C程序设计-广西大学.ppt

操作系统原理,主讲：陈笑蓉贵州大学计算机科学与技术学院,操作系统是计算机科学与技术专业的主要专业基础课，也是本专业的一门核心骨干课程.软件产业在IT产业中占据着核心地位,操作系统是所有软件的基础,是软件的根本,是计算机系统中的核心系统软件。操作系统是计算机科学领域中最活跃的学科之一,发展极为迅速。本课程的学习目的在于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。,操作系统的地位和作用,3,操作系统与其它专业课程的关系,前趋基础课程计算机组成原理（组织与结构）程序设计基础数据结构后继发展课程软件工程数据库基础计算机网络高级程序设计,4,成绩评定,总分=平时成绩+考试成绩+加分平时成绩30实验:20%作业:5%出勤:5%考试成绩70加分每指出一个教学错误加0.51分发现教材上的一个错误加0.52分每项得分不得低于该项的60%,否则总分自动为不及格若按照学分制，则期末考试成绩占100,5,实验,实验一进程调度实验二作业调度实验三SPOOLING模拟系统实验四磁盘存储空间的分配和回收实验五驱动调度实验六文件管理实验七资源分配,6,实验安排,以主程序员组的形式：每组自选一个实验题目，但不得选相同的题目；每组4人（可自由组合）；每组一个组长，并负责本组所有组织、任务安排及协调。,7,实验要求,要求提供如下结果：各种说明书设计（20）分析（10）手册（10）软件（30%）源代码（30%）本学期16周之前完成所有要求，否则自动放弃。,8,序一：如何构建一个计算机系统？,买硬件主板、CPU、内存条、显示器、键盘、鼠标组装安装操作系统安装软件（文字处理、多媒体、程序开发）大功告成！,9,序二：计算机系统的启动,开机自检（硬件检测：键盘、处理器、存储器）引导程序装载（boot）由引导程序装载操作系统模块操作系统执行核心进程等待事件,10,序三：学习操作系统的目的,什么是操作系统?感性：Dos、Windows、UNIX、Linux、OS2理性：管理资源的软件系统为什么计算机需要操作系统?方便使用计算机的资源安全使用计算机的资源为什么要学操作系统？理论：分析、设计新的操作系统实践：应用学习目标：扎根于理论，应用于实践！,11,本课程主要内容,概论作业管理处理机管理（进程管理、处理机调度）存储管理设备管理文件管理死锁处理UNIX操作系统实例,第一章操作系统概论,什么是操作系统？操作系统的形成与发展操作系统的类型操作系统的功能操作系统的特征,13,1.1什么是操作系统,计算机系统的层次结构计算机系统组成：硬件+软件硬件：计算机物理装置。指计算机系统中那些“硬的”物理设施，即各种处理机，存储器（主存和辅存），输入输出（显示器、键盘、打印机等）设备和通信设备等。软件：指由计算机硬件执行以完成一定任务的所有程序及数据。如：操作系统、文字处理程序、图象处理程序、软件开发环境等。,14,微型机：处理机+存储器+输入输出设备。总线结构（各部分通过总线交换信息）。裸机！,计算机硬件组织,15,特点：CPU命令输入输出机(通道)来负责进行管理和控制。中央处理机不能直接从输入输出设备中取/存数据，因为它们之间没有直接的数据线相连。,处理机,存储器,选择通道,硬盘,多路通道,成组多路通道1,鼓,带,卡片输出机,卡片输出机,卡片输出机,卡片输出机,成组多路通道2,中小型计算机主要由：CPU、存储器、输入输出设备、输入输出处理机（通道）组成。,中小型计算机的硬件组织,16,第一节什么是操作系统,计算机系统的层次结构裸机操作系统虚拟机所有系统应用程序以及更上层的用户程序都在操作系统虚拟机上运行，它们受操作系统的统一管理和控制，通过操作系统使用各种系统资源来完成特定的任务。,17,对操作系统的认识,中央处理器CPU是整个系统硬件的核心和基础,比喻为计算机的心脏;操作系统是整个软件系统的核心和基础，比拟为计算机的大脑。计算机系统简单层次的再认识对操作系统的认识从用户的观点来看操作系统，从操作系统设计者(系统分析员）的观点来看操作系统,18,认识操作系统（二）,从内部来认识操作系统（主要看它的实体结构）操作系统是如何组成、如何工作、如何对外提供服务的。从操作系统分析、设计者的角度。它主要分为资源管理的观点和任务组织的观点。资源管理的观点。操作系统的工作就是当用户程序和其他应用程序争用这些资源的时候提供一种有序的和可控的分配，也就同时完成了系统工作流程的控制。其任务是如何使系统资源得到充分合理的使用，解决用户的任务因争夺资源而产生的矛盾。OS=管理程序模块十算法十数据结构十事件驱动,资源是指计算机系统为了进行数值计算和数据处理所需要的各种物质基础，通常分为系统硬件资源和软件资源；,19,认识操作系统（二）,2.任务组织的观点。计算机系统要完成用户的各种各样的请求，这些请求通过作业或者任务的方式提交给系统，它们各自都是一次独立的计算过程，操作系统则是在这众多的计算过程中切换处理器。它是计算机系统工作流程的组织者，负责协调在系统中运行的各个任务的推进速度，提高系统的吞吐率。,20,对操作系统认识的结论,操作系统对计算机操作者和用户而言是一个用户环境，一个工作平台，是一个人与机器进行交互式操作的界面。对系统设计者来说是一种强功能的系统资源管理程序，一种包含有各种数据结构和算法的集成式软件系统。即：操作系统的作用、实体和效果控制和管理计算机系统的硬件和软件资源，使之得到有效的利用；合理地组织计算机系统的工作流程以增强系统的处理能力；提供给用户一个良好的操作界面，使用户能通过操作系统方便地使用计算机。,21,操作系统定义,操作系统是直接控制和管理计算机的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程以及方便用户使用计算机的程序的集合。,22,1.2操作系统的形成和发展,计算机的发展简述“分析机”：Charlesabbage(17921871)AdaLovelace第一代计算机（19451955）：真空管和插板40年代采用接插板或开关板控制计算机操作。无操作系统！第二代计算机（19551965）：晶体管用程序来管理和控制其他的程序的方式。监控程序！早期批处理系统！使用纸带。,23,计算机的发展历史,1946:ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer)18000个电子管，另加1500个继电器以及其它器件，其总体积约90立方米，重达30吨，占地170平方米，需要用一间30多米长的大房间才能存放。耗电量为140千瓦，运算速度为每秒5000次加法，或者400次乘法,24,第三代计算机（19651980）：中小规模集成电路芯片计算机的应用形成两个主要领域，即科学与工程计算和商务与数据处理。形成了通用计算机的概念。多道程序的分时操作系统和多处理器操作系统。完整操作系统!OS360操作系统在这一历史阶段中，操作系统主要是基于多道程序的分时操作系统和多处理器操作系统，也称为传统操作系统第四代计算机（19801994）：大规模和超大规模集成电路个人计算机IBM现代操作系统智能计算和网络计算新一代操作系统,25,计算机历史上的一些重要记事,1957:IBM（成立于1911年）FORTRAN高级语言开发成功。1981年8月12日推出了IBM-PC。1981年，不久之后就催生了微软和Intel这两大PC时代的霸主，并造就了Compaq等一大批IBMPC“兼容机”制造厂商。PC产业由此诞生。1960:ALGOL：第一个结构化程序设计语言推出。1961:COBOL(COmmonBusiness-OrientatedLanguage)语言1967:NiklausWirth开始开发PASCAL语言，1971年完成1969:ARPANET计划开始启动1968:RobertNoyce和他的几个朋友创办了INTEL公司。1972:C语言的开发完成1975:BillGates和PaulAllen创办MicorSoft公司。1982:Compaq公司发布了其IBM-PC兼容机。1976:StephenWozinak和StephenJobs创办苹果计算机公司，1984:苹果公司推出GUI界面的操作系统1965年:ThomasE.Kurtz和JohnKemeny完成BASIC(BeginnersAll-purposeSymbolicInstructionCode)语言,26,CPU,Intel创立于1968年1971年,推出了第一款微處理器40041974年,第一塊真正的處理器80801982年,推出了我們現在無比熟悉的x86體系結構1993年,第一款Pentium（奔騰）處理器上市.(最早採用超標量結構的處理器).1996年面市的PentiumMMX（多能奔騰）是Pentium的升級版本(57條MMX指令，處理多媒體的能力提高60)1995年PentiumPro（高能奔騰）P6系列（不是直接處理x86指令，而是將x86指令轉換成類似RISC指令的內部指令再執行）1997年，Pentium，首次採用了最新的slot1介面標準。Pentium的二級緩存和相關電路抽離出來，再把塑膠盒子也去掉，再改一個名字，這就是Celeron，1998年，Pentium，增加了互聯網70條SSE指令集2000年11月，Pentium4（奔騰4）。新增加了144條被稱為“StreamingSIMDExtensions2”的指令。這些指令“適用於數據流媒體處理、運行交互性遊戲、演示MP3視頻資訊等”,27,OS,1970:KenThomson和DennisRitchie开始开发UNIX操作系统；（SYSTEM,BSD）1980年10月:MS-DOS/PC-DOS开发工作开始了。但微软并没有自己独立的操作系统，他们买来别人的操作系统并加以改进。但IBM测试时竟发现有300个BUG。于是他们又继续改进，最初的DOS1.0有4000行汇编程序。1985年开始Windows计划（仿Macintosh），1990年发布3.0V。真正让微软一统江湖、登上软件霸主宝座的，还是其Windows系列操作系统。1991-August。LinuxisbornwiththefollowingposttotheUsenetNewsgroupcomp.os.minix:Helloeverybodyoutthereusingminix-Imdoinga(free)operatingsystem(justahobby,wontbebigandprofessionallikegnu)for386(486)ATclones.,28,我国的计算机和操作系统,国防科技大学的“银河”系列机分别于1983、1993和1997年突破每秒运算速度亿、十亿和百亿次；国家智能机研发中心的“曙光”等系列机自1993年开始问世；1999年微处理器“龙芯”问世（0.18m）操作系统：CCDOS红旗等感想？！,29,1.3操作系统的类型,从计算机体系结构的角度单机操作系统(单机单任务操作系统，单机多任务操作系统)主从式多终端操作系统多机多用户操作系统客户服务器结构操作系统网络操作系统分布式操作系统从操作系统工作的角度单用户系统批处理系统分时系统实时系统从操作系统设计的角度面向进程的操作系统面向对象的操作系统,30,按照操作系统提供的服务进行分类，大致可以分成以下几类：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。,31,批处理操作系统,批处理操作系统按照预先写好的作业说明书控制作业的执行。因此，作业执行时无需人工干预，批处理操作系统实现了计算机操作的自动化。包括单道批处理系统和多道批处理系统。“单道”的意思是指一次只有一个作业装入计算机系统的主存储器运行，因而它也是一个单用户操作系统。“多道”是宏观上的多任务同时进行。,32,多道批处理操作系统,第三代计算机为操作系统提供了充分的硬件支持，尤其是“中断”和“通道”技术的出现，使得输入输出设备与中央处理器可以并行工作。好处：允许多个作业同时装入主存储器，使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。不足：批处理操作系统提高了计算机系统的工作效率，但在作业执行时用户不能直接干预作业的执行。这样，用户就不能及时了解自己的程序运行情况。当程序出现错误时，用户也不能及时加以控制，只能由操作系统输出信息，再由操作员通知用户重新修改程序，然后再次提交给系统重新装入执行；,33,多道批处理系统的优点,具体表现为：(1)多道作业并行工作，减少了处理器的空闲时间，即提高了处理器的利用率。(2)作业调度可以按一定的组合选择装入主存储器的作业，只要搭配合理，例如，把请求使用不同设备的作业组合在一起，则可充分利用计算机系统的资源。(3)作业执行过程中，不再访问低速的设备；而是直接在高速的磁盘上存取信息，从而缩短了作业执行时间，使单位时间内的处理能力得到提高。(4)作业成批输入、自动选择和控制作业执行，减少了人工操作时间和作业交接时间，有利于提高系统的吞吐率。,34,分时操作系统,允许多个用户同时与计算机系统进行一系列的交互，并使得每个用户感到好像自己独占一台支持自己请求服务的计算机系统。具有这种功能的操作系统称“分时操作系统”，简称“分时系统”。特点：(1)同时性:允许多个终端用户同时使用一个计算机系统。(2)独立性:用户在各自的终端上请求系统服务，彼此独立，互不干扰(3)及时性:对用户的请求能在较短时间(比如，3秒钟)内给出应答(4)交互性:采用人一机对话的方式工作,35,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，并且在严格的规定时间内处理结束，再给出反馈信号的操作系统称“实时操作系统”，简称“实时系统”。特点：及时响应、快速处理高可靠性和安全性，不强求系统资源的利用率,36,嵌入式操作系统,例如：VRTX、pSOS、VXWORK,WINCE、Lynx等。这种操作系统除了具有一般实时系统的及时响应特点外，特点：与嵌入式微处理器相结合，面向特定的应用。是高效率且没有冗余地实现的。与先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合。,37,网络操作系统,为计算机网络配置的操作系统称“网络操作系统”。网络操作系统把计算机网络中的各台计算机有机地联合起来，实现各台计算机之间的通信及网络中各种资源的共享。,38,分布式操作系统,用于管理分布式计算机系统中的物理位置上分布的软、硬件资源并能把这些资源组织起来构成一个单一的集成系统的操作系统叫做分布式操作系统。分布式操作系统能使系统中若干台计算机相互协作完成一个共同的任务。把一个计算问题分成若干个可以并行执行的子计算，让每个子计算在系统中的各计算机上并行执行，充分利用各计算机的优势。这样，一个程序就被分布在几台计算机上并行执行，相互协作得到结果。,39,1.4操作系统的功能,管理系统资源控制工作流程为用户服务在资源管理中，操作系统的任务是使各种系统资源(硬件和软件资源)得到充分的、合理的使用，解决用户作业因争夺资源而产生的矛盾，并合理地、不偏袒地让每个用户在合适的时间内得到它应有的服务。对资源的监视、分配、回收，对用户请求的响应、安排、调度和协调就成为现代操作系统必需的功能，也是操作系统设计的目标，现代计算机系统中的重要资源包括了硬件资源、软件资源与用户资源。其中，最重要的是与程序运行、数据处理、用户操作密切相关的资源，通常包括处理机(处理器)、主存储器、输入输出设备、数据与信息、交互环境以及互联通信等。,40,(1)任务与进程管理工作流程控制和系统处理器的有效利用.操作系统根据实际工作单位的不同，分别采用了作业、进程、任务、线程等结构进行管理和调度，分配处理器时间，控制工作流程。(2)存储管理系统存储空间的有效利用(3)I/O操作与设备管理输入输出设备与接口的有效利用(4)文件管理与信息存储系统信息与数据的有效利用(5)作业管理与工作环境用户接口与交互界面的建立(6)操作系统的安全性系统的可靠性与资源的保护,41,(6)操作系统的安全性操作系统的安全是利用安全手段防止操作系统本身被破坏，防止非法用户对计算机资源(如软件、硬件、时间、空间、数据、服务等资源)的窃取，防止用户之间有意或者无意的干扰。,42,1.5如何学习操作系统,理解操作系统的特征1并发性(concurrence)并发含有“同时进行”的概念，但它与并行(parallel)有一定的区别，这个区别在于“时刻”和“时段”。并行性是指两个或者多个事件在同一时刻发生，并发性则是指两个或者多个事件在同一时段隔内发生。2共享性(sharing)互斥共享互斥共享是指某个资源本身虽然能够提供给多个用户作业使用，但在一段时间内只允许一个作业使用，其他作业只能够等待。这种互斥共享的资源被称为临界资源，例如，物理上的打印机等设备。同时共享同时共享是指在一段时间内，多个用户作业可以同时使用这个资源，这里，同时的概念仍然是宏观的，微观上则是多个作业交替地对该资源进行访问。例如，对磁盘存储设备的访问等。,43,3虚拟性(virtual)虚拟是指将一个物理上的实体变为(映射为)若干个逻辑上的对应物。例如：虚拟处理机，虚拟存储、虚拟设备、虚拟通道、虚拟文件、虚拟用户组，以及虚拟网络等。4不确定性(undetermined)程序执行结果不确定，程序不可再现。即对同一程序在相同的输入和相同的环境下运行，但经多次运行，却可能获得完全不同的结果。多道程序环境下程序以异步方式执行。即每道程序在何时执行、各自执行的顺序、速度，完成每道程序所需的时间都是不确定的，也是不可预知的。,44,操作系统一种简单的功能分层结构,第七层：用户层(应用程序、用户命令、用户界面)第六层：文件与信息管理(文件结构、存储与存取、文件系统)第五层：输入输出及设备管理层(设备管理、调度、中断、驱动)第四层：进程通信层(进程通信、发送、接收)第三层：进程协调层(进程同步、发信、等待)第二层：进程控制层(进程创建、挂起、撤销、恢复、调度与文本转接)第一层：存储器管理层(存储器分配、回收、覆盖、交换)第O层：计算机硬件层(处理器、存储器、磁盘、外部设备),45,理解操作系统的功能结构,在计算机系统的运行过程中，各级允许的操作和可见实体是什么?对各类资源有效使用的最小集合是什么?如何对系统中各类资源合理的分配、回收？如何组织系统界面使用户只与抽象资源而不是具体硬件发生关系?对作业调度、存储管理；资源访问、并发任务间的通信、可靠性和安全性的有效控制策略是什么?,46,小结,若干基本概念操作系统：资源管理角度的认识：功能：,本章重点：基本概念：操作系统、功能。本章难点：要求：理解什么是操作系统，在计算机系统中的地位与作用。作业：就你熟悉的操作系统，说说你对它的认识。1.1，1.4,