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1、主讲教师 程如铁,操作系统,新世纪计算机类本科系列教材,计算机操作系统,汤小丹等 编著,西安电子科技大学出版社,（第四版）,目 录,第一章 操作系统引论 第二章 进程的描述与控制 第三章 处理机调度与死锁 第四章 存储器管理 第五章 虚拟存储器第六章 输入输出系统第七章 文件管理 第八章 磁盘存储器的管理第九章 操作系统接口 第十章 多处理机操作系统 第十一章多媒体操作系统第十二章保护与安全,第一章 操作系统引论,第一章 操作系统引论,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 操作系统的结构设计,计算机系统的组成,
2、硬件是计算机系统的基础 软件是提高计算机系统效率和方便用户使用计算机的程序 它们二者相互依赖、相互促进、共同发展,操作系统在计算机系统中的地位,操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）,1.1 操作系统的目标和作用一、操作系统的目标,有效性（系统管理人员的观点）使CPU及各I/O设备有效利用（充分忙碌）方便性（用户的观点）以命令方式（或图形方式、程序方式）代替手工方式操作机器，提供良好的、一致的用户接口。可扩充性（开放的观点）便于修改或增加功能开放性 结构开放乃至源代码开放,二、操作系统的作用,应用程序-虚机器界面 操作系统-物理机器界面 硬件,假如没有操作系
3、统？怎样将目标代码送给硬件？怎样输出打印结果？人们将对二进制程序操作 从发光二极管读答案,1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统 OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口2.OS作为计算机系统资源的管理者 有效合理地分配资源，保护用户不受侵犯 提供安全、保密措施3.OS实现了对计算机资源的抽象 每当在计算机系统上覆盖上一层软件后，系统功能便增强一级,图 1-1 OS作为接口的示意图,(1)命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(语言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。(2)系统调用方式。OS提供了一组系统
4、调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机。(3)图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。,三、推动操作系统发展的主要动力-“需求推动发展”,1.不断提高计算机资源利用率2.方便用户3.器件的不断更新换代4.计算机体系结构的不断发展5.不断提出新的应用需求,1.2 操作系统发展过程,操作系统发展是随着计算机硬件技术、应用软件的发展而发展的目标：充分利用硬件 提供更好的服务,OS的形成已有50多年的时间,一、未配置操作系统的计算机系统1.人工操作方式 硬件非常昂贵，没有操作系统。用户：既是程序员，又是操作员。用户是计算机专业人员；编程语言：
5、机器语言；输入输出：纸带或卡片；,工作特点：用户独占全机 CPU等待人工操作，程序通过卡片人工装入、卸下 一次完成一个功能（计算，I/O，用户思考/反应）,缺点：,造成人机矛盾和CPU与I/O之间的矛盾，工作效率非常低 每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码 工作量大，难度高，易出错，需要大量人力和物力,2.脱机输入/输出方式,脱机输入/输出方式:增加外围机负责控制程序和数据的输入输出,联机输入/输出方式：所有工作交CPU,监督程序发展为执行系统，常驻内存,脱机I/O方式的主要优点如下：减少了CPU的空闲时间。(2)提高I/O速度。,图 1-3 脱机I/O示意图,二、单道批处理系统1.单道批处
6、理系统的处理过程,把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序，控制这批作业一个接一个地连续处理。,2.单道批处理系统的特征,1.自动性2.顺序性3.单道性,三、多道批处理系统1.多道程序设计的基本概念,多道程序设计：多个用户共享CPU和系统资源,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；,图 1-5、1-6 单道和多道程序运行情况,2.多道批处理系统的特征,（1）多道性（2）无序性（3）调度性 作业从提交给系统开始直至完成，需要经过两次调度：A、作业调度 B、进程调度,多道程序
7、系统多重处理系统多用户多终端,3.多道批处理操作系统优缺点,优点：*作业流程自动化；*资源利用率高，吞吐量大。吞吐量：单位时间内处理作业的个数缺点:*平均周转时间长，短作业的周转时间显著增长；*无交互手段，调试程序困难。,操作系统的定义,操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合,它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行。,有效：系统效率，资源利用率,（如：CPU利用的充足与否，内存、外部设备是否忙碌）,合理：公平与否，如果
8、不公平则会产生“死锁”或“饥饿”,方便：用户界面,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,四、分时操作系统,1.分时系统的产生工作方式:*一台主机连接了若干个终端*每个终端有一个用户在使用*交互式的向系统提出命令请求*系统接受每个用户的命令*采用时间片轮转方式处理服务请求*并通过交互方式在终端上向用户显示结果*用户根据上步结果发出下道命令,分时操作系统,2.分时系统实现中的关键问题,及时接收 及时处理时间片：操作系统将CPU的时间划分成若干个片段,称为时间片 操作系统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务，每次服务一
9、个时间片(其特点是利用人的错觉，使人感觉不到),3.分时系统的特征,多路性交互性“独占”性及时性,同时有多个用户使用一台计算机宏观上：是多个人同时使用一个CPU微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU,用户根据系统响应结果进一步提出新请求(用户直接干预每一步),用户感觉不到计算机为其他人服务（OS提供虚机器，各个用户的虚机器互不干扰）,系统对用户提出的请求及时响应,五、实时系统,实时：指计算机对于用户请求能足够快地进行处理，并做出反映。要求毫秒、微秒级。实时操作系统的应用：实时控制系统 此类实时控制系统主要用于生产过程的自动控制，实验数据自动采集，武器的控制、包括火炮自动控制、飞机自动驾驶、导弹
10、的制导系统。实时信息处理系统 这类系统主要用于实时信息处理，象飞机订票系统、情报检索系统。,实时系统与分时系统的比较,（1）多路性（2）独立性（3）及时性（4）交互性（5）可靠性,*网络操作系统,a.计算机网络 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物,是互连起来的计算机的集合.b.网络操作系统 是使网络上各计算机能方便地进行网络通信、有效地共享网络资源，为网络用户提供所需各种服务的软件和有关规程的集合。,网络操作系统,*分布式操作系统,分布式计算机系统是为分散处理、协同完成任务而将多个分散的计算机经互连网络连接而成的计算机系统，分布式操作系统是在它上配置的操作系统。分布式操作系统是能直接
11、对系统中各类资源进行动态分配和管理，有效控制和协调诸任务的并行执行，允许系统中的处理单元无主、次之分，并向系统提供统一的、有效的接口的软件集合。,分布式操作系统与网络操作系统的区别,分布性 处理上的分布性是分布式操作系统的最基本特征。网络虽有分布处理的功能，但网络的控制功能，则大多集中在某个主机或服务器上，它的控制方式集中的，分布式系统的处理分布是资源、功能、任务和控制都是分布的。透明性 分布式操作系统负责全系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输协调工作，并为用户提供一个统一的界面，标准的接口，用户通过这一界面实现所需要的操作和使用系统资源。分布式OS通常很好地隐藏系统内部的实现细节，如对象
12、的物理位置、并发控制、系统故障等对用户都是透明的。,分布式操作系统与网络操作系统的区别,统一性 分布式系统要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性，而网络系统一般是在各自操作系统基础上加上负责网络访问功能模块，网络各操作系统不一致。健壮性 由于分布式系统的处理和控制功能是分布的，设备出现故障时，可通过容错技术实现系统重构，从而仍保持系统的正常运行，因而系统具有健壮性,即具有较好的可用性和可靠性。而网络系统其控制功能大多集中在主机和服务器中，使系统具有潜在的不可靠性。,六、微机操作系统的发展,单用户单任务操作系统单用户多任务操作系统多用户多任务操作系统,1.3 操作系统的基本特征,一、并发性
13、(Concurrence)：并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。具有此特性的程序称并发程序。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间间隔内宏观上有多道程序同时运行，但在微观上可能是交替或顺序运行的。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。具有此特性的程序称并行程序。并行执行意即同时执行 并行是一种物理的、或微观的同时性概念 并发是一种逻辑的、或宏观的同时性概念 单处理机系统不能实现并行，但可实现并发 多处理机系统既可实现并发，又可实现并行,进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个活动实体。在操作系统中引入进程的目的，是使多个程序
14、能并发执行。线程是比进程更小的单位，基本不拥有系统资源，因此对它调度所付出的开销会小得多。,进程和线程,二、共享性(Ssaring)：是指操作系统与多个用户程序共同使用计算机系统中的资源。资源共享方式 互斥共享：指某个资源在一段时间内只允许一个作业使用，这种资源称临界资源。同时共享：指某个资源在一段时间内允许多个作业同时使用。但这里的同时的概念是宏观的，微观上则可能是交替地对资源进行访问。,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性，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
15、享实施有效管理，则也必将影响到程序并发执行。,三、虚拟性（Virtual):虚拟是指将一个物理的实体变为若干个逻辑上的对应物。前者是实的后者是虚的，是一种感觉性存在，如虚存、虚网、虚设备、虚文件等。1)时分复用技术 虚拟处理机技术 虚拟设备技术2)空分复用技术 虚拟磁盘技术 虚拟存储器技术,四、异步性(Asynchronism):多道程序环境下，进程以独立的、不可预知的速度向前推进，即为异步运行方式。多个程序异步并发执行带来了二种不确定性：(1)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。(2)每个程序（进程）执行结果不确定，即对同一程序，给定
16、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。,1.4 操作系统的主要功能,一、处理机管理功能 在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位，因而对处理机的管理归结为对进程的管理。（1）进程控制 创建、撤消进程，进程状态转换 通过原语或系统调用实现（2）进程同步 协调进程间的关系 互斥和同步 同步机制 如锁、信号量（3）进程通讯 进程间的信息交换 直接通讯和间接通讯（4）调度 调度作业和为进程分配处理机 核心为调度算法,二、存储器管理功能,（1）
17、存储分配 为进程分配存储空间 静态分配和动态分配（2）存储保护 防止程序相互干扰 硬、软件结合实现（3）存储共享 多个作业共同使用同一存储空间 解决存储空间不足（4）存储扩充 在不增加物理内存的情况下 向用户提供海量存储空间,三、设备管理功能,任务：分配与回收设备 驱动设备 响应I/O请求目的：提高I/O设备利用率 方便使用I/O设备（1）缓冲管理 解决CPU与I/O速度不匹配 缓冲机制：单缓冲、双缓冲、缓冲池（2）设备分配 分配设备（含通道、控制器）设备分配表（3）设备处理 控制设备工作，处理中断请求 设备驱动程序,四、文件管理功能,（1）文件空间管理 分配、回收文件空间（2）目录管理 目录
18、登记文件，实现文件按名存取，共享与保护（3）文件读写和存取控制 实现对文件的具体访问，防止文件被破坏,（4）设备独立性和虚拟设备 设备独立性（device independence)指应用程序独立于物理设备，即用户程序与物理设备无关 虚拟设备 将一个物理设备变换为多个与之对应的逻辑设备，供多个用户共享,五、操作系统与用户之间的接口,（1）用户接口 联机用户接口 键盘命令 脱机用户接口 图形用户接口 窗口菜单（2）程序接口 系统调用,六、现代操作系统的新功能,1.5 操作系统的结构设计,1.无结构操作系统2.模块化OS结构 传统的操作系统结构3.分层式OS结构4.微内核结构,*操作系统的设计原则
19、,可维护性：,容易修改与否称为可维护性；有三种可能的维护：改错性维护：改正已发现的错误；适应性维护：修改软件，使之适应新的运行环境（硬件环境和软件环境）；如：操作系统的移植。完善性维护：增加新功能；,可靠性：,可靠性包括两方面：正确性：正确实现所要求的功能和性能；稳健性：对意外（故障和误操作）作出适当的处理；,可理解性：,易于理解，以方便测试、维护和交流；,性能：,有效地使用系统资源；尽可能快地响应用户请求；,1.模块化OS结构,模块结构的特点：模块由众多服务过程（模块接口）组成，可以随意调用其他模块中的服务过程。优点：具有一定灵活性，在运行中的高效率缺点：(1)功能划分和模块接口难保正确和合
20、理；(2)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,整个系统按功能进行设计和模块划分。系统是一个单一的、庞大的的软件系统。这种结构思想来源于服务功能观点，而不是资源管理的观点。,2.分层式OS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：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；避免递归调用缺点：降低了运行效率,各
21、系统对具体划分多少层次有不同的看法。,*分层原则,被调用功能在低层：如文件系统管理设备管理设备驱动程序活跃功能在低层：提高运行效率资源管理的公用模块放在最低层：如缓冲区队列、堆栈操作存储器管理放在次低层：便于利用虚拟存储功能最低层的硬件抽象层：与机器特点紧密相关的软件放在最低层。如Windows NT中的HAL单处理、多处理资源分配策略放在最外层，便于修改或适应不同环境,三、微内核OS结构,1.客户/服务器模式 2.面向对象的程序设计技术,3.微内核技术 把操作系统分成若干分别完成一组特定功能的服务进程，等待客户提出请求；而系统内核只实现操作系统的基本功能(如：虚拟存储、消息传递)。优点：良好
22、的扩充性：只需添加支持新功能的服务进程即可 可靠性好：调用关系明确，执行转移不易混乱 便于网络服务，实现分布式处理：以同样的调用形式，在下层可通过核心中的网络传送到远方服务器上(远地过程调用 RPC,Remote Procedure Call)缺点：消息传递比直接调用效率要低一些(但可以通过提高硬件性能来补偿),*常用的操作系统,1 MS DOS2 MS Windows 3.x,Windows 95,Windows NT,Windows 20003 UNIX,返回,目前的操作系统，通常具有分时、实时和批处理功能，又称作通用操作系统。可适用于计算、事务处理等多种领域，能运行在多种硬件平台上，如
23、UNIX系统、Windows NT等。通用化、小型化,1.DOS操作系统 单用户单任务 简单分层结构,1981年IBM公司首次推出了IBM-PC个人计算机，在微机中采用了微软公司开发的MS-DOS操作系统。该操作系统在8位计算机操作系统CP/M的基础上进行了较大的扩充，增加了许多内部和外部命令，使该操作系统具有较强的功能及性能优良的文件系统。随着IBM-PC及其兼容机的普及和畅销，MS-DOS操作系统也就成了事实上的16位微机单用户单任务操作系统的标准。,MS DOS的结构,DOS BIOS(Basic Input/Output System)：由一组与硬件相关的设备驱动程序组成，实现基本的输
24、入/输出功能；DOS核心：提供一套独立于硬件的系统功能：内存管理、文件管理、字符设备和输入/输出、实时时钟等；命令处理程序：对用户命令进行分析和执行；,2.MS-Windows操作系统 单用户多任务（分时系统）16位/16和32位混合/32位,1990年微软公司推出的Windows 3.0以其易学易用、友好的图形用户界面、支持多任务的优点，很快占领了市场。1992年推出的Windows 3.1版，提供了386增强模式，提高了运行速度，功能也更强大。1993年推出了Windows NT是一个全新的32位多任务操作系统，成为Windows家族中功能最强并支持网络功能的操作系统。1995年推出Win
25、dows 95之后，在Windows 95的基础上又推出了Windows 97、98、XP，提供了Internet浏览器和网络功能，使它们成了当今个人计算机上最广泛使用的操作系统。,3.UNIX 多用户多任务，16/32/64位 BSD,SVR4（模块式结构）,OSF/1（微内核结构）,UNIX系统是一个交互式的分时操作系统；是唯一能在微机工作站、小型机到大型机上都能运行的操作系统，也是当今世界最流行的多用户、多任务操作系统。1974年ACM通信上发表了K.Thompson 和 D.Ritchie的论文“The UNIX Time-Sharing System”，UNIX系统公布于世。作者：美
26、国BELL实验室 Ken Thompson(K.汤普逊）Dennis Ritchie(D.里奇）（C语言的创始人）,目前，国内流行的UNIX操作系统：SCO UNIX AT&T UNIX SVR 4X惠普计算机上的HP-UXIBM小型机上的AIX苹果Mac上的AUX免费的UNIX版本，如Linux、Minix和FreeBSD,*linux系统,linux的起源和发展确实令人惊奇。它是一个芬兰二十三岁的计算机系学生Linus Torvalds的业余发明。但如今已经成长为一个羽翼丰满的32位计算机的操作系统，其性能可与商业的x86UNIX操作系统相媲美。linux是自由软件，并且在专用的网站上公布
27、了该系统的源代码。因此，引起了全世界操作系统爱好者的兴趣，不断地对linux进行修改和补充，不断地增加功能，用户可以不断地下载更新的版本，并在各种系统配合下进行测试，这使得linux日趋完善和成熟。,本章知识结构图一,操作系统的作用,系统设计者角度（内部）,用户角度（外部）,系统工作流程组织者,资源管理者,用户环境,虚拟机,本章知识结构图二,操作系统的发展过程,单道批处理,无操作系统,发展历程,发展动力,多道批处理,实时系统,分时系统,提高资源利用率,计算机体系结构发展,元器件发展,方便用户,进一步发展,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,非对称多处理机模式,对称多处理机模式,C/S模式,对等模式,多用户多任务,单用户多任务,单用户单任务,人机矛盾突出,系统资源空闲多,交互能力弱、多用户难同时共享,无法满足实时任务需要,本章知识结构图三,
