操作系统课件-孟庆昌
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提取指令，译码分析，执行指令
每个CPU可以执行的指令集是专用的
■所有CPU都包含某些寄存器
●通用寄存器 ●专用寄存器 ●程序计数器
●栈指针
● PSW（程序状态字）
■两种处理机执行状态
★核心态
◎用户态
1.1.2 存储器
寄存器 高速缓存 内存 磁盘 磁带
1.1.3 I/O设备
通常由控制器和设备本身两部分组成 控制器 设备
少； 分配资源供需求者使用； 回收资源，以便再分配。
3. 操作系统的用户观点和系统观点
定义：
操作系统是控制和管理计算机系统内各 种硬件和软件资源，有效地组织多道程序 运行的系统软件（或程序集合），是用户 与计算机之间的接口。
① 操作系统是系统软件
②基本职能是控制和管理系统内各种资源， 有效地组织多道程序的运行
★同时运行多个操作系统 ★提供良好的工作环境
★系统安全,有效地保护系统资源 ★组建虚拟网络
1.6.4 客户-服务器系统
●微内核
客户-服务器系统模型
客户-服务器系统
●适于在分布式系统中应用
分布式系统中的客户-服务器模型
第2章 进程和线程
本章内容提要
进程概念 进程的状态和组成 进程管理 线程 进程的同步和通信 经典进程同步问题 管程
一个唯一的线程标识符
一组寄存器
两个栈指针
操作系统是裸机之上的第1层软件，它只在 核心态模式下运行。
通常把经过软件扩充功能后的机器称为 “虚拟机”
1.3 操作系统的发展历程
1.3.1 操作系统的形成
1．手工操作阶段 2．早期批处理阶段
●早期联机批处理 ●早期脱机批处理
3．多道批处理系统
多道批处理系统
●多道程序设计：
在内存中同时存放多道程序，在管理程序的控制 下交替地执行。这些作业共享CPU和系统中的 其他资源。
进程描述
进程控制块应包含的主要内容：
进程名 特征信息 进程状态信息 调度优先权 通信信息 现场保护区 资源需求 进程实体信息 族系关系 其他信息
进程描述
3．进程控制块的作用
每个进程有惟一的进程控制块 操作系统根据PCB对进程实施控制和管理 进程的动态、并发等特征是利用PCB表现出来的 PCB是进程存在的唯一标识
int pid; pid = fork(); if (pid < 0) {
fprintf(stderr, "Fork Failed"); exit(-1); } else if (pid == 0) {
execlp( "/bin/ls", "ls",NULL); } else {
wait(NULL); printf( "Child Complete" ); exit(0); } }
调度新作业 用户登录 操作系统提供特定服务 派生新进程
进程创建
●创建新进程时要执行创建进程的系统调用 （如UNIX/Linux系统中的fork）
●其主要操作过程有如下四步： （1）申请一个空闲的PCB （2）为新进程分配资源 （3）将新进程的PCB初始化 （4）将新进程加到就绪队列中
#include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <stdio.h> int main(int argc,char *argv[]) {
1.1计算机硬件结构
计算机系统是由硬件和软件组成的
硬件是软件建立与活动的基础 软件是对硬件进行管理和功能扩充
计算机硬件结构
由五大功能部件组成，即：运算器、控制器、存储器、输 入设备和输出设备。
它们经由系统总线连接在一起，实现彼此通信。
现代计算机硬件结构
1.1.1 处理器
■CPU工作的基本周期是：
●并发：多道程序在CPU上交替运行
●系统吞吐量：
在一段给定的时间内，计算机所能完成的总工作 量。
1.3.2 操作系统的发展
1.3.3 推动操作系统发展的动力
硬件技术更新 应用需求扩大
1.4 操作系统的类型
5大基本类型
批处理系统 分时系统 实时系统 网络系统 分布式系统
1.4.1 批处理系统
1．进程概念的引入
多道程序并发执行所引发的一系列新情况
2．进程概念
●进程最根本的属性是动态性和并发性 进程定义：程序在并发环境中的执行过程 进程和程序的区别
（1）动态性 （2）并发性 （3）非对应性 （4）异步性
进程概念
3．进程的基本特征 （1）动态性
（2）并发性 （3）调度性
2.2 进程的状态和组成
以及提供网络服务和网络接口等
本地操作系统——完成本地资源的管理和服务功能
●客户-服务器模式 ● Sun公司的NFS
Novell公司的Netware 5.0 Microsoft公司的Windows NT Server 4.0 IBM公司的LAN Server 4.0 SCO公司的UNIX Ware 7.1 自由软件Linux
4．文件管理功能
文件存储空间的管理 文件操作的一般管理 目录管理 文件的读/写管理和存取控制
1.2.2 操作系统的主要功能
5．用户接口
●程序接口 ●命令行接口 ●图形用户接口（GUI）
1.2.3 操作系统的地位
计算机系统的层次关系
简言之，软件是计算机执行的程序
软件通常可分为三大类 ●应用软件 ●支撑软件 ●系统软件
则设置重新调度标志
2.4 线程
2.4.1 线程概念
现代操作系统中，进程只作为资源拥有者，而调 度和运行的属性赋予新的实体——线程。
线程（Thread）是进程中实施调度和分派的基本 单位
1．线程的组成
线每程概个念线 程 有 一 个 thread结构，即线 程控制块，用于保 存自己私有的信息， 主要由以下4个基本 部分组成：
3．网络操作系统的特性
接口一致性 资源透明性 操作可靠性 处理自主性
执行并行性
1.4.5 分布式操作系统
分布式系统特点
●透明性 ●灵活性 ●可靠性 ●高性能 ●可扩充性
1.4.6 其他操作系统
1.个人机系统
Windows XP、Windows Vista、UNIX、Linux
2.多处理器系统
① 系统资源利用率高 ② 系统吞吐量大
明显缺点：
① 用户作业的等待时间长 ② 没有交互能力
1.4.2 分时系统
1．分时概念和分时系统的实现方法 分时：广义上，是指对时间的共享。
●在分时系统中，分时主要是指若干并发 程序对CPU时间的共享 并行：是指在同一时刻有两个或两个以上 的活动发生。 时间片
分时系统
2．分时系统的特征和优点
基本特征
●同时性 ●交互性 ●独立性 ●及时性
主要优点
●人机交互友好 ●应用方便 ●资源共享
1.4.3 实时系统
1．实时系统的引入
实时系统 具有实时特性，能够支持实时控制系统工作的操 作系统。
●重要特征：对时间有严格限制和要求
三种典型应用形式 ▲过程控制系统 ▲信息查询系统 ▲事务处理系统
●任意调用，耦合紧密，
实现的效率高
▲结构关系不清晰，
系统的可靠性降低
模块调用示意图
1.6.2 层次式系统
THE操作系统的层次结构 ●具有整体系统的长处 ●新优点——结构关系清晰，提高系统的可靠性、可移植性和ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ维护性。
1.6.3 虚拟机结构
带CMS的VM/370结构
●通过共享物理机器资源来实现 ●主要优点
进程通信
2.1 进程概念
2.1.1 多道程序设计
1．顺序程序活动的特点
●顺序性 ●封闭性 ●可再现性
2．多道程序设计
■程序并发执行
●提高系统资源利用率 ●增加作业吞吐量
多道程序设计
3．程序并发执行的特征
① 失去封闭性 ② 程序与计算不再一一对应 ③ 并发程序在执行期间相互制约
2.1.2 进程概念
1．进程映像
进程映像通常就由程序、 数据集合、栈和PCB 等4部分组成
进程映像模型
进程描述
2．进程控制块的组成
进程控制块（PCB） 也称进程描述块（Process Descriptor），它是
进程组成中最关键的部分，其中含有进程的描 述信息和控制信息，是进程动态特性的集中反 映，是系统对进程施行识别和控制的依据。
2.2.1 进程的状态及其转换
1．进程的基本状态
●运行状态（Running） ●就绪状态（Ready） ●阻塞状态（Blocked）
进程的5种基本状态及其转换
2．进程状态的转换
（1）新建→就绪 （2）就绪→运行 （3）运行→阻塞 （4）阻塞→就绪 （5）运行→就绪 （6）运行→终止
2.2.2 进程描述
操作系统课件-孟庆昌
参考书：
操作系统——精髓与设计原理第五版
William Stalling 著
操作系统原理与设计
曹先彬 陈兰香 编
操作系统第二版
孟庆昌 牛欣源 编
本章内容提要
■计算机硬件结构 ■什么是操作系统
●操作系统概念
●操作系统的主要功能
●操作系统的地位
■操作系统的发展历程 ■操作系统的类型 ■操作系统的特征 ■操作系统结构设计
/* 创建一个子进程*/ /* 出现错误。进程ID号不可能小于0 */ /* 输出出错消息——Fork Failed */ /* 程序终止，返回码-1*/
/* 下面是子进程执行*/ /* 执行目录/bin下面的ls命令*/
/* 下面是父进程执行*/ /* 父进程等待子进程完成*/ /* 输出子进程完成的信息*/ /* 终止*/
对称多处理（SMP）系统 ●增加吞吐量 ●提高性能/价格比 ●提高可靠性
3．嵌入式系统
1.5 操作系统的特征
（1）并发 两个或多个活动在同一给定的时间间隔中进行。
（2）共享 计算机系统中的资源被多个进程所共用。
（3）不确定性 系统中各种事件发生顺序的不可预测性。
1.6 操作系统结构设计
1.6.1 整体系统
2．实时系统与分时系统的差别
交互性 实时性 可靠性
实时系统
3．实现方式
●硬式实时系统
对时间严格约束
●软式实时系统
对时间限制稍弱一些
1.4.4 网络操作系统
1．计算机网络的特征
●分布性 ●自治性 ●互连性 ●可见性
2．网络操作系统
●服务器 客户机 ●网络操作系统——实现网络通信、资源共享和保护，
2.3.3 进程终止
导致进程终止的三种情况：
正常终止 异常终止 外部干扰
进程终止
终止进程的主要操作过程如下：
找到指定进程的PCB 终止该进程的运行 回收该进程所占用的全部资源 终止其所有子孙进程，回收它们所占用的全部资源。 将被终止进程的PCB从原来队列中摘走
2.3.4进程阻塞
③提供众多服务，方便用户使用，扩充硬件 功能
1.2.2 操作系统的主要功能
1．存储管理
内存分配 地址映射 内存保护 内存扩充
1.2.2 操作系统的主要功能
2．作业和进程管理
作业和进程调度 进程控制 进程通信
1.2.2 操作系统的主要功能
3．设备管理
缓冲区管理 设备分配 设备驱动 设备无关性
1.2.2 操作系统的主要功能
进程阻塞的过程如下：
立即停止当前进程的执行 现行进程的CPU现场保存 现行状态由“运行”改为“阻塞” 转到进程调度程序
2.3.5 进程唤醒
唤醒原语执行过程如下：
把阻塞进程从相应的阻塞队列中摘下 将现行状态改为就绪状态，然后把该进程插入就绪
队列中 如果被唤醒的进程比当前运行进程的优先级更高，
设备驱动程序
1.1.4 总线
总线分类
数据总线 地址总线 控制总线
1.2 什么是操作系统
1.2.1 操作系统概念
1．操作系统作为扩展机器
●把硬件细节与程序员隔离开，隐藏了底层硬件的特性 ●功能更强、使用更方便
2．操作系统作为资源管理器
监视各种资源，随时记录它们的状态； 实施某种策略以决定谁获得资源，何时获得，获得多
1．作业 是用户定义的、由计算机完成的工作单位。
它通常包括一组计算机程序、文件和对操 作系统的控制语句。 作业步 由作业控制语句明确标识的计算机程序的 执行过程
2．工作流程
多道批处理系统中的作业流程
批处理系统
3.特点
●多道：系统在内存中存放多个作业，并且在外 存上还保存大量的后备作业。 ●成批：系统按批次调度作业，而在系统运行过程 中不允许用户和机器之间发生交互作用。 批处理系统的主要优点：
2.2.3 进程队列
1．线性方式
PCB线性队列示意图
进程队列
2．链接方式
PCB链接队列示意图
进程队列
3．索引方式
PCB索引结构示意图
2.3 进 程 管 理
2.3.1 进程图
进程图（Process Graph）是描述进程 族系关系的有向树
进程创建的层次关系
2.3.2 进程创建
引发创建进程的事件：
每个CPU可以执行的指令集是专用的
■所有CPU都包含某些寄存器
●通用寄存器 ●专用寄存器 ●程序计数器
●栈指针
● PSW（程序状态字）
■两种处理机执行状态
★核心态
◎用户态
1.1.2 存储器
寄存器 高速缓存 内存 磁盘 磁带
1.1.3 I/O设备
通常由控制器和设备本身两部分组成 控制器 设备
少； 分配资源供需求者使用； 回收资源，以便再分配。
3. 操作系统的用户观点和系统观点
定义：
操作系统是控制和管理计算机系统内各 种硬件和软件资源，有效地组织多道程序 运行的系统软件（或程序集合），是用户 与计算机之间的接口。
① 操作系统是系统软件
②基本职能是控制和管理系统内各种资源， 有效地组织多道程序的运行
★同时运行多个操作系统 ★提供良好的工作环境
★系统安全,有效地保护系统资源 ★组建虚拟网络
1.6.4 客户-服务器系统
●微内核
客户-服务器系统模型
客户-服务器系统
●适于在分布式系统中应用
分布式系统中的客户-服务器模型
第2章 进程和线程
本章内容提要
进程概念 进程的状态和组成 进程管理 线程 进程的同步和通信 经典进程同步问题 管程
一个唯一的线程标识符
一组寄存器
两个栈指针
操作系统是裸机之上的第1层软件，它只在 核心态模式下运行。
通常把经过软件扩充功能后的机器称为 “虚拟机”
1.3 操作系统的发展历程
1.3.1 操作系统的形成
1．手工操作阶段 2．早期批处理阶段
●早期联机批处理 ●早期脱机批处理
3．多道批处理系统
多道批处理系统
●多道程序设计：
在内存中同时存放多道程序，在管理程序的控制 下交替地执行。这些作业共享CPU和系统中的 其他资源。
进程描述
进程控制块应包含的主要内容：
进程名 特征信息 进程状态信息 调度优先权 通信信息 现场保护区 资源需求 进程实体信息 族系关系 其他信息
进程描述
3．进程控制块的作用
每个进程有惟一的进程控制块 操作系统根据PCB对进程实施控制和管理 进程的动态、并发等特征是利用PCB表现出来的 PCB是进程存在的唯一标识
int pid; pid = fork(); if (pid < 0) {
fprintf(stderr, "Fork Failed"); exit(-1); } else if (pid == 0) {
execlp( "/bin/ls", "ls",NULL); } else {
wait(NULL); printf( "Child Complete" ); exit(0); } }
调度新作业 用户登录 操作系统提供特定服务 派生新进程
进程创建
●创建新进程时要执行创建进程的系统调用 （如UNIX/Linux系统中的fork）
●其主要操作过程有如下四步： （1）申请一个空闲的PCB （2）为新进程分配资源 （3）将新进程的PCB初始化 （4）将新进程加到就绪队列中
#include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <stdio.h> int main(int argc,char *argv[]) {
1.1计算机硬件结构
计算机系统是由硬件和软件组成的
硬件是软件建立与活动的基础 软件是对硬件进行管理和功能扩充
计算机硬件结构
由五大功能部件组成，即：运算器、控制器、存储器、输 入设备和输出设备。
它们经由系统总线连接在一起，实现彼此通信。
现代计算机硬件结构
1.1.1 处理器
■CPU工作的基本周期是：
●并发：多道程序在CPU上交替运行
●系统吞吐量：
在一段给定的时间内，计算机所能完成的总工作 量。
1.3.2 操作系统的发展
1.3.3 推动操作系统发展的动力
硬件技术更新 应用需求扩大
1.4 操作系统的类型
5大基本类型
批处理系统 分时系统 实时系统 网络系统 分布式系统
1.4.1 批处理系统
1．进程概念的引入
多道程序并发执行所引发的一系列新情况
2．进程概念
●进程最根本的属性是动态性和并发性 进程定义：程序在并发环境中的执行过程 进程和程序的区别
（1）动态性 （2）并发性 （3）非对应性 （4）异步性
进程概念
3．进程的基本特征 （1）动态性
（2）并发性 （3）调度性
2.2 进程的状态和组成
以及提供网络服务和网络接口等
本地操作系统——完成本地资源的管理和服务功能
●客户-服务器模式 ● Sun公司的NFS
Novell公司的Netware 5.0 Microsoft公司的Windows NT Server 4.0 IBM公司的LAN Server 4.0 SCO公司的UNIX Ware 7.1 自由软件Linux
4．文件管理功能
文件存储空间的管理 文件操作的一般管理 目录管理 文件的读/写管理和存取控制
1.2.2 操作系统的主要功能
5．用户接口
●程序接口 ●命令行接口 ●图形用户接口（GUI）
1.2.3 操作系统的地位
计算机系统的层次关系
简言之，软件是计算机执行的程序
软件通常可分为三大类 ●应用软件 ●支撑软件 ●系统软件
则设置重新调度标志
2.4 线程
2.4.1 线程概念
现代操作系统中，进程只作为资源拥有者，而调 度和运行的属性赋予新的实体——线程。
线程（Thread）是进程中实施调度和分派的基本 单位
1．线程的组成
线每程概个念线 程 有 一 个 thread结构，即线 程控制块，用于保 存自己私有的信息， 主要由以下4个基本 部分组成：
3．网络操作系统的特性
接口一致性 资源透明性 操作可靠性 处理自主性
执行并行性
1.4.5 分布式操作系统
分布式系统特点
●透明性 ●灵活性 ●可靠性 ●高性能 ●可扩充性
1.4.6 其他操作系统
1.个人机系统
Windows XP、Windows Vista、UNIX、Linux
2.多处理器系统
① 系统资源利用率高 ② 系统吞吐量大
明显缺点：
① 用户作业的等待时间长 ② 没有交互能力
1.4.2 分时系统
1．分时概念和分时系统的实现方法 分时：广义上，是指对时间的共享。
●在分时系统中，分时主要是指若干并发 程序对CPU时间的共享 并行：是指在同一时刻有两个或两个以上 的活动发生。 时间片
分时系统
2．分时系统的特征和优点
基本特征
●同时性 ●交互性 ●独立性 ●及时性
主要优点
●人机交互友好 ●应用方便 ●资源共享
1.4.3 实时系统
1．实时系统的引入
实时系统 具有实时特性，能够支持实时控制系统工作的操 作系统。
●重要特征：对时间有严格限制和要求
三种典型应用形式 ▲过程控制系统 ▲信息查询系统 ▲事务处理系统
●任意调用，耦合紧密，
实现的效率高
▲结构关系不清晰，
系统的可靠性降低
模块调用示意图
1.6.2 层次式系统
THE操作系统的层次结构 ●具有整体系统的长处 ●新优点——结构关系清晰，提高系统的可靠性、可移植性和ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ维护性。
1.6.3 虚拟机结构
带CMS的VM/370结构
●通过共享物理机器资源来实现 ●主要优点
进程通信
2.1 进程概念
2.1.1 多道程序设计
1．顺序程序活动的特点
●顺序性 ●封闭性 ●可再现性
2．多道程序设计
■程序并发执行
●提高系统资源利用率 ●增加作业吞吐量
多道程序设计
3．程序并发执行的特征
① 失去封闭性 ② 程序与计算不再一一对应 ③ 并发程序在执行期间相互制约
2.1.2 进程概念
1．进程映像
进程映像通常就由程序、 数据集合、栈和PCB 等4部分组成
进程映像模型
进程描述
2．进程控制块的组成
进程控制块（PCB） 也称进程描述块（Process Descriptor），它是
进程组成中最关键的部分，其中含有进程的描 述信息和控制信息，是进程动态特性的集中反 映，是系统对进程施行识别和控制的依据。
2.2.1 进程的状态及其转换
1．进程的基本状态
●运行状态（Running） ●就绪状态（Ready） ●阻塞状态（Blocked）
进程的5种基本状态及其转换
2．进程状态的转换
（1）新建→就绪 （2）就绪→运行 （3）运行→阻塞 （4）阻塞→就绪 （5）运行→就绪 （6）运行→终止
2.2.2 进程描述
操作系统课件-孟庆昌
参考书：
操作系统——精髓与设计原理第五版
William Stalling 著
操作系统原理与设计
曹先彬 陈兰香 编
操作系统第二版
孟庆昌 牛欣源 编
本章内容提要
■计算机硬件结构 ■什么是操作系统
●操作系统概念
●操作系统的主要功能
●操作系统的地位
■操作系统的发展历程 ■操作系统的类型 ■操作系统的特征 ■操作系统结构设计
/* 创建一个子进程*/ /* 出现错误。进程ID号不可能小于0 */ /* 输出出错消息——Fork Failed */ /* 程序终止，返回码-1*/
/* 下面是子进程执行*/ /* 执行目录/bin下面的ls命令*/
/* 下面是父进程执行*/ /* 父进程等待子进程完成*/ /* 输出子进程完成的信息*/ /* 终止*/
对称多处理（SMP）系统 ●增加吞吐量 ●提高性能/价格比 ●提高可靠性
3．嵌入式系统
1.5 操作系统的特征
（1）并发 两个或多个活动在同一给定的时间间隔中进行。
（2）共享 计算机系统中的资源被多个进程所共用。
（3）不确定性 系统中各种事件发生顺序的不可预测性。
1.6 操作系统结构设计
1.6.1 整体系统
2．实时系统与分时系统的差别
交互性 实时性 可靠性
实时系统
3．实现方式
●硬式实时系统
对时间严格约束
●软式实时系统
对时间限制稍弱一些
1.4.4 网络操作系统
1．计算机网络的特征
●分布性 ●自治性 ●互连性 ●可见性
2．网络操作系统
●服务器 客户机 ●网络操作系统——实现网络通信、资源共享和保护，
2.3.3 进程终止
导致进程终止的三种情况：
正常终止 异常终止 外部干扰
进程终止
终止进程的主要操作过程如下：
找到指定进程的PCB 终止该进程的运行 回收该进程所占用的全部资源 终止其所有子孙进程，回收它们所占用的全部资源。 将被终止进程的PCB从原来队列中摘走
2.3.4进程阻塞
③提供众多服务，方便用户使用，扩充硬件 功能
1.2.2 操作系统的主要功能
1．存储管理
内存分配 地址映射 内存保护 内存扩充
1.2.2 操作系统的主要功能
2．作业和进程管理
作业和进程调度 进程控制 进程通信
1.2.2 操作系统的主要功能
3．设备管理
缓冲区管理 设备分配 设备驱动 设备无关性
1.2.2 操作系统的主要功能
进程阻塞的过程如下：
立即停止当前进程的执行 现行进程的CPU现场保存 现行状态由“运行”改为“阻塞” 转到进程调度程序
2.3.5 进程唤醒
唤醒原语执行过程如下：
把阻塞进程从相应的阻塞队列中摘下 将现行状态改为就绪状态，然后把该进程插入就绪
队列中 如果被唤醒的进程比当前运行进程的优先级更高，
设备驱动程序
1.1.4 总线
总线分类
数据总线 地址总线 控制总线
1.2 什么是操作系统
1.2.1 操作系统概念
1．操作系统作为扩展机器
●把硬件细节与程序员隔离开，隐藏了底层硬件的特性 ●功能更强、使用更方便
2．操作系统作为资源管理器
监视各种资源，随时记录它们的状态； 实施某种策略以决定谁获得资源，何时获得，获得多
1．作业 是用户定义的、由计算机完成的工作单位。
它通常包括一组计算机程序、文件和对操 作系统的控制语句。 作业步 由作业控制语句明确标识的计算机程序的 执行过程
2．工作流程
多道批处理系统中的作业流程
批处理系统
3.特点
●多道：系统在内存中存放多个作业，并且在外 存上还保存大量的后备作业。 ●成批：系统按批次调度作业，而在系统运行过程 中不允许用户和机器之间发生交互作用。 批处理系统的主要优点：
2.2.3 进程队列
1．线性方式
PCB线性队列示意图
进程队列
2．链接方式
PCB链接队列示意图
进程队列
3．索引方式
PCB索引结构示意图
2.3 进 程 管 理
2.3.1 进程图
进程图（Process Graph）是描述进程 族系关系的有向树
进程创建的层次关系
2.3.2 进程创建
引发创建进程的事件：