深大《操作系統(tǒng)》Chapter1

操作系統(tǒng)Tel26732030Office:科技樓703普及型高性能計算機重點實驗室/國家高性能計算中心深圳分中心2015/8/191課程背景專業(yè)必修課通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解操作系統(tǒng)的工作原理，掌握常用操作系統(tǒng)的編程思想方法，學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的策略，為其今后在相關(guān)領(lǐng)域開展工作打下堅實的基礎(chǔ)。1）更好的理解程序的運行環(huán)境；2）為內(nèi)核設(shè)計和編程做準(zhǔn)備。2課程要求1出勤2作業(yè)（實驗報告）3考試中文版教材：《計算機操作系統(tǒng)》西安電子科技大學(xué)出版社英文版教材：ModernOperatingSystems3rd3章節(jié)安排第1章：操作系統(tǒng)引論目標(biāo)、角色作用、發(fā)展過程、基本特性、主要功能、設(shè)計思路第2章：進程管理基本概念、同步、通信第3章：處理機調(diào)度與死鎖調(diào)度層次、調(diào)度隊列模型和準(zhǔn)則、調(diào)度算法、死鎖第4章：存儲管理連續(xù)內(nèi)存、段頁式管理、虛存及置換算法第5章：設(shè)備管理I/O控制方式、緩沖管理、設(shè)備分配、磁盤第6章：文件管理文件系統(tǒng)、文件邏輯結(jié)構(gòu)、外存分配、目錄管理、空閑空間管理第7章：Linux擴展學(xué)習(xí)4Chapter1操作系統(tǒng)引論OSOperatingSystem硬件之上的第一層軟件、首次功能擴充匯編、編譯、數(shù)據(jù)庫等依賴于OS提供的服務(wù)OS/桌面系統(tǒng)/發(fā)行版三級相關(guān)概念61.1目標(biāo)及作用1.1.1 目標(biāo)共性：有效性管理資源提高利用率/吞吐率

方便性提供公共服務(wù)/抽象接口可擴充性適應(yīng)硬件擴展和結(jié)構(gòu)變化開放性標(biāo)準(zhǔn)化接口其他應(yīng)用目標(biāo)：實時性、可靠性、緊湊性771.1.2 角色、作用用戶與硬件系統(tǒng)間的接口命令行模式、GUI桌面方式、編程接口資源管理者——cpu/mem/file/dev功能擴充、資源的抽象OSOSC、Fortran應(yīng)用程序Shell等命令行程序圖形桌面系統(tǒng)硬件用戶系統(tǒng)調(diào)用881.1.3操作系統(tǒng)的發(fā)展動力9不斷提高計算機資源的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(gòu)的不斷發(fā)展（單CPUOS,多CPUOS,網(wǎng)絡(luò)OS)91.2 發(fā)展歷程1.2.1 無操作系統(tǒng)1.2.2 單道批處理1.2.3 多道批處理1.2.4 分時系統(tǒng)1.2.5 實時系統(tǒng)1.2.6 微機OS歷史1010一、人工操作方式11用戶獨占全機：一個用戶獨占所有計算機資源CPU等待人工操作：當(dāng)用戶進行裝帶、卸帶操作時，CPU及內(nèi)存等資源是空閑的效率低，操作不方便，操作人員必須有很專業(yè)的計算機知識中央處理機CPU（ALU，控制器）存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備外存（硬盤）1.2.1無操作系統(tǒng)11二、脫機輸入輸出方式12輸入設(shè)備外圍機磁盤/磁帶計算機輸出設(shè)備外圍機磁盤/磁帶相對人工操作方式：減少了CPU的空閑時間，提高了輸入／出速度一個用戶仍獨占所有計算機資源12作業(yè)排隊計算機運行結(jié)果輸出需要監(jiān)督程序（Monitor）多個作業(yè)順序先后使用計算機（共享）計算機的控制權(quán)在監(jiān)督程序與作業(yè)之間交替使用擺脫人工操作，特征：自動、單道、順序1.2.2單道批處理13單道批處理系統(tǒng)(舉例)：14共需要時(10+20+20)+(20+20+30+30+10)+(20+30+30)=240SCPU利用率：(20+20+30+30)/240=41.7%輸入設(shè)備利用率：(10+20+20)/240=20.8%輸出設(shè)備利用率：(20+30+10+30)/240=37.5%三者之和為100%現(xiàn)有三道作業(yè)，第一道作業(yè)需要輸入10S，運行20S，輸出20S；第二道作業(yè)需要輸入20S，運行20S，輸出30S，然后再運行30,輸出10S；第三道作業(yè)需要輸入20S，運行30S，輸出30S1415計算機中同時有幾道作業(yè)（程序）在運行，提高了計算機資源（CPU、內(nèi)存、I/O）的使用效率宏觀上，多個作業(yè)“并行”（并發(fā)）。某一作業(yè)在輸入、另一作業(yè)在CPU中運行、可能還有一個作業(yè)正在輸出。增加了系統(tǒng)的吞吐量微觀上，多個作業(yè)串行對一個具體資源（特別是CPU）來說，每個程序輪流使用1.2.3多道批處理15多道批處理系統(tǒng)(舉例)16現(xiàn)有三道作業(yè)，第一道作業(yè)需要輸入10S，運行20S，輸出20S；第二道作業(yè)需要輸入20S，運行20S，輸出30S，然后再運行30,輸出10S；第三道作業(yè)需要輸入20S，運行30S，輸出30S共需要時(10+20+20)+(30)+(30+10)=120S CPU利用率：(20+20+30+30)/120=83.4% 輸入設(shè)備利用率：(10+20+20)/120=41.6% 輸出設(shè)備利用率：(20+30+10+30)/120=75% 三者之和為200%16多道批處理系統(tǒng)

特征17多道性無序性調(diào)度性[處理機、內(nèi)存、設(shè)備、文件如何管理]17多道批處理系統(tǒng)

優(yōu)缺點：18計算機資源利用率高系統(tǒng)吞吐量大平均周轉(zhuǎn)時間長無交互能力18OS里程碑處理機管理，交替使用問題內(nèi)存管理，隔離、后備存儲組織管理I/O管理，多道程序共享使用問題文件管理，程序代碼和數(shù)據(jù)組織作業(yè)管理，調(diào)度算法問題1919定義：操作系統(tǒng)是一組控制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（有效性），以及方便用戶使用（方便性）的程序的集合維基百科：操作系統(tǒng)（OperatingSystem，簡稱OS）是管理和控制計算機硬件與軟件資源的計算機程序，是直接運行在“裸機”上的最基本的系統(tǒng)軟件，任何其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運行。202021分時系統(tǒng)是為了滿足用戶需求（方便共享計算機）而發(fā)展起來的一種OS用戶需求：1、人機交互（便于調(diào)試）2、共享主機（大、小型機）3、便于用戶上機（多終端）實現(xiàn)方式——時間間隔調(diào)整1.2.4分時系統(tǒng)2122分時——時間片概念計算機內(nèi)存中同時有多個用戶程序每個用戶程序運行一小段時間（時間片，如0.1秒），然后停止該程序運行，由系統(tǒng)再調(diào)用下一個用戶程序運行每個用戶程序在不長的時間內(nèi)，都能執(zhí)行一次22分時系統(tǒng)特性23多路性：系統(tǒng)中有多個用戶程序同時運行獨立性：每個用戶(程序)獨立操作，互不干擾及時性：用戶的請求能在較短(秒級或以下)時間內(nèi)獲得響應(yīng)（及時接收，及時處理）交互性：用戶可以同系統(tǒng)進行人機對話分時系統(tǒng)的主要目的提高響應(yīng)的及時性運行-阻塞23OS里程碑第一個分時系統(tǒng)CTSS，MIT開發(fā)多用戶多任務(wù)MULTICS，簡化后是UNIX前身形成現(xiàn)代操作系統(tǒng)框架242425實時系統(tǒng)能及時（或即時）響應(yīng)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(wù)協(xié)調(diào)一致地運行實時控制：工業(yè)生產(chǎn)的控制，信息采集的控制等（中斷）實時信息處理：及時信息檢索或處理1.2.5實時系統(tǒng)25實時任務(wù)RealtimeTask重復(fù)性周期性非周期性緊迫性硬實時軟實時與分時系統(tǒng)類似多路性、獨立性、及時性、交互性、可靠性262627單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)：MS-DOS等單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)：Windows等多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)：LinuxOS等1.2.6微機操作系統(tǒng)發(fā)展27DOS是英文DiskOperatingSystem的縮寫，意思是“磁盤操作系統(tǒng)”。DOS是個人計算機上的一類操作系統(tǒng)。從1981年直到1995年的15年間（v1.0~v7.5），DOS在IBMPC兼容機市場中占有舉足輕重的地位。若是把部分以DOS為基礎(chǔ)的MicrosoftWindows版本，如Windows95、98和Me等都算進去的話，那么其商業(yè)壽命至少可以算到2000年。微軟的所有后續(xù)版本中，DOS仍然被保留。1980-1981年，西雅圖電腦產(chǎn)品公司程序員蒂姆·帕特森（TimPaterson）花費了四個月時間編寫出了86-DOS操作系統(tǒng)。1981年7月，微軟以五萬美元的代價向西雅圖公司購得本產(chǎn)品的全部版權(quán)，并將它更名為MS-DOS。隨后，IBM發(fā)布了第一臺個人計算機，當(dāng)時采用的操作系統(tǒng)是西雅圖公司的86-DOS1.14，但微軟很快改進了MS-DOS，并使它成功地成為IBMPC采用的操作系統(tǒng)。并于1981年8月12日，正式發(fā)布MS-DOS1.0和PC-DOS1.0。Microsoft開始開發(fā)基于WindowsNT構(gòu)件的Windows，才成了真正獨立的操作系統(tǒng)。后續(xù)新的DOS軟件的整體水平的提高是很顯著的。為了挑戰(zhàn)Windows的界面，程序員們（經(jīng)常是集體合作）開發(fā)了一個又一個仿Windows的界面增強程序，著名的有Seal,Qube,WinDOS等等。還有人開發(fā)出了內(nèi)核為32位的DOS操作系統(tǒng)，如FreeDOS32，事實證明，這些程序的編寫水平是很高的。這些軟件都在不斷地開發(fā)中，所取得的成績是有目共睹的。而且它們最顯著的特點就是自由開放的發(fā)展2828單用戶單任務(wù)29293030單用戶多任務(wù)1.02.03.031313T

5.0

就是Windows

2000;NT5.1就是Windows

XP34Windows

XP之前，Windows是分2條線路的， Windows

1.0/2.0/3.0/3.1/95/98/ME是家用的；

而另一條就是Windows

NT

1.0/2.0/4.0/2000，XP則是將家用和服務(wù)器用NT核心集成起來的第一作。

NT:New

Technoly(新技術(shù)，因比DOS、WIN9X采用了很多新技術(shù)而得名)

NT的系統(tǒng)有 2000

內(nèi)核NT5.0

xp

內(nèi)核NT5.1

win2003是NT5.2

vista

內(nèi)核NT6.0

windows7的內(nèi)核版本是NT6.1，但是是NT家族第七代產(chǎn)品，所以被命名為Windows

7

還有對應(yīng)的服務(wù)器版本2000

2003等35UNIX，是一個強大的多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)，支持多種處理器架構(gòu)，按照操作系統(tǒng)的分類，屬于分時操作系統(tǒng)，最早由KenThompson、DennisRitchie和DouglasMcIlroy于1969年在AT&T的貝爾實驗室開發(fā)。1965年時，貝爾實驗室（BellLabs）加入一項由通用電氣（GeneralElectric）和麻省理工學(xué)院（MIT）合作的計劃；該計劃要建立一套多使用者、多任務(wù)、多層次（multi－user、multi－processor、multi－level）的MULTICS操作系統(tǒng)。直到1969年，因MULTICS計劃的工作進度太慢，該計劃被停了下來。當(dāng)時，KenThompson（后被稱為UNIX之父）已經(jīng)有一個稱為"星際旅行"的程序在GE－635的機器上跑，但是反應(yīng)非常慢，正巧被他發(fā)現(xiàn)了一部被閑置的PDP－7（Digital的主機），KenThompson和DernisRitchie就將"星際旅行"的程序移植到PDP－7上。而這部PDP－7（如圖1－1所示）就此在整個計算機歷史上留下了芳名。多用戶多任務(wù)363637/wiki/UNIX37Linux是一種自由和開放源碼的類Unix操作系統(tǒng)，存在著許多不同的Linux版本，但它們都使用了Linux內(nèi)核。Linux可安裝在各種計算機硬件設(shè)備中，比如手機、平板電腦、路由器、視頻游戲控制臺、臺式計算機、大型機和超級計算機。Linux是一個領(lǐng)先的操作系統(tǒng)，世界上運算最快的10臺超級計算機運行的都是Linux操作系統(tǒng)。嚴(yán)格來講，Linux這個詞本身只表示Linux內(nèi)核，但實際上人們已經(jīng)習(xí)慣了用Linux來形容整個基于Linux內(nèi)核，并且使用GNU工程各種工具和數(shù)據(jù)庫的操作系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)的誕生、發(fā)展和成長過程始終依賴著五個重要支柱：UNIX操作系統(tǒng)、MINIX操作系統(tǒng)、GNU計劃、POSIX標(biāo)準(zhǔn)和Internet網(wǎng)絡(luò)。多用戶多任務(wù)3838表1-1Linux發(fā)展歷程年份事件199110月5日，LinusTorvalds在新聞組comp.os.minix發(fā)布了大約有一萬行代碼的Linux0.01版本19921月，大約有1000人在使用Linux系統(tǒng)1993大約有100余名程序人員參與了Linux內(nèi)核代碼的編寫和修改工作，其中核心組由5人組成，此時Linux0.99的代碼有大約有10萬行，用戶大約有10萬左右19943月，Linux1.0發(fā)布，代碼量17萬行，當(dāng)時是按照完全自由免費的協(xié)議發(fā)布，隨后正式采用GPL協(xié)議。至此，Linux的代碼開發(fā)進入良性循環(huán)。很多系統(tǒng)管理員開始在自己的操作系統(tǒng)環(huán)境中嘗試Linux，并將修改的代碼提交給核心小組1995Linux系統(tǒng)可在Intel，Digital以及SunSPARC處理器上運行，用戶量也超過了50萬19966月，Linux2.0內(nèi)核發(fā)布，此內(nèi)核有大約40萬行代碼，并可以支持多個處理器。此時的Linux系統(tǒng)已經(jīng)進入了實用階段，全球大約有350萬人使用1998Linux迅猛發(fā)展的一年。1月，RedHat高級研發(fā)實驗室成立，同年RedHat5.0獲得了InfoWorld的操作系統(tǒng)獎項。4月，Mozilla代碼發(fā)布，成為Linux圖形界面上的王牌瀏覽器。王牌搜索引擎Google現(xiàn)身，采用的也是Linux服務(wù)器。同年10月，Intel和Netscape宣布小額投資RedHat軟件，這被業(yè)界視作Linux獲得商業(yè)認同的信號1999IBM宣布與RedHat公司建立伙伴關(guān)系，以確保RedHat能在IBM機器上正確運行。IBM，Compaq和Novell宣布投資RedHat公司，以前一直對Linux持否定態(tài)度的Oracle公司也宣布投資20002月，RedHat發(fā)布了嵌入式Linux的開發(fā)環(huán)境，Linux在嵌入式行業(yè)的潛力逐漸被發(fā)掘出來。同年7月，中科院與新華科技合作發(fā)展紅旗Linux，此舉讓更多的國內(nèi)個人用戶知道了Linux操作系統(tǒng)的存在20018月，紅色代碼病毒爆發(fā)，引得許多站點紛紛從使用Windows操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)向使用Linux操作系統(tǒng)，這是一次Linux的大規(guī)模應(yīng)用普及。12月，RedHat為IBMs/390大型計算機提供了Linux解決方案，從此結(jié)束了AIX孤單獨行無人伴的歷史20031月，NEC宣布將在其手機中使用Linux操作系統(tǒng)，代表著Linux成功進軍手機領(lǐng)域。9月，中科紅旗發(fā)布RedFlagServer4版本，性能改進很多。11月，IBM注資Novell，以2.1億美元收購SuSE20041月，SuSE被Novell收購，Asianux，MandrakeSoft也在5年中首次宣布季度盈利。4月，美國斯坦福大學(xué)Linux大型機系統(tǒng)被黑客攻陷，再次證明了沒有絕對安全的操作系統(tǒng)。6月，統(tǒng)計報告顯示在世界500強超級計算機系統(tǒng)中，使用Linux操作系統(tǒng)的已經(jīng)占到了280家，搶占了原本屬于各種UNIX的份額39391.3 基本特征無論批處理、分時、實時系統(tǒng)，其共性有1.3.1 并發(fā)性1.3.2 共享性1.3.3 虛擬性1.3.4 異步性404041并發(fā)性：多道用戶程序可在同一時間間隔中運行并行性parallelism=并發(fā)性Concurrent∩同時性Simultanious并發(fā)實體：用戶代碼：多進程、多線程內(nèi)核代碼：系統(tǒng)調(diào)用、中斷代碼1.3.1 并發(fā)性414243共享性：系統(tǒng)資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)的進程共同使用包括：互斥共享和同時訪問1.3.2 共享性4344虛擬性：系統(tǒng)物理資源可虛擬為更大、更多的邏輯資源時分復(fù)用：虛擬處理機、虛擬設(shè)備空分復(fù)用：虛擬磁盤、虛擬存儲器1.3.3 虛擬性4445異步性：內(nèi)存中多個并發(fā)的進程以異步方式運行相互間沒有統(tǒng)一的同步節(jié)拍控制——不可預(yù)知，不能以預(yù)想的方式先后完成。1.3.4 異步性451.4 操作系統(tǒng)主要功能無論批處理、分時、實時系統(tǒng)，其共性有1.4.1 處理機管理1.4.2 存儲器管理1.4.3 設(shè)備管理1.4.4 文件管理中央處理機CPU（ALU，控制器）存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備外存（硬盤）4646471.4.1 處理機管理進程控制/進程同步/進程通信/進程調(diào)度1、進程控制創(chuàng)建：分配資源運行：進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換撤消：回收資源2、進程同步進程互斥：臨界資源占用進程同步：多進程按順序協(xié)調(diào)完成同一任務(wù)47483、進程通信進程間進行信息交換，如輸入進程將數(shù)據(jù)送給計算進程，計算進程將結(jié)果送給打印進程4、進程調(diào)度對進程隊列中的進程進行調(diào)度，將CPU的使用權(quán)分配給指定進程含作業(yè)調(diào)度、進程調(diào)度48491、內(nèi)存分配：為每個用戶程序分配內(nèi)存空間2、內(nèi)存保護：用戶程序只能訪問自已程序的內(nèi)存空間，不能越界（到其它用戶程序或系統(tǒng)程序空間）3、地址映射：將目標(biāo)程序的地址映射成內(nèi)存的“物理地址”1.4.2 存儲器管理4、內(nèi)存擴充(虛擬存儲器)采用虛擬存儲技術(shù)從邏輯上擴充內(nèi)存空間，使大于實際內(nèi)存空間的程序同樣可以得以運行虛擬存儲技術(shù)主要采用請求調(diào)入和置換功能實現(xiàn)內(nèi)存擴充目標(biāo)49501、緩沖管理：為設(shè)備分配緩沖區(qū)并進行管理2、設(shè)備分配：為用戶I/O請求分配相應(yīng)的設(shè)備3、設(shè)備處理：實現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信1.4.3 設(shè)備管理50511、文件存儲空間管理設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)（磁道、扇區(qū)等）對存儲空間進行分配和回收2、目錄管理對每個存在外存上的文件建立一個目錄項，主要包括文件名、屬性、在磁盤上的位置等信息形成樹形結(jié)構(gòu)1.4.4 文件管理51523、文件的讀、寫管理和保護從外存上讀、寫文件數(shù)據(jù)保證文件的合法使用52用戶接口531、命令(用戶)接口：通過命令字，用戶可以直接調(diào)用操作系統(tǒng)完成相應(yīng)功能，如dir