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1、2023/11/3,1,操作系统,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,2,前 言,“操作系统”课程是计算机及相关专业的重要专业课程。本课程要求学生全面了解操作系统的基本设计与实现方法，熟练掌握操作系统的一些基本概念，理解资源管理的手段与需要考虑的因素，掌握一些关键的算法，并且对一些流行的操作系统（例如WINDOWS、UNIX、LINUX等）有比较深入的了解。,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,3,学什么，为什么学,不是学使用，学习设计、实现的基本原理、基本概念、基本技术、基本方法。使用入门后，在机器上“泡”出来的 理论是使用的基础，精通的前提,2023
2、/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,4,为什么学,是计算机专业的专业必修课。与其他专业学生的不同(专业课的重要性)。考研(博)的核心课程。特别重要的是：是宁波大学计算专业的学位课程（意味着.）,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,5,设计操作系统 或者 修改现有的系统 存在人们意识不到的大量“操作系统”嵌入式系统(Embedded OS）加深对使用的OS的理解，有利于深入编程 用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法 操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他领域 选择购买操作系统 我们并不总使用Win95/NT/200
3、0/XP,为什么学,在哪些设备上需要操作系统？,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,7,例：任务（进程）的管理和互斥 订票程序：procedure order（x）var x：integer；begin按旅客要求找到所需剩余票数Aj；x=Aj；ifx 1thenbegin x=x-1；Aj=x；输出一张票；endelse输出信息“票售完”；end,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,8,例：内存管理 二级缓存cache 交换空间intarray10000，10000；for（i=0；i=9999；i+）for（j=0；j=9999；j+）arrayi，j
4、=0；与 for（i=0；i=9999；i+）for（j=0；j=9999；j+）arrayj，i=0；两程序一样吗？,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,9,如何学,理论、概念课。以教材为基础，增加介绍新的观点、技术。以LINUX为上机平台。把理论运用于实践。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）,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,10,你所用过的操作系统,你知道下列哪些是操作系统吗?极品飞车 DOS LINUX WINDOWS TURBO-C WORD FOXPRO UNIX TURBO-ASM VI 一个C语言源程序
5、,你听说过哪些操作系统？,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,12,操作系统的目标和作用,操作系统是计算机系统中最重要也是最基本的系统软件。它是计算机系统资源的管理者，是用户与系统进行交互的最基本界面，又为其它软件的运行提供良好的工作环境。,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,13,操作系统的作用,#include int main(int argc,char*argv)puts(hello world);return 0;,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,14,程序执行系统调用，在文件描述符中写一字符串,用户告诉操作系统执行he
6、llo程序,操作系统找到该程序，检查其类型,检查程序首部，找出正文和数据的地址,文件系统找到第一个磁盘块,父进程需要创建一个新的子进程，执行hello程序,操作系统需要将执行文件映射到进程结构,操作系统设置CPU上下文环境，并跳到程序开始处,程序的第一条指令执行，失败，缺页中断发生,操作系统分配一页内存，并将代码从磁盘读入，继续执行,更多的缺页中断，读入更多的页面,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,15,操作系统检查字符串的位置是否正确,操作系统找到字符串被送往的设备,设备是一个伪终端，由一个进程控制,操作系统将字符串送给该进程,该进程告诉窗口系统它要显示字符串,窗口系统
7、确定这是一个合法的操作，然后将字符串转换成像素,窗口系统将像素写入存储映像区,视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器（重画屏幕）,显示器发射电子束,你在屏幕上看到hello world,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,16,操作系统作为用户和计算机硬件系统之间的接口,用 户,应 用 程 序,系 统 调 用，命 令 解 释OS,计算机硬件,假如没有操作系统？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 从二极发光管读答案,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,17,扩充机器,应用程序-虚机器界面 操作系统-物理机器界面 硬件,
8、2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,18,资源的管理者,硬件资源处理器,存储器,I/O设备软件资源 文件(数据和程序),2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,19,总结,用户（一般用户，程序设计者）从外部：用户环境观点操作系统是计算机用户使用计算机系统的接口，它为计算机用户提供了方便的工作环境。虚拟机器观点操作系统是建立在计算机硬件平台上的虚拟机器，它为应用软件提供了许多比计算机硬件功能更强大或没有的功能。操作系统设计者从内部：资源管理观点操作系统是计算机系统各类资源的管理者，它负责分配、回收以及控制计算机系统的各类软硬件资源。（静态）作业组织观点操作系统
9、是计算机系统工作流程的组织者，它负责协调在系统中运行的各个应用软件的运行次序。（动态）,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,20,操作系统定义,操作系统是一个计算机系统软件，是用户使用计算机系统的接口，建立在硬件平台上的虚拟计算机，它组织协调系统中各程序的运行顺序，管理系统中各类硬、软件资源。,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,21,OS的发展历史,动力：提高资源的利用率。方便用户。微电子，硬件技术的更新和计算机体系结构的发展。应用的需要，领域的扩展。目标：充分利用硬件 提供更好的服务,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,22,操作
10、系统历史划分为以下几个个阶段,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,23,第 1 阶段 硬件非常昂贵，没有操作系统,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,24,没有程序设计语言（甚至没有汇编），更谈不上操作系统程序员提前预约一段时间,然后到机房将他的插件板插到计算机里期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断从而可以计算自己的题目,ENIAC计算机（美国宾夕法尼亚大学）,运算速度：5000次/每秒,18000个真空管,占地182平方米，重量130吨，功耗140kW,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,25,50年代早期出现了穿孔卡片程序写
11、在卡片上然后读入计算机但计算过程则依然如旧,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,26,要运行一个作业，先将程序写在纸上（用高级语言或汇编语言）然后穿孔成卡片，再将卡片盒交给操作员计算结果从打印机上输出操作员到打印机上撕下运算结果送到输出室程序员稍后可从取到结果然后，操作员从输入室的卡片盒中读入另一个任务如果需要FORTRAN编译器，还要把它取来读入计算机机时在走来走去时被浪费,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,27,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,2023/11/3,宁波大学信息科学与工
12、程学院 彭宗举,28,第 2 阶段 批处理系统单道批处理多道批处理,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,29,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,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,30,批处理操作系统-现代操作系统雏型,为了改进主存和I/O设备之间的吞吐量IBM 7094机引入了I/O 处理机概念其思想是：在输入室收集全部的作业，用一台相对便宜的计算机如IBM 1401计算机，将它们读到磁带上另外用较昂贵的计算机，如IBM7094来完成真正的计算配备的操作系统：FMS I
13、BMSYS这些操作系统由监控程序，特权指令，存储保护和简单的批处理构成,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,31,$END,$RUN,Data for program,$LOAD,Fortran program,$FORTRAN,$JOB,10,429754 Cherry Chen,典型的FMS JOB 结构,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,32,单道批处理操作系统特点,单道性顺序性自动性,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,33,多道程序批处理系统在磁盘上多个作业等待运行多道程序-同时运行多个作业-选择若干作业准备运行（调度）并
14、装入内存（存储管理）-运行一个作业，当它等待时切换至内存中的另一个作业（如需安装磁带，等键按下）,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,34,多道程序设计：多个用户共享系统,增加：存储保护，重定位利用率高（多个作业）有必要采用并发程序设计技术操作系统成为研究焦点：需要处理复杂性,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,35,多道程序设计,在内存中同时装入多个程序一起运行的方法称为多道程序设计例：任务一：（1）从输入机接受输入1000个字符（6400/秒）需156毫秒（2）处理 费时47毫秒（3）结果输出到磁带机1000个字符（10万/秒）需10毫秒上述三步循环
15、执行,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,36,CPU和外围无并行工作能力：,CPU效率：47/（156+47+10）22%,CPU和外围并行工作：,CPU效率：47/15630%,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,37,同时装入任务二：（1）磁带机 输入1000个字符 需10毫秒（2）处理 费时31毫秒（3）行打印机输出 2行（1350行/分）需90毫秒,输入机 磁带机1(写)磁带机2(读)打印机 CPU,CPU效率：（47+31）/15650%,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,38,多道批处理系统的特点,多道性无序性调度性,
16、2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,39,多道程序设计目的,提高CPU、I/O设备及计算机系统的效用,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,40,要解决的问题,存储保护和程序浮动 存储保护每道程序只能访问自己的区域，互不干扰，一个程序出错，不会影响其它程序 程序浮动在任意内存区域都能正常运行，是随机的，绝对编址相对编址，可重定位程序的管理 系统中存在多道程序，而CPU只有一个，执行的程序的可能处于不同的状态：运行态，等待态，就绪态资源的管理和调度 CPU主存储器，外围设备，数据，有多道程序竞争，就有管理、调度的问题。,2023/11/3,宁波大学信息科学与
17、工程学院 彭宗举,41,第 3 阶段,分时系统实时系统,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,42,分时操作系统,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,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,43,主机,终端,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,44,分时操作系统,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个
18、时间片(其特点是利用人的错觉，使人感觉不到),2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,45,分时操作系统特点,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,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,46,分时操作系统,追求目标：及时响应(根据指标是响应时间)响应时间：从终端发出命令到系统给予回答所经历的时间,2023
19、/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,47,分时操作系统,影响响应时间的因素：-机器处理能力-请求服务的时间长短-系统中连接的终端数目-服务请求的分布-调度算法（时间片的选取）,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,48,实时操作系统,实时任务分类：第一类：实时过程控制 工业控制，军事控制，.第二类：实时通信（信息）处理 电讯（自动交换），银行，飞机订票 股市行情,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,49,实时操作系统,主要追求目标：对外部请求在严格时间范围内作出反应高可靠性安全性完整性实时系统必须和先进的技术装备相结合,2023/11/3,宁波
20、大学信息科学与工程学院 彭宗举,50,第 4 阶段,个人PC的OS网络OS分布式OS嵌入式OS,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,51,现代OS的特征,并发宏观上在一段时间内有多道程序同时运行。微观是交替执行（单CPU）程序是静态实体，描述程序的执行称为进程共享并发进程共同使用系统中资源 一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源虚拟把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物异步进程的执行是“走走停停”，何时执行不可预知,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,52,操作系统的功能,从资源管理角度和方便用户使用：处理机管理处理机分配调度策略存储管理地址映射
21、，内存分配，内存扩充，存储保护，内存释放设备管理通道、控制器、I/O设备的分配，启动、故障处理，虚拟设备（逻辑设备）设备独立性，缓冲技术（以上三项为硬设备）文件（信息）管理文件的存储、检索、修改、信息的共享、保密、保护（软设备）用户界面提供用户方便使用计算机的接口操作接口：命令、菜单、图形程序接口(编程接口)：系统调用（参数、机制）,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,53,操作系统的功能,从动态角度考虑，单列：组织系统的工作流程启动、终止以及控制程序的运行，程序运行状态的转换，程序之间的同步、通讯。,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,54,早期的单模
22、块操作系统,简单，操作系统是一个过程集，允许任一过程调用任何其它过程。问题：扩展很困难，修改一个过程可能导致其它的错误,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,55,结构化方法的层次式操作系统,调试容易，功能扩展方便,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,56,最新的客户/服务器模型,服务器以进程方式运行，有些在用户态，有些在核心态一个服务器出问题，只是局部的，适用于分布式计算环境。,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,57,处理机执行状态,系统（核心）态具有较高特权，能执行一切指令，访问所有存储区 系统内核程序以此状态执行用户态具有较低特权，只能执行部分指令，访问指定存储区 用户程序(系统实用程序)运行在此状态目的：保护核心数据和程序不被破坏,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,58,内核支撑功能,中断处理OS内核最基本的功能，OS赖以活动的基础。时钟管理活动的基准原语操作不可分割的基本功能操作（一个过程或一段程序）一般通过中断屏蔽实现,2023/11/3,宁波大学信息科学与工程学院 彭宗举,59,内核的功能成分,进程管理（处理机管理）存储管理设备管理,
