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1、计算机操作系统Operating System信息科学与技术学院,课程说明,教材：,计算机操作系统 汤子瀛等 西安电子科技大学出版社,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）,参考书：,操作系统原理DOS篇 张昆苍 清华大学出版社计算机操作系统教程 张尧学等 清华大学出版社OPERATING SYSTEM Design and Implementation Andrew S.Tanenbaum等 清华大学出版社ModernOperating Systssencond Edition Andrew
2、 s.Tanenbaum 机械工业出版社,1、平时表现 30%2、期未考试 70%,最后成绩评定,第1章 操作系统引论,操作系统的目标和作用操作系统的发展过程操作系统的基本特征操作系统的主要功能操作系统的结构设计*UNIX系统简介本章作业,冯.诺依曼,约翰冯诺依曼（John von Neumann，19031957），美籍匈牙利人.最简单的来说 他的精髓贡献是2点：2进制思想与程序内存思想.1946年，冯诺依曼开始研究程序编制问题，他是现代数值分析计算数学的缔造者之一，.,哈佛结构,计算机硬件,计算机硬件,BootLoader,PC 机中的引导加载程序由 BIOS（其本质就是一段固件程序）和位
3、于硬盘 MBR 中的 OSBoot Loader（比如，LILO 和 GRUB 等）一起组成。BIOS 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘 MBR 中的 Boot Loader 读到系统的 RAM 中，然后将控制权交给 OS Boot Load 核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。,BootLoader,系统加电或复位后，所有的 CPU 通常都从某个由 CPU 制造商预先安排的地址上取指令。比如，基于 ARM7TDMI core 的 CPU 在复位时通常都从地址 0 x00000000 取它的第一条指令。,计算机系统结构,操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同
4、环境）,虚机器,1.1,OS引论,CPU,1.1 操作系统的目标和作用,OS引论,一、操作系统目的/目标 二、计算机系统组成 三、操作系统的作用,返回目录,一、操作系统目的/目标,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（方便性 Convenience）。以一种效率的方式使用资源（有效性 Efficiency）.采用模块化结构,易于增、删、改（可扩充性 Ability to Evolve/Extend）。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（开放性 Opening）,1.1,OS引论,三、操作系统的作用,Os作为用户与计算机硬件系统之间
5、的接口。OS作为计算机系统资源的管理者。OS用作扩充机器,1.1,OS引论,1.3 操作系统的基本特征,并发(concurrence)共享(sharing)虚拟(virtual)异步性(asynchronism),Characteristic:,返回目录,并发(concurrence),并发：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）并行(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：1、程序的并发执行能有效改善系统资源的利用率，但使系统复杂
6、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,共享(sharing),并发和共享是操作系统的两个最基本的特征 二者互为存在条件：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。,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,虚拟(virtual),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。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,异步性(asynchronism),也称不确定性，
7、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,1.4 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,一、处理机管理的功能,处理机管理的主要任务：是对处理机进行分配对处理机运行进行有效的控制和管理注：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处理机管理的功能进程控制进程同步进程通信调度,功能,二、存储器管理的功能,主要任务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从逻辑上扩充内存功能内存分配内存保护地址映射内存扩充,功能,三、设备管理的功能,主要任务完成用户提出的I/O请求为
8、用户分配I/O设备提高I/O设备的利用率及速度方便用户使用I/O设备功能缓冲管理设备分配设备处理虚拟设备,功能,四、文件管理的功能,主要任务对用户文件和系统文件进行管理方便用户使用文件保证文件的安全性功能文件存储空间的管理目录管理文件的读、写管理文件的共享与保护,功能,五、用户接口管理的功能,主要任务方便用户使用操作系统功能命令接口程序接口（系统调用）图形接口,功能,1.2 操作系统的发展过程,无操作系统的计算机系统 人工操作方式 脱机输入输出方式批处理系统单道批处理系统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
9、系统发展的主要动力,返回目录,1.2.1 推动操作系统发展的主要动力,不断提高计算机资源利用率的需要 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,返回,（1）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,人工操作方式带来的矛盾及解决方法,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。（
10、即属于单控制方式）矛盾人机矛盾即人工操作方式与机器利用率的矛盾CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾解决方法通道技术、缓冲技术脱机输入输出方式,返回,（2）脱机输入/输出方式(off-Line I/O）,工作流程：（示意图)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,1.2.3 单道批处理系统,1、工作流程：（1）作业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。2、特征：（1）自动性（2）顺序
11、性（3）单道性3、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。4、缺点：对某些作业来说，当它发出输入/输出请求后，CPU必须等待I/O的完成，特别因为I/O设备的低速性，从而使机器的利用率很低。,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,1.2.4 多道批处理系统,特征：（1）调度性（2）无序性（3）多道性优点：（1）资源的利用率高（2）系统吞吐量大缺点：（1）平均周转周期长（2）无交互能力需解决问题 处理机管理、内存管理、I/O设备管理、文件及作业管理问题操作系统的形成 为解决上述问题，在多道程序系统中增设一组软件以
12、有效加以解决，同时增设方便用户使用计算机的软件，这样便形成了操作系统。操作系统：是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地组织计算工作流程，以及方便用户使用的程序集合。,OS-Introduction,卡片,早期批处理系统,IBM1401,IBM7094,IBM1401,输入磁带,磁带机,卡片阅读机,输出磁带,打印机,OS-Introduction,批处理操作系统优缺点,优点：作业流程自动化;效率高吞吐量高缺点：无交互手段调试程序困难,返回,三、分时系统,OS-Introduction,见图实现方法 单道分时、前台和后台及多道分时分时系统的特征 人机交互性好 共享主机（多路性、同时性）用户独
13、立性*及时性,返回,主机,终端,返回,四、实时系统,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。实时操作系统的应用领域 有实时要求（有严格确定的时间限制）的领域（过程控制及事务处理）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：实时性和可靠性；多路性、独立性、交互性,OS-Introduction,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通用操作系统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，则称该操作系统为通用操作系统。,返回,五、微机操作系统,微机操作系统的
14、特征应用领域：事务处理、个人娱乐，系统要求：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。常用的微机操作系统单用户单任务：CP/M，MS-DOS单用户多任务：OS/2多用户多任务：UNIX,Solaris,Linux。,OS-Introduction,返回,六、多处理机操作系统,多处理机系统引入原因增加系统的吞吐量节省投资提高系统的可靠性多处理机系统的类型紧密耦合MPS松散耦合MPS多处理机操作系统的类型非对称多处理模式对称多处理模式,OS-Introduction,并行系统,返回,七、网络操作系统,计算机网络的类型网络OS的模式客户/服务器模式对等模式网络OS
15、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,并行系统,并行系统：多于一个CPU的多处理机系统。并行系统的优点增大吞吐量：能在更短的时间内完成更多的工作。经济：共享许多设备（内存，总线等）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,八、分布式操作系统,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）。分布式系统的两种环境：多处理系统；多计算机系统。,分布式OS与网络OS的比较 1.分布性 2.并行性 3.透明性 4.共享性
16、5.键壮性 分布式系统基本特征-处理上的分布，即功能和任务的分布。,返回,嵌入式操作系统(Embedded OS）的应用,1.5 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：传统的操作系统结构无结构操作系统模块化OS结构分层式OS结构现代操作系统结构微内核的OS结构,返回目录,无结构操作系统,OS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。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,模块化操作系统结构,OS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
17、，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。优点 提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性增强了OS的可适用性加速了OS的开发过程缺点：模块及接口划分较困难未区别共享资源和独占资源由于管理的差异，使OS结构变得不够清晰Linux（多用户、多任务OS）,返回,分层式操作系统结构,分层式OS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OS 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，在其上面一层一层地自底向上增添相应功能的软件，这种OS结构称为分层式OS结构。特点：
18、每一步设计都建立在可靠的基础上，结构更清晰调试和验证更容易，正确性更高,返回,微内核的OS结构,微内核技术的主要思想 在OS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“客户/服务器”模式。客户进程可通过内核向服务器进程发送请求，以取OS的服务。微内核 精心设计的，能实现现代OS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，不会因内存紧张而换出，它为构建通用OS提供了一个重要基础。,微内核的基本功能进程管理存储器管理进程通信管理I/O设备管理特点小而精练系统的灵活性和可扩充性好系统的可靠性高适用于分布式系统windows 2000
19、/XP、UNIX、嵌入式OS,返回,Win2000体系结构示意图,1.6 UNIX系统简介,UNIX系统的发展UNIX系统的特性开放性（系统遵循国际标准规范）多用户、多任务环境功能强大、实现高效提供丰富的网络功能支持多处理机的功能UNIX系统的内核结构P322 图10-1,返回目录,UNIX系统的发展,UNIX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。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。UNIX是目前世界上最成功、最流行的OS之一。UNIX操作系统发展历程图（下页）,返回,本章作业,第25页（第1章习题）第1、9、16题,返回目录,补充作业,A、B两个程序，程序A按顺序使用CPU 10秒，使用设备甲5秒，使用CPU 5秒，使用设备乙10秒，最后使用CPU 10秒，程序B按顺序使用设备甲10秒，使用CPU 10秒，使用设备乙10秒，使用CPU 5秒，使用设备乙10秒。试问：（1）在顺序环境下执行程序A和程序B,CPU的利用率是多少？（2）在多道程序环境下，CPU的利用率是多少？请画出A、B程序的执行过程。,
