1、操 作 系 统毕 野计算机科学系（407室）前 言n课程地位：课程地位：操作系统是计算机本科学生一门重要的专业操作系统是计算机本科学生一门重要的专业必修课，也是一门核心主干课。必修课，也是一门核心主干课。n课程影响：课程影响：提高专业理论水平和基本操作技能；培养较提高专业理论水平和基本操作技能；培养较高层次的应用开发和实践创新能力；提高未来发展机遇高层次的应用开发和实践创新能力；提高未来发展机遇和竞争能力。和竞争能力。n课程目标：课程目标：主要掌握操作系统的主要掌握操作系统的基本概念基本概念，基本组成和，基本组成和基本功能，以及实现各功能的基本功能，以及实现各功能的基本原理基本原理、技术和、技
2、术和方法方法。前 言n课程特点：课程特点：概念多，理论深，方法活。概念多，理论深，方法活。n学习要求：学习要求：认真读书、理解概念、完成作业、上认真读书、理解概念、完成作业、上机实验。机实验。n考试形式：考试形式：理论闭卷：理论闭卷：70%；作业、实验平时；作业、实验平时考查：考查：30%第一章 操作系统引论1.1 操作系统的目标和作用 1.2 操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特性 1.4 操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计补充：操作系统的运行环境 学习目标n重点nOS发展过程中的相关技术、概念（1.2节）n多道程序设计技术（1.2节）nOS目标、作用、基本特性（1.1、
3、1.4节）1.1操作系统的目标和作用n分析：从应用需求看OS的产生背景n用户应用程序计算机硬件（低效、困难）n用户应用程序公共的底层硬件操作或公共服务计算机硬件（高效、方便）n结论：OS有利于填补用户与机器硬件之间的鸿沟，为创建可用的计算环境提供了合理途径OS（类似于政府）OS的定义n没有一个精确统一的定义，一种使用比较普遍的说法（P9）：nOS作为一种系统软件，是一组能够控制和管理计算机系统的硬软件资源、合理组织计算机工作流程、方便用户使用计算机的程序的集合。OS在系统中的地位在系统中的地位政府：组织社会资源、制定发展规划、坚持民本思想（便民、利民）1.1.1 操作系统的目标n有效性（针对硬
4、软件自底向上的观点）nOS有利于提高系统的资源利用率nOS有利于提高系统的吞吐量吞吐量（通过合理地组织计算机的工作流程，缩短程序的运行周期）n方便性（针对用户自顶向下的观点）nOS为方便用户使用计算机提供了多种接口注意：有效性和方便性在不同系统中各有侧重，可能需要折中考虑！?1.1.1 操作系统的目标（续）n可扩充性nOS要适应计算机硬件、体系结构（多机系统、分布式系统）以及应用发展（例如语音输入）的要求。n开放性n开放性是指系统能遵循世界标准规范，便于软硬件兼容和系统互连。nPOSIX：OS的应用程序接口（API）标准（P265）nWindow、X-Window：图形用户界面标准nTCP/I
5、P：网络互联的事实标准1.1.2操作系统的作用nOS作为用户与计算机硬件系统之间的接口nOS处于用户与计算机硬件系统之间，是一种软件接口。用户通过OS来使用计算机。n分为n用户接口n程序接口（也称系统调用或API）针对程序员联机用户接口（命令联机用户接口（命令图形用户接口图形用户接口）脱机用户接口（作业控制语言脱机用户接口（作业控制语言JCL）针对批处理作业针对批处理作业1.1.2操作系统的作用（续）nOS作为计算机系统资源的管理者n资源分为四类：处理器（CPU）、存储器、 I/O设备以及信息（数据和程序）。nOS的资源管理功能：n进程管理（或处理机管理）：用于分配和控制处理机；n存储管理：主
6、要负责内存的分配与回收；n设备管理：负责I/O设备的分配与操纵；n文件管理：负责文件的存取、共享和保护。1.1.2操作系统的作用（续）nOS实现了对计算机资源的抽象nOS是裸机上的第一层软件，实现了对硬件功能的首次扩充，将用户（程序员）从复杂硬件控制中解脱出来，为用户提供的是一台使用更为方便的虚拟机。n裸机：不配备任何软件的计算机系统。裸机对外提供的接口是指令系统和中断捕获能力。n虚拟机：在原有机器的基础上，增加一层或多层软在原有机器的基础上，增加一层或多层软件后得到的功能更强大的新机器。件后得到的功能更强大的新机器。经OS扩充产生的虚拟机对用户提供了更强大易用的用户接口和程序接口。虚拟机的示
7、意图物理接口硬件用户用户I/O软件物理接口硬件机器指令虚机器I/O操作命令(Read，Write)图1-2I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节,形成了第一层虚拟机 经经OS多层软件包装产生的更强大、易用的虚拟机多层软件包装产生的更强大、易用的虚拟机OS经经Java运行环境包装产生的运行环境包装产生的Java虚拟机虚拟机红色边界：红色边界：OS与硬件的边界，属与硬件的边界，属于系统结构的研究范畴（确定软于系统结构的研究范畴（确定软硬件的边界）！硬件的边界）！虚拟机示意图（续）虚拟机示意图（续）1.1.3推动操作系统发展的主要动力n不断提高计算机资源利用率（例如：批处理系统和多道程序设计技术）n方
8、便用户使用（例如：分时系统、图形用户界面）n器件的不断更新换代（32位OS64位OS）n计算机体系结构的不断发展 （单机OS网络OS分布式OS ）注意：前两个是最重要的发展主线1.2 操作系统的发展过程n1.2.1 无操作系统的计算机系统n1.2.2 单道批处理系统n1.2.3 多道批处理系统n1.2.4 分时系统n1.2.5 实时系统1.2.1 无操作系统的计算机系统1. 人工操作方式人工操作方式n从1945年到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。n由用户（即程序员）采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统：n预约上机（联机On-Line）n程序和数据事先穿孔到纸带(或卡片)上
9、，然后装入纸带输入机(或卡片输入机)n再启动这些输入设备将程序和数据输入计算机内存，然后启动计算机运行n当程序运行完毕并取走计算结果之后，才让下一个用户上机。1.2.1 无OS的计算机系统（续）n缺点：n用户独占全机n资源独占，资源利用率低n用户人工干预，不方便nCPU等待人工操作nI/O与CPU串行工作，用户操作与CPU串行工作，CPU时间浪费严重n结论：人机矛盾突出1.2.1 无OS的计算机系统（续）2. 脱机输入脱机输入/输出输出(Off-Line I/O)方式方式50年代末年代末n随着硬件发展，引入了外围机，并出现了程序员和操作员的分工n优点：n减少了CPU的空闲时间n实现了CPU与I
10、/O的并行工作n提高I/O速度n使用了更熟练的操作员n使用了更快速的磁带n缺点：n仍需人工干预输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备图1-3脱机I/O示意图 1.2.2 单道批处理系统n主要改进n引入监督程序（monitor），实现作业间的自动切换。n监督程序常驻内存OS的雏形n工作方式n作业成批组织n作业单道执行把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？否装 配目标程序还有下一个作业？是否停止运 行目标程序是开始图1-4 单道批处理系统的处理流程 1.2.2 单道批处理系统（续）n主要特征n自动性n顺序性n单道性n主要缺点：资源利用率仍有待提高n单道作业独占资源nCPU与外设之间仍然是串
11、行工作（见后 图1-5）n原因：内存中只有单道作业1.2.3多道批处理系统n多道批处理系统（Multiprogrammed Batch Processing System）在60年代中期产生，产生基础：n硬件基础：中断、通道技术n软件基础：多道程序设计技术n多道程序设计技术n在内存中同时保持多道程序，主机以交替方式同时处理多道程序。可以实现CPU与I/O设备的并行工作，有利于提高系统资源的利用率。n标志着OS的形成一种专用于I/O的处理机t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求用户程序监督程序I/O 操作(a) 单
12、道程序运行情况程 序 A程序A I/O 请求程序A I/O 完成程 序 B程序B I/O 请求程 序 C程序C I/O 请求程 序 D程序D I/O 请求C I/O 完成C 再 被 调 度程序B I/O 完成程序A再被调度程 序 A程 序 B程 序 C程 序 D调 度 程 序(b) 四 道 程 序 运 行 情 况A完成结束中断图1-5单道和多道程序运行情况 1.2.3多道批处理系统（续）n多道批处理系统：多道技术+批处理方式n用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；成批处理n由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资
13、源。多道n多道批处理系统的特征n多道性n无序性：并非乱序，而是执行顺序不确定n调度性：两级调度（高级调度-进程调度 低级调度-作业调度）1.2.3多道批处理系统（续）n多道批处理系统的优缺点n资源利用率高n系统吞吐量大n吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量n平均周转时间长n作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。n由成批处理的作业组织方式所决定n无交互能力n用户（指程序员）一旦把作业提交给系统后，直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，n对修改和调试程序很不方便满足了提高资源利用率的要求满足了提高资源利用率的要求不利于方便用户不利于方便用户1.2
14、.3多道批处理系统（续）n多道批处理系统需要解决的问题n处理机管理问题n内存管理问题nI/O设备管理问题n文件管理问题n作业管理问题1.2.4分时系统n分时系统(Time-Sharing System)的产生n推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，是提高资源利用率和系统吞吐量n推动分时系统形成和发展的主要动力，则是用户的需求n用户的需求n人机交互（关键）n共享主机（要求互不影响）n便于用户上机（TS系统的直接目标）1.2.4分时系统（续）n分时系统交互式系统+多道程序设计n在一台主机上连接多个终端（键盘、显示器），同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式分时使用计算机，共享主机的资源。n分
15、时系统实现中的关键问题n及时接收键盘缓冲区+多路采集卡n及时处理作业直接入内存，不允许一个作业长期占用处理机1.2.4分时系统（续）n分时系统的工作方式n用户作业直接进入内存（批处理是先入磁盘）n基于时间片轮转分配CPU时间n分时系统的特征n多路性宏观上同时，微观上轮流n独立性虚拟CPUn及时性n以人们所能接受的等待时间来确定的，通常仅为13秒钟n交互性最重要特征1.2.5实时系统n实时系统(Real Time System)n是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。n“实时”是表示“及时”n实时系统与分时系统特征的比较n
16、多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性n更强调及时性：以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的，通常较短。1.2.6 微机操作系统的发展n按字长：8位、16位、32位、64位OSn按运行方式：n单用户单任务操作系统nCP/M（ 8位）和MS-DOS （16位）n单用户多任务操作系统nWindows系列（32位、64位）n多用户多任务操作系统nUNIX（变体： Linux 、Solaris）、VMS等（32位、64位）1.3操作系统的基本特性n三种基本操作系统n多道批处理系统侧重系统性能高n分时系统侧重交互性n实时系统侧重及时性n操作系统的基本特征n并发（最重要特征）n共享n虚拟n异
17、步两个最基本特征1.3.1 并发性n并行性（Parallel）n指两个或多个事件在同一时刻发生n并发性（Concurrence）n指两个或多个事件在同一时间间隔内发生n在单处理机系统和多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但微观上这些程序只能是交替执行n并发执行的基本单位进程或线程n严格说，程序（Program）是不能并发执行的。n为实现并发执行，须将程序改造成进程（Process）n进一步提高系统的并发性，在进程基础上引入线程（Thread）多个老师同时为一个班多个老师同时为一个班上课上课并发并发1.3.2共享性n共享n是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进
18、程（线程）共同使用。n两种资源共享方式n互斥共享互斥共享如何实现是如何实现是OS的一个重要问题！的一个重要问题！n一段时间内只允许一个进程(线程)访问特定资源n临界资源或独占资源：大多数物理设备，以及软件中所用的栈、变量和表格等。它们要求被互斥地共享。n同时访问同时访问n针对磁盘、可重入文件等n宏观上同时，微观上交替访问1.3.3虚拟技术n虚拟（Virtual）n是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。虚拟性是用户的一种感觉。nOS中的虚拟技术n虚拟处理机：多道程序设计技术（分时系统）n虚拟内存：虚拟存储技术n虚拟外部设备：SPOOLing技术（实现虚拟打印机）n虚拟信道：多路
19、复用技术实现虚拟技术的两种方式n时分复用技术时分复用技术n亦即分时使用方式。n可以实现虚拟处理机、虚拟外部设备等，以提高资源的利用率。n空分复用技术空分复用技术n用来提高存储空间的利用率。n虚拟磁盘技术允许将一个硬盘划分为多个逻辑驱动器；虚拟内存技术使用外存空间从逻辑上扩充内存空间。1.3.4异步性n异步性（Asynchronism）n多道程序环境下，进程是以人们不可预知的速度向前推进（走走停停而非一气呵成），此即进程的异步性。n异步性也称为不确定性。不确定性并非运行结果的不确定，而是执行顺序、执行进度的不确定（只要运行环境相同，同一个作业经多次运行，都会获得完全相同的结果）。1.4操作系统的
20、主要功能n1.4.1处理机管理功能（第、章）n1.4.2存储器管理功能（第章）n1.4.3设备管理功能（第章）n1.4.4文件管理功能（第章）n1.4.5操作系统与用户之间的接口（第章）1.4.1处理机管理功能n进程控制进程控制n创建和撤消进程（线程），实现进程（线程）运行过程中的状态转换。重点介绍状态转换图、控制原语重点介绍状态转换图、控制原语n进程同步进程同步n为多个进程（线程）的运行进行协调：包括互斥访问临界资源、相互合作完成特定任务等。重点介绍实现重点介绍实现同步的信号量机制（课程难点！）同步的信号量机制（课程难点！）n进程通信进程通信n实现相互合作的进程之间的信息交换。包括：共享存储
21、器、消息传递、管道通信。n调度n包括作业调度和进程调度。重点介绍一些调度算法重点介绍一些调度算法教师为一个班上课可认为是一个进程！教师为一个班上课可认为是一个进程！1.4.2存储器管理功能n内存分配与回收内存分配与回收n包括静态分配和动态分配n内存保护内存保护n防止非法或越界访问，需要硬软件配合实现n地址映射（重定位）地址映射（重定位）n实现逻辑地址到物理地址的变换，分为静态重定位和动态重定位n内存扩充内存扩充n从逻辑上去扩充内存容量，主要技术：覆盖、交换和虚拟存储技术1.4.3设备管理功能n设备分配设备分配n按照某种设备分配策略，为进程分配所需的设备。对于独占设备（临界资源）的分配，还应考虑
22、到分配的安全性。设备使用完后，应进行回收。n设备处理设备处理n驱动设备进行用户请求的I/O操作n缓冲管理缓冲管理n引入缓冲可有效地缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率。n设备独立性设备独立性n是指应用程序独立于具体使用的物理设备。应用程序使用逻辑设备，OS将对逻辑设备的请求映射到实际的物理设备。nI/O软件屏蔽物理设备的具体细节，向高层软件提供抽象的逻辑设备，有利于提高OS的可移植性和易适应性。1.4.4文件管理功能n文件存储空间管理文件存储空间管理n管理外存磁盘空间的分配与回收n目录管理目录管理n文件目录项的组织与管理，目录管理有利于实现文件的按名存取n文件读文件读/写管理写管理n文件共享与保护文件共享与保护1.4.5OS与用户之间的接口n分为n用户接口n程序接口（也称系统调用或API）针对程序员n系统调用现在也常以语言库函数的形式出现联机用户接口（命令图形用户接口）脱机用户接口（作业控制语言JCL）针对批处理作业1.5 操作系统结构设计n了解n自学本章知识结构
