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1、操作系统概论教材：教材：操作系统教程操作系统教程（第（第5 5版）版）高等教育出版社；费翔林高等教育出版社；费翔林 骆斌编著骆斌编著实验教材：实验教材：嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统uC/OSuC/OS原理与实践原理与实践 电子工业出版社；卢友亮编著电子工业出版社；卢友亮编著参考书：参考书：操作系统概念操作系统概念 高等教育出版社高等教育出版社；（美国）西尔伯查茨（美国）西尔伯查茨1.教材与参考书教材与参考书2.本课程主要内容本课程主要内容(1)概念与原理；概念与原理；(2)接口和服务；接口和服务；(3)结构、设计与实例；结构、设计与实例；(4)进程和线程；进程和线程；(5)处理器管理和
2、调度；处理器管理和调度；(6)同步、通信和死锁；同步、通信和死锁；(7)存储管理与虚拟存储器；存储管理与虚拟存储器；(8)设备管理；设备管理；(9)文件管理与虚拟文件系统；文件管理与虚拟文件系统；(10)安全与保护安全与保护。3.学习目标学习目标掌握操作操作系统的基本概念、原理、技术和方法;具有剖析剖析实际操作系统、及设计、开发和构造现代操作系统的基本能力；深入了解深入了解操作系统在计算机系统中的地位及作用,以及它与硬件和其他软件之间的关系;熟悉熟悉操作系统控制和管理整个计算机系统执行的全过程,具有以操作系统为中心的计算机系统的全局和整体的概念。2023/2/2354.4.为什么学习操作系统为
3、什么学习操作系统?设计操作系统设计操作系统 或者或者 修改现有的系统修改现有的系统 存在人们意识不到的大量存在人们意识不到的大量“操作系统操作系统”嵌入式系统嵌入式系统(Embedded OS(Embedded OS）智能手机操作系统智能手机操作系统 加深对使用的多种加深对使用的多种OSOS的理解，有利于深入编程的理解，有利于深入编程 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 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法编程时借鉴操作系统的设计思想和算法 操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他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领域 选择
4、购买操作系统选择购买操作系统 我们并不总使用我们并不总使用Win95/NT/2000/XP/windows7,8Win95/NT/2000/XP/windows7,8常见的操作系统还有：各种常见的操作系统还有：各种UNIX,LinuxUNIX,Linux，UC-OSUC-OS等等等等2023/2/2364.4.为什么学习操作系统为什么学习操作系统?操作系统涉及到计算机科学的很多领域：操作系统涉及到计算机科学的很多领域：计算机体系结构计算机体系结构/硬件硬件软件设计软件设计程序设计语言程序设计语言数据结构数据结构算法算法网络网络数据库数据库可以把多门课程内容综合起来可以把多门课程内容综合起来学习
5、核心技术并能在其他地方应用之。学习核心技术并能在其他地方应用之。2023/2/2375.课程内容学时安排课程内容学时安排考查课。理论课32学时，实验课8学时理论课：理解操作的基本概念、原理、技术和方法实验课：模拟实现OS功能；熟悉多种OS的特点及操作；网上查询有关知识。课前必须做好实验准备，编写代码。2023/2/2386.考核方法考核方法平时成绩包括（考勤、作业、实验、测验（期中考试）占40%。期末考试。占60%理论课：无故缺勤三次以上则为零分；实验课：只有四次，无故缺勤则为零分；可事先请假。需要办理请假手续。所有作业、实验、测验不许抄袭。平时成绩拿到50%及以上的分数才能参加期末考试202
6、3/2/2397.7.学习学习方法方法知识：知识：需要记忆、积累需要记忆、积累 联想、对比联想、对比 抓重点抓重点技能：技能：需要训练、经验需要训练、经验 方法、技巧方法、技巧 抓特点抓特点思路：思路：逻辑思维逻辑思维 形象思维形象思维把计算机方面的课程内容综合起来把计算机方面的课程内容综合起来掌握基本原理，拓展知识，延伸视野，提高分析掌握基本原理，拓展知识，延伸视野，提高分析问题和解决问题的能力问题和解决问题的能力第第1 1章章 操作系统概论操作系统概论1.1操作系统概观操作系统概观1.2操作系统形成和发展操作系统形成和发展1.3操作系统基本服务和用户接口操作系统基本服务和用户接口1.4操作
7、系统结构和运行模型操作系统结构和运行模型1.5流行操作系统简介流行操作系统简介1.1操作系统概观操作系统概观1.1.1操作系统与计算机系统操作系统与计算机系统1.1.2操作系统资源管理技术操作系统资源管理技术1.1.3操作系统定义和作用操作系统定义和作用1.1.4操作系统功能和特性操作系统功能和特性1.1.1 1.1.1 操作系统与计算机系统操作系统与计算机系统计算机系统计算机系统(层次结构层次结构)软件软件硬件及固件（裸机）硬件及固件（裸机）应用软件应用软件系统软件系统软件编辑软件，编译软件编辑软件，编译软件操作系统操作系统图图1.1 计算机系统的组成计算机系统的组成2023/2/2313操
8、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2023/2/2314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操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）（是其他软件的共同环境）计算机硬件计算机硬件操作系统操作系统系统调用系统调用，命令，图标，窗口，命令，图标，窗口应用程序及实用程序应用程序及实用程序系统设计者系统设计者程序员程序员用户用户2023/2/2315引入操作系统的目标引入操作系统的目标有效性有效性（系统管理人员的观点）：管理和分配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工作流程方便性方便
9、性（用户的观点）：提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别可扩充性可扩充性（开放的观点）：硬件的类型和规模的扩充、操作系统本身的功能和管理策略的扩充、多个系统之间的资源共享和互操作开放性：兼容、互联开放性：兼容、互联操作系统的主要目标操作系统的主要目标方便用户使用 扩大机器功能 管理系统资源提高系统效率构筑开放环境 操作系统与其它软件的区别操作系统与其它软件的区别程序意图不同，各有不同任务，解决不同问题；具有控制与被控制的关系；操作系统是软件系统的核心，是各种软件的基础运行平台；通用操作系统提供共性功能支持，与硬件相关但和应用领域无关；支撑软件及应用软件不能直接而只能通过操作系
10、统来使用计算机系统的物理资源。1.1.2 1.1.2 操作系统资源管理技术操作系统资源管理技术资源复用(解决物理资源数量不足)资源虚拟(解决物理资源数量不足，提高服务的能力和水平)资源抽象(处理系统的复杂性，解决资源的易用性)资源管理技术1.1.资源管理资源管理(1)(1)复用复用 (1)空分复用共享-该资源可进一步分割成更多和更小的单位供进程使用。(2)时分复用共享-并不把资源进一步分割成更小的单位，进程可在一个时间段内独占使用整个物理资源。时分复用共享分类时分复用共享分类时分独占式-进程获得时分独占式资源后，对资源执行多个操作，通常使用一个完整的周期后才会释放(如磁带)。时分共享式-时分共
11、享式资源指进程占用该类资源使用后，很可能随时被剥夺，被另一个进程抡占使用(如处理器、磁盘机)。(2)(2)虚拟虚拟是对资源进行转化、模拟或整合，把物理上的一个资源变成逻辑上的多个对应物(或物理上多个变成逻辑上一个)的一类技术。空分复用分割实际存在的物理资源，虚拟实现虚构假想的虚拟同类资源。资源虚拟的例子虚拟设备、虚拟主存、虚拟文件、虚拟屏幕(终端)、虚拟信道 。(3)(3)抽象抽象资源抽象用于处理系统的复杂性，重点解决资源的易用性。资源抽象指通过创建软件来屏蔽硬件资源物理特性和接口细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用的一类技术。单级资源抽象与多级资源抽象。设备设备抽象接口抽象接口(隐蔽隐蔽I
12、/OI/O操作实现细节操作实现细节)物理接口 设备 用户 I/O机器指令 I/O系统调用read(),write()I/O软件及设 备驱动程序 用户 物理接口 设备 单级资源抽象例子单级资源抽象例子 一个简单抽象，可用系统调用write()打包：void write(char*block,int len,int device,int track,int sector)load(block,length,device);seek(device,track);out(device,sector);多级资源抽象例子多级资源抽象例子int fprintf(fileID,”%s”,datum)write
13、();(4)(4)组合使用资源管理技术组合使用资源管理技术对于一类资源，操作系统往往同时实施几种资源管理技术。例1-虚拟设备-抽象+虚拟。例2-虚拟主存-复用+虚拟。例3-虚拟屏幕-抽象+虚拟。2.2.操作系统中三个基础抽象操作系统中三个基础抽象进进程程是是对对于于进进入入内内存存的的执执行行程程序序在在处处理理器器上上操操作作的的状状态态集集的的一一个个抽抽象象。进进程程抽抽象象的的效效果果是是让让用用户户感感觉觉到到有有自自己己独独享享的的处处理理器器，从从而而，可可为为用用户户提提供供多多任任务务操操作作系系统统和分时操作系统。和分时操作系统。操作系统中三个基础抽象操作系统中三个基础抽象
14、 虚虚 存存(virtual memory)（虚存是内存的一种抽象）（虚存是内存的一种抽象）用户：运行应用程序，使用逻辑地址用户：运行应用程序，使用逻辑地址 虚拟机界面虚拟机界面 虚拟地址虚拟地址OS:虚存及其管理虚存及其管理 物理机界面物理机界面 物理地址物理地址 硬件硬件:主存主存+辅存辅存虚存抽象的效果是给用户造成假象，感觉独占了一个连续地址空间，编写应用程序的长度不受物理内存大小限制。虚存是通过结合对内存和外存的管理来实现的，把一个进程的虚存中的内容存储在磁盘上，用内存作为磁盘的高速缓存，以此为用户提供比物理内存空间大得多的虚拟内存空间。2.2.操作系统中三个基础抽象操作系统中三个基础
15、抽象文件是通过将文件中的字节映射到存储设备的物理块中来实现文件抽象。文件抽象的效果是让用户感觉到总能满足自己对设备上信息的存取需求，而且使用十分方便。基础抽象的包含关系基础抽象的包含关系 文件抽象 虚存抽象 进程抽象 处理器 内存 设备 3 3操作系统操作系统虚拟机虚拟机什么是操作系统虚拟机?操作系统虚拟机的组成：1)虚拟处理器 2)虚拟内存 3)虚拟辅存 4)虚拟设备操作系统操作系统虚拟机虚拟机进程P1虚 虚 虚 虚处 内 辅 设理 存 存 备器 虚拟机1 进程Pn操作系统资源管理技术(复用、虚拟、抽象)虚 虚 虚 虚处 内 辅 设理 存 存 备器 虚拟机n处 内 辅 设 理 器 存 存 备
16、 物理计算机1.1.3 1.1.3 操作系统操作系统定义定义和作用和作用OS是是计算机硬件、算机硬件、软件件资源的源的管理者管理者。管理对象包括：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）；管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）。2023/2/2334OS是用户使用系统硬件、软件的是用户使用系统硬件、软件的接口接口。系统命令方式（命令行、菜单式、命令脚本式）；供一般用户使用。图形窗口方式系统调用方式（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）；供程序员使用。1.1.3 1.1.3 操作系统操作系统定义定义和作用和作用2023/2/
17、2335OS是是扩展机扩展机(extendedmachine)/虚拟机虚拟机(virtualmachine)。在裸机上添加功能：设备管理、文件管理、存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对CPU）,让用户使用更加方便；另外，为合理组织工作流程：作业管理、进程管理。操作系统的非形式化定义非形式化定义（关键点）：系统软件，程系统软件，程序模块的集合，资源管理和用户接口功能序模块的集合，资源管理和用户接口功能1.1.3 1.1.3 操作系统操作系统定义定义和作用和作用2023/2/2336裸机裸机I/O设备管理软件设备管理软件文件管理软件文件管理软件窗口软件窗口软件OS能把一台“裸机”改造成功能
18、更强大、用户使用更方便灵活、更安全可靠的虚拟机1.1.3 1.1.3 操作系统操作系统定义定义和作用和作用ch1(os定义、功能、作用、接口和服务)系系统实现观点点进程交互程交互观点点资源管理源管理观点点OS是是资源源管理者管理者ch2(处理器管理)、ch4(存储管理)、ch5(设备管理)、ch6(文件管理)OS是虚是虚拟机机ch1(os虚拟机、os结构、os运行模型)、ch7(安全与保护)ch2(进程、线程、调度)、ch3(同步、通信、死锁)系系统角度角度动态观察动态观察 方法方法静静态观察察方法方法OS是程序是程序执行的控制者行的控制者 用用户角度角度OS是服是服务提供者提供者服服务用用户
19、观点点 研究和研究和观察操作系察操作系统 观察和研究操作系统总纲1.1.41.1.4操作系统功能和特性操作系统功能和特性 操作系统中，资源资源包括两类：硬件资源硬件资源和信息资源信息资源。硬件资源硬件资源又分：处理器、存储器、I/O设备等；信息资源信息资源又分：程序和数据等。操作系统也可定义为：是能使诸用户有效、方便地共能使诸用户有效、方便地共享一套计算机系统资源的一种系统软件享一套计算机系统资源的一种系统软件。操作系统主要功能操作系统主要功能处理机管理存储管理设备管理文件管理网络与通信管理处理机管理处理机管理(1)(1)进程进程控制控制和和管理管理；(2)(2)进程进程同步同步和和互斥互斥；
20、(3)(3)进程进程通信通信；(4)(4)进程进程死锁死锁；(5)(5)线程线程控制控制和和管理管理；(6)(6)处理器处理器调度调度，又分高级调度，中级调度和，又分高级调度，中级调度和低级调度。低级调度。存储管理存储管理(1)内存分配；(2)地址转换；(3)存储保护；(4)内存共享；(5)存储扩充。设备管理设备管理(1)(1)提供设备提供设备中断处理中断处理；(2)(2)提供提供缓冲区管理缓冲区管理；(3)(3)提供设备提供设备独立性独立性，实现，实现逻辑设备到物理设备之逻辑设备到物理设备之间的映射间的映射；(4)(4)设备的设备的分配分配和和回收回收；(5)(5)实现共享型设备的实现共享型
21、设备的驱动调度驱动调度；(6)(6)实现实现虚拟虚拟设备。设备。文件管理文件管理(1)(1)提供文件的提供文件的逻辑组织逻辑组织方法；方法；(2)(2)提供文件的提供文件的物理组织物理组织方法；方法；(3)(3)提供文件的提供文件的存取和使用存取和使用方法；方法；(4)(4)实现文件的实现文件的目录管理目录管理；(5)(5)实现文件的实现文件的共享和安全性控制共享和安全性控制；(6)(6)实现文件的实现文件的存储空间管理存储空间管理。网络与通信管理网络与通信管理(1)网络资源管理；(2)数据通信管理；(3)应用服务;(4)网络管理。1.1.41.1.4操作系统主要特性操作系统主要特性第一个特性
22、-并发性第二个特性-共享性第三个特性-异步性 第一个特性第一个特性-并发性并发性(1)(1)并发性并发性-指两个或两个以上的事件或活动在指两个或两个以上的事件或活动在同一同一时间间隔内时间间隔内发生发生。发挥并发性能够消除系统中部件和部件之间的相消除系统中部件和部件之间的相互等待互等待，有效地改善系统资源的利用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率。并发性使系统变得复杂化 如何从一个活动如何从一个活动切换切换到另一个活动？到另一个活动？怎样将各个活动怎样将各个活动隔离隔离开来，使之互不干扰，免遭对开来，使之互不干扰，免遭对方破坏？怎样让多个活动方破坏？怎样让多个活动协作协作完成任务？完成任务？怎样
23、协调多个活动对资源的怎样协调多个活动对资源的竞争竞争？如何保证每个活动的资源不被其它进程如何保证每个活动的资源不被其它进程侵犯侵犯?多个活动共享文件数据时，如何保证数据的多个活动共享文件数据时，如何保证数据的一致一致性性？第一个特性-并发性(2)第一个特性第一个特性-并发性并发性(3)(3)采用并发技术的系统称采用并发技术的系统称多任务系统多任务系统。并发的实质是一个物理并发的实质是一个物理CPU(CPU(也可以多个物理也可以多个物理CPU)CPU)在若干道程序之间多路复用，并发性是对有限物在若干道程序之间多路复用，并发性是对有限物理资源强制行使多用户共享以提高效率。理资源强制行使多用户共享以
24、提高效率。结论：实现并发技术的关键之一是结论：实现并发技术的关键之一是如何对系统内如何对系统内的多个活动的多个活动(进程进程)进行切换的技术。进行切换的技术。第一个特性第一个特性-并并发发性性 (4)(4)并并行行性性指指-指两个或两个以上的事件或活动在指两个或两个以上的事件或活动在同同一时刻一时刻发生。发生。并行并行的事件或活动一定是的事件或活动一定是并发并发的，但反之的，但反之并发并发的的事件或活动未必是事件或活动未必是并行并行的。的。并行性是并发性的并行性是并发性的特例特例，而并发性是并行性的，而并发性是并行性的扩扩展展。第二个特性第二个特性-共享性共享性 共享共享指指操作系统中的资源可
25、被多个并发执行的进操作系统中的资源可被多个并发执行的进程所使用程所使用：透明透明资源共享：资源共享：资源隔离与授权访问资源隔离与授权访问 显式显式资源共享：资源共享：临界资源与独占访问临界资源与独占访问与共享性有关的问题与共享性有关的问题:资源分配资源分配、信息保护信息保护、存取控存取控制制等，必须要妥善解决好。等，必须要妥善解决好。第三个特性第三个特性-异步性异步性 (1)(1)(1)(1)进程何时进程何时执行执行？何时？何时暂停暂停？怎样的速度？怎样的速度向前推进向前推进？都是都是异步异步(随机随机)的。的。(2)(2)作业作业到达系统的类型和时间到达系统的类型和时间是是随机随机的；的；(
26、3)(3)操作员操作员发出命令或按按钮的时刻发出命令或按按钮的时刻是是随机随机的；的；(4)(4)程序运行发生错误或异常的时刻程序运行发生错误或异常的时刻是是随机随机的；的；(5)(5)各种各样硬件和软件中断事件发生的时刻是各种各样硬件和软件中断事件发生的时刻是随机随机的的第三个特性第三个特性-异步性异步性(2)(2)异步性给系统带来异步性给系统带来潜在危险潜在危险,有可能导致有可能导致与时间有与时间有关的错误关的错误。操作系统的一个重要任务是必须确保操作系统的一个重要任务是必须确保捕捉捕捉任何一任何一种种随机事件随机事件，正确处理正确处理可能发生的可能发生的随机事件随机事件，正确，正确处理任何一种产生的事件序列，否则将会导致严重处理任何一种产生的事件序列，否则将会导致严重后果。后果。谢谢！谢谢！