操作系统概论-操作系统概论-chap1-1.1 操作系统概观

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
统来使用计算机系统的物理资源。
2.操作系统中三个基础抽象
文件(file) （文件是设备的一种抽象）
用户：运行应用程序，使用文件
虚拟机界面 write...
open、 read、
OS:文件及其管理
物理机界面
设备驱动
硬件:磁盘及其他设备
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。
可以把多门课程内容综合起来 学习核心技术并能在其他地方应用之。
2019/9/30
6
5.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。
基础抽象的包含关系
进程抽象
处理器
虚存抽象 文件抽象
内存
设备
3操作系统虚拟机
• 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
操作系统虚拟机
进程P1
虚 虚虚 虚 处 内辅 设 理 存存 备 器
虚拟机1
…
操作系统资 源管理技术 (复用、虚拟、 抽象)
资源管理 系统实现
观点
观点
进程交互 观点
静态观察 方法
ch1(os定义、 ch2(处理器管理)、
功能、作
ch4(存储管理)、
用、接口 和服务)
ch5(设备管理)、 ch6(文件管理)
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)
• 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• 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。
sector) { • load(block,length,device); • seek(device,track); • out(device,sector); • };
多级资源抽象例子
• int fprintf(fileID,”%s”,datum) {
•… • write( ); •… • };
3.学习目标
• 掌握操作系统的基本概念、原理、技术和方法; • 具有剖析实际操作系统、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。
• 方便性（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（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
2019/9/30
15
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
4.为什么学习操作系统?
• 设计操作系统 或者 修改现有的系统
存在人们意识不到的大量“操作系统” 嵌入式系统(Embedded OS） 智能手机操作系统
• 加深对使用的多种OS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
• 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 领域
2019/9/30
7
6.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
• 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（关键点）：系统软件，程 序模块的集合，资源管理和用户接口功能
35 2019/9/30
1.1.3 操作系统定义和作用
操作系统概论
1.教材与参考书
教材：
《操作系统教程》（第5版） 高等教育出版社；费翔林 骆斌编著
实验教材：《嵌入式实时操作系统uC/OS原理与实践》 电子工业出版社；卢友亮编著
参考书： 《操作系统概念》 高等教育出版社；（美国）西尔伯查茨
2.本课程主要内容
• (1)概念与原理；
• (2)接口和服务； • (3)结构、设计与实例； • (4)进程和线程； • (5)处理器管理和调度； • (6)同步、通信和死锁； • (7)存储管理与虚拟存储器； • (8)设备管理； • (9)文件管理与虚拟文件系统； • (10)安全与保护。
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) 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。
1.1 操作系统概观
• 1.1.1 操作系统与计算机系统 • 1.1.2 操作系统资源管理技术 • 1.1.3 操作系统定义和作用 • 1.1.4 操作系统功能和特性
1.1.1 操作系统与计算机系统
计算机系统 (层次结构)
软件
应用软件 系统软件
编辑软件，编译软件 操作系统
硬件及固件（裸机）
图1.1 计算机系统的组成
2019/9/30
8
7.学习方法
•知识：需要记忆、积累
联想、对比 抓重点
•技能：需要训练、经验
• 方法、技巧 抓特点 思路：逻辑思维 形象思维
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
问题和解决问题的能力
2019/9/30
9
第1章 操作系统概论
1.1 操作系统概观 1.2 操作系统形成和发展 1.3 操作系统基本服务和用户接口 1.4 操作系统结构和运行模型 1.5 流行操作系统简介
• 选择购买操作系统
我们并不总使用Win95/NT/2000/XP/windows7,8 常见的操作系统还有：各种UNIX, Linux，UC-OS等等
5 2019/9/30
4.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：
计算机体系结构/硬件 软件设计 程序设计语言 数据结构 算法 网络 数据库
操作系统在计算机系统中的地位
2019/9/30
13
操作系统在计算机系统中的地位
用户
程序员
应用程序及实用程序
系统设计者
系统调用，命令，图标，窗口 操作系统 计算机硬件
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）
14
2019/9/30
引入操作系统的目标
• 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
虚拟机界面 fork、wait、exec...
OS：进程及其管理
物理机界面 进程调度和切换 硬件：处理器
进程是对于进入内存的 执行程序在处理器上操 作的状态集的一个抽象。 进程抽象的效果是让用 户感觉到有自己独享的 处理器，从而，可为用 户提供多任务操作系统 和分时操作系统。
操作系统中三个基础抽象
1.1.2 操作系统资源管理技术
资源复用
(解决物理资源数量不足 )
资源管理技术
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)
1.资源管理
(1)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。
进程Pn
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
物理计算机
1.1.3 操作系统定义和作用
OS是计算机硬件、软件资源的管理者。
• 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
1.1.4操作系统功能和特性
操作系统中，资源包括两类：硬件资源和信息资源。
• 硬件资源又分：处理器、存储器、I/O设备等； • 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 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
• 处理机管理 • 存储管理 • 设备管理 • 文件管理 • 网络与通信管理
括用户权限）。
1.1.3 操作系统定义和作用
OS是用户使用系统硬件、软件的接口。
• 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。
2019/9/30
34
1.1.3 操作系统定义和作用
OS是扩展机(extended machine)/虚拟机 (virtual machine)。
(4) 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.操作系统中三个基础抽象
进 程（process） （进程是处理器的一种抽象）
用户：运行应用程序，以进程方式执行
虚 存(virtual memory) （虚存是内存的一种抽象）
用户：运行应用程序，使用逻辑地址
虚拟机界面 OS:虚存及其管理
物理机界面
硬件:主存+辅存
虚拟地址 物理地址
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。
设备管理
• (1)提供设备中断处理； • (2)提供缓冲区管理； • (3)提供设备独立性，实现逻辑设备到物理设备之
间的映射； • (4)设备的分配和回收； • (5)实现共享型设备的驱动调度； • (6)实现虚拟设备。
文件管理
• (1)提供文件的逻辑组织方法； • (2)提供文件的物理组织方法； • (3)提供文件的存取和使用方法； • (4)实现文件的目录管理； • (5)实现文件的共享和安全性控制； • (6)实现文件的存储空间管理。
处理机管理
• (1)进程控制和管理； • (2)进程同步和互斥； • (3)进程通信； • (4)进程死锁； • (5)线程控制和管理； • (6)处理器调度，又分高级调度，中级调度和
低级调度。
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 。
设备抽象接口(隐蔽I/O操作实现细节)
用户
用户
I/O机器指令
物理接口 设备
I/O系统调用 read( ),write( )
I/O软件及设 备驱动程序
物理接口 设备
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
裸机
I/O设备管理软件 文件管理软件 窗口软件
• OS能把一台“ 裸机”改造成功 能更强大、用户 使用更方便灵活 、更安全可靠的 虚拟机
2019/9/30
36
观察和研究操作系统总纲
研究和观察操作系统
用户角度
OS是服务 提供者
服务用户 观点
系统角度
OS是资源 OS是虚拟 OS是程序执
管理者
机
行的控制者