第1章 操作系統(tǒng)引論

操作系統(tǒng)李新榮聯(lián)系方式姓名：李新榮Qq：42658795電話公室：教10605聯(lián)系方式課件上傳地址：郵箱：li42658795@126.com密碼：42658795本課程要學習的知識什么是操作系統(tǒng)？為什么需要操作系統(tǒng)？操作系統(tǒng)是怎樣編寫和運行的？Linux操作系統(tǒng)的基本命令和編程。學習操作系統(tǒng)的方法課程的特點概念多，理論性強，實踐性強方法：古代哲人：聽而易忘，見而易記，做而易懂。多做實驗：沒有聽會的，沒有看會的，只有做會的復習C語言，熟練掌握C編程作業(yè)、實驗、考勤和成績作業(yè)提交每章交一次，章節(jié)結(jié)束后，周一課前交實驗報告兩周交一次,實驗課課前交成績平時成績*30%+考試成績*70%考勤缺課和缺少作業(yè)1/3不允許參加考試作業(yè)、實驗、考勤和成績環(huán)境：Linux實驗分組驗收，每組3人，由驗收組長驗收，組長總結(jié)這次實驗效果，并給組員打分，分數(shù)分等級:A、B、C、D。組員共同給組長打分。打分情況要真實，指導教師根據(jù)打分情況進行抽查，若完成情況與打分情況不符，等級將為D。作業(yè)、實驗、考勤和成績請在周五上課前將分組情況上報，每組組長排名寫在第一位。3人一組，最后一組允許4人。第1章操作系統(tǒng)引論作業(yè)P31：1、2、3、11、12、14-18P33：1、2、3、13-18(第三版)本章內(nèi)容操作系統(tǒng)的目標和作用（重點）操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的基本特征（重點）操作系統(tǒng)的主要功能（重點）操作系統(tǒng)的結(jié)構設計1.1操作系統(tǒng)的目標和作用問題：常用的操作系統(tǒng)有哪些？操作系統(tǒng)有什么作用？1.1操作系統(tǒng)的目標和作用目標與計算機系統(tǒng)應用環(huán)境有關查詢系統(tǒng)：交互性好工業(yè)控制、武器控制：實時性和可靠性高微機上：方便性1.1.1操作系統(tǒng)的目標方便性有效性可擴充性開放性方便性配置OS后可使計算機系統(tǒng)更容易使用。可通過OS命令使用計算機比如，用編譯命令可方便地把用戶用高級語言書寫的程序，翻譯成機器代碼，大大方便了用戶，從而使計算機變得易學易用。方便性有效性可擴充性開放性有效性第一層含義提高系統(tǒng)資源的利用率比如處理器、I/O設備第二層含義提高系統(tǒng)的吞吐量方便性有效性可擴充性開放性可擴充性能夠添加新的功能和模塊，能夠?qū)υ械哪K進行修改等目的就是能夠適應計算機硬件、體系結(jié)構、以及應用發(fā)展的要求。方便性有效性可擴充性開放性開放性開放性是指系統(tǒng)能遵循世界標準規(guī)范，特別是遵循開放系統(tǒng)互連OSI國際標準。凡遵循國際標準所開發(fā)的硬件和軟件，能彼此兼容，可方便地實現(xiàn)互連。開放性是一個計算機的核心問題，也是一個新推出的系統(tǒng)或軟件能否被應用的重要因素。方便性有效性可擴充性開放性1.1.2操作系統(tǒng)的作用OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象1.用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口用戶應用程序系統(tǒng)調(diào)用命令圖標窗口操作系統(tǒng)計算機硬件圖1-1OS作為接口的示意圖用戶可通過這三種方式使用OS含義：os處于用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間，用戶通過os來使用計算機系統(tǒng)2.操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)資源的管理者資源處理器、存儲器、I/O設備信息（數(shù)據(jù)和程序）功能處理機管理：用于分配和控制處理機存儲器管理：主要負責內(nèi)存的分配與回收I/O設備管理：負責I/O設備的分配與操縱文件管理：負責文件的存取、共享和保護3.OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象用戶機器指令物理接口硬件用戶I/O軟件物理接口硬件I/O操作命令（read、write）虛擬機實現(xiàn)了對計算機資源的抽象虛擬機通常把覆蓋了軟件的機器稱為擴充機器或虛機器。在第一層軟件上再覆蓋上一層文件管理軟件，則用戶可利用該軟件提供的文件存取命令，來進行文件的存取。此時，用戶所看到的是臺功能更強的虛機器。在文件管理軟件上再覆蓋一層面向用戶的窗口軟件，則用戶便可在窗口環(huán)境下方便地使用計算機，形成一臺功能更強的虛機器。實現(xiàn)了對計算機資源的抽象OS是鋪設在計算機硬件上的多層系統(tǒng)軟件，它們不僅增強了系統(tǒng)的功能，而且還隱藏了對硬件操作的細節(jié)，由它們實現(xiàn)了對計算機硬件操作的多個層次的抽象。值得說明的是，對一個硬件在底層進行抽象后，在高層還可再次對該資源進行抽象，成為更高層的抽象模型。隨著抽象層次的提高，抽象接口所提供的功能就越來越強，用戶使用起來也更加方便。1.1.3操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力不斷提高計算機資源利用率方便用戶器件的不斷更新?lián)Q代計算機體系結(jié)構的不斷發(fā)展不斷提出新的應用需求批處理系統(tǒng)人機交互系統(tǒng)分時系統(tǒng)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程在20世紀50年代中期出現(xiàn)了第一個簡單的批處理操作系統(tǒng)。20世紀60年代中期產(chǎn)生了多道程序批處理系統(tǒng)；不久又出現(xiàn)了基于多道程序的分時系統(tǒng)20世紀80年代至90年代微型機、多處理機和計算機網(wǎng)絡大發(fā)展的年代，同時也是微機OS、多處理機OS和網(wǎng)絡OS的形成和大發(fā)展的年代。1.2.1未配置操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.人工操作方式第一代計算機1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)人工操作方式1.人工操作方式特點：先由程序員將事先已穿孔（對應于程序和數(shù)據(jù)）的紙帶（卡片）裝入紙帶輸入機（或卡片輸入機），再啟動它們將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機，然后啟動計算機運行。當程序運行完畢并取走計算結(jié)果，才讓下一個用戶上機。1.人工操作方式人工操作方式缺點：用戶獨占全機。此時，計算機及其全部資源只能由上機用戶獨占。CPU等待人工操作。當用戶進行裝帶（卡）、卸帶（卡）等人工操作時，CPU及內(nèi)存等資源是空閑的。后果：嚴重降低了資源的利用率,產(chǎn)生了所謂的人機矛盾2.脫機輸入輸出方式該技術是指事先將裝有用戶程序和數(shù)據(jù)的紙帶（或卡片）裝入紙帶輸入機（或卡片機），在一臺外圍機的控制下，把紙帶（卡片）上的數(shù)據(jù)（程序）輸入到磁帶上。當CPU需要這些程序或數(shù)據(jù)時，再從磁帶高速地調(diào)入內(nèi)存。當輸出時，在另一臺外圍機的控制下，將磁帶上的結(jié)果通過相應的設備輸出。脫機輸入輸出方式輸入設備外圍機磁盤主機外圍機輸出設備圖1-3脫機I/O示意圖脫機輸入輸出方式圖1-3脫機I/O示意圖脫機輸入/輸出方式與聯(lián)機輸入/輸出方式的含義：前者由于程序和數(shù)據(jù)的輸入和輸出都是在外圍機的控制下完成的，或者說，它們是在脫離主機的情況下進行的，故稱為脫機輸入/輸出方式。在主機的直接控制下進行輸入/輸出的方式稱為聯(lián)機輸入/輸出（On-LineI/O)方式。脫機輸入/輸出的優(yōu)點：減少了CPU的空閑時間：裝帶（卡）、卸帶（卡）以及將數(shù)據(jù)從低速I/O設備送到高速磁帶（或盤）上，都是在脫機情況下進行的，都不占用主機時間，從而有效減少了CPU的空閑時間。提高I/O速度：當CPU在運行中需要數(shù)據(jù)時，是直接從高速的磁帶或磁盤上將數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存的，不再是從低速I/O設備上輸入，從而大大緩和了CPU與I/O設備速度不匹配的矛盾。1.2.2單道批處理系統(tǒng)處理過程：通常是把一批作業(yè)以脫機方式輸入到磁帶上，并在系統(tǒng)中配上監(jiān)督程序，在它的控制下使這批作業(yè)能一個接一個地連續(xù)處理。圖1-4單道批處理系統(tǒng)的處理流程是還有下一個作業(yè)？把下一個作業(yè)的源程序轉(zhuǎn)換為目標程序源程序有錯嗎？是裝配目標程序運行目標程序否否停止開始缺點：系統(tǒng)資源利用率低用戶程序監(jiān)督程序I/O操作t1t2t3t4t5t6t7t8圖1-5單道程序運行情況I/O中斷請求I/O中斷請求啟動I/OI/O完成啟動I/OI/O完成結(jié)束中斷結(jié)束中斷1.2.3多道批處理系統(tǒng)為了進一步提高資源的利用率和系統(tǒng)吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序設計技術，由此形成了多道批處理系統(tǒng)。20世紀60年代，由IBM生產(chǎn)的第一臺小規(guī)模集成電路計算機-IBM360，為它開發(fā)的OS/360操作系統(tǒng)，是第一個能運行多道程序的批處理系統(tǒng)。1.多道程序的概念在該系統(tǒng)中，用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個隊列，稱為“后備隊列”；然后，由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干個作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源。CI/O請求C再被調(diào)度程序BI/O請求程序A程序B程序D調(diào)度程序程序C程序A程序AI/O請求程序AI/O完成程序A再被調(diào)度A完成程序B程序BI/O完成程序CCI/O完成程序D程序DI/O請求(b)四道程序運行情況2.多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)點（1）資源利用率高由于內(nèi)存中駐留了多道程序，它們共享資源，可保持資源處于忙碌狀態(tài)，從而使各種資源得以充分利用。（2）系統(tǒng)吞吐量大第一、CPU和其他資源保持“忙碌狀態(tài)”；第二、僅當作業(yè)完成時或運行不下去時才進行切換，系統(tǒng)開銷3.多道批處理系統(tǒng)的缺點（1）平均周轉(zhuǎn)時間長作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間：是指作業(yè)進入系統(tǒng)開始，直至完成并退出系統(tǒng)為止所經(jīng)歷的時間。在批處理系統(tǒng)中，由于作業(yè)要排隊，依次進行處理，因而作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間較長，通常需幾個小時，甚至幾天。（2）無交互能力用戶一旦把作業(yè)提高給系統(tǒng)后，直至作業(yè)完成，用戶都不能與自己的作業(yè)進行交互，這對修改和調(diào)試程序是極不方便的。4.多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題（1）處理機管理問題（2）內(nèi)存管理問題（3）I/O設備管理問題（4）文件管理（5）作業(yè)管理問題（6）用戶與系統(tǒng)的接口問題問題的解決在計算機系統(tǒng)中增加一組軟件，用于對上述問題進行妥善、有效地處理。這組軟件應包括：能控制和管理四大資源的軟件、合理地對各類作業(yè)進行調(diào)度的軟件，以及方便用戶使用計算機的軟件。正是這組軟件構成了操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)是一組組織和管理計算機硬件和軟件資源，合理地對各類作業(yè)進行調(diào)度，以及方便用戶使用的程序的集合。1.2.4分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)是指，在一臺主機上連接了多個帶有顯示器和鍵盤終端，同時允許多個用戶通過自己的終端，以交互方式使用計算機，共享主機中的資源的系統(tǒng)。分時操作系統(tǒng)計算機硬件…………終端終端終端終端命令系統(tǒng)回答分時系統(tǒng)示意圖產(chǎn)生動力：用戶需求用戶的需求具體表現(xiàn)：（1）人-機交互（2）共享主機（3）便于用戶上機分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關鍵問題及時接收及時處理分時系統(tǒng)的特征（1）多路性（2）獨立性（3）及時性通常1~3s（4）交互性1.2.5實時系統(tǒng)所謂“實時”，是表示“及時”，而實時系統(tǒng)（Real_TimeSystem)是指系統(tǒng)能及時（或?qū)崟r）響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調(diào)一致地運行。1.實時系統(tǒng)的類型工業(yè)控制系統(tǒng)信息查詢系統(tǒng)多媒體系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)2.實時任務的類型按任務執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性來劃分周期性實時任務非周期性實時任務根據(jù)對截止時間的要求來劃分硬實時任務軟實時任務圖硬實時系統(tǒng)的實例3.實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較從多路性、獨立性、交互性、及時性和可靠性五個方面加以比較多路性實時信息處理系統(tǒng)的多路性與分時系統(tǒng)一樣，系統(tǒng)也按分時原則為多個終端服務；實時控制系統(tǒng)，其多路性表現(xiàn)在：系統(tǒng)經(jīng)常對多路的現(xiàn)場信息進行采集，以及對多個對象或多個執(zhí)行機構進行控制。獨立性實時信息處理系統(tǒng)，每個終端用戶在與系統(tǒng)交互時，彼此相互獨立，互不干擾；實時控制系統(tǒng)中，對信息的采集和對對象的控制，也都是互不干擾的。及時性實時信息處理系統(tǒng)實時性的要求同分時系統(tǒng)；實時控制系統(tǒng)則以控制對象所要求的開始與完成截止時間來確定，一般為秒級、百毫秒級直至毫秒級，甚至有的要低于100微秒。交互性實時信息處理系統(tǒng)中，人與系統(tǒng)的交互，僅限于訪問系統(tǒng)中某些特定的專用服務程序。它不象分時系統(tǒng)那樣能向終端用戶提供數(shù)據(jù)處理服務、資源共享服務?？煽啃詫崟r系統(tǒng)要求系統(tǒng)可靠度更高。1.2.6微機操作系統(tǒng)的發(fā)展(自己看)1．單用戶單任務操作系統(tǒng)主要配置在8位和16位微機上。最有代表性的單用戶單任務微機操作系統(tǒng)是CP/M和MS-DOS。2．單用戶多任務操作系統(tǒng)3．多用戶多任務操作系統(tǒng)1.3操作系統(tǒng)的基本特征1.3操作系統(tǒng)的基本特征四個基本特征并發(fā)共享虛擬異步1.3.1并發(fā)性1.并發(fā)和并行并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生。并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。1.3.1并發(fā)性并發(fā)和并行的聯(lián)系與區(qū)別在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)，宏觀上有多個程序在同時運行。在單處理機系統(tǒng)時，每個時刻卻僅有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分時地交替執(zhí)行。在多處理機系統(tǒng)中，則這些并發(fā)執(zhí)行的程序便可被分配到多個處理機，實現(xiàn)并行執(zhí)行。2.引入進程通常的程序是靜態(tài)實體，它們是不能并發(fā)執(zhí)行的。為使多個程序能并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)要為每個程序建立進程（Process),只有進程才能獨立運行并作為資源分配的基本單位，多個進程之間可以并發(fā)執(zhí)行和交換信息。3.引入線程通常在一個進程中可以包含若干個線程，它們可以利用進程所擁有的資源。在引入線程的OS中，通常都是把進程作為分配資源的基本單位，而把線程作為獨立運行和獨立調(diào)度的基本單位。近年來推出的通用操作系統(tǒng)都引入了線程，以便進一步提高系統(tǒng)的并發(fā)性，并把它視作現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個重要標志。1.3.2共享所謂共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進程（或線程）共同使用。兩種資源共享方式互斥共享方式同時訪問方式1.互斥共享方式如打印機、磁帶機等可以被多個進程共享，但在一段時間內(nèi)，只能有一個進程來訪問，只有當該進程釋放該資源后，才允許其它的進程來使用。這樣的資源稱為臨界資源或獨占資源。2.同時訪問方式如磁盤，允許在一段時間內(nèi)有多個進程“同時”訪問，但這個“同時”是宏觀上的，在微觀上，這些進程可能使交替地對該資源進行訪問。并發(fā)和共享的關系：并發(fā)和共享都是操作系統(tǒng)的兩個最基本特征，他們又是互為存在的條件。一方面，資源共享是以程序（進程）的并發(fā)為條件的，若系統(tǒng)不允許并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享問題。另一方面，若系統(tǒng)不能對資源共享實施有效管理，協(xié)調(diào)好諸進程對共享資源的訪問，也必然影響到程序并發(fā)執(zhí)行的程度，甚至無法并發(fā)執(zhí)行。1.3.3虛擬定義是指通過某種技術把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應物。物理實體是實的，即實際存在的，而后者是虛的，是用戶感覺上的東西。相應地，用于實現(xiàn)虛擬的技術，稱作虛擬技術。分類時分復用：處理機、虛擬設備空分復用：存儲器1.3.4異步含義進程是以不可預知的速度向前推進。異步發(fā)生的原因：多道程序環(huán)境下，允許多個進程并發(fā)執(zhí)行，但只有進程在獲得資源后方能繼續(xù)執(zhí)行。內(nèi)存中的每個進程何時能獲得處理機，何時又因提出某種資源請求而暫停，以及進程以怎樣的速度向前推進，每道程序總共需多少時間才能完成，等等，都是不可預知的。1.4操作系統(tǒng)的主要功能引入操作系統(tǒng)的目的是為多道程序的運行提供良好的運行環(huán)境，以保證多道程序能有條不紊地、高效地運行，并能最大程度地提高系統(tǒng)中各種資源的利用率和方便用戶的使用。操作系統(tǒng)的功能處理機管理存儲器管理設備管理