計算機操作系統(tǒng)教程(第三版)張堯?qū)W 第1講--概述

1、1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)吳明禮北方工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系2張堯?qū)W張堯?qū)W計算機操作系統(tǒng)教程計算機操作系統(tǒng)教程清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 第第3版版3上課時間本學(xué)期1-16周每 周一上午 3，4節(jié) 四教東 202 雙 周三上午 1，2節(jié) 五教 202 上課36學(xué)時實驗12學(xué)時4考試成績閉卷考試期末考試占80%出勤作業(yè)占10%上機實驗占10%5基本要求基本要求掌握基本原理掌握基本原理熟悉主要功能特點熟悉主要功能特點了解操作系統(tǒng)設(shè)計思想與結(jié)構(gòu)了解操作系統(tǒng)設(shè)計思想與結(jié)構(gòu) 6參考資料Unix操作系統(tǒng)教程 西安電子科技大學(xué)出版社，尤晉元Operating Systems Internals an

2、d Design Principles(操作系統(tǒng)精髓與設(shè)計原理，影印版），William Stalling (third edition) 清華大學(xué)出版社，1998Applied Operating System Concepts(實用操作系統(tǒng)概念，影印版） 高等教育出版社，2001 ，側(cè)重于應(yīng)用。操作系統(tǒng)原理技術(shù)與編程，蔣靜，徐志偉 機械工業(yè)出版社計算機操作系統(tǒng)，湯子瀛等 西安電子科技大學(xué) 操作系統(tǒng)原理，龐麗萍 華中理工大學(xué)出版社，20007課程安排：兩次實驗：進程管理 6學(xué)時存儲管理 6學(xué)時8計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)第一章 操作系統(tǒng)緒論第二章 操作系統(tǒng)用戶界面第三章 進程管理第四章 處

3、理機調(diào)度第五章 存儲管理第六章 文件系統(tǒng)第七章 設(shè)備管理第八章 現(xiàn)代操作系統(tǒng)發(fā)展9第一章第一章 操作系統(tǒng)緒論操作系統(tǒng)緒論1.1 操作系統(tǒng)概念1.2 操作系統(tǒng)的歷史1.3 操作系統(tǒng)基本類型1.4 操作系統(tǒng)功能1.5 計算機硬件介紹1.6 算法的描述1.7 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點101.1操作系統(tǒng)概念裸機：沒有任何軟件支持的計算機虛擬機（擴展機）：操作系統(tǒng)為裸機提供資源管理功能和方便用戶的各種服務(wù)功能，改造后的機器稱為虛擬機操作系統(tǒng)定義：一個系統(tǒng)軟件管理和控制計算機系統(tǒng)中的硬件和軟件資源，合理地組織計算機工作流程。為用戶提供一個功能強大、使用方便、可擴展、安全的工作環(huán)境是用戶和計算機之間的一個接口

4、11裸裸 機機計算機用戶計算機用戶各種應(yīng)用軟件各種應(yīng)用軟件匯編和編譯軟件、編輯軟件等匯編和編譯軟件、編輯軟件等計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)與軟硬件關(guān)系的層次示意圖操作系統(tǒng)與軟硬件關(guān)系的層次示意圖裸機12操作系統(tǒng)屬于一種系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)屬于一種系統(tǒng)軟件：從系統(tǒng)管理人員的觀點看：管理和分配硬管理和分配硬件、軟件資源件、軟件資源，合理地組織計算機的工作流程的軟件。從用戶的觀點看：提供良好的用戶接口提供良好的用戶接口，彌補硬件系統(tǒng)的類型和數(shù)量差別，是硬件的擴充。以發(fā)展的觀點看：支撐計算機系統(tǒng)的功能支撐計算機系統(tǒng)的功能擴展擴展，利于追加新的服務(wù)和功能13管理對象包括：CPU、存儲器、外部設(shè)備、

5、信息（數(shù)據(jù)和軟件）；管理的內(nèi)容：資源的當(dāng)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(yīng)管理策略（包括用戶權(quán)限）。操作系統(tǒng)的作用1 OS是計算機硬件、軟件資源的管理者。14操作系統(tǒng)的作用2OS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(yīng)用編程中使用）。15操作系統(tǒng)的作用3OS改造擴展裸機。在裸機上添加：設(shè)備管理、文件管理、存儲管理（針對內(nèi)存和外存）、處理機管理（針對CPU）；另外，為合理組織工作流程：作業(yè)管理、進程管理。操作系統(tǒng)的非形式化定義（關(guān)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

6、16操作系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)用戶觀點：方便用戶資源觀點：充分利用資源方便用戶和充分利用資源常常是矛盾的。操作系統(tǒng)就是要協(xié)調(diào)這對矛盾。171.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史181.2.1 手工操作工作方式用戶：用戶既是程序員，又是操作員，是計算機專業(yè)人員；編程語言：為機器語言；輸入輸出：紙帶或卡片；計算機的工作特點用戶獨占全機：不出現(xiàn)資源被其他用戶占用，資源利用率低；CPU等待用戶：計算前，手工裝入紙帶或卡片；計算完成后，手工卸取紙帶或卡片；CPU利用率低；1946 50年代末（電子管），集中計算（計算中心），計算機資源昂貴；19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

7、；提高效率的途徑專門的操作員，批處理201.2.2 單道批處理系統(tǒng)simple batch processingm早期批處理批處理中作業(yè)的組成：程序數(shù)據(jù)作業(yè)說明書（作業(yè)控制語言）批：供一次加載的磁帶或磁盤，通常由若干個作業(yè)組裝成，在處理中使用一組相同的系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)帶）50年代末 60年代中（晶體管）：利用磁帶把若干個作業(yè)編成作業(yè)序列，由一個專門的監(jiān)督程序（Monitor）自動依次處理。程序可使用匯編語言開發(fā)。211.2.2.1 聯(lián)機批處理用戶提交作業(yè)：以紙帶或卡片為介質(zhì)；操作員合成批作業(yè)：結(jié)果為磁帶介質(zhì)；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

8、接用戶作業(yè)，生成可執(zhí)行程序；啟動執(zhí)行；結(jié)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，CPU處于等待狀態(tài)。221.2.2.2 脫機批處理衛(wèi)星機：完成面向用戶的輸入輸出（紙帶或卡片），中間結(jié)果暫存在磁帶或磁盤上。作業(yè)控制命令由監(jiān)督程序(monitor)來執(zhí)行：如裝入程序、編譯、運行等操作。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(shè)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(yù)才可恢復(fù)）。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。23通道和中斷技術(shù)通道：一種專用處理部件，用于控制I

9、/O設(shè)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。通道有專用的I/O處理器，可與CPU并行工作可實現(xiàn) I/O聯(lián)機處理中斷是指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。中斷處理過程：中斷請求，中斷響應(yīng)，中斷點（暫停當(dāng)前任務(wù)并保存現(xiàn)場），中斷處理例程，中斷返回（恢復(fù)中斷點的現(xiàn)場并繼續(xù)原有任務(wù)）可處理算術(shù)溢出和非法操作碼，死循環(huán)（利用時鐘中斷進行超時限定）監(jiān)督程序發(fā)展為執(zhí)行系統(tǒng)(executive system)，常駐內(nèi)存60年代初，發(fā)展了通道技術(shù)和中斷技術(shù)，這些技術(shù)的出現(xiàn)使監(jiān)督程序在負(fù)責(zé)作業(yè)運行的同時提供I/O控制功能。

10、24單道批處理的主要問題CPU和I/O設(shè)備使用忙閑不均（取決于當(dāng)前作業(yè)的特性）。對計算為主的作業(yè)，外設(shè)空閑；對I/O為主的作業(yè)，CPU空閑；251.2.3 多道批處理系統(tǒng)(multiprogramming system)多道批處理的運行特征多道：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；60年代中 70年代中（集成電路），利用多道批處理提高資源的利用率。在當(dāng)前運行的作業(yè)需作I/O處理時，CPU轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一個作業(yè)。I/O完成后可恢復(fù)執(zhí)行）26程序A監(jiān)督程序I/O操作中斷請求中斷請求啟動I/O啟動I/OI/O完成I/O完成程序A程序

11、B程序C程序D調(diào)度程序單道程序運行情況多道程序運行情況27多道要解決的問題處理機管理問題：分配和回收內(nèi)存管理問題：各得所需、互不干涉I/O設(shè)備管理問題：各種設(shè)備同時運行提高設(shè)備利用率文件管理問題：磁盤空間管理和信息內(nèi)容組織作業(yè)管理問題：不同類型程序的運行，提高效率28多道批處理系統(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：整個作業(yè)完成后或中間出錯時，才與用戶交互，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；批處理：交互性差提高對CPU利用率；分時處理：用戶與應(yīng)用程序隨時交互，控制程序運行，適于商業(yè)和辦公事

12、務(wù)處理縮短響應(yīng)時間291.2.4 分時系統(tǒng)(time-sharing system)“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：單個用戶使用計算機的效率低，因而允許多個應(yīng)用程序同時在內(nèi)存中，分別服務(wù)于不同的用戶。前臺和后臺程序(foreground & background)分時：后臺程序不占用終端輸入輸出，不與用戶交互。通常按時間片(time slice)分配：各個程序在CPU上執(zhí)行輪換時間。70年代中期至今30分時系統(tǒng)的特點人機交互性好：在調(diào)試和運行程序時由用戶自己操作。共享主機：多個用戶同時使用。用戶獨立性：對每個用戶而言好象獨占主機。

13、現(xiàn)在的許多操作系統(tǒng)都具有分時處理的功能，在分時系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，操作系統(tǒng)的發(fā)展開始分化，如實時系統(tǒng)、通用系統(tǒng)、個人系統(tǒng)等。311.2.5 實時系統(tǒng)(real-time system)響應(yīng)時間短，在一定范圍之內(nèi)（秒級或更?。┫到y(tǒng)可靠性高資源利用率低應(yīng)用工業(yè)過程控制軍事實時控制手機、PDA通用操作系統(tǒng)，同時具有分時、實時和多道批處理功能，或其中兩種以上的功能。例如 UNIX系統(tǒng)(Solaris、AIX、Linux)、Windows NT等。32重申幾個重要概念重申幾個重要概念單道運行：每次只調(diào)一個用戶程序進入內(nèi)存讓它運行。多道程序設(shè)計：在系統(tǒng)內(nèi)存同時存放并運行幾道相互獨立的程序。多道程序設(shè)計的基礎(chǔ)：將

14、運行過程進一步細化成幾個小的步驟，從而實現(xiàn)宏觀上的并行，微觀上串行地或分時地占用處理機，交替執(zhí)行。33多重處理系統(tǒng)一般指多CPU系統(tǒng)。多用戶的關(guān)鍵技術(shù)是在用戶之間要有保密保安措施。終端指用戶使用的硬件設(shè)備，即使一個終端也可為多用戶使用，例如，銀行的自動取款機(ATM)。341.3 操作系統(tǒng)的幾種基本類型批處理操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)個人計算機操作系統(tǒng)351.3.1 批處理操作系統(tǒng)(Batch Processing Operation System)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；36用戶作業(yè)錄入提交收容完成運行就緒等待作業(yè)調(diào)度

15、執(zhí)行作業(yè)調(diào)度圖1 批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理及狀態(tài)37單道(uniprogramming)和多道批處理的比較單道多道內(nèi)存使用每次一個作業(yè)每次多個作業(yè)（充分利用內(nèi)存）作業(yè)次序順序，先進先出無確定次序多道程序系統(tǒng)和多處理系統(tǒng)(multiprocessing system)的區(qū)別：前者指多個程序同時在內(nèi)存中交替運行，后者指多個處理器。38多道批處理的主要特征用戶脫機使用計算機：作業(yè)提交后直到獲得結(jié)果之前，用戶無法與作業(yè)交互。作業(yè)成批處理多道程序并行：充分利用系統(tǒng)資源。39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

16、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：CPU打印機磁帶單道17%33%50%多道33%66%100%401.3.2 分時操作系統(tǒng)(Time Sharing Operating System)分時的定義把計算機的系統(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（time slice），每個用戶依次輪流使用時間片。41分時系統(tǒng)的特征多用戶同時性多個用戶同時工作，共享系統(tǒng)資源，提高了資源利用率。促進了計算機的普遍應(yīng)用。獨立性各用戶獨立操作，互不干擾。交互性：系統(tǒng)能及時對用戶操作進行響應(yīng)，提高了調(diào)

17、試和修改程序的效率，縮短了周轉(zhuǎn)時間。遠地用戶通過終端（較便宜）聯(lián)機使用，不必將其作業(yè)提交給機房。421.3.3 實時操作系統(tǒng)(Real Time Operating System)設(shè)計實時系統(tǒng)考慮因素實時時鐘管理：提供系統(tǒng)日期和時間、定時和延時等時鐘管理功能；過載保護：緩沖區(qū)排隊，丟棄某些任務(wù)，降低服務(wù)頻率；過載是指進入系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)目超出系統(tǒng)的處理能力。高度可靠性和安全性：容錯能力和冗余備份；實時操作系統(tǒng)要在被控對象允許時間范圍內(nèi)作出響應(yīng)，其主要特征是實時響應(yīng)、安全可靠、資源利用率低。43實時系統(tǒng)與批處理系統(tǒng)和分時系統(tǒng)的區(qū)別專用系統(tǒng)：許多實時系統(tǒng)是專用系統(tǒng)，而批處理與分時系統(tǒng)通常是通用系統(tǒng)。實

18、時控制：實時系統(tǒng)用于控制實時過程，要求對外部事件的迅速響應(yīng)，具有較強的中斷處理機構(gòu)。高可靠性：實時系統(tǒng)用于控制重要過程，要求高度可靠，具有較高冗余。如雙機系統(tǒng)。事件驅(qū)動和隊列驅(qū)動：實時系統(tǒng)的工作方式：接受外部消息，分析消息，調(diào)用相應(yīng)處理程序進行處理。可與批處理系統(tǒng)結(jié)合成實時批處理系統(tǒng)：實時處理前臺作業(yè)，批處理后臺作業(yè)。441.3.4 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(Network Operating System)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是在通常操作系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上提供網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)通信、資源共享和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)功能的操作系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代初期，Novell公司的netware被稱為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。當(dāng)前操作系統(tǒng)一般都有網(wǎng)絡(luò)

19、功能，不再特指某個操作系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。45計算機網(wǎng)絡(luò)一些自主的計算機系統(tǒng)，通過通信設(shè)施相互連接，完成信息交換、資源共享、互操作和協(xié)同工作等功能。引入計算機網(wǎng)絡(luò)的目的：完成新的應(yīng)用（進行自動的信息交換），提高性能價格比（共享昂貴資源）46計算機網(wǎng)絡(luò)的分類按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌▊鬏斆襟w和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所連接的幾何形狀）：星形、環(huán)形、總線形、不規(guī)則形等；按地理范圍：局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)(MAN)、廣域網(wǎng)(WAN)；按網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)在特性，決定其性能（如效率隨負(fù)載的變化、實時性、優(yōu)先級）Ethernet, Token Ring, FDDI, X.25, ATM47網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的功能具有通常操作系統(tǒng)的功能：處理機管

20、理、存儲器管理、設(shè)備管理、文件管理等；具有網(wǎng)絡(luò)通信功能：通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸；具有網(wǎng)絡(luò)資源管理：協(xié)調(diào)各用戶使用；具有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能：文件和設(shè)備共享，信息發(fā)布；網(wǎng)絡(luò)管理：安全管理、故障管理、性能管理等；互操作：直接控制對方，這比交換數(shù)據(jù)更為困難；481.3.5 分布式操作系統(tǒng)(Distributed 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)）分布式系統(tǒng)是以計算機網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的，它的基本特征是處理上的分布，即功能和任務(wù)的分布。分布式操作系統(tǒng)的所有系統(tǒng)任務(wù)可在系統(tǒng)中任何處理機上運行，自動實現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的任務(wù)分配并自動調(diào)度各處理機的工作負(fù)載。49分

21、布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的比較耦合程度：分布式系統(tǒng)是緊密耦合系統(tǒng)，在各機上建立一個統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，直接管理CPU、存儲器和外設(shè)；統(tǒng)一進行全系統(tǒng)的管理；網(wǎng)絡(luò)通常容許異種OS按照標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議互連。并行性：分布式OS可以將一個進程分散在各機上并行執(zhí)行；網(wǎng)絡(luò)則各機上的進程獨立。透明性：用戶是否知道或指定資源在哪個機器上（如CPU、內(nèi)存或外設(shè)）。分布式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度對用戶透明，用戶不了解所占有資源的位置；網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中對網(wǎng)絡(luò)資源的使用要由用戶明確指定；健壯性：分布式系統(tǒng)要求更強的容錯能力和多機合作能力501.3.6 個人計算機操作系統(tǒng)(Personal Computer Operating System)個人計算機操作系統(tǒng)的特征應(yīng)用領(lǐng)域：事務(wù)處理、個人娛樂，系統(tǒng)要求：使用方便、支持多種硬件和外部設(shè)