操作系統(tǒng)講稿-中科大繼續(xù)教育學院

1、主講教師： 萬壽紅中國科學技術大學網(wǎng)絡學院,操作系統(tǒng),教材史杏榮、楊壽保 編著，《操作系統(tǒng)原理與實現(xiàn)技術》，中國科學技術大學出版社，1997 參考書湯子瀛等著，《計算機操作系統(tǒng)》，西安電子科技大學出版社，1996 張堯?qū)W 史美林，計算機操作系統(tǒng)教程，清華大學出版社周長林 左萬歷，計算機操作系統(tǒng)教程，高等教育出版社作業(yè)統(tǒng)一閉卷筆試,課程目的：了解操作系統(tǒng)的功能、基本原理和實現(xiàn)技術，加深對計算機運行環(huán)境的理解。基本要求

2、：掌握一般操作系統(tǒng)的進程管理、作業(yè)管理、存儲管理、設備管理和文件管理的功能、原理與實現(xiàn)的基本思想，初步體會具體操作系統(tǒng)在這些方面的工作機制。,1.1 什么是操作系統(tǒng)1.2 操作系統(tǒng)發(fā)展史1.3 操作系統(tǒng)的分類1.4 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點,第一章 引論,計算機系統(tǒng)的組成,? 1.1 什么是操作系統(tǒng),? 操作系統(tǒng)的地位和目標,操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位,有效性（系統(tǒng)管理人員的觀點）方便性（用戶的觀點）,引入操

3、作系統(tǒng)的目標:,? OS是計算機硬件、軟件資源的管理者。,管理的對象：CPU、存儲器、外部設備、信息（數(shù)據(jù)和軟件）；管理的內(nèi)容：資源的當前狀態(tài)（數(shù)量和使用情況）、資源的分配、回收和訪問操作，相應管理策略。,? 操作系統(tǒng)的作用,? OS是用戶使用系統(tǒng)硬件、軟件的接口。,系統(tǒng)命令（命令行、菜單式、命令腳本式、圖形用戶接口GUI）；系統(tǒng)調(diào)用（形式上類似于過程調(diào)用，在應用編程中使用）。,在裸機上添加：設備管理、文件管理、存儲管理（針對內(nèi)

4、存和外存）、處理機管理（針對CPU）；合理組織工作流程：作業(yè)管理、進程管理。,操作系統(tǒng)的非形式化定義（關鍵點）：系統(tǒng)軟件，程序模塊的集合，資源管理和用戶接口功能,? OS是擴展機(extended machine)/虛擬機(virtual machine)。,MS OS: MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000UNIX: BSD, SRV4, OSF1

5、, SCO UNIX, AIX, Solaris, LinuxNOS: Novell Netware,? 操作系統(tǒng)舉例,? 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展史,?手工操作?批處理系統(tǒng)( batch processing)?多道程序系統(tǒng)(multiprogramming system)?分時系統(tǒng)(time-sharing system)?實時系統(tǒng)(real-time system),工作方式用戶：用戶既是程序員，又是操作員；用戶是計算

6、機專業(yè)人員；編程語言：為機器語言；輸入輸出：紙帶或卡片；,1946－58年（電子管）：集中計算（計算中心），計算機資源昂貴；,? 手工操作,主要矛盾計算機處理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪費）；用戶獨占全機的所有資源；提高效率的途徑專門的操作員，批處理,工作特點用戶獨占全機CPU等待用戶,批處理中的作業(yè)的組成：用戶程序數(shù)據(jù)作業(yè)說明書（作業(yè)控制語言）,58年－64年（晶體管）：利用磁帶把若干個作業(yè)分類編成作業(yè)執(zhí)

7、行序列，每個批作業(yè)由一個專門的監(jiān)督程序（Monitor）自動依次處理。可使用匯編語言開發(fā)。,? 批處理系統(tǒng)( batch processingm),兩種批處理方式 (1)聯(lián)機批處理（早期）（解決人機矛盾）,用戶提交作業(yè) 操作員合成批作業(yè) 批作業(yè)處理：對批作業(yè)中的每個作業(yè)進行相同的處理：從磁帶讀入用戶作業(yè)和編譯鏈接程序，編譯鏈接用戶作業(yè)，生成可執(zhí)行程序；啟動執(zhí)行；執(zhí)行結果輸出。問題：慢速的輸入輸出處理仍直接由主機來完成。輸入輸出時

8、，CPU處于等待狀態(tài)。,優(yōu)點：同一批內(nèi)各作業(yè)的自動依次更替，改善了主機CPU和I/O設備的使用效率，提高了吞吐量。缺點：磁帶或磁盤需要人工裝卸，作業(yè)需要人工分類，監(jiān)督程序易遭到用戶程序的破壞（由人工干預才可恢復）。,利用衛(wèi)星機完成輸入輸出功能。主機與衛(wèi)星機可并行工作。,兩種批處理方式(2)脫機批處理（解決cpu與I/O設備速度不匹配的矛盾）,CPU和I/O設備使用忙閑不均（取決于當前作業(yè)的特性）。內(nèi)存僅放一道運行程序?qū)τ嬎銥橹?/p>

9、的作業(yè)，外設空閑；對I/O為主的作業(yè)，CPU空閑；,單道批處理的主要問題,通道：用于控制I/O設備與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸。啟動后可獨立于CPU運行，實現(xiàn)CPU與I/O的并行。中斷是指CPU在收到外部中斷信號后，停止原來工作，轉(zhuǎn)去處理該中斷事件，完畢后回到原來斷點繼續(xù)工作。引進緩沖技術，減少cpu和外設的等待時間，提高cpu和外設并行工作的程度。,通道和中斷技術,多道程序技術運行特征多道：內(nèi)存中同時存放幾個作業(yè)；宏觀上并行運行：都

10、處于運行狀態(tài)，但都未運行完；微觀上串行運行：各作業(yè)交替使用CPU；,64年－70年（集成電路）：利用多道批處理提高資源的利用率。,? 多道程序系統(tǒng) (multiprogramming system),?多道程序系統(tǒng)上的技術,作業(yè)調(diào)度資源共享內(nèi)存使用內(nèi)存保護文件非順序存放、隨機存取,作業(yè)管理、處理機管理、存儲管理、設備管理、文件系統(tǒng)管理(file system),假脫機批處理使用多道程序設計技術和通道技術，由輸入和輸出進程實

11、現(xiàn)在低速設備和高速設備（磁盤）之間的信息傳輸任務；在聯(lián)機方式下實現(xiàn)脫機批處理操作，消除人工干預，提高系統(tǒng)資源利用率；現(xiàn)代操作系統(tǒng)中廣泛使用假脫機處理技術。,? 多道批處理系統(tǒng)的資源利用效率特征,多道批處理系統(tǒng)的資源利用效率特征是基于各作業(yè)對系統(tǒng)資源的需求差異得到的。例如：有3個作業(yè)A、B、C，分別為計算、檢索和打印作業(yè)，單道運行時間分別為5分、15分和10分鐘。它們可并行在15分鐘內(nèi)完成3個作業(yè)。各資源的利用效率為：,多道批處理

12、系統(tǒng)的特點,優(yōu)點：資源利用率高：CPU和內(nèi)存利用率較高；作業(yè)吞吐量大：單位時間內(nèi)完成的工作總量大。缺點：用戶交互性差：不利于調(diào)試和修改；作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時間長：短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間顯著增長。,“分時”的含義分時是指多個用戶分享使用同一臺計算機。多個程序分時共享硬件和軟件資源。多個用戶分時通常按時間片(time slice)分配：各個程序在CPU上執(zhí)行的輪換時間。設計目標：對用戶的請求及時響應，并在可能條件下盡量提高系統(tǒng)資源的利用

13、率。適合辦公自動化、教學及事務處理等要求人機會話的場合。,70年代中期至今,? 分時系統(tǒng)(time-sharing system),主機,終端,,,,,,分時系統(tǒng)示意圖,分時操作系統(tǒng)特點,多路性交互性 “獨占”性及時性,同時有多個用戶使用一臺計算機宏觀上：是多個人同時使用一個CPU微觀上：多個人在不同時刻輪流使用CPU,用戶根據(jù)系統(tǒng)響應結果進一步提出新請求(用戶直接干預每一步),用戶感覺不到計算機為其他人服務（OS提供虛

14、機器，各個用戶的虛機器互不干擾）,系統(tǒng)對用戶提出的請求及時響應,要求：響應時間短，在一定范圍系統(tǒng)可靠性高任務的類型：周期性實時任務非周期性實時任務,用于工業(yè)過程控制、軍事實時控制、金融等領域,?實時系統(tǒng)(real-time system),并發(fā)(concurrency)共享(sharing)虛擬(virtual)異步性(asynchronism),?操作系統(tǒng)的特征,在多道程序處理時，宏觀上并發(fā)，微觀上交替執(zhí)行（在單處理器情

15、況下）。程序的靜態(tài)實體是可執(zhí)行文件，而動態(tài)實體是進程。,多個事件在同一時間段內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)是一個并發(fā)系統(tǒng)，各進程間的并發(fā)，系統(tǒng)與應用間的并發(fā)。操作系統(tǒng)要完成這些并發(fā)過程的管理。并行(parallel)是指在同一時刻發(fā)生。,并發(fā)(concurrency),共享(sharing),互斥共享：資源分配后到釋放前，不能被其他進程所用。同時訪問資源分配難以達到最優(yōu)化,多個進程共享有限的計算機系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)要對系統(tǒng)資源進行合理分配和使用

16、。資源在一個時間段內(nèi)交替被多個進程所用。,虛擬(virtual),CPU－－每個用戶（進程）的"虛處理機"存儲器－－每個進程都占有的地址空間（指令＋數(shù)據(jù)＋堆棧）顯示設備－－多窗口或虛擬終端(virtual terminal),一個物理實體映射為若干個對應的邏輯實體－－分時或分空間。虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率。,異步性(asynchronism),進程的運行速度不可預知：分時系統(tǒng)中，多個

17、進程并發(fā)執(zhí)行，"時走時停"，不可預知每個進程的運行推進快慢判據(jù)：無論快慢，應該結果相同－－通過進程互斥和同步手段來保證難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個時刻的狀態(tài)（包括重現(xiàn)運行中的錯誤）,也稱不確定性，指進程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時間的不確定性；,? 1.3 操作系統(tǒng)的分類,操作系統(tǒng)分類主要討論操作系統(tǒng)的功能特征。,? 1.3.1 批處理操作系統(tǒng)? 1.3.2 分時操作系統(tǒng)? 1.3.3 實時操作系統(tǒng)? 1.3.4 網(wǎng)絡操作系統(tǒng)

18、? 1.3.5 分布式操作系統(tǒng),? 作業(yè)的處理流程作業(yè)提交：作業(yè)的輸入；作業(yè)執(zhí)行作業(yè)完成：作業(yè)的輸出；,1.3.1 批處理操作系統(tǒng)(Batch Processing Operation System),? 批處理的主要特征,用戶脫機使用計算機作業(yè)成批處理多道程序并行,? 三種批處理類型單道批處理操作系統(tǒng)；多道批處理操作系統(tǒng)；遠程批處理系統(tǒng),把計算機的系統(tǒng)資源（尤其是CPU時間）進行時間上的分割，每個時間段稱為一個時間片

19、（time slice），每個用戶依次輪流使用時間片。,1.3.2 分時操作系統(tǒng)(Time Sharing Operating System),? 分時的定義,?分時系統(tǒng)的特征,多路性：多個用戶同時工作。獨立性：各用戶獨立操作，互不干擾。交互性：系統(tǒng)能及時對用戶的操作進行響應，顯著提高調(diào)試和修改程序的效率：縮短了周轉(zhuǎn)時間。,? 實時系統(tǒng)的特征實時時鐘管理：提供系統(tǒng)日期和時間、定時和延時等時鐘管理功能；及時性：響應時間的要求；多

20、任務管理：系統(tǒng)的并發(fā)性和隨機性；高度可靠性和安全性：容錯能力（如故障自動復位）和冗余備份（雙機，關鍵部件）；,實時操作系統(tǒng)主要用于過程控制、事務處理等有實時要求的領域，其主要特征是實時性和可靠性。,1.3.3 實時操作系統(tǒng)(Real Time Operating System),通常操作系統(tǒng)的功能：處理機管理、存儲器管理、設備管理、文件管理等；網(wǎng)絡通信功能：通過網(wǎng)絡協(xié)議進行高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸；網(wǎng)絡資源管理：協(xié)調(diào)各用戶使用；網(wǎng)絡

21、服務：文件和設備共享，信息發(fā)布；提供網(wǎng)絡接口,1.3.4 網(wǎng)絡操作系統(tǒng)(NOS, Network Operating System),分布式系統(tǒng)：處理和控制的分散（相對于集中式系統(tǒng)）,1.3.5 分布式操作系統(tǒng)(Distributed Operating System),多機合作：自動的任務分配和協(xié)調(diào),堅強性：計算機或通路發(fā)生故障時，其它部分可自動重構成一個新的系統(tǒng)，繼續(xù)工作,結構的觀點,資源管理的觀點,進程的觀點,用戶觀點,? 1.

22、4研究操作系統(tǒng)的幾種觀點,操作系統(tǒng)是由一些可同時獨立運行的進程和一個對這些進程進行協(xié)調(diào)的核心組成。,? 進程的觀點,進程（任務）：,完成某一特定功能的程序是程序的一次執(zhí)行過程是動態(tài)有生命的，當它執(zhí)行時存在，否則消亡,進程是并發(fā)程序的執(zhí)行，是獨立運行的基本單位，是資源分配的基本單位。,操作系統(tǒng)---資源管理者 硬件資源：CPU,內(nèi)存,外部設備(I/O設備，外存等) 軟件資源：硬盤上的文件,信息,? 資源管理的觀點,? 操作

23、系統(tǒng)的主要功能： 處理機管理 存儲器管理 I/O設備管理 文件管理,管理資源,記錄資源使用狀況 如 哪些資源空閑，好壞與否，被誰使用,使用多長時間等合理的分配資源靜態(tài)分配策略 (在程序運行前分配，但效率不高)動態(tài)分配策略 (在程序運行過程中何時用資源，何時分配。其缺點是會出現(xiàn)死鎖)具體完成分配回收資源,資源管理的目的,實現(xiàn)資源共享提高資源利用率,傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)設計方法－－－

24、結構化程序設計方法 設計思想： a.按功能劃分成若干模塊 b.規(guī)定模塊間的接口 c.分別對各模塊獨立設計、研制,? 結構的觀點,? 模塊結構法：,缺點：,a.接口規(guī)定困難b.無序性：模塊間調(diào)用關系復雜,操作系統(tǒng)的設計原則,可維護性：改錯性維護適應性維護完善性維護可靠性：正確性穩(wěn)健性可理解性性能：有效地使用系統(tǒng)資源；盡可能快地響應用戶請求；,設計思想： a.將功能按功能流圖的調(diào)用次序