OS基础知识[文字可编辑].ppt

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1、第一章 操作系统引论 Operating System(OS)Operating System(OS)计算机学院计算机学院 杨杨 星星 2015 2015、3 3 计算机操作系统计算机操作系统 第一章 操作系统引论 导引：两个简单的问题?使用计算机的第一步？装入并运行操作系统的过程将整个计算机系统的管理权交给OS，即用户在OS提供的环境下使用计算机。“资源管理者”?用户使用计算机的本质？是各种各样软件的执行。手段是文件名（带路径的），OS实现了按名存取，方便用户。第一章 操作系统引论 本课程要求掌握操作系统对各种软、硬件资源的管理方法和实现原理本课程要求掌握操作系统对各种软、硬件资源的管理方法

2、和实现原理 主要内容有：主要内容有：1 1、操作系统概述、操作系统概述 2 2、进程概念与处理器管理、进程概念与处理器管理 3 3、存储管理、存储管理 4 4、文件管理、文件管理 5 5、设备管理、设备管理 6 6、作业管理、作业管理 7 7、并发进程之间的相互制约关系、并发进程之间的相互制约关系 8 8、操作系统的结构与设计、操作系统的结构与设计 9 9、一个具体操作系统、一个具体操作系统(Linux)(Linux)的使用的使用 第一章 操作系统引论 主要参考书：1、计算机操作系统教程(第3版)、习题解答与实验指导 清华大学出版社 张尧学、史美林编 2、操作系统基础(第三版)清华大学出版社

3、屠祁、屠立德编 3、计算机操作系统（计算机等级考试教程四级）机械工业出版社 李大友编 4、操作系统基础与使用 南京大学出版社 谭耀铭编 5、操作系统教程北京大学出版社 陈向群、杨芙清编 6、计算机操作系统西安电子科技大学出版社 汤子瀛编 7、Operating Systems Internals and Design Principles(THIRD EDITION)William Stallings 第一章 操作系统引论 第一章第一章 操作系统引论操作系统引论 教学目的和要求教学目的和要求：一、掌握操作系统在计算机系统中的作用；二、掌握几种典型操作系统的特点；三、掌握程序状态字和系统调用的作

4、用；四、了解特权指令的含义，设置目/管态的作用。第一章 操作系统引论 主要内容主要内容 1.1 1.1 什么是操作系统什么是操作系统 1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程(分类分类)1.3 1.3 操作系统的基本功能操作系统的基本功能 1.4 1.4 研究操作系统的几种观点研究操作系统的几种观点 1.5 1.5 操作系统的硬件运行环境操作系统的硬件运行环境 第一章 操作系统引论 1.1 什么是操作系统什么是操作系统 一、一、用户程序或文档用户程序或文档 软软 件件 操作系统操作系统 硬硬 件件 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 计计算算机机系系统统层层次

5、次结结构构 第一章 操作系统引论 操作系统是对硬件的首次“扩充“；操作系统是其它系统软件与硬件的接口；操作系统用户与计算机的接口。OS 处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过 OS来使用计算机系统。或者说，用户在 OS帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。应注意应注意，OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。第一章 操作系统引论 使用使用OS的几种方式：的几种方式：(1)命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(语言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。(2)系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操

6、纵计算机。(3)图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。第一章 操作系统引论 二、二、OS作为计算机系统资源的管理者作为计算机系统资源的管理者 在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和软件资源。作为资源，就是要“物尽其用”，即最大限度地提高资源利用率。如：CPU与外设并行工作；提高内存的利用率。OS 确是计算机系统资源的管理者。事实上，当今世界上广为流行的一个关于 OS作用的观点，正是把 OS作为计算机系统的资源管理者。第一章 操作系统引论 三、什么是操作系统三、什么是操作系统 1、几个描述性定义 A、OS是使用户能够有效地共享计算机装置的一组程序。B

7、、OS是这样的系统软件，它接受硬核层提供的服务，并向其上层软件提供服务，同时还管理着整个计算机系统的硬件和软件资源。C、OS是直接控制和管理计算机硬件和软件资源的最基本的系统软件，因此方便用户充分有效地利用这些资源，并增强整个计算机的处理能力。D、OSOS是控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地组织计是控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，方便用户的程序的集合。算机工作流程，方便用户的程序的集合。第一章 操作系统引论 2、设置操作系统的目的“承上启下”提高整个系统的利用率和经济效益；为用户提供一个与基本硬件相当、更易于使用和进行程序设计的虚拟机环境。对于一台完全无软件的计算

8、机系统(即裸机)，即使其功能再强，也必定是难于使用的。如果我们在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件，用户便可利用它所提供的I/O命令，来进行数据输入和打印输出。此时用户所看到的机器，将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。如果我们又在第一层软件上再覆盖上一层文件管理软件，则用户可利用该软件提供的文件存取命令，来进行文件的存取。此时，用户所看到的是台功能更强的虚机器。如果我们又在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件，则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能更强的虚机器。第一章 操作系统引论 3、操作系统历史发展的演变 手工操作单道批

9、处理多道程序系统 几个颇为知名的OS：OS/360 PCP：IBM360小型机早期批处理式的单任务OS OS/360 MFT：IBM360中型机任务数固定的多道OS；OS/360 MVT：IBM360大型机任务数可变的多道OS；CTSS：Compatible Time-Sharing System；MULTICS：多道信息和计算机系统；UNIX、Linux；MSDOS；WINDOWS。第一章 操作系统引论 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程(分类分类)一、人工操作方式一、人工操作方式(无无OS)从第一台计算机诞生(1945 年)到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。这

10、时的计算机操作是由用户(即程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据)的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡片输入机)，再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：(1)用户独占全机。(2)CPU 等待人工操作。第一章 操作系统引论 二、二、批处理系统批处理系统(Batch Processing System)1.单道批处理系统单道批处理系统 单道批处理系统是最早出现的一种 OS，严格地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。尽管如此，该

11、系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。(1)自动性。(2)顺序性。(3)单道性。第一章 操作系统引论 2.多道批处理系统多道批处理系统 在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，它无法充分利用系统中的所有资源，致使系统性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在 60年代中期又引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统(Multiprogrammed Batch Processing System)。在该系统中，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”；然后，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

12、源。第一章 操作系统引论 在OS(1)提高CPU的利用率。(2)可提高内存和I/O设备利用率。(3)增加系统吞吐量。缺点：无法人工干预；对单个作业可能会延长执行时间。硬件技术：中断、通道等 第一章 操作系统引论 三、三、分时系统分时系统(Time-Sharing System)CPU的时间片依次轮流地分配给各个用户使用。中心计算机 特点：用户感觉不到等待时间，好象独占整个系统。性质：多路性、交互性、独立性、及时性 终端1 终端2 终端n 注：影响时间片的因素：A、CPU的处理速度 B、终端数目 C、时间片长短 第一章 操作系统引论 四、四、实时系统实时系统(Real-Time System)所

13、谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统是指系统能及时(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。系统本身包含有实时控制过程或实时信息处理的专用程序。应用需求：应用需求：(1)实时控制；(2)实时信息处理。特点：特点：及时响应、更高的可靠性 第一章 操作系统引论 五、网络操作系统五、网络操作系统(network OS)(network OS)用户应用程序 网络操作系统 单机OS 网络服务 通信软件 通信软件 应用程序 （协议支持）（协议支持）局域网NOS的结构图 特点：资源共享、通信功能 第一章 操作系统引论 六、分布式操作系统、分布式操作系

14、统 系统中任两台计算机可通过通信来交换信息；各个计算机无主次之分；系统中的资源为所有用户共享；若干台计算机相互协作完成一件共同的任务。七、当代操作系统的两大发展方向 -宏观应用与微观应用 推动OS发展的主要动力：1、不断提高计算机资源利用率的需要；2、方便用户；3、器件的不断更新换代；4、计算机体系结构的不断发展。第一章 操作系统引论 1.3 操作系统的基本功能操作系统的基本功能 一、作为资源管理者 1、处理器管理 2、存储管理 3、文件管理 4、设备管理 5、作业管理 操作系统对每一种资源的管理都必须进行以下几项工作：1、记录资源的使用状况：该资源有多少How much、资源的状态如何How

15、、它们都在哪里Where、谁在使用Whos、可供分配的又有多少Whos free、资源的使用历史When等 2、确定资源分配策略以决定谁有权限可获得这种资源，何时可获得，或获得多少，如何退回资源等 3、实施资源分配 4、回收资源 第一章 操作系统引论 处理器管理(进程管理)?讨论如何分配CPU -即采用什么策略把CPU分配给多个进程，从而决定了操作系统的性质或类型。第一章 操作系统引论 存储管理?主存空间的分配与回收?逻辑地址与物理地址的映射?主存的共享与保护?主存的扩充 通过不同的存储管理方案介绍，理解 OS如何实现存储管理的功能，体现OS是否真正有效利用了资源。第一章 操作系统引论 设备管

16、理 是OS中最复杂、最具多样性的部分?外围设备的分配:-独占型设备的分配 共享型磁盘的驱动调度 Spooling 技术与虚拟设备?设备的启动?设备的中断处理 第一章 操作系统引论 文件管理 是用户直接可见的部分，体现OS是否真正方便用户。外存空间的分配与回收 实现逻辑文件与物理文件的转换 建立文件目录实现按名存取 提供合适的存取方法以适应不同的应用实现文件的共享、保护与保密 提供一组文件操作来使用文件?第一章 操作系统引论 作业管理 用户与OS的接口，即告诉用户以何种方式使用OS 提供用户与操作系统的接口 实现作业调度?第一章 操作系统引论 二、作为用户与计算机接口 OS要提供给用户一个能为其

17、自动生成软件系统的软件开发环境。现代OS为方便用户已做到：与用户界面生成环境一体化；与软件开发环境一体化；与数据库系统一体化；与通信功能网络管理一体化。第一章 操作系统引论 三、OS的特性 1、并发性 2、共享性 3、随机性 并发性并发性(Concurrence)并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念，并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执

18、行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并行执行，即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序，这样，多个程序便可同时执行。第一章 操作系统引论 共享性共享性(Sharing)在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。由于资源属性的不同，进程对资源共享的方式也不同，目前主要有以下两种资源共享方式：互斥共享方式和同时访问方式。互斥共享方式和同时访问方式。第一章 操作系统引论 并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。一方面，资源共享是以程序(进程)的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统

19、不能对资源共享实施有效管理，协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。第一章 操作系统引论 注：现代OS的特点：1、从使用方式上（见上）2、多机系统，尤其对称多处理器SMP方式将广泛使用；3、在OS设计技术上和结构上的改进和发展：A、微内核结构 B、多线程机制 C、SMP机制 D、分布式OS E、面向对象技术 第一章 操作系统引论 1.4 研究操作系统的几种观点研究操作系统的几种观点 1、资源管理观点 反映人们对OS功能的理解 2、抽象机层次观点 用抽象的方法研究OS的结构 3、进程观点 动态行为是OS的基本特征 4、用户观点 反映OS在用户面前的面貌

20、 第一章 操作系统引论 1.5 操作系统的硬件运行环境操作系统的硬件运行环境 一、CPU 1、特权指令 指在指令系统中那些只能由OS使用的指令，这些指令是不允许一般用户使用的。如启动某些设备指令、设置时钟指令、控制中断屏蔽、清内存指令、建立存储保护指令等。2、CPU的状态 分为管理态和目态。3、程序状态字 program status word 是用来控制指令执行顺序并且保留和指示与程序有关的系统 状态。程序基本状态：指令地址、条件码、目/管态、计算/等待 三部分：中断码 中断屏蔽位 注：每个程序都有一个PSW，保存于PSW寄存器中。第一章 操作系统引论 二、系统调用 1、系统调用指用户程序中

21、调用OS提供的各种服务功能。又称“广义指令”。2、访管指令 3、分类 有关进程管理和控制的；有关外部设备I/O的；有关磁盘管理和I/O的；有关文件管理的；有关存储申请与释放的。第一章 操作系统引论 程序接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。它是由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序，每当应用程序要求 OS提供某种服务(功能)时，便调用具有相应功能的系统调用。早期的系统调用都是用汇编语言提供的，只有在用汇编语言书写的程序中，才能直接使用系统调用；但在高级语言以及 C语言中，往往提供了与各系统调用一一对应的库函数，这样，应用程

22、序便可通过调用对应的库函数来使用系统调用。但在近几年所推出的操作系统中，如UNIX、OS/2版本中，其系统调用本身已经采用C语言编写，并以函数形式提供，故在用C语言编制的程序中，可直接使用系统调用。完 第一章 操作系统引论 微内核微内核OS结构结构 1.客户客户/服务器模式服务器模式(Client-Server Model)1)为了提高OS的灵活性和可扩充性而将OS划分为两部分，一部分是用于提供各种服务的一组服务器(进程)，如用于提供进程管理的进程服务器、提供存储器管理的存储器服务器提供文件管理的文件服务器等，所有这些服务器(进程)都运行在用户态。当有一用户进程(现在称为客户进程)要求读文件的

23、一个盘块时，该进程便向文件服务器(进程)发出一个请求；当服务器完成了该客户的请求后，便给该客户回送一个响应。操作系统的另一部分是内核，用来处理客户和服务器之间的通信，即由内核来接收客户的请求，再将该请求送至相应的服务器；同时它也接收服务器的应答，并将此应答回送给请求客户。此外，在内核中还应具有其它一些机构，用于实现与硬件紧密相关的和一些较基本的功能。第一章 操作系统引论 客户进程客户进程请求进程终端服务器 服务器核心文件存储器服务器 服务器回答用户方式核心方式单机环境下的客户/服务器模式图 第一章 操作系统引论 2)客户/(1)提高了系统的灵活性和可扩充性。(2)提高了OS的可靠性。(3)可运

24、行于分布式系统中。第一章 操作系统引论 2.面向对象的程序设计技术面向对象的程序设计技术(Object-Orientated Programming)1)面向对象技术是 20世纪80年代初提出并很快流行起来的。该技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制大型软件的复杂度的。所谓对象，是指在现实世界中具有相同属性、服从相同规则的一系列事物的抽象，而把其中的具体事物称为对象的实例。OS中的各类实体如进程、线程、消息、存储器等，都使用了对象这一概念，相应地，便有进程对象线程对象、存储器对象等。第一章 操作系统引论 数据结构 过程1 过程2 过程3 一个对象的示意图 第一章 操作系统引论 2)(1)可修改

25、性和可扩充性。由于隐蔽了表示实体的数据和操作，因而可以改变对象的表示而不会影响其它部分，从而可以方便地改变老的对象和增加新的对象。(2)继承性。继承性是面向对象技术所具有的重要特性。继承性是指子对象可以继承父对象的属性，这样，在创建一个新的对象时，便可减少大量的时空开销。(3)正确性和可靠性。由于对象是构成操作系统的基本单元，可以独立地对它进行测试，这样，比较易于保证其正确性和可靠性，从而比较容易保证整个系统的正确性和可靠性。第一章 操作系统引论 3.1)微内核技术的引入 所谓微内核技术，是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核，它与一般的 OS(程序)不同，它更小更精炼，它不仅运行在

26、核心态，而且开机后常驻内存，它不会因内存紧张而被换出内存。微内核并非是一个完整的OS，而只是为构建通用OS提供一个重要基础。由于在微内核OS结构中，通常都采用了客户/服务器模式，因此OS的大部分功能和服务，都是由若干服务器来提供的，如文件服务器、作业服务器和网络服务器等。第一章 操作系统引论 2)微内核所提供的功能，通常都是一些最基本的功能，如进程管理、存储器管理、进程间通信、低级I/O功能。(1)进程管理。(2)存储器管理。(3)进程通信管理。(4)I/O 设备管理。第一章 操作系统引论 本章小结?本章主要解答了以下6个问题：1、what-OS 是什么？做什么？2、Why-为什么需要OS？3、How-OS如何工作？如何使用？4、what-OS 课程学习哪些内容？5、Why-学习OS课程有何用处？6、How 如何学？