操作系統(tǒng)原理 第1章 緒論

1、1操作系統(tǒng)原理操作系統(tǒng)原理 Principles of Operating System 2為什么學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)為什么學(xué)習(xí)操作系統(tǒng) ? 掌握操作系統(tǒng)的基本理論，具備開發(fā)核心系統(tǒng)軟件的技能，設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)或者修改現(xiàn)有的系統(tǒng) 為后繼課程打好基礎(chǔ) 網(wǎng)絡(luò)、分布式系統(tǒng) 了解當(dāng)前流行的實(shí)際操作系統(tǒng)的使用方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù) UNIX，Linux, Windows，Android, Ios3操作系統(tǒng)提供一系列服務(wù)：操作系統(tǒng)提供一系列服務(wù)： 多任務(wù)、用戶界面、 內(nèi)存管理、內(nèi)存保護(hù)、 文件存取、網(wǎng)絡(luò)、 設(shè)備控制、硬件控制 錯(cuò)誤檢測(cè)及恢復(fù)系統(tǒng)、安全計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)系統(tǒng)工具應(yīng)用軟件應(yīng)用用戶應(yīng)用開發(fā)人員操作系統(tǒng)開發(fā)人員操作系

2、統(tǒng)能做什么操作系統(tǒng)能做什么 ?4操作系統(tǒng)特點(diǎn)操作系統(tǒng)特點(diǎn) 內(nèi)容龐雜、涉及面廣 負(fù)責(zé)全部資源管理。與計(jì)算機(jī)軟、硬件及用戶都有著密切的交互 實(shí)踐性強(qiáng)與實(shí)際運(yùn)行著的各類操作系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系 技術(shù)發(fā)展快5 (一) (二) (三) (四) (五)第一章第一章 緒論緒論6一一. . osos與其他各層的關(guān)系與其他各層的關(guān)系 對(duì)下與硬件交互對(duì)下與硬件交互 控制CPU的工作、訪問存儲(chǔ)器、 設(shè)備驅(qū)動(dòng)、中斷處理。 對(duì)上與用戶及各種應(yīng)用程序交互對(duì)上與用戶及各種應(yīng)用程序交互 提供方便的用戶界面、 提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。 操作系統(tǒng)的宗旨操作系統(tǒng)的宗旨 提高計(jì)算機(jī)的使用效率 方便用戶的使用 裸機(jī)作系操統(tǒng)其他系統(tǒng)軟件用戶應(yīng)用程

3、序序程7 存儲(chǔ)程序式計(jì)算機(jī)(Von Neumann計(jì)算機(jī)) 1. 基本部件基本部件 CPU、主存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備、控制臺(tái) 2. 特點(diǎn)特點(diǎn) 集中順序過程控制 集中控制：由CPU集中管理 順序性：程序計(jì)數(shù)器控制 過程性：模擬人們手工操作過程8 3. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)的關(guān)系計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)的關(guān)系 順序計(jì)算模型 并行計(jì)算模型 如何解決矛盾如何解決矛盾 ? OS采用了一系列軟件技術(shù)- 多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)、分時(shí)技術(shù)、 資源分配與調(diào)度等 一對(duì)矛盾9 批處理手工操作階段 聯(lián)機(jī)批處理 脫機(jī)批處理 執(zhí)行 系統(tǒng) 操作系統(tǒng)形成實(shí)時(shí)系統(tǒng)個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)多道程序系統(tǒng) 多道批 分時(shí)

4、處理系統(tǒng) 系統(tǒng)10一一. 手工操作階段手工操作階段 集中順序過程控制 集中控制：由CPU集中管理 順序性：程序計(jì)數(shù)器控制 過程性：模擬人們手工操作過程機(jī)器速度作業(yè)在機(jī)器上所需時(shí)間人工操作時(shí)間操作時(shí)間與機(jī)器有效運(yùn)行時(shí)間之比1萬次/秒1小時(shí)3分鐘1 ：2060萬次/秒1分鐘3分鐘3 ：111批處理階段批處理階段 1. 聯(lián)機(jī)批處理聯(lián)機(jī)批處理 特點(diǎn)：有監(jiān)督程序；作業(yè)自動(dòng)過渡 問題：CPU高速與I/O慢速的矛盾 解決：由衛(wèi)星機(jī)負(fù)責(zé)I/O 12 2. 脫機(jī)批處理脫機(jī)批處理 特點(diǎn)：有監(jiān)督程序；作業(yè)自動(dòng)過渡 問題：CPU高速與I/O慢速的矛盾 解決：由衛(wèi)星機(jī)負(fù)責(zé)I/O 輸入機(jī)打印機(jī) 衛(wèi)星機(jī)輸出帶 輸入帶輸出帶

5、 輸入帶主機(jī)脫機(jī)批處理圖示133. 執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng) (1) 什么是執(zhí)行系統(tǒng)什么是執(zhí)行系統(tǒng) 借助于通道與中斷技術(shù)，由主機(jī)控制I/O工作。原有的監(jiān)督程序不僅要負(fù)責(zé)調(diào)度作業(yè)自動(dòng)地運(yùn)行，而且還要提供I/O控制功能。它常駐主存，稱為執(zhí)行系統(tǒng)。 (2) 特點(diǎn)特點(diǎn) 主機(jī)、外設(shè)并行操作；增強(qiáng)了保護(hù)能力。 (3) 操作系統(tǒng)基本功能操作系統(tǒng)基本功能 I/O控制功能 調(diào)度 (4) 問題問題? 處理機(jī)仍有空閑等待現(xiàn)象14三三. 操作系統(tǒng)的形成操作系統(tǒng)的形成 1. 多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)與多道成批處理多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)與多道成批處理 (1) 單道程序程序的工作情況單道程序程序的工作情況 用戶程序監(jiān)督程序 IO操作計(jì)算請(qǐng)求輸入

6、 啟動(dòng)IO IO完成繼續(xù)計(jì)算 結(jié)束中斷15 (2) 多道程序程序的工作情況多道程序程序的工作情況中央處理機(jī)外部設(shè)備輸入結(jié)束程序B打印輸出光標(biāo)記閱讀輸入繪圖輸出輸出結(jié)束輸出結(jié)束程序A輸入結(jié)束程序A程序B光標(biāo)記閱讀輸入外部設(shè)備16 (3) 什么是多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)什么是多道程序設(shè)計(jì)技術(shù) 在計(jì)算機(jī)主存中同時(shí)存放幾道相互獨(dú)立的程序。這些程序在管理程序控制之下，相互穿插地運(yùn)行。當(dāng)某道程序因某種原因不能繼續(xù)運(yùn)行下去時(shí)(如等待外部設(shè)備傳輸數(shù)據(jù))，管理程序便將另一道程序投入運(yùn)行。 (4) 多道運(yùn)行的特征多道運(yùn)行的特征 多道 宏觀上并行 微觀上串行17 2. 分時(shí)技術(shù)與分時(shí)處理分時(shí)技術(shù)與分時(shí)處理 (1) 分時(shí)技術(shù)

7、分時(shí)技術(shù) 所謂分時(shí)技術(shù)，是把處理機(jī)時(shí)間劃分成很短的時(shí)間片(如幾百毫秒)輪流地分配給各個(gè)聯(lián)機(jī)作業(yè)使用，如果某個(gè)作業(yè)在分配的時(shí)間片用完之前計(jì)算還未完成，該作業(yè)就暫時(shí)中斷，等待下一輪繼續(xù)計(jì)算。 (2) 分時(shí)處理分時(shí)處理 一臺(tái)計(jì)算機(jī)與許多終端設(shè)備連接，終端用戶以聯(lián)機(jī)方式使用計(jì)算機(jī)。183. 實(shí)時(shí)處理實(shí)時(shí)處理 (1) 什么是什么是”實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)” 計(jì)算機(jī)對(duì)外來的信息能夠以足夠快的速度進(jìn)行處理，并且在被控對(duì)象允許的時(shí)間范圍內(nèi)作出快速反應(yīng)。 (2) 實(shí)時(shí)處理實(shí)時(shí)處理 以快速反應(yīng)為特征，對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)能在截止期限之內(nèi)處理并作出反應(yīng)。 19四四. 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展 單CPU計(jì)算機(jī)上的 批量操作系

8、統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng) 向小型化、微型化計(jì)算機(jī)發(fā)展 個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 向具有并行結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 多處理機(jī)操作系統(tǒng) 集群系統(tǒng) 分布式操作系統(tǒng) 20一一. 資源共享與資源競爭資源共享與資源競爭 1. 資源共享資源共享 指多個(gè)計(jì)算任務(wù)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的共同享用。 2. 資源競爭資源競爭 多個(gè)計(jì)算任務(wù)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的爭奪。21二二. 什么是操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng) 中央處理機(jī) 存儲(chǔ)器 繪圖儀 打印機(jī) 顯示器 鍵 盤 網(wǎng) 卡 Modem 文 件 應(yīng) 用 程 序 用 戶 1 用 戶 n 操作命令 操作命令 應(yīng)用程序 1 應(yīng)用程序 n 系統(tǒng)調(diào)用 系統(tǒng)調(diào)用 22 操作系統(tǒng)操作系

9、統(tǒng)是一個(gè)大型的程序系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)的全部軟、硬資源的分配、調(diào)度工作，控制和協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)信息的存取和保護(hù)。它提供用戶接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境。 操作系統(tǒng)使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 高度自動(dòng)化高度自動(dòng)化 高效率高效率 高利用率高利用率 高可靠性高可靠性 操作系統(tǒng)是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。23三三. 操作系統(tǒng)的特征操作系統(tǒng)的特征 1. 并發(fā)并發(fā) 并發(fā)性是指能處理多個(gè)同時(shí)性活動(dòng)的能力。 2. 共享共享 并享是指多個(gè)計(jì)算任務(wù)對(duì)系統(tǒng)資源的共同享用。 3. 不確定性不確定性 操作系統(tǒng)能處理大量的、隨機(jī)的事件序列，使各用戶的計(jì)算任務(wù)正確地完成。24一一. 處理機(jī)管理處理機(jī)管理 1. 制訂調(diào)度策略制訂調(diào)度

10、策略 (調(diào)度原則調(diào)度原則) 確決將CPU先分給哪個(gè)用戶程序，它占用多長時(shí)間，下一個(gè)又該輪到哪個(gè)程序運(yùn)行等問題。 2. 給出調(diào)度算法給出調(diào)度算法 3. 具體的實(shí)施處理機(jī)分派具體的實(shí)施處理機(jī)分派 在調(diào)度時(shí)機(jī)到來時(shí)，進(jìn)行處理機(jī)分派25二二. 存儲(chǔ)器管理存儲(chǔ)器管理 1. 存儲(chǔ)分配和存儲(chǔ)無關(guān)性存儲(chǔ)分配和存儲(chǔ)無關(guān)性 確定各應(yīng)用程序在主存中的位置及所占區(qū)域的大??；應(yīng)用程序無需關(guān)系存儲(chǔ)細(xì)節(jié)，由存儲(chǔ)管理模塊提供地址重定位能力。 2. 存儲(chǔ)保護(hù)存儲(chǔ)保護(hù) 系統(tǒng)提供基址、界限寄存器等存儲(chǔ)保護(hù)方法，使各應(yīng)用程序相互隔離。 3. 存儲(chǔ)擴(kuò)充存儲(chǔ)擴(kuò)充 系統(tǒng)提供虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，擴(kuò)大邏輯主存。26三三. 設(shè)備管理設(shè)備管理 1. 設(shè)

11、備無關(guān)性設(shè)備無關(guān)性 用戶向系統(tǒng)申請(qǐng)和使用的設(shè)備與實(shí)際操作的 設(shè)備無關(guān)，以達(dá)到方便用戶、提高設(shè)備利用率的目的。 2. 設(shè)備分配設(shè)備分配 向個(gè)應(yīng)用程序和運(yùn)行實(shí)體分配各種設(shè)備。設(shè)備分配通常采用三種基本技術(shù)：獨(dú)享、共享及虛擬技術(shù)。 3. 設(shè)備的傳輸控制設(shè)備的傳輸控制 啟動(dòng)設(shè)備、中斷處理、結(jié)束處理等。27四四. 軟件資源管理軟件資源管理 為用戶提供一種簡便的、統(tǒng)一的存取和管理信息的方法，并要解決信息的共享、數(shù)據(jù)的存取控制和保密等問題。 信息組織 存取方法 文件共享 文件安全 文件完整性 磁盤空間分配28 系 統(tǒng)資 源處理機(jī)存儲(chǔ)器I/O設(shè)備軟件資源操作系統(tǒng)功能模塊處理機(jī)管 理存儲(chǔ)器管 理設(shè)備管理文件系統(tǒng)2

12、9 1. 批量操作系統(tǒng)批量操作系統(tǒng) (1) 什么是批量操作系統(tǒng)什么是批量操作系統(tǒng) 批量操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的一種類型。該系統(tǒng)把用戶提交的作業(yè)成批送入計(jì)算機(jī)，然后由作業(yè)調(diào)度程序自動(dòng)選擇作業(yè)，在系統(tǒng)內(nèi)多道運(yùn)行。 30 (2) 特點(diǎn)特點(diǎn) 系統(tǒng)吞吐率高 脫機(jī)操作 多道運(yùn)行 合理搭配作業(yè) 作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間長，用戶使用不方便。31 2. 分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)主機(jī)終端 1終端 2終端 n32 (1) 分時(shí)操作系統(tǒng)的定義分時(shí)操作系統(tǒng)的定義 是操作系統(tǒng)的另一種類型。它一般采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的辦法，使一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)為多個(gè)終端用戶服務(wù)。該系統(tǒng)對(duì)每個(gè)用戶都能保證足夠快的響應(yīng)時(shí)間，并提供交互會(huì)話功能。 (2) 分時(shí)操作系統(tǒng)的

13、特點(diǎn)分時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 多路調(diào)制性 獨(dú)占性 交互性333. 實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng) 3.1. 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義 對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)、醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、武器裝備控制系統(tǒng)和特定顯示系統(tǒng)進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 3.2. 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的分類實(shí)時(shí)系統(tǒng)的分類 (1) 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng) 系統(tǒng)中所有的截止期限(deadline)必須被嚴(yán)格的保證，否則將導(dǎo)致災(zāi)難性后果。 (2) 軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟實(shí)時(shí)系統(tǒng) 系統(tǒng)中截止期限被錯(cuò)過的情況下，只造成系統(tǒng)性能下降而不會(huì)帶來嚴(yán)重后果。34 3.3. 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (1) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的定義實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的定義 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的一種類型。實(shí)時(shí)操作系

14、統(tǒng)對(duì)外部輸入的信息，能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)處理完畢并作出反應(yīng)。 (2) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 及時(shí)響應(yīng) 高可靠性和安全性 (3) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的類型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的類型 實(shí)時(shí)控制：生產(chǎn)過程控制、作戰(zhàn)指揮。 實(shí)時(shí)信息處理：訂購機(jī)票、情報(bào)檢索。354.個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，操作系統(tǒng)的目標(biāo)： 不再是最大化CPU和外設(shè)的利用率 而是最大化用戶方便性和響應(yīng)速度 各種類型的Windows替代MS-DOS， IBM公司將MS-DOS升級(jí)為多任務(wù)OS/2 Linux個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)(類似于UNIX) 個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)得益于大型機(jī)操作系統(tǒng)的研制成果。另一方面，微型計(jì)算機(jī)硬件費(fèi)用

15、很低，有些技術(shù)實(shí)現(xiàn)可簡單。36個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的代表： 1. 磁盤操作系統(tǒng)MSDOS 設(shè)備管理、文件系統(tǒng)功能 2. Windows系統(tǒng) 圖形用戶界面 多任務(wù)、多線程 可剝奪式調(diào)度 段頁式虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù) 動(dòng)態(tài)連接375. 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 1. 什么是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)什么是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 利用通信線路將一些獨(dú)立自治的計(jì)算機(jī)相互連接形成的一個(gè)集合體稱為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 38 2. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 多個(gè)處理部件 無公共內(nèi)存 具備消息通信機(jī)制 3. 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)除了具備一般操作系統(tǒng)應(yīng)具有的功能模塊之外（如系統(tǒng)核心、設(shè)備管理、存儲(chǔ)管理、文件系統(tǒng)等），還要增加一個(gè)

16、網(wǎng)絡(luò)通信模塊。該模塊由通信接口中斷處理程序、通信控制程序以及各級(jí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件組成。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的局限性計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的局限性 39 1. 定義定義 包含多個(gè)通用資源部件； 這些資源是分布的，并經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)相互作用； 有一個(gè)分布式操作系統(tǒng)對(duì)資源進(jìn)行全局和動(dòng)態(tài)的管理和控制； 系統(tǒng)對(duì)用戶是透明的； 所有資源高度自治地工作，而又相互配合。 2. 特點(diǎn)特點(diǎn) 可擴(kuò)展性 增加性能 高可靠性 6. 分布式系統(tǒng)分布式系統(tǒng)407. 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)1. 什么是嵌入式系統(tǒng)什么是嵌入式系統(tǒng) 定義：定義： 控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器進(jìn)行的裝置。 定義定義2： 嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟件和硬件的綜合體，它是以應(yīng)用為中心，以

17、計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)。41 定義定義3： 嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)。 2. 嵌入式系統(tǒng)的基本要素嵌入式系統(tǒng)的基本要素 專用性、嵌入性、計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 3. 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)中配置的操作系統(tǒng)一般為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)的功能比較簡單，沒有高級(jí)功能(如虛擬內(nèi)存和磁盤)。 操作系統(tǒng)提供有限功能，只有少量或沒有用戶接口，它們將時(shí)間花費(fèi)在監(jiān)視和管理硬件設(shè)備上。1.5 unix os 1.5.1 unix的發(fā)展1.1969-1970 K.Thompsom ,D.M.Ritchie兩人在Bell實(shí)驗(yàn)室研制成功

18、，在PDP7上用匯編語言實(shí)現(xiàn).2. 1973年兩人用C語言重寫，于PDPD11上實(shí)現(xiàn) unix的功能：做了恰當(dāng)?shù)倪x擇3.標(biāo)識(shí)性的成果 1978年 unix V7商業(yè)面市 1981年 unix system （系統(tǒng)號(hào)） 1983年 unix system 目前用的大部分屬于unix system 1.5.2. unix os 的類型及特點(diǎn)1. unix 系統(tǒng)的類型 unix是一個(gè)多用戶交互分時(shí)OS2. Unix系統(tǒng)的特點(diǎn) 1）精巧的核心與豐富的使用層 2）使用靈活的命令shell 3) 層次式的文件系統(tǒng) 采用樹形目錄結(jié)構(gòu) 4）統(tǒng)一看待文件和設(shè)備 5）良好的可移植性3.Unix的缺點(diǎn) （1）Unix系統(tǒng)版本太多，造成應(yīng)用程序的可移植性不能完全實(shí)現(xiàn) （2） unix缺少諸如實(shí)時(shí)控制，分布處理