操作系统原理PrinciplesofOperatingSystem课件.ppt

1、操作系统原理操作系统原理 Principles of Operating System华中科技大学计算机学院华中科技大学计算机学院邵志远邵志远使用过程中的问题使用过程中的问题n遇到计算机运行或打开硬盘上的程序的速遇到计算机运行或打开硬盘上的程序的速度变慢，该怎么办？度变慢，该怎么办？原因：硬盘上的卷可能有过多的碎片，原因：硬盘上的卷可能有过多的碎片，可能是由于最近创建了大量的文件或文件可能是由于最近创建了大量的文件或文件夹，或安装了新软件。夹，或安装了新软件。解决方案：如果必要，分析并整理硬盘解决方案：如果必要，分析并整理硬盘上的卷碎片。上的卷碎片。为什么要学习操作系统？为什么要学习操作系统？

2、游戏中的现象游戏中的现象基本配置基本配置 推荐配置推荐配置CPUCPUPentium3 800MHzPentium3 800MHz以上以上 Pentium4 1GHzPentium4 1GHz以上以上内存内存 256M256M以上以上 512M512M以上以上显卡显卡GeForce2GeForce2以上以上3D3D加速卡加速卡Geforce4 TiGeforce4 Ti以上以上3D3D加速卡加速卡硬盘硬盘 3G3G以上以上为什么要学习操作系统？为什么要学习操作系统？操作系统做什么操作系统做什么#include int main(int argc,char*argv)puts(hello wor

3、ld);return 0;为什么要学习操作系统？为什么要学习操作系统？为什么要学习操作系统？为什么要学习操作系统？n掌握操作系统的基本理论，具备开发核心系统软掌握操作系统的基本理论，具备开发核心系统软件的技能，设计操作系统或者修改现有的系统件的技能，设计操作系统或者修改现有的系统n掌握并行处理的思想方法，加深对使用的掌握并行处理的思想方法，加深对使用的OS的理的理解，有利于深入编程解，有利于深入编程n用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道n操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他领域到其他领域n为后继课

4、程打好基础为后继课程打好基础数据库、网络、分布式数据库、网络、分布式系统系统n了解当前流行的实际操作系统的使用方法与实现了解当前流行的实际操作系统的使用方法与实现技术技术UNIX、Linux，Windows应用软件应用软件用户程序用户程序操作系统操作系统裸机裸机操作系统的工作：操作系统的工作：（1）程序的执行）程序的执行（2）完成与硬件有关的工作）完成与硬件有关的工作（3）完成与应用无关的工作）完成与应用无关的工作（4）计算机系统的效率与安全问题）计算机系统的效率与安全问题n操作系统课程特点n怎样学习操作系统&教材：教材：操作系统原理操作系统原理(第四、三版第四、三版)庞丽萍庞丽萍 华中科技大

5、学出版华中科技大学出版社社&参考教材：参考教材：UNIXUNIX操作系统设计操作系统设计莫里斯莫里斯 贝奇贝奇 机械工业出版社机械工业出版社计算机操作系统计算机操作系统 汤子瀛等汤子瀛等 西安电子科技大学出版西安电子科技大学出版社社现代操作系统现代操作系统 陈向群等译陈向群等译 机械工业出版社机械工业出版社计算机操作系统教程计算机操作系统教程 张尧学张尧学 史美林史美林 清华大学出版社清华大学出版社操作系统基础操作系统基础 屠立德屠立德 屠祁屠祁 清华大学出版社清华大学出版社讲课学时安排讲课学时安排章节内容章节内容学时学时第一章 绪 论第二章 操作系统的逻辑结构第三章 用户界面第四章 并发处理

6、第五章 资源分配与调度第六章 处理机调度第七章 主存管理第八章 输入/输出管理第九章 文件系统机动、复习48481616学习要求与成绩评定学习要求与成绩评定n学习要求学习要求n课前预习，认真听讲，课后复习n遵守课堂纪律n成绩评定成绩评定：n平时成绩+考试成绩n闭卷考试第一章第一章 绪绪 论论（一）（一）操作系统在计算机系统中的地位操作系统在计算机系统中的地位（二）（二）操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展（三）（三）操作系统的定义操作系统的定义（四）（四）操作系统的功能操作系统的功能（五）（五）操作系统的基本类型操作系统的基本类型（六）（六）UNIX和和Windows存储程序式计算机的结构

7、和特点存储程序式计算机的结构和特点存储程序式计算机存储程序式计算机(Von Neumann计算机计算机)n基本部件基本部件 CPU、主存储器、主存储器、I/O设备、控制台设备、控制台 n特点特点 集中顺序过程控制集中顺序过程控制n集中控制：由集中控制：由CPU集中管理集中管理 n顺序性：程序计数器控制顺序性：程序计数器控制n过程性：模拟人们手工操作过程过程性：模拟人们手工操作过程计算机系统的组成计算机系统的组成计算机系统（层次结构）软件硬件及固件（裸机）应用软件系统软件编辑软件、编译软件操作系统管理信息系统、飞机订票系统、银行系统、地理信息系统、CAD系统、数字计算软件包管理信息系统、飞机订票

8、系统、银行系统、地理信息系统、CAD系统、数字计算软件包语言编译程序、连接装配程序、数据库管理系统、网络软件操 作 系 统（一）操作系统在计算机系统中的地位（一）操作系统在计算机系统中的地位计算机硬件系系统统软软件件应应用用软软件件支支撑撑软软件件用户用户用户用户与硬件的关系：与硬件的关系：控制控制CPUCPU的工作、的工作、访问存储器、访问存储器、设备驱动、中断处理设备驱动、中断处理与用户及应用程序的关系：与用户及应用程序的关系：提供方便的用户界面、提供方便的用户界面、提供优质的服务提供优质的服务（二）操作系统的形成和发展（二）操作系统的形成和发展手工操手工操作阶段作阶段批处理批处理联机联机

9、批处理批处理脱机脱机批处理批处理执行执行系统系统操作系统形成操作系统形成多道程序系统多道程序系统多道批处多道批处理系统理系统分时分时系统系统实时系统实时系统个人计算机操作系统个人计算机操作系统网络操作系统网络操作系统分布式操作系统分布式操作系统运算速度：运算速度：10001000次次/每秒每秒,数万个真空管数万个真空管,占地占地100100平方米平方米第第 1 1 阶段阶段 手工操作阶段手工操作阶段 硬件非常昂贵，没有操作系统硬件非常昂贵，没有操作系统n工作效率极低：手工操作的慢速度与机器处理的高速度n 每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码n 工作量大，难度高，易出错，需要大量人力和物力n独

10、占性、串行性机器速度 计算所需时间 人工操作时间 操作时间:机器运行时间1万次/秒1小时3分钟1:2060万次/秒1分钟3分钟3:1第第2 2阶段阶段 单道批处理阶段单道批处理阶段 硬件昂贵，人力便宜，单任务自动批处理硬件昂贵，人力便宜，单任务自动批处理n装入程序、运行、打印结果、撤出、再重复n 用户把作业（卡片或磁带）交给负责调度的操作员（系统管理员），由操作员按作业类型分类编成一个作业序列，送到输入设备上。n 常驻监督程序自动地装入程序、运行、撤出作业（1）联机批处理（2）脱机批处理（3）执行系统批批 处处 理理v特点：有监督程序，作业自动过渡v问题：CPU高速与I/O慢速的矛盾v解决：由

11、卫星机负责I/Ov特点：主机与卫星机并行操作v问题：调度不灵活，保护问题v解决：硬件技术的发展通道技术、中断技术n定义：定义：借助于通道与中断技术，由主机控制I/O工作。原有的监督程序不仅要负责调度作业自动的运行，而且还要提供I/O控制功能。它常驻内存，称为执行系统。n特点：特点：主机、外设并行操作；增加了保护能力n问题：问题：处理机仍有空闲等待现象通道通道 一种专用部件，负责外部设备与内存之间信息的传输。中断 主机接到信号（来自CPU外部或内部）时，立即中止原来的工作，转去处理这一事件，处理完后，主机又回到原来工作点继续工作。第第 3 3 阶段阶段 多道批处理阶段多道批处理阶段 硬件较以前便

12、宜，人力昂贵硬件较以前便宜，人力昂贵n处理过程n 在内存中同时存放几道相互独立的程序n 在管理程序控制之下，相互穿插地运行，处理机和外设尽量处于忙碌状态n交互式分时处理n一台计算机，多个便宜终端n所有用户可与系统立即交互n调试比较方便多道程序设计技术多道程序设计技术多道程序设计技术多道程序设计技术多道程序设计技术多道程序设计技术是在是在计算机内存计算机内存中同时存放中同时存放几道几道相互独立的程序相互独立的程序，在管理程序的控制下相互穿，在管理程序的控制下相互穿插地运行。当某道程序因某种原因不能继续运行下插地运行。当某道程序因某种原因不能继续运行下去时（如等待外部设备传输数据），管理程序便将去

13、时（如等待外部设备传输数据），管理程序便将另一道程序投入运行。另一道程序投入运行。多道 宏观上并行 微观上串行 分时技术与分时处理分时技术与分时处理把处理机的响应时间分成若于个大小相等（或不相等）的时间单位，称为时间片，每个终端用户获得CPU，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运行，当时间片到（用完），用户程序暂停运行，等待下一次运行。由于中断技术的使用，使得一台计算机能连接多个用户终端，用户可通过各自的终端使用和控制计算机，我们把一台计算机连接多个终端的计算机系统称为分时计算机系统，或称分时系统。实时处理实时处理n什么是什么是“实时实时”n计算机对外来的信息能够以足够快的速度进行处理，并且

14、在被控对象允许的时间范围内作出快速反应。n实时处理实时处理n以快速反应为特征，对实时信号能在截止期限之内处理并作出反应。第第 4 4 阶段阶段 操作系统的进一步发展操作系统的进一步发展硬件非常便宜、人力昂贵硬件非常便宜、人力昂贵n单单CPU计算机方面计算机方面 批量操作系统、分时系统n向小型化、微型化计算机发展向小型化、微型化计算机发展 个人计算机操作系统n向网络化发展向网络化发展 网络操作系统n向具有并行结构的计算机系统多处理机操作系统 集群系统 分布式操作系统（三）操作系统的定义（三）操作系统的定义 操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序

15、模块的集合些程序模块的集合 以尽量有效合理方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活，方便，有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效的运行。n资源共享：多个计算任务对计算机系统资源的共同享用。n资源竞争：多个计算任务对计算机系统资源的争夺。操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动，实现信息的存取和保护。它提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。操作系统使整个计算机系统实现了高效率和高度自动化。操作系统是整个计算机系统的核心。操作系统是整个计算机系统的核心。操作系统

16、的定义操作系统的定义操作系统的特征操作系统的特征n并发：并发：系统中同时存在多个程序处理多个同时性活动宏观上：这些程序是同时在执行的微观上：任何时刻只有一个程序在执行，即微观上这些程序在CPU上轮流执行n共享：共享：多个计算任务对系统资源的共同享用n操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统中的资源（共享有限的系统资源）n操作系统要对系统资源进行合理分配和使用 n资源在一个时间段内交替被多个进程所用n不确定性：不确定性：操作系统能处理大量的、随机的事件序列，使各用户的计算任务正确地完成。（四）操作系统的功能（四）操作系统的功能裸裸 机机 ：没有装配任何软件的计算机称为裸机。虚拟机虚拟机：装配有

17、相应软件的机器称为虚拟机。系统调用文件系统处理机调度、内存管理设备驱动，中断处理裸机操作系统的资源管理功能操作系统的资源管理功能把操作系统看成一个资源管理器。换句话说，从资源管理的角度看操作系统有如下四个功能：一一 处理机分配处理机分配 1.1.制定调度策略（调度原则）制定调度策略（调度原则）2.2.给出调度算法给出调度算法 3.3.具体的实施处理机分派具体的实施处理机分派二二 存储器管理存储器管理 1.1.存储分配和存储无关性存储分配和存储无关性 2.2.存储保护存储保护 3.3.存储扩充存储扩充三三 设备管理设备管理 1.1.设备无关性设备无关性 2.2.设备分配设备分配 3.3.设备的传

18、输控制设备的传输控制四四 软件资源管理软件资源管理 为用户提供一种简便的、统一的存取和管理信息的方法，并要解决信息的共享、数据的存取控制和保密等问题。操作系统的资源管理功能操作系统的资源管理功能处理机处理机存储器存储器I/OI/O设备设备软件资源软件资源处理机处理机管管 理理存储器存储器管管 理理设设 备备管管 理理文文 件件系系 统统系统系统资源资源操作系统操作系统功能模块功能模块（五）操作系统的类型（五）操作系统的类型批处理操作系统n 分时操作系统n 实时操作系统n个人计算机操作系统n 网络操作系统n 分布式操作系统n 嵌入式操作系统n 自由软件和LINUX操作系统多道批处理系统多道批处理

19、系统n在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了批量操作系统。n该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作业调度程序自动地选择作业运行。n优点优点：缩短作业之间的交接时间，减少处理机的空闲等待时间，提高系统的吞吐量n缺点缺点：用户响应时间较长。用户既不能了解自己程序的运行情况，也不能控制计算机。特点：特点：u 多路调制性：众多联机用户可同时使用同一台计算机u 独占性：各终端用户感觉到自己独占了计算机u 交互性：用户与计算机之间可进行“会话”分时操作系统分时操作系统实时操作系统实时操作系统n实时操作系统：对用户（外部）的请求，实时操作系统能在实时操作系统：对用户（外部）的请求，实时操

20、作系统能在规定的时间内处理完毕。规定的时间内处理完毕。响应时间响应时间 指用户发出命令，到系统开始执行命令所需的时间。指用户发出命令，到系统开始执行命令所需的时间。n批处理操作系统 没有n分时操作系统分时操作系统 秒级秒级(一般情况）一般情况）n实时操作系统实时操作系统 微秒级微秒级 甚至更小（经典说法）甚至更小（经典说法）系统满足用户时限（系统满足用户时限（deadline)的的 要求要求 (现代）现代）实时操作系统实时操作系统n实时操作系统的类型：实时操作系统的类型：n实时控制：工业过程控制、防空系统等n实时信息处理：情报检索和查询、飞机订票系统n实时操作系统特点：实时操作系统特点：n系统

21、对外部的信号必须能及时响应n要求高可靠性和安全性，效率则放在第二位n系统整体性强n不要求很强的“会话”能力网络操作系统网络操作系统n计算机网络计算机网络:计算机技术与通信技术相结合的产物,是互连起来的计算机的集合。主机主机：组成网络的独立自主的计算机系统。子网子网：将入网主机连接起来的实体，任务是在入网主机之 间传递信息,以提供通信服务。网络协议网络协议：网络中各主机之间传递信息的规则的集合。计算机网络的组成计算机网络的组成 网络操作系统：网络操作系统：在通常的操作系统中增加了实现网络低层协议功能和网络设备管理功能的操作系统称为网络操作系统。分布式系统分布式系统n分布式系统是网络操作系统的更高

22、级的形式,它保持了网络操作系统的全部功能。n从硬件上讲，它与计算机局域网没有任何区别。关键是软件。n特征:1.统一性：一个统一的操作系统2.共享性：资源进一步共享3.透明性:在用户眼中分布式计算机就是一台计算机4.自治性:处于分布式系统的多个主机处于平等地位n网络操作系统与分布式操作系统的主要不同是:网络操作系统可构架于不同的操作系统之上,即在异构系统上通过网络协议实现网络资源的统一配置,并不要求透明访问。分布式系统分布式系统n集群是分布式系统的一种。集群（Cluster）：由高速局域网连接多台计算机组成的虚拟计算机系统。嵌入式操作系统嵌入式操作系统什么是嵌入式系统？n在各种设备、装置或系统中

23、，完成特定功能的软硬件系统n它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机”n通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中n由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统手持系统在嵌入式系统中的在嵌入式系统中的OSOS，称为嵌入式操作系统，称为嵌入式操作系统嵌入式操作系统的应用嵌入式操作系统的应用智能卡智能卡移动通信移动通信计算机外设计算机外设机顶盒机顶盒零售设备零售设备印刷机印刷机复印机复印机互联网服务器互联网服务器电话交换设备电话交换设备手持系统的特性手持系统的特性 完成某一项或有限项功能；不是通用型的完成某一项或有限项功能；不是通用型的内存少

24、，处理机速度慢，屏幕小内存少，处理机速度慢，屏幕小 为了减少手持设备尺寸，使用耗电更小，体积更小，为了减少手持设备尺寸，使用耗电更小，体积更小，速度更慢的处理器；速度更慢的处理器；操作系统和应用程序的设计不能加重处理器的负担操作系统和应用程序的设计不能加重处理器的负担 有些手持设备可使用无线技术，允许远程访问电子邮有些手持设备可使用无线技术，允许远程访问电子邮件和浏览网页件和浏览网页个人计算机操作系统个人计算机操作系统n Microsoft Windows系统n 32位多任务操作系统MS-DOSWindows 2000/2003 Windows NT Windows XPn Unix系统n 3

25、2位多用户分时操作系统惠普计算机上的HP-UX IBM小型机上的AIX苹果Mac上的AUXLinuxMinix和FreeBSD（六）（六）UNIXUNIX和和WindowsWindows UNIX系统是一个交互式的多用户分时操作系统Windows是一个图形化的多任务操作系统 UNIXUNIX操作系统的发展操作系统的发展1965年：麻省理工学院、BELL实验室、通用电器公司组成MAC课题组联合研制Multics操作系统。1969年Multics在GE645计算机上运行，但它既没有提供预定的综合计算服务，也不知什么时候算达到开发的目标。BELL实验室退出了该课题组。Multics操作系统设计目标是

26、要向大的用户团体提供对计算机的同时访问，支持强大的计算能力与数据存储，以及允许用户在需要的时候容易共享他们的数据“满满足所有用户的所有要求足所有用户的所有要求”。UNIXUNIX操作系统的发展操作系统的发展UNIX系统的作者：系统的作者：操作系统的设计不应也不可能做到操作系统的设计不应也不可能做到“满足所有用户的所有要求满足所有用户的所有要求”，而应为广大的计算机，而应为广大的计算机用户提供一种良好的程序设计环境。用户提供一种良好的程序设计环境。1969年K.Thompson和 D.Ritchie 为了改善他们的程序设计环境，设计了宇宙旅行的游戏，后来演化成unix系统早期的版本。Dennis

27、 Ritchie（创造了C语言）用C语言改写了早期的UNIX系统。1974年在ACM通信上发表了“The unix Time-Sharing System”的论文，unix正式公布于世。UNIXUNIX操作系统的发展操作系统的发展n惠普计算机上的HP-UXnIBM小型机上的AIXn苹果Mac上的AUXnMinix和FreeBSDnLinux1.设计思想正确合理设计思想正确合理n 为广大的计算机用户提供一个良好的程序设计环境。n代码有效，容易适应特殊的需求。2.生逢其时、选择恰当生逢其时、选择恰当n生逢其时 人们盼望有一个大小适中、功能齐全、使用方便的分时操作系统见世，就在人们翘首以待的时候，U

28、NIX系统产生了。n选择恰当，C语言编写，可移植。在PDP-11系列的计算机上实现，该系统当时占据小型计算机的主要市场。3.特色明显、品质优良特色明显、品质优良n良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统UNIXUNIX操作系统的主要特点操作系统的主要特点n1990年秋天，Linus在芬兰首都赫尔辛基大学学习操作系统课程，因为上机需要排队等待，Linus买了台PC机，开发了第一个程序，程序包括两个进程，向屏幕上写字母，然后用定时器来切换进程.nLinus需要终端仿真程序来存取Usenet新闻组的内容，于是他写了从调制解调器上接发信息的程序以及显示器、键盘和调制解调器的驱动程序,然后写了磁盘驱

29、动程序，文件系统，一旦有了进程切换、文件系统和设备驱动程序，当然就拥有了一个操作系统原型，或者至少是它的一个内核.nLinux是自由软件，并在专用网站上公布源代码。这样引起了全世界操作系统爱好者的兴趣，不断对其进行修改、补充和完善，这使得Linux日趋完善和成熟。nSlackware Linux、Redhat Linux、红旗LinuxLinuxLinux操作系统操作系统n微软公司nMS-DOSnWin32,Win95nWindows 2000/2003nWindows NTnWindows XPn.1983年10月，PC机竞争厂家的图形界面相关产品上市面对市场压力，比尔.盖茨在1983年11

30、月10日宣布推出Windows操作系统然而宣布容易，交货就不简单了，Windows交货期的灾难，成了当年计算机界的笑柄直到1985年11月20日，Windows 1.0才正式上市Windows在当时微软历史上创了几个记录：延迟交货次数最多，投入开发人员最多，开发时间最长，更换主管人员最多不过几年之后，Windows终于创造了销售成绩最佳的历史记录1992年4月，推出Windows 3.1,1993年5月，发表Windows NTWindows 95，Windows CE，Windows 98，Windows 2000个人计算机采用Windows占90以上，微软公司成了垄断PC行业的同义词第一章第一章 小小 结结1.存储程序式计算机的结构与特点2.操作系统在计算机系统中的地位3.操作系统的基本概念：定义、特征4.操作系统的基本功能5.操作系统的基本技术：多道程序设计技术、分时技术6.操作系统的基本类型