等。 3全面分析操作系统是什么？ 操作系统：操作系统：人们为了最大限度人们为了最大限度地榨取地榨取CPU的工作能力的工作能力而想出的一而想出的一整套整套“剥削剥削”方法方法， 它的基本原它的基本原则只有一条：又要马儿跑得快，又则只有一条：又要马儿跑得快，又要马儿少吃草！要马儿少吃草！4全面分析5全面分析n现在的视窗系统（现在的视窗系统（Windows）存在种种问题）存在种种问题木马问题木马问题流氓软件流氓软件计算机病毒计算机病毒系统稳定性系统稳定性计算机性能计算机性能n打算考研的部分同学的必修课程打算考研的部分同学的必修课程n中国需要自己的计算机操作系统中国需要自己的计算机操作系统n目前操作系统种类繁多，但是基本设计方式是一致的目前操作系统种类繁多，但是基本设计方式是一致的n不同的平台需要不同的操作系统不同的平台需要不同的操作系统掌上电脑掌上电脑网络服务器网络服务器个人电脑个人电脑电器中的控制芯片电器中的控制芯片手机等移动设备手机等移动设备6全面分析7全面分析三大操作系统都不能满足我们的需要三大操作系统都不能满足我们的需要8全面分析二、操作系统涉及到计算机科学很多领域二、操作系统涉及到计算机科学很多领域n计算机体系结构/硬件n软件设计n程序设计语言n数据结构n算法n网络l 学习核心技术并能在其他地方应用。学习核心技术并能在其他地方应用。l 操作系统是目前最复杂的软件系统。操作系统是目前最复杂的软件系统。9全面分析操作系统操作系统裸机裸机应用软件应用软件用户程序用户程序操作系统的重要性：操作系统的重要性：n掌握核心系统软件掌握核心系统软件n掌握并行处理的思想方法掌握并行处理的思想方法n为后继课程打好基础为后继课程打好基础 10全面分析三、课程的地位及特点三、课程的地位及特点n本课程地位本课程地位v专业核心课程（学位课）专业核心课程（学位课）v考研核心课程考研核心课程v技术开发的理论基础技术开发的理论基础n课程的特点课程的特点v 实践性强（从实践总结出原理）实践性强（从实践总结出原理）v概念多、较抽象，涉及面广（并行程序，性能问题，概念多、较抽象，涉及面广（并行程序，性能问题，结构问题，程序方法论，软件工程等等）结构问题，程序方法论，软件工程等等）v 灵活，错综复杂，纵横交错灵活，错综复杂，纵横交错11全面分析四、课程的学习目的四、课程的学习目的v使学生掌握操作系统的基本概念、基本使学生掌握操作系统的基本概念、基本原理、设计方法和实现技术，具有初步原理、设计方法和实现技术，具有初步分析实际操作系统的能力，为其今后在分析实际操作系统的能力，为其今后在相关领域开展工作打下坚实的基础。相关领域开展工作打下坚实的基础。 12全面分析v在学习每一部分内容时在学习每一部分内容时,不仅要记住给出的不仅要记住给出的结论，还要认真结论，还要认真思考思考所讨论问题的由来、环所讨论问题的由来、环境、意义、理论依据和应用背景，并结合实境、意义、理论依据和应用背景，并结合实例操作系统加深理解，做到举一反三。例操作系统加深理解，做到举一反三。 掌握操作系统的基本概念、基本原理、实现技术。掌握操作系统的基本概念、基本原理、实现技术。 操作系统实例分析操作系统实例分析13全面分析学会思考学会思考v活着就意味着思考。活着就意味着思考。西塞罗西塞罗 v我思故我存。我思故我存。笛卡尔笛卡尔 v学而不思则惘。学而不思则惘。孔子孔子 v缺乏知识就无法思考，缺乏思考也就得缺乏知识就无法思考，缺乏思考也就得不到知识不到知识 日本日本 v你可以从别人那里汲取某些思想，但必你可以从别人那里汲取某些思想，但必须用你自己的方式加以思考，在你的模须用你自己的方式加以思考，在你的模子里铸成你思想的砂型。子里铸成你思想的砂型。 兰姆兰姆 14全面分析五、教材及参考资料五、教材及参考资料（1）教材）教材谭耀铭谭耀铭 ，操作系统（，操作系统（2007年），比较简单易学。年），比较简单易学。（2）参考用书）参考用书1）计算机操作系统计算机操作系统汤子瀛等编著，经典教材汤子瀛等编著，经典教材2）操作系统原理操作系统原理（第三版），庞丽萍著，华中科技大学出（第三版），庞丽萍著，华中科技大学出版社，版社，20003）现代操作系统现代操作系统Andrew S.Tanenbaum著，陈向群等译，著，陈向群等译，机械工业出版社机械工业出版社4）操作系统操作系统习题与解析习题与解析曾平，李春葆著，清华大学出版曾平，李春葆著，清华大学出版社社5）深入分析深入分析LINUX内核源代码内核源代码陈莉君著，人民邮电出版社陈莉君著，人民邮电出版社 http:/218.64.216.247/ec2006/C295/Course/Index.htm15全面分析v4学时学时/周，共周，共18周，实验周，实验1学时学时/周周v考核方式和方法：考试，闭卷考核方式和方法：考试，闭卷 20%作业平时作业平时+20%期中期中+ 60%期末期末v教学要求教学要求 ：l按时上课，认真听讲，不做和课堂无关的事情，课按时上课，认真听讲，不做和课堂无关的事情，课外阅读参考书外阅读参考书l认真记笔记，整理笔记认真记笔记，整理笔记l思考，讨论，提问思考，讨论，提问l 作业一章上交一次作业一章上交一次六、教学安排六、教学安排16全面分析教学目的：教学目的：v掌握操作系统的定义及其基本特性、主掌握操作系统的定义及其基本特性、主要功能要功能 v了解操作系统的发展历史和类型了解操作系统的发展历史和类型教学难重点：教学难重点：v操作系统的定义操作系统的定义 v操作系统的类型及特点操作系统的类型及特点第第1章章 引引 论论 17全面分析n操作系统(operating system , OS)是计算机系统中必不可少的系统软件。它是计算机系统中各种资源的管理者和各种活动的组织者、指挥者。它使整个计算机系统协调一致且有效地工作。通过本课程的学习，我们将知道操作系统要做什么、怎么做和为什么要这样做。 18全面分析1.1 什么是操作系统什么是操作系统v1.1.1计算机系统 计算机系统是按用户的要求接收和存储信息、自动进行数据处理并输出结果信息的系统。19全面分析v计算机系统由计算机系统由硬件系统和软件系统硬件系统和软件系统组成。软硬件系统组成。软硬件系统的组成部分就是计算机系统的资源，当不同的用户使的组成部分就是计算机系统的资源，当不同的用户使用计算机时都要占用系统资源并且有不同的控制需求。用计算机时都要占用系统资源并且有不同的控制需求。v硬件系统包括硬件系统包括:v计算机系统资源包括计算机系统资源包括:20全面分析1.1.2操作系统v操作系统就是计算机系统的一种系统软件，由它统一管理计算机系统的资源和控制程序的执行。 裸机裸机作作系系操操统统其其他他应应用用软软件件用用户户应应用用程程序序序序程程21全面分析v操作系统概念操作系统概念:P4一种管理计算机系统资源一种管理计算机系统资源,控制程序执行控制程序执行,改善人机界面和为其他软件提改善人机界面和为其他软件提供支持的系统软件。供支持的系统软件。v资源管理者：资源管理者：22全面分析v操作系统的设计目标：操作系统的设计目标：l使计算机系统使用方便。使计算机系统使用方便。l使得计算机系统能高效地工作。使得计算机系统能高效地工作。l二者冲突？二者冲突？23全面分析1.2 操作系统的形成操作系统的形成 早期没有操作系统早期没有操作系统原始汇编系统原始汇编系统管理管理程序程序操作系统操作系统 可以看到，操作系统是随着可以看到，操作系统是随着计算机硬件的发展和应用需求的推动而形成计算机硬件的发展和应用需求的推动而形成的。的。24全面分析1.2 操作系统的形成操作系统的形成 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统 （第一代计算机）（第一代计算机） 1946 50年代（电子管）年代（电子管） 集中计算（计算中心）集中计算（计算中心） 计算机资源昂贵计算机资源昂贵 用户独占全机用户独占全机 25全面分析Applied Operating System Concepts1.1.没有程序设计语言（甚至没有程序设计语言（甚至没有汇编），更谈不上操没有汇编），更谈不上操作系统。作系统。2.2.程序员提前预约一段时间，程序员提前预约一段时间，然后到机房将他的插件板然后到机房将他的插件板插到计算机里。插到计算机里。3.3.期盼着在接下来的时间中期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断，几万个真空管不会烧断，从而可以计算自己的题目。从而可以计算自己的题目。ENIAC计算机运算速度：运算速度：10001000次次/ /每秒每秒, , 数万个真空管数万个真空管, , 占地占地100100平方米。平方米。26全面分析1.2 操作系统的形成操作系统的形成1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统 （第一代计算机）（第一代计算机） 人工操作方式，用户是计算机专业人员；人工操作方式，用户是计算机专业人员；机器语言；机器语言；纸带或卡片；纸带或卡片；，手工装入手工装入/卸取纸带或卡片卸取纸带或卡片 发展动力：发展动力：“需求推动发展需求推动发展”27全面分析机器机器 作业在机器上作业在机器上 人工操人工操 操作时间与机器操作时间与机器速度速度 计算所需时间计算所需时间 作时间作时间 有效运行时间之比有效运行时间之比1万次万次/秒秒 1小时小时 3分钟分钟 1 ：20 60万次万次/秒秒 1分钟分钟 3分钟分钟 3 ：11.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统 提高效率的途径：提高效率的途径：批处理、脱机批处理、脱机I/O28全面分析输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备29全面分析1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统（第二代计算机）第二代计算机） n50年代末年代末 60年代中（晶体管）年代中（晶体管） 把一批作业以脱机输入方式输入到磁带把一批作业以脱机输入方式输入到磁带/磁鼓磁鼓 利用磁带或磁盘把任务分类编成作业顺序执行利用磁带或磁盘把任务分类编成作业顺序执行 每个批作业由专门监督程序（每个批作业由专门监督程序（Monitor）自动依次处理）自动依次处理30全面分析还有下一还有下一个作业？个作业？把下一个作业把下一个作业的源程序转换的源程序转换为目标程序为目标程序源程序源程序有错吗？有错吗？装配目标程序装配目标程序运行目标程序运行目标程序开始开始是是否否停止停止是是否否图图 1-4 单道批处理系统的处理流程单道批处理系统的处理流程 一一批批作作业业输输入入磁磁带带31全面分析Applied Operating System Concepts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片阅读机卡片阅读机输出磁带输出磁带打印机打印机32全面分析1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统（第二代计算机）第二代计算机） 33全面分析单道程序的工作情况单道程序的工作情况例例1：某作业运行时，不断从输入机输入数据，有：某作业运行时，不断从输入机输入数据，有CPU处理处理1000个字符需个字符需300ms，输入机输入，输入机输入1000个个字符需字符需1000ms，问，问CPU是否需要等待？是否需要等待？ CPUCPU34全面分析1.2.3 多道批处理系统（多道批处理系统（Multiprogrammed Batch Processing System）（第三代计算机）（第三代计算机） 60年代中年代中 70年代中（集成电路）年代中（集成电路） 多道：内存中同时存放几个作业多道：内存中同时存放几个作业 多个作业共享多个作业共享CPU、内存、外设等资源、内存、外设等资源 利用多道批处理提高资源的利用率，利用多道批处理提高资源的利用率，OS/3606060年代通道和中断技术的出现年代通道和中断技术的出现 解决了输入输出等待计算的问题解决了输入输出等待计算的问题35全面分析vIBM S/3601964年年4月月7日，日，IBM推出世界上首个采用集成电路的通用计算机系列推出世界上首个采用集成电路的通用计算机系列IBM S/360，它兼顾了科学计算和事务处理两方面的应用，各种机器能相互兼容，它兼顾了科学计算和事务处理两方面的应用，各种机器能相互兼容，并能满足每个用户的需要，具有全能手的特点，正如罗盘有并能满足每个用户的需要，具有全能手的特点，正如罗盘有360度刻度一样，度刻度一样，所以取名为所以取名为360。其中最著名的当属。其中最著名的当属S/360 85型和型和S/360 91型。型。36全面分析37全面分析用户程序用户程序监督程序监督程序(a)单道程序运行情况单道程序运行情况I/O操作操作I/O请求请求启动启动I/OI/O完成完成中断中断I/O请求请求启动启动I/OI/O完成完成中断中断t1t2t3t4t5t6t7t8表示获得表示获得CPUCPU38全面分析程序程序A调度程序调度程序I/O请求请求(b)四道程序运行情况四道程序运行情况程序程序B程序程序C程序程序DI/O请求请求I/O请求请求I/O请求请求I/O完成完成I/O完成完成I/O完成完成A完成完成表示获得表示获得CPUCPUC再运行再运行39全面分析例：程序例：程序A运行运行100ms，输入数据，输入数据100ms，运行，运行100ms，打印打印100ms；程序；程序B运行运行50ms，打印，打印100ms，运行，运行50ms。在多道批处理系统中，假设。在多道批处理系统中，假设A先运行，画图说先运行，画图说明两个程序运行情况。明两个程序运行情况。CPU有无空闲？作业有无等待情况？有无空闲？作业有无等待情况？CPU利用率利用率=？单道系统中，单道系统中，CPU利用率利用率=40全面分析小问题小问题：现有两道作业，其中一道可能存在的操作有：现有两道作业，其中一道可能存在的操作有：计算计算19分钟，打印分钟，打印2分钟。另一道可能存在的分钟。另一道可能存在的操作有：计算操作有：计算3分钟，打印分钟，打印16分钟。那么在单分钟。那么在单道程序系统中，两道作业的执行总时间道程序系统中，两道作业的执行总时间至少至少为为多少多少分钟？而在多道程序系统中，这一时间分钟？而在多道程序系统中，这一时间至至少少为为多少多少分钟分钟 ？ 40 2441全面分析小问题：小问题：设在内存中有设在内存中有P1、P2两道程序，并按照两道程序，并按照P1、P2的次序运行，其内部计算和的次序运行，其内部计算和I/O操作的时间分别如操作的时间分别如下：下： P1：计算：计算60ms ，打印，打印 80ms，计算，计算20ms P2：计算：计算120ms，打印，打印40ms，计算，计算40ms调度程序的执行时间不计，在多道批处理系统中，调度程序的执行时间不计，在多道批处理系统中，完成这两道程序比单道批处理系统节约的时间是完成这两道程序比单道批处理系统节约的时间是（ ）A 100ms B 120ms C160ms D200ms A42全面分析 n多道批处理系统所用技术：多道批处理系统所用技术：作业调度：作业的现场保存和恢复作业调度：作业的现场保存和恢复上下文切换上下文切换资源共享：资源的竞争和同步资源共享：资源的竞争和同步互斥互斥(exclusion)(exclusion)和和同步同步(synchronization)(synchronization)机制；机制；内存使用：提高内存使用效率（为当前由内存使用：提高内存使用效率（为当前由CPUCPU执行的程执行的程序提供足够的内存）序提供足够的内存）覆盖覆盖(overlap)(overlap)，交换，交换(swap)(swap)和虚拟存储和虚拟存储(virtual memory)(virtual memory)；内存保护：系统存储区和各应用程序存储区不可冲突；内存保护：系统存储区和各应用程序存储区不可冲突；文件非顺序存放、随机存取。文件非顺序存放、随机存取。43全面分析Applied Operating System Concepts操作系统的重大进步操作系统的重大进步 1 1、多任务处理（多用户）多任务处理（多用户） 2 2、交互服务、交互服务操作系统的发展过程44全面分析1.3、操作系统的类型、操作系统的类型 按照操作系统提供的服务，大致可以把操作系统分为以下几类： 批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。其中批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统是基本的操作系统45全面分析v1、批处理操作系统按照用户预先规定好的步骤控制作业的执行，实现计算机操作的自动化。又可分为批处理单道系统和批处理多道系统。单道系统每次只有一个作业装入计算机系统的主存储器运行，多个作业可自动、顺序地被装入运行。批处理多道系统则允许多个作业同时装入主存储器，中央处理器轮流地执行各个作业，各个作业可以同时使用各自所需的外围设备，这样可以充分利用计算机系统的资源，缩短作业时间，提高系统的吞吐率。46全面分析v2、分时操作系统，这种系统中，一个计算机系统与许多终端设备连接，分时系统支持多个终端用户，同时以交互方式使用计算机系统，为用户在测试、修改和控制程序执行方面提供了灵活性。分时系统的主要特点是同时性、独立性、及时性和交互性。47全面分析n 分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题主机主机终端终端1终端终端2终端终端348全面分析分时技术工作原理分时技术工作原理 把处理机的运行时间分成很短的把处理机的运行时间分成很短的时间片时间片（timeslice,如如0.1s），按时间片轮流把处理机分），按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。若某个作业在分配给它的时配给各联机作业使用。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时中断，把处间片内不能完成其计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一作业使用，等待下一轮时（理机让给另一作业使用，等待下一轮时（3s）再继）再继续其运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转得续其运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转得很快，给每个用户的印象是好像他独占了一台计算很快，给每个用户的印象是好像他独占了一台计算机。而每个用户可以通过自己终端向系统发出各种机。而每个用户可以通过自己终端向系统发出各种操作控制命令，完成作业的运行。操作控制命令，完成作业的运行。49全面分析 “会话会话” n分时系统的特征分时系统的特征 分时系统的问题：分时系统的问题：（1）时间片大小如何划分？）时间片大小如何划分？ （2）每个终端如何不相互干扰的问题？）每个终端如何不相互干扰的问题？50全面分析 n 所谓所谓“实时实时”，是表示，是表示“及时及时”，而，而实时系统实时系统(Real-(Real-Time System)Time System)是指系统能是指系统能及时及时( (或即时或即时) )响应外部事件的请求，响应外部事件的请求，在在规定的时间内规定的时间内（deadlinedeadline）完成对该事件的处理，并控制）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。所有实时任务协调一致地运行。 。查询、电视51全面分析v3、实时操作系统能使计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并在严格的规定时间内完成处理，且给出反馈信号。它是较少有人为干预的监督和控制系统。实时系统对可靠性和安全性要求极高，不强求系统资源的利用率。查询、电视52全面分析53全面分析v三种基本的操作系统类型三种基本的操作系统类型l批处理操作系统批处理操作系统l分时操作系统分时操作系统l实时操作系统实时操作系统54全面分析v4、网络操作系统可以把若干计算机联合起来，实现各台计算机之间的通信及网络中各种资源的共享，像我们现在使用的Windows ，UNIX和Linux等操作系统都是网络操作系统。v5、分布式操作系统的网络中各台计算机没有主次之分，在任意两台计算机间的可进行信息交换和资源共享。这一点上分布式操作系统和网络操作系统差别不大，他们的本质区别在于：分布式操作系统能使系统中若干计算机相互协作完成一个共同的任务。这使得各台计算机组成一个完整的，功能强大的计算机系统。55全面分析 vGoogle 的的 Chrome OS56全面分析1.4、操作系统的发展、操作系统的发展 57全面分析1.5、UNIX操作系统操作系统v 交互分时多用户多任务操作系统 58全面分析 59全面分析 ：60全面分析61全面分析62全面分析63全面分析 64全面分析 65全面分析66全面分析67全面分析 68全面分析69全面分析70全面分析71全面分析 第第1 1章章 小结小结72全面分析练习题型举例如下：v1、关于操作系统，下列叙述不正确的是（）。vA、管理系统资源B、控制程序执行vC、改善人机界面D、提高用户软件运行速度v2、以下哪个系统不是基本的操作系统（).vA、分时操作系统B、实时操作系统vC、分布式操作系统D、多道批处理系统v3、计算机系统由_和_组成。v4、分时操作系统具有的四个主要特点是同时性、 _、_和_。73全面分析v5、多道程序设计的根本目标是_。v6、多项选择：操作系统设计目标是（）。A、管理系统资源B、提高安全性C、方便用户使用系统D、使系统能高效工作v7、操作系统的资源管理功能主要包括处理器管理、_、_、设备管理和_。v8、在（）的控制下，计算机系统能及时处理由过程控制反馈的数据，并作出响应。A、批处理操作系统B、实时操作系统C、分时操作系统D、多处理机操作系统v9、多项选择:引入多道程序设计的主要目的在于（）。A、提高实时响应速度B、充分利用处理机，减少机空闲时间C、有利于代码共享D、充分利用外围设备E、减少存储器碎片74全面分析v10、计算机发展到第三代，操作系统已成为软件的一个重要分支，最早的操作系统是_。v11、设计实时操作时(）不是主要的追求目标。A、安全可靠B、资源利用率C、及时响应D、快速处理75全面分析参考答案1、D2、C3、硬件子系统软件子系统4、独立性及时性交互性5、提高计算机系统的工作效率6、CD7、存储管理文件管理作业管理 8、B9、BD10、批处理操作系统11、B76全面分析