第1章-操作系統(tǒng)概述

北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系DepartmentofComputerScience&TechnologyUniversityofScience&TechnologyBeijing2009操作系統(tǒng)原理PrinciplesofOperatingSystem王成耀教材與參考書[1]張堯?qū)W，史美林，張高．計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程（第３版）．清華大學(xué)出版社，2006（教材）[2]AndrewS.Tanenbaum．陳向群等譯．現(xiàn)代操作系統(tǒng)（第2版）．機(jī)械工業(yè)出版社，2005[3]湯子瀛，哲鳳屏，湯小丹．計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)．西安電子科技大學(xué)出版社，1996[4]WilliamStallings．魏迎梅等譯．操作系統(tǒng)－內(nèi)核與設(shè)計(jì)原理（第四版），電子工業(yè)出版社，2001[5]AbrahamSilberschatz,PeterGalvin,GregGagne.AppliedOperatingSystemConcepts,JohnWiley&Sons,Inc.,2000[6]孟慶昌，牛欣源．Linux教程（第２版），電子工業(yè)出版社，2007講授的主要內(nèi)容第１章操作系統(tǒng)概述第２章進(jìn)程管理第３章進(jìn)程調(diào)度第４章內(nèi)存管理第５章進(jìn)程與內(nèi)存管理實(shí)例第６章文件系統(tǒng)第７章I/O設(shè)備管理第８章Linux文件系統(tǒng)第９章死鎖時(shí)間安排：進(jìn)程管理（多）內(nèi)存管理

文件系統(tǒng)設(shè)備管理（少）

ppt在：computeros@163.com,密碼：system第1章操作系統(tǒng)概述1.1什么是操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念1.3OS對運(yùn)行環(huán)境的要求1.4典型OS實(shí)例1.5現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本特征1.6從不同角度認(rèn)識操作系統(tǒng)1.7為什么要學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)?操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)者

硬件(機(jī)器語言)

操作系統(tǒng)編輯器；編譯器；命令解釋器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和服務(wù)程序銀行系統(tǒng)；證券交易系統(tǒng);

航空訂票系統(tǒng)；游戲系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件終端用戶1.1什么是操作系統(tǒng)(OperatingSystem，OS)1.OS在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的位置程序員OS設(shè)計(jì)者1.1什么是操作系統(tǒng)(OperatingSystem，OS)2.OS以什么形式出現(xiàn)?是一組程序。OS與普通程序有何區(qū)別?3.OS的作用（功能）（1）一個(gè)虛擬機(jī)（VirtualMachine）讓用戶和程序員在使用計(jì)算機(jī)時(shí)不涉及計(jì)算機(jī)硬件的細(xì)節(jié)，使硬件細(xì)節(jié)和程序員隔離開來，即建立一種簡單的高度抽象。命令接口（面向普通用戶）：命令行，GUI，命令腳本編程接口（面向程序員）：系統(tǒng)調(diào)用，高級語言庫函數(shù)－用戶觀點(diǎn)1.1什么是操作系統(tǒng)(OperatingSystem，OS)

用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口。如果沒有OS，計(jì)算機(jī)可以使用嗎？OS的作用（2）一個(gè)資源管理器：管理系統(tǒng)的軟硬件資源。進(jìn)程管理：程序的調(diào)度；處理機(jī)（CPU）的分配等；內(nèi)存管理：內(nèi)存分配、釋放與保護(hù)；地址映射；內(nèi)存擴(kuò)充等；文件管理：文件存儲空間管理；文件存??；文件訪問控制等；I/O設(shè)備管理：設(shè)備分配；緩沖區(qū)管理等。－系統(tǒng)觀點(diǎn)硬件資源：構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所必須配置的所有硬件： 磁盤、時(shí)鐘、內(nèi)存，顯示器、網(wǎng)絡(luò)接口，．．．。軟件資源：程序和數(shù)據(jù)（文件）。4.OS的定義

OS是硬件之上的第1層軟件（系統(tǒng)軟件）是一組程序，用來有效控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各類資源（硬件和軟件資源：設(shè)備、文件、存儲器、CPU、程序（進(jìn)程）），以方便用戶使用計(jì)算機(jī)（用戶和計(jì)算機(jī)的接口）。1.1什么是操作系統(tǒng)(OperatingSystem，OS)1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念1.作業(yè)(Job)從輸入開始到輸出結(jié)束，用戶要求計(jì)算機(jī)所做的一次業(yè)務(wù)處理的全部工作。作業(yè)由順序的一組作業(yè)步組成。作業(yè)的概念來源于批處理系統(tǒng)。分時(shí)系統(tǒng)中一般不存在作業(yè)的概念。作業(yè)作業(yè)由三部分組成：程序數(shù)據(jù)作業(yè)說明書$END$RUNDataforprogram$LOADFortranprogram$FORTRAN

$JOB,10,429754

Wang

典型的FMSJOB結(jié)構(gòu)運(yùn)行一個(gè)作業(yè)的步驟：1）將程序?qū)懺诩埳希ㄓ酶呒壵Z言或匯編語言）2）穿孔成卡片，再將卡片盒交給操作員3）計(jì)算結(jié)果從打印機(jī)上輸出4）操作員到打印機(jī)上撕下運(yùn)算結(jié)果送到輸出室5）程序員稍后可從輸出室取到結(jié)果6）操作員從輸入室的卡片盒中讀入另一個(gè)任務(wù)7）如果需要FORTRAN編譯器，還要把它取來讀入計(jì)算機(jī)缺點(diǎn)：機(jī)時(shí)在走來走去時(shí)浪費(fèi)掉作業(yè)1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念2.批處理（batch）為改進(jìn)內(nèi)存和I/O設(shè)備之間的吞吐量

IBM7094計(jì)算機(jī)引入了I/O處理機(jī)概念思想：在輸入室收集全部的作業(yè)，用一臺相對便宜的計(jì)算機(jī)（IBM1401計(jì)算機(jī)），將作業(yè)讀到磁帶上再用較昂貴的計(jì)算機(jī)（IBM7094）完成真正的計(jì)算一批作業(yè)構(gòu)成一個(gè)作業(yè)隊(duì)列，依次處理?？ㄆ缙谂幚硐到y(tǒng)IBM1401IBM7094IBM1401輸入磁帶磁帶機(jī)卡片閱讀機(jī)輸出磁帶打印機(jī)批處理批處理的含義：無交互能力：作業(yè)從提交到完成，用戶不能與之交互；從傳統(tǒng)的作業(yè)－>命令文件的擴(kuò)展把一系列命令放在一個(gè)文件中，稱之為命令文件用文件名作為命令名來執(zhí)行批處理命令可以是專門的命令，也可是系統(tǒng)的基本命令；還有有關(guān)的語法結(jié)構(gòu)，循環(huán)、分支、轉(zhuǎn)移、判別等，構(gòu)成一套特殊的命令語言，可以接受參數(shù)、變量，宏替換等缺點(diǎn)？批處理成批處理：

用戶不能干預(yù)自己作業(yè)的運(yùn)行一旦發(fā)現(xiàn)作業(yè)錯(cuò)誤不能及時(shí)改正延長了軟件開發(fā)時(shí)間一般只適用于成熟的程序或大型的計(jì)算程序1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念3.單道程序與多道程序單道程序：

在內(nèi)存中只能有一個(gè)用戶程序（從進(jìn)入到結(jié)束）若當(dāng)前程序因等待I/O而暫停，則CPU空閑對于CPU操作密集的科學(xué)計(jì)算問題，浪費(fèi)時(shí)間少對于商業(yè)數(shù)據(jù)處理，I/O等待時(shí)間常占80％－90％。多道程序：

在內(nèi)存中存放多個(gè)用戶程序，同時(shí)處于可運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)程序等待I/O時(shí)，另一個(gè)程序可以使用CPU。A完成I/OA再次被調(diào)度

A完成

程序A請求I/O程序B請求I/O程序C請求I/O

C完成I/OB完成I/OC再次被調(diào)度

程序A程序C程序B調(diào)度程序

時(shí)間軸t單線表示程序占用CPU，雙線表示外設(shè)在執(zhí)行相應(yīng)程序的I/O請求1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念多道程序示意圖與單道批處理系統(tǒng)相比：系統(tǒng)吞吐量（單位時(shí)間內(nèi)完成的總工作量）大；資源利用率高；周轉(zhuǎn)時(shí)間（作業(yè)從進(jìn)入系統(tǒng)到完成所經(jīng)歷的時(shí)間）長。4.多道批處理系統(tǒng)1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念批處理系統(tǒng)中引入多道程序技術(shù)5.分時(shí)系統(tǒng)（Time-sharingSystem）1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念主機(jī)終端多個(gè)用戶（程序）共享一臺計(jì)算機(jī)，按時(shí)間片（timeslice）輪流使用。時(shí)間片：OS將CPU時(shí)間劃分為若干個(gè)片段分時(shí)的特點(diǎn):多路性交互性“獨(dú)占”性及時(shí)性同時(shí)有多個(gè)用戶使用一臺計(jì)算機(jī)宏觀上：是多個(gè)人同時(shí)使用一個(gè)CPU微觀上：多個(gè)人在不同時(shí)刻輪流使用CPU用戶根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)一步提出新請求(用戶直接干預(yù)每一步)用戶感覺不到計(jì)算機(jī)為其他人服務(wù)（OS提供虛機(jī)器，各個(gè)用戶的虛機(jī)器互不干擾）系統(tǒng)對用戶提出的請求及時(shí)響應(yīng)1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念1）對稱多處理模式（SymmetricMultiprocessingMode）所有的處理機(jī)地位相同，每個(gè)處理機(jī)運(yùn)行相同的OS拷貝。6.多處理機(jī)系統(tǒng)（MultiprocessorSystem）1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念2）非對稱多處理模式（AsymmetricMultiprocessingMode）又稱主從模式（master-slavemode）1個(gè)主處理器，多個(gè)從處理器。主處理器：運(yùn)行OS。管理整個(gè)系統(tǒng)的資源，為從處理器分配任務(wù)7.并發(fā)（Concurrence）與并行（Parallel）并行：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生。并發(fā)：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念在單處理機(jī)系統(tǒng)中，多個(gè)程序的并發(fā)執(zhí)行是如何體現(xiàn)的？多用戶：允許多個(gè)用戶通過各自的終端使用同一臺主機(jī)，共享主機(jī)系統(tǒng)中的各類資源。多任務(wù)：允許多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行。8.多用戶與多任務(wù)（Multitask）1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念9.實(shí)時(shí)OS是指系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的短時(shí)間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)設(shè)備和實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。及時(shí)響應(yīng)：延遲時(shí)間短高可靠性：容錯(cuò)，冗余一般是專用的，如武器系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)控制等。1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念10.網(wǎng)絡(luò)OS計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：物理上分散的自主計(jì)算機(jī)通過通信系統(tǒng)的線路互連而成。自主：具有獨(dú)立處理能力互連：計(jì)算機(jī)之間的通信和相互合作。通信、信息交換、資源共享互操作、協(xié)作1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的幾個(gè)概念網(wǎng)絡(luò)OS的兩種基本模式：客戶/服務(wù)器（Client/Server）模式對等（Peer-to-Peer）模式網(wǎng)絡(luò)OS：提供網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)OS11.分布式OS（DistributedOS）基礎(chǔ)：網(wǎng)絡(luò)分布處理的透明性運(yùn)行在不具有共享內(nèi)存的多臺機(jī)器上，但在用戶眼里卻象一臺計(jì)算機(jī)。一個(gè)統(tǒng)一的操作系統(tǒng)邏輯上緊密耦合1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念網(wǎng)絡(luò)OS和分布式OS的比較：耦合程度分布式OS是在各機(jī)上統(tǒng)一建立的，直接管理CPU、存儲器和外設(shè)，統(tǒng)一進(jìn)行全系統(tǒng)的管理；網(wǎng)絡(luò)OS通常容許異種OS互連，各機(jī)上各種服務(wù)程序需按不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議互操作并行性分布式OS可以將一個(gè)進(jìn)程分散在各機(jī)上并行執(zhí)行，包括進(jìn)程遷移；網(wǎng)絡(luò)OS則各機(jī)器上運(yùn)行的程序是相互獨(dú)立的透明性用戶是否知道或指定資源在哪個(gè)機(jī)器上。分布式OS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)OS中對網(wǎng)絡(luò)資源的使用要由用戶明確指定1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程中形成的一些概念1.3OS對運(yùn)行環(huán)境的要求1.CPU(1)特權(quán)指令－多道程序的需要只能由OS使用。例如，啟動(dòng)外部設(shè)備，建立存儲保護(hù)，清內(nèi)存、關(guān)中斷等。如果沒有特權(quán)指令的話，會有什么問題？CPU如何知道是OS還是一般用戶程序在執(zhí)行呢？依賴于CPU的狀態(tài)標(biāo)識。CPU(2)CPU的2種工作狀態(tài)（執(zhí)行模式）核心態(tài)（KernelMode）或稱管態(tài)用戶態(tài)（UserMode）或稱目態(tài)核心態(tài)和用戶態(tài)的區(qū)別：處理器處于核心態(tài)時(shí)：全部指令（包括特權(quán)指令）可以執(zhí)行可使用所有資源并具有改變處理器狀態(tài)的能力處理器處于用戶態(tài)時(shí)：只有非特權(quán)指令能執(zhí)行特權(quán)級別不同，可運(yùn)行指令集合也不同特權(quán)級別越高，可以運(yùn)行指令集合越大高特權(quán)級別對應(yīng)的可運(yùn)行指令集合包含低特權(quán)級的CPUCPU(3)程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord)）和程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）

PSW：指示程序執(zhí)行的當(dāng)前狀態(tài)，主要包括

CPU的工作狀態(tài)——指明核心態(tài)還是用戶態(tài)，用來說明當(dāng)前在CPU上執(zhí)行的是操作系統(tǒng)還是一般用戶，從而決定其是否可以使用特權(quán)指令或擁有其他的特殊權(quán)力

條件標(biāo)志——反映指令執(zhí)行后的結(jié)果特征

中斷標(biāo)志——指出是否允許中斷

PC：指示下一條要執(zhí)行的指令2.內(nèi)存1.3OS對運(yùn)行環(huán)境的要求是支持OS運(yùn)行的硬件環(huán)境的一個(gè)重要方面。程序必須存放在內(nèi)存中才能運(yùn)行。在多道程序系統(tǒng)中，對于若干個(gè)在內(nèi)存中的程序及其相關(guān)數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)要管理、保護(hù)程序和數(shù)據(jù)，使它們不至于受到破壞和相互干擾。操作系統(tǒng)本身也要存放在內(nèi)存中并運(yùn)行。

內(nèi)存

由若干個(gè)存儲單元（字節(jié)或字）組成的一維連續(xù)的地址空間，簡稱內(nèi)存空間。用來存放當(dāng)前正在運(yùn)行程序的代碼及數(shù)據(jù)存儲的最小單位：1個(gè)二進(jìn)制位最小編址單位:字節(jié)，一個(gè)字節(jié)包含8個(gè)二進(jìn)制位(1)內(nèi)存分塊塊作為分配內(nèi)存空間的基本單位，如4KB為1塊。為什么要按塊來分配內(nèi)存空間？旨在簡化對內(nèi)存的分配和管理內(nèi)存(2)內(nèi)存保護(hù)－OS正常運(yùn)行的基本條件常用的保護(hù)機(jī)制：

1）界限寄存器存放某任務(wù)在內(nèi)存的上界和下界地址(或者下界與長度)。內(nèi)存界限寄存器存儲保護(hù)技術(shù)界限寄存器實(shí)現(xiàn)存儲保護(hù)的方法：在CPU中設(shè)置一對下界寄存器和上界寄存器存放用戶程序在內(nèi)存中的下界和上界地址也可將一個(gè)寄存器作為基址寄存器，另一寄存器作為限長寄存器（指示存儲區(qū)長度）每當(dāng)CPU要訪問內(nèi)存，硬件自動(dòng)將被訪問的內(nèi)存地址與界限寄存器的內(nèi)容進(jìn)行比較，以判斷是否越界如果未越界，則按此地址訪問內(nèi)存，否則將產(chǎn)生中斷——越界中斷（存儲保護(hù)中斷）內(nèi)存2）存儲保護(hù)鍵（Key）當(dāng)一個(gè)程序進(jìn)入內(nèi)存時(shí)，OS為其分配一個(gè)唯一的Key。同時(shí)將分配給它的每個(gè)存儲塊都設(shè)置成該Key。如IBM370。該方法的基本要點(diǎn)：每個(gè)運(yùn)行的程序及其存儲塊有1個(gè)Key；PSW中的存儲Key字段存放當(dāng)前運(yùn)行程序的Key；訪問內(nèi)存時(shí)，兩個(gè)Key匹配；通常將0（在PSW）作為“萬能鍵”；存儲塊引入讀保護(hù)位：0：Key不匹配時(shí)也可讀，1：Key不匹配時(shí)不可讀。內(nèi)存A塊00101B塊01001C塊01010存儲Key讀保護(hù)位0：無論key是否匹配,都可以讀1：只有key匹配才可以讀PSW…0010…key①讀寫A均可。因?yàn)閗ey匹配；②讀寫B(tài)不可。因?yàn)閗ey不匹配，且讀保護(hù)位＝１；③讀C可以，因?yàn)樽x保護(hù)位＝０；④寫C不可以。=內(nèi)存3.中斷指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(diǎn)繼續(xù)工作。CPU對系統(tǒng)中發(fā)生的“異步（隨機(jī)）”事件的處理中斷的類型：硬件中斷異常（Exception）陷入（Trap）－訪管中斷（系統(tǒng)調(diào)用）有人稱“OS是中斷驅(qū)動(dòng)的”。－如果沒有中斷，OS將難以工作。1.3OS對運(yùn)行環(huán)境的要求中斷響應(yīng)

4.時(shí)鐘（1）硬件時(shí)鐘：通過時(shí)鐘寄存器實(shí)現(xiàn)。絕對時(shí)鐘：記錄當(dāng)前時(shí)間相對時(shí)鐘（間隔時(shí)鐘）：分時(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。（2）軟件時(shí)鐘：通過時(shí)鐘隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。

－OS必不可少的硬件設(shè)施1.3OS對運(yùn)行環(huán)境的要求５.重定位將程序中的相對地址變換為絕對地址。原因：運(yùn)行前不可能知道程序?qū)⒎旁趦?nèi)存的什么位置。靜態(tài)重定位：程序裝入內(nèi)存時(shí)，由裝入程序重定位；動(dòng)態(tài)重定位：CPU每次訪問內(nèi)存時(shí)，由動(dòng)態(tài)地址變換機(jī)構(gòu)（硬件）自動(dòng)進(jìn)行1.3OS對運(yùn)行環(huán)境的要求1.Unix1.4典型OS實(shí)例一群計(jì)算機(jī)迷在貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出Unix初衷：可以在一臺無人使用的DECPDP-7小型計(jì)算機(jī)上玩星際探險(xiǎn)游戲KenThompson，DennisRitchie1983年圖靈獎(jiǎng)獲得者1999年4月美國國家技術(shù)金獎(jiǎng)1.4典型OS實(shí)例(1)UNICS(UniplexedInformationandComputingService)

改名為Unix

結(jié)構(gòu)：用C、匯編語言寫成的良好的、通用的、多用戶、多任務(wù)、分時(shí)操作系統(tǒng)(3)多種變體兩個(gè)版本系列

AT&TSystemVBSD（BerkeleySoftwareDistribution）1.4典型OS實(shí)例2.Linux1.4典型OS實(shí)例

1991年,芬蘭赫爾辛基大學(xué)的一名大學(xué)生Linus

Benedic

Torvalds首先開發(fā)9300行C語言代碼，950行匯編語言代碼（0.01版）源代碼公開與Unix兼容1994年，1.0版：約165000行代碼3WindowsNT/2000/XP/2003

MS-DOS、Windows3.1/95/98/Me、WindowsNT、Windows2000/XP、WindowsCE、WindowsServer2003歷史上的一些重要的操作系統(tǒng)：FMS（FORTRANMonitorSystem）和IBSYS

（IBM為7094配備的操作系統(tǒng)）OS/360（IB