操作系統(tǒng)課件：1-緒論(2h)

1、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程清華大學(xué)出版社第3版 (張堯?qū)W 史美林 ) 2015.02.22版教案本課程地位專(zhuān)業(yè)核心課程考研核心課程技術(shù)開(kāi)發(fā)的理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)方法抽象宏觀系統(tǒng)本課程內(nèi)容第一章 操作系統(tǒng)緒論第二章 操作系統(tǒng)用戶(hù)界面第三章 進(jìn)程管理第四章 處理機(jī)調(diào)度第五章 存儲(chǔ)管理第六章 進(jìn)程與存儲(chǔ)管理示例第七章 Windows的進(jìn)程與內(nèi)存管理第八章 文件系統(tǒng)第九章 設(shè)備管理第十章 Linux文件系統(tǒng)第十一章 Windows的設(shè)備管理和文件系統(tǒng)重點(diǎn):處理機(jī)調(diào)度-進(jìn)程管理-存儲(chǔ)管理-設(shè)備管理-文件管理操作系統(tǒng)緒論操作系統(tǒng)的歷史2操作系統(tǒng)功能4操作系統(tǒng)概念31操作系統(tǒng)的基本類(lèi)型33計(jì)算機(jī)硬件簡(jiǎn)介35研究操作系統(tǒng)幾種

2、觀點(diǎn)61.1 操作系統(tǒng)概念 什么是系統(tǒng)?圖1：操作系統(tǒng)與硬件軟件的關(guān)系 裸機(jī)操作系統(tǒng)編輯軟件編譯軟件- - - 各種應(yīng)用軟件1.1 操作系統(tǒng)概念操作系統(tǒng)是一個(gè)程序，充當(dāng)計(jì)算機(jī)用戶(hù)與計(jì)算機(jī)硬件之間的媒介，目的是為用戶(hù)提供一個(gè)環(huán)境，使用戶(hù)能夠以便利和有效的方式運(yùn)行程序。操作系統(tǒng)是管理系統(tǒng)資源、控制程序執(zhí)行、改善人機(jī)界面、提供各種服務(wù)，合理組織計(jì)算機(jī)工作流程和為用戶(hù)有效使用計(jì)算機(jī)提供良好運(yùn)行環(huán)境的一種系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)是位于硬件之上，所有其它軟件層之下的一個(gè)系統(tǒng)軟件，是管理系統(tǒng)中各種軟件和硬件資源使其得以充分利用，方便用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序集合。 1.2 操作系統(tǒng)歷史1.2.1 手工操作階段 19

3、45年，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院1.2 操作系統(tǒng)歷史1.2.2 早期批處理1. 聯(lián)機(jī)批處理2. 脫機(jī)批處理早期脫機(jī)批處理模型 1.2 操作系統(tǒng)歷史1.2 操作系統(tǒng)歷史早期批處理優(yōu)點(diǎn)：批處理方式，減少了人工干預(yù)，提高了效率缺點(diǎn)：?jiǎn)蔚莱绦蛟O(shè)計(jì)，導(dǎo)致系統(tǒng)資源利用率仍然較低獨(dú)占方式使用，單個(gè)作業(yè)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)1.2 操作系統(tǒng)歷史1.2.3 多道程序系統(tǒng)其目標(biāo)是提高作業(yè)的輸入、輸出和整個(gè)系統(tǒng)資源的利用率程序在宏觀并行，但微觀上是串行1.2 操作系統(tǒng)歷史1.2.4 分時(shí)操作系統(tǒng)1959年MIT提出分時(shí)系統(tǒng)思想1962年第一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)CTSS，由MIT 的Fernando Corbato 等 人 在 一 臺(tái)

4、 改 裝 過(guò) 的IBM 7090/7094 機(jī) 上 開(kāi) 發(fā) 成 功 的， 當(dāng) 時(shí) 有32 個(gè) 交 互 式 用 戶(hù)。時(shí)間輪片的方式分享CPU 1965年，MULTICS, Unix的前身1.2 操作系統(tǒng)歷史所謂分時(shí)技術(shù)，就是把處理機(jī)的運(yùn)行時(shí)間分成很短的時(shí)間片，按時(shí)間片輪流把處理機(jī)分配給各聯(lián)機(jī)作業(yè)使用。1.2 操作系統(tǒng)歷史1.2.5 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在允許時(shí)間范圍內(nèi)做出響應(yīng)為特征。如移動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)Symbian 操作系統(tǒng)Windows mobile 51.2 操作系統(tǒng)歷史1.2.6 通用操作系統(tǒng)精干的核心支持龐大的軟件系統(tǒng)（如：Unix等）1.2.7 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展PC操作系統(tǒng)，如window X

5、P嵌入式操作系統(tǒng)，如Symbian操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)智能化操作系統(tǒng)1.3 操作系統(tǒng)基本類(lèi)型1.3.1 批處理操作系統(tǒng)用戶(hù)提交收容完成作業(yè)錄入作業(yè)調(diào)度作業(yè)調(diào)度批處理系統(tǒng)中作業(yè)狀態(tài)運(yùn)行就緒等待執(zhí)行1.3 操作系統(tǒng)基本類(lèi)型1.3.2 分時(shí)操作系統(tǒng)交互性多用戶(hù)同時(shí)性獨(dú)立性1.3.3 實(shí)時(shí)系統(tǒng)特點(diǎn)：提供即時(shí)響應(yīng)和高可靠性1.3 操作系統(tǒng)基本類(lèi)型1.3.4 通用操作系統(tǒng)同時(shí)兼有批處理、分時(shí)、實(shí)時(shí)處理的功能，或者其中兩種以上的功能。形成”前臺(tái)”和”后臺(tái)”格局1.3.5 個(gè)人計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)（ingle User Operting System）分為單用戶(hù)單任務(wù)系統(tǒng)和單用戶(hù)多任務(wù)系統(tǒng)。單任務(wù)

6、沒(méi)有程序并發(fā)和資源共享問(wèn)題，而多任務(wù)則有。單用戶(hù)操作系統(tǒng)主要是為微型計(jì)算機(jī)或稱(chēng)個(gè)人機(jī)配備的，主要是操作使用方便、交互友好、全部資源個(gè)人獨(dú)占。聯(lián)機(jī)的單用戶(hù)操作系統(tǒng)(如:windows )1.3 操作系統(tǒng)基本類(lèi)型1.3.6 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（Network Operating System）用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)資源管理。 建造網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)主要有兩個(gè)目的：連網(wǎng)的主機(jī)相互通信（互聯(lián)）；網(wǎng)上資源所有用戶(hù)共享（如文本信息、打印機(jī)等I/O設(shè)備）。1.3 操作系統(tǒng)基本類(lèi)型1.3.7 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)分為兩類(lèi)：一類(lèi)建立在多機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，稱(chēng)為緊密耦合分布式系統(tǒng)（機(jī)里分布式系統(tǒng)）；另一類(lèi)建

7、立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，稱(chēng)為松散耦合分布式系統(tǒng)（網(wǎng)上分布式系統(tǒng)）。分布式操作系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的更高級(jí)形式，具備如下特征： 統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)配備同一個(gè)分布式操作系統(tǒng)，用戶(hù)界面相同；1.3 操作系統(tǒng)基本類(lèi)型 資源進(jìn)一步共享，作業(yè)可由一臺(tái)主機(jī)任意遷移到另外一臺(tái)主機(jī)上處理，即實(shí)現(xiàn)了處理機(jī)資源共享，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載平衡； 系統(tǒng)整體自治性，構(gòu)成分布式系統(tǒng)的不同主機(jī)處于等同的地位，沒(méi)有主從關(guān)系，任一主機(jī)的失效都不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)； 系統(tǒng)透明性，網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)不能感覺(jué)到本地主機(jī)與非本地主機(jī)地理位置差異，不知道自己的作業(yè)在網(wǎng)上何主機(jī)中處理。 計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)分布式系統(tǒng)有明確

8、的界限?！巴ㄐ潘托畔?、網(wǎng)絡(luò)共資源、分布成一體”。1.4 操作系統(tǒng)功能 操作系統(tǒng)的職能是：管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的所有硬、軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，并為用戶(hù)提供一個(gè)良好的工作環(huán)境和友好的接口。因此有以下5個(gè)基本功能：處理機(jī)管理在多道程序和用戶(hù)情況下，解決對(duì)處理機(jī)的分配調(diào)度策略、分配實(shí)施和資源回收等問(wèn)題存儲(chǔ) 管理對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行分配、保護(hù)、擴(kuò)充和管理1.4 操作系統(tǒng)功能設(shè)備管理通道、控制器、輸入輸出設(shè)備的分配和管理文件管理系統(tǒng)針對(duì)系統(tǒng)的軟件資源的管理：文件的有序存放，信息的共享、保密和保護(hù)用戶(hù)接口兩種用戶(hù)接口：程序級(jí)的接口和作業(yè)級(jí)的接口1.5 計(jì)算機(jī)硬件簡(jiǎn)介1.5.1 計(jì)算機(jī)的基本硬件元素

9、1.5 計(jì)算機(jī)硬件簡(jiǎn)介1.5.2 與操作系統(tǒng)相關(guān)的幾種主要寄存器 1. 數(shù)據(jù)寄存器2. 地址寄存器3. 條件碼寄存器4. 程序計(jì)數(shù)器PC5. 指令寄存器IR6. 程序狀態(tài)字PSW7. 中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)寄存器8. 過(guò)程調(diào)用用堆棧1.5 計(jì)算機(jī)硬件簡(jiǎn)介1.5.3 存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)速度 1.5 計(jì)算機(jī)硬件簡(jiǎn)介1.5.4 指令的執(zhí)行與中斷 開(kāi)始讀入下一條指令執(zhí)行當(dāng)前指令結(jié)束指令的執(zhí)行周期用戶(hù)程序指令 ii+1中斷中斷處理程序中斷執(zhí)行過(guò)程 操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境 操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境: 操作系統(tǒng)直接與硬件打交道。硬件對(duì)操作系統(tǒng)提供的支持構(gòu)成操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。這些環(huán)境實(shí)體包括：定時(shí)裝置、系統(tǒng)堆棧、指令系統(tǒng)、處理機(jī)狀態(tài)及轉(zhuǎn)

10、換、地址影射機(jī)構(gòu)、存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施、中斷裝置和I/O通道。定時(shí)裝置 為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理和維護(hù)，硬件必須提供定時(shí)裝置，即時(shí)鐘。硬件時(shí)鐘分為絕對(duì)時(shí)鐘和間隔時(shí)鐘。 操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境系統(tǒng)堆棧 這是內(nèi)存中屬于操作系統(tǒng)的一個(gè)固定區(qū)域。它有3個(gè)主要用途： a .保存中斷現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)于嵌套中斷，被中斷程序的現(xiàn)場(chǎng)信息依次壓入系統(tǒng)堆棧中； b. 保存操作系統(tǒng)子程序之間相互調(diào)用的參數(shù)及返回值。 c. 提供一個(gè)指向棧頂?shù)亩褩Ｖ羔?，它是一個(gè)可在管態(tài)下訪(fǎng)問(wèn)的寄存器。 操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境指令系統(tǒng) 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)由特權(quán)指令集和非特權(quán)指令集兩部分組成。 特權(quán)指令：惟有操作系統(tǒng)可使用的指令。這些指令如：修改程序狀態(tài)字、開(kāi)關(guān)中斷、置中斷

11、向量、啟動(dòng)設(shè)備執(zhí)行I/O操作、設(shè)置硬件實(shí)時(shí)鐘、停機(jī)等指令； 非特權(quán)指令：操作系統(tǒng)和用戶(hù)均可使用的指令。這些指令如：算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、取數(shù)送數(shù)、訪(fǎng)管等指令。 操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境處理機(jī)狀態(tài)及轉(zhuǎn)換 處理機(jī)狀態(tài)：計(jì)算機(jī)硬件提供兩種處理機(jī)狀態(tài)：管態(tài)和目態(tài)。它由一位觸發(fā)器標(biāo)示，通常屬于程序狀態(tài)字PSW的1位。 管態(tài)：也稱(chēng)特態(tài)、核態(tài)、系統(tǒng)態(tài)。機(jī)器處于管態(tài)時(shí)程序可以執(zhí)行硬件所提供的全部指令（特權(quán)指令和非特權(quán)指令）。 目態(tài)：也稱(chēng)常態(tài)或用戶(hù)態(tài)。機(jī)器處于目態(tài)時(shí)程序只能執(zhí)行硬件提供的非特權(quán)指令。 轉(zhuǎn)換：處理機(jī)狀態(tài)由目態(tài)轉(zhuǎn)為管態(tài)的唯一途徑是中斷。管態(tài)到目態(tài)的轉(zhuǎn)換：管態(tài)程序（操作系統(tǒng)程序）修改PSW來(lái)實(shí)現(xiàn)。 操作系統(tǒng)運(yùn)行

12、環(huán)境地址影射機(jī)構(gòu) 多道程序系統(tǒng)中，內(nèi)存同時(shí)存在多道程序，一個(gè)程序在內(nèi)存空間中的地址是隨機(jī)確定的，而且可以改變。為使每個(gè)程序能夠在邏輯上從0開(kāi)始編址，硬件需要提供地址影射機(jī)構(gòu)，用以將程序中所產(chǎn)生的邏輯地址變換為存儲(chǔ)空間中實(shí)際的物理地址。 操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中斷裝置 中斷是實(shí)現(xiàn)多道程序操作系統(tǒng)的前提。為了能夠發(fā)現(xiàn)和響應(yīng)中斷，硬件需要具備相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，這個(gè)機(jī)構(gòu)就是中斷裝置。 中斷發(fā)生時(shí)，將中斷源所對(duì)應(yīng)的中斷向量由內(nèi)存固定單元取出送到中斷向量（實(shí)質(zhì)是程序計(jì)數(shù)）寄存器PC和PSW中，從而轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的中斷處理程序。 操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境輸入輸出通道（通道處理機(jī)） 為使CPU從繁重的I/O事物中解放出來(lái)，同時(shí)為了加強(qiáng)CPU與設(shè)備之間、設(shè)備與設(shè)備之間的并行度，硬件設(shè)置了通道處理機(jī)。 通道處理機(jī)接受CPU的委托執(zhí)行通道程序，完成輸入/輸出任務(wù)。1.5 計(jì)算機(jī)硬件簡(jiǎn)介1.5.4 指令的執(zhí)行與中斷 開(kāi)始讀入下一條指令執(zhí)行當(dāng)前指令結(jié)束中斷處理時(shí)的指令的執(zhí)行周期允許中斷嗎？檢查中斷位YN讀入中斷處理指令1.5 計(jì)算機(jī)硬件簡(jiǎn)介1.5.5 操作系統(tǒng)的啟動(dòng)上電BIOS自檢從引導(dǎo)區(qū)讀入引導(dǎo)程序系統(tǒng)初始化，操作系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn) 1.6 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)操作系統(tǒng)是