清华大学操作系统课件_向勇老师的讲义全
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清华大学任勇老师信号与系统课件
清华大学
信号与系统答疑 QQ 群：85092397
第四章：信号的谱表示
§4.1 L1 [t0 ,tα ] 上的傅里叶变换（《信号与系统》第二版（郑君里）3.1，3.2）
{ } ∫ L1 [t0,tα ] =
f (t ) | tα t0
f (t ) dt < ∞ ，是[t0,tα ] 上绝对可积函数的全体。
∞
∑ = FnGn*T
n=−∞
{ } { } = T
F G , ∞ n n=−∞
∞ n n=−∞
能量定理：对 ∀f (t ) ∈ L2 [t0,t0 + T ]，有
（4-19）
∫ ( ) ∑ f t0+T t0
t
2
∞
dt = T
Fn 2
n=−∞
（4-20）
均方收敛性（依范数收敛，强收敛）：
定理（均方收敛）：对 ∀f (t ) ∈ L2 [t0,t0 + T ]，则
f
(t)
=
f
⎛ ⎜⎝
t
±
T 2
⎞ ⎟⎠
（4-18）
f (t ) 的傅里叶级数只含有偶次正余弦分量（偶次谐波）。
Parseval 定理（内积不变性）：
定理（Parseval）：对 ∀f (t ) , g (t ) ∈ L2 [t0,t0 + T ] ，则
∫ f (t ) , g (t ) = t0+T f (t ) g* (t )dt t0
∫ ( ) 证明：
Fn
=
1 T
f t0 +T
t0
t
e-jnωtdt ，
6
清华大学
信号与系统答疑 QQ 群：85092397
信号与系统答疑 QQ 群：85092397
第四章：信号的谱表示
§4.1 L1 [t0 ,tα ] 上的傅里叶变换（《信号与系统》第二版（郑君里）3.1，3.2）
{ } ∫ L1 [t0,tα ] =
f (t ) | tα t0
f (t ) dt < ∞ ，是[t0,tα ] 上绝对可积函数的全体。
∞
∑ = FnGn*T
n=−∞
{ } { } = T
F G , ∞ n n=−∞
∞ n n=−∞
能量定理：对 ∀f (t ) ∈ L2 [t0,t0 + T ]，有
（4-19）
∫ ( ) ∑ f t0+T t0
t
2
∞
dt = T
Fn 2
n=−∞
（4-20）
均方收敛性（依范数收敛，强收敛）：
定理（均方收敛）：对 ∀f (t ) ∈ L2 [t0,t0 + T ]，则
f
(t)
=
f
⎛ ⎜⎝
t
±
T 2
⎞ ⎟⎠
（4-18）
f (t ) 的傅里叶级数只含有偶次正余弦分量（偶次谐波）。
Parseval 定理（内积不变性）：
定理（Parseval）：对 ∀f (t ) , g (t ) ∈ L2 [t0,t0 + T ] ，则
∫ f (t ) , g (t ) = t0+T f (t ) g* (t )dt t0
∫ ( ) 证明：
Fn
=
1 T
f t0 +T
t0
t
e-jnωtdt ，
6
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整理版清华操纵工程基础ppt课件
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
控制工程基础
（第十一章）
9/30/2020
清华大学
控制工程基础
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
9/30/2020
控制工程基础
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
在matlab中，用num=[b1,b2,…,bm,bm1]和 den=[a1,a2,…,an,an1] 分别表示分子和分母多项式系数，然后利 用下面的语句就可以表示这个系统
在matlab下，矩阵A和矩阵B的乘积（假定
其中A，B矩阵是可乘的）可以简单地由运
算C=A*B求出
» C=A*B
C=
203
1
0
2
4
1
5
9/30/2020
控制工程基础
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
Matlab下提供了两种文件格式： m文件， matlab函数
• M文件是普通的ascii码构成的文件，在 这样的文件中只有由matlab语言所支持 的语句，类似于dos下的批处理文件，它 的执行方式很简单，用户只需在matlab 的提示符>>下键入该m文件的文件名，这 样matlab就会自动执行该m文件中的各条 语句。它采用文本方式，编程效率高， 可读性很强。
控制工程基础
（第十一章）
9/30/2020
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控制工程基础
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
9/30/2020
控制工程基础
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
在matlab中，用num=[b1,b2,…,bm,bm1]和 den=[a1,a2,…,an,an1] 分别表示分子和分母多项式系数，然后利 用下面的语句就可以表示这个系统
在matlab下，矩阵A和矩阵B的乘积（假定
其中A，B矩阵是可乘的）可以简单地由运
算C=A*B求出
» C=A*B
C=
203
1
0
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9/30/2020
控制工程基础
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
Matlab下提供了两种文件格式： m文件， matlab函数
• M文件是普通的ascii码构成的文件，在 这样的文件中只有由matlab语言所支持 的语句，类似于dos下的批处理文件，它 的执行方式很简单，用户只需在matlab 的提示符>>下键入该m文件的文件名，这 样matlab就会自动执行该m文件中的各条 语句。它采用文本方式，编程效率高， 可读性很强。
2024年操作系统课件2-(特殊条款版)
操作系统课件2-(特殊条款版)操作系统课件2一、引言操作系统是计算机系统中最核心的软件之一，它负责管理和协调计算机硬件与软件资源，为用户提供高效、稳定、安全的运行环境。
本课件将重点介绍操作系统的基本概念、功能、类型以及进程管理等内容。
二、操作系统的基本概念1.操作系统的定义操作系统（OperatingSystem，简称OS）是一种系统软件，它负责管理和协调计算机硬件与软件资源，为用户提供便捷、高效、稳定的运行环境。
2.操作系统的功能操作系统的功能主要包括资源管理、进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和用户接口等。
3.操作系统的类型根据操作系统的特点和应用场景，可以分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等。
三、进程管理1.进程的概念进程是操作系统中执行程序的基本单位，它包括程序代码、数据和进程控制块（PCB）。
2.进程的状态进程的状态分为运行、就绪、阻塞和结束等四种。
3.进程控制进程控制主要包括进程的创建、终止、阻塞、唤醒、切换等操作。
4.进程同步与互斥进程同步是指多个进程之间按照一定的顺序执行，以保证数据的一致性和正确性。
进程互斥是指多个进程在同一时刻只能有一个进程访问共享资源。
5.进程通信进程通信是指多个进程之间交换数据和消息。
进程通信的方式有共享内存、消息传递和管道等。
四、内存管理1.内存分配内存分配是指操作系统为进程分配内存空间的过程。
内存分配的方式有固定分区、可变分区和页式管理等。
2.内存回收内存回收是指操作系统将已分配给进程的内存空间回收的过程。
内存回收的方式有立即回收和延迟回收等。
3.内存扩充内存扩充是指通过虚拟内存技术，将磁盘空间作为内存使用，以扩大内存容量。
4.内存保护内存保护是指操作系统对内存空间进行权限管理，防止进程非法访问其他进程的内存空间。
五、文件管理1.文件的概念文件是存储在辅助存储设备上的数据集合，它具有名称、类型、属性和内容等。
清华大学操作系统课件_向勇老师的讲义
• 考试：70%
– 基本原理+实践能力
• 先修课要求：
– 计算机组成原理、数据结构
• 上课要求：
– 请关闭您的手机，以免影响上课； – 上课时请不要开小会；
第一章 绪论
1.1 什么是操作系统 1.2 操作系统的发展历史 1.3 操作系统的特征 1.4 操作系统的功能 1.5 操作系统的结构 1.6 常用的操作系统
多道批处理系统的特点
• 优点：
– 资源利用率高：CPU和内存利用率较高； – 作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；
• 缺点：
– 用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时， 才与用户交互，不利于调试和修改； – 作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增 长；
批处理：交互性差－－提高对CPU利用率； 分时处理：用户与应用程序随时交互，控制程序运行，适于商 业和办公事务处理－－缩短响应时间
返回
1.2.2 手工操作
1946 ~ 50年代（电子管），集中计算（计算中心），计算机 资源昂贵；
• 工作方式
– 用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算 机专业人员； – 编程语言：为机器语言； – 输入输出：纸带或卡片；
• 计算机的工作特点
– 用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源 利用率低； – CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计 算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低； 返回
1.1.2 操作系统的作用
• OS是计算机硬件、软件资源的管理者； • OS是用户使用系统硬件、软件的接口； • OS是扩展机/虚拟机；
返回
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（包括用户权限）。
操作系.ppt
……
[ X]段 （已经连接）
…
…
Y
200
…
…
200 12456
段名-段号对照表
段名
段号
MAIN 0
A
1
W
2
X
3
…
…
连接后
§4.1.4存储管理的机制和策略
在多道环境下，存储管理不但要为进程提供内存资 源，还要为内存的使用提供安全保障机制，如防止 进程非法访问不属于自已的空间。
为了提高内存资源的利用率，存储管理还要提供共 享机制，也就是当若干个进程调用同一段代码或数 据时，系统应为共享的代码或数据保留一个副本而 不是多个。
【存储管理的功能】
1.内存的分配与回收
每一个进程运行时都需要内存资源， 因此内 存空间的分配和回收是存储管理的基本功能。在 进程创建时按照一定的存储策略为其分配内存空 间，进程运行结束时，再将其所占用的内存空间 收回。
为了记录内存的使用情况，存储管理会依据存 储策略采用相应的数据结构，标识哪些区域尚未 分配，哪些区域已经分配以及分配给哪些进程等。 每一个进程运行时都需要内存资源， 因此内存 空间的分配和回收是存储管理的基本功能。系统 通过所采用的数据结构来管理内存空间。
(2)静态地址重定位
静态地址重定位是在程序执行之前由操作系统的重定位装入程 序完成的。在装入一个作业时，把作业中的指令地址全部转 换为绝对地址（地址转换工作是在作业执行前集中一次完成 的）在作业执行过程中就无须再进行地址转换工作。
静态地址重定位示例
静态地址重定位的优点
相对地址
是容易实现，无需硬件
支持，它只要求程序本 0
离散
段页式 虚拟页式
虚存 虚拟段式
操作系统课件第21章
Chapter 21: The Linux System
Chapter 21: The Linux System
Linux History Design Principles Kernel Modules Process Management Scheduling Memory Management File Systems Input and Output Interprocess Communication Network Structure
Other new features included:
Available for Motorola 68000-series processors, Sun Sparc systems, and for PC and PowerMac systems 2.4 and 2.6 increased SMP support, added journaling file system, preemptive kernel, 64-bit memory support
Hale Waihona Puke License (GPL), the terms of which are set out by the Free Software Foundation
Anyone using Linux, or creating their own derivative of Linux, may
not make the derived product proprietary; software released under the GPL may not be redistributed as a binary-only product
Chapter 21: The Linux System
Linux History Design Principles Kernel Modules Process Management Scheduling Memory Management File Systems Input and Output Interprocess Communication Network Structure
Other new features included:
Available for Motorola 68000-series processors, Sun Sparc systems, and for PC and PowerMac systems 2.4 and 2.6 increased SMP support, added journaling file system, preemptive kernel, 64-bit memory support
Hale Waihona Puke License (GPL), the terms of which are set out by the Free Software Foundation
Anyone using Linux, or creating their own derivative of Linux, may
not make the derived product proprietary; software released under the GPL may not be redistributed as a binary-only product
清华大学操作系统讲义第04讲_经典IPC问题
10
第二，把信号量视为是某种类型的共享资源的剩 余个数，其目的是为了实现对这种类型的共享资 源的访问，如各种I/O设备。信号量的取值具有实 际的意义，就等于空闲资源的个数。多个进程可 以同时使用这种类型的资源，直到所有空闲资源 均已用完。其特征是信号量的初始值为N(N1)， 然后在一个进程内部对它进行配对的P、V操作。
28
思路(2) 计算机程序怎么来解决这个问题？
指导原则：不能浪费CPU时间；进程间相互通信。 S1 思考中… S2 进入饥饿状态； S3 如果左邻居或右邻居正在进餐，进入阻塞状态； 否则转S4 S4 拿起两把叉子； S5 吃面条… S6 放下左边的叉子，看看左邻居现在能否进餐 （饥饿状态、两把叉子都在），若能则唤醒之； S7 放下右边的叉子，看看右邻居现在能否进餐， 若能，唤醒之； S8 新的一天又开始了，转S1
操作系统与系统编程
第四讲
谌 卫 军
清华大学软件学院 2004年春季
1
基于信号量的进程同步
【例子2】共享缓冲区的合作进程的同步
设有一个缓冲区buffer，大小为一个字节。Compute 进程不断产生字符，送buffer，Print进程从buffer中 取出字符打印。如不加控制，会出现多种打印结果， 这取决于这两个进程运行的相对速度。在这众多的 打印结果中，只有Compute和Print进程的运行刚好 匹配的一种是正确的，其它均为错误。 Compute buffer
6
流程图1：
get t0 t1 copy t2 put t3 get t4 copy t5 put t6
流程图2：
规则4 规则5
规则1
p
p
p
c
g
规则2
c
g
第二，把信号量视为是某种类型的共享资源的剩 余个数，其目的是为了实现对这种类型的共享资 源的访问，如各种I/O设备。信号量的取值具有实 际的意义，就等于空闲资源的个数。多个进程可 以同时使用这种类型的资源，直到所有空闲资源 均已用完。其特征是信号量的初始值为N(N1)， 然后在一个进程内部对它进行配对的P、V操作。
28
思路(2) 计算机程序怎么来解决这个问题？
指导原则：不能浪费CPU时间；进程间相互通信。 S1 思考中… S2 进入饥饿状态； S3 如果左邻居或右邻居正在进餐，进入阻塞状态； 否则转S4 S4 拿起两把叉子； S5 吃面条… S6 放下左边的叉子，看看左邻居现在能否进餐 （饥饿状态、两把叉子都在），若能则唤醒之； S7 放下右边的叉子，看看右邻居现在能否进餐， 若能，唤醒之； S8 新的一天又开始了，转S1
操作系统与系统编程
第四讲
谌 卫 军
清华大学软件学院 2004年春季
1
基于信号量的进程同步
【例子2】共享缓冲区的合作进程的同步
设有一个缓冲区buffer，大小为一个字节。Compute 进程不断产生字符，送buffer，Print进程从buffer中 取出字符打印。如不加控制，会出现多种打印结果， 这取决于这两个进程运行的相对速度。在这众多的 打印结果中，只有Compute和Print进程的运行刚好 匹配的一种是正确的，其它均为错误。 Compute buffer
6
流程图1：
get t0 t1 copy t2 put t3 get t4 copy t5 put t6
流程图2：
规则4 规则5
规则1
p
p
p
c
g
规则2
c
g
操作系统第2章ppt课件
6
第二章 烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人
进
程
管
理
2.1.3 程序的并发执行及其特征
1. 程序的并发执行
程序并发执行可分为两种：
• 多道程序系统的程序执行环境变化所引起的多道程序的并发 执行
由于资源有限，多道程序的并发执行总是伴随着资源的共享与 竞争，制约了各道程序的执行速度。
14
第二章 烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人
进
程
管
理
例：若有两条语句c:＝a－b和w:＝c＋1，判断它们是否 可以并发执行？
解：它们的“读集”和“写集”分别为
R（c:＝a－b）＝{a，b}；R（w:＝c＋1）＝{c} W（c:＝a－b）＝{c} ； W（w:＝c＋1）＝{w} R（c:＝a－b）∩W（w:＝c＋1）={Φ} R（w:＝c＋1）∩W（c:＝a－b）={c} 所以：两条语句不能并发执行。
图 2-2 前趋图
5
第二章 烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人
进
程
管
理
注意，前趋图中必须不存在循环。
如在图2-2(b)中的前趋关系：
S2→S3, S3→S2
图 2-2 前趋图
显然这种前驱关系是不可能满足的，S3的执行要依赖于S2的 执行结果，S2的执行结果又要依赖于S3的执行结果，这种程 序是不可能执行下去的。
4
第二章 烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人
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在当前运行的作业需作I/O处理时，CPU转而执行另一个作 业。（I/O完成后是否立刻恢复执行？要等到其他程序再次 I/O时）
返回
(Batch Processing Operation System)
• 作业的处理流程
– 作业提交：作业的输入； – 作业执行 – 作业完成：作业的输出；
运行
完成
用户
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
• 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（系统开发人员的观点）：硬件的类 型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、 多个系统之间的资源共享和互操作；强调系统 的开放程度
• 缺点：磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分 类，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预 才可恢复）。
通道和中断技术
60年代初，发展了通道技术和中断技术，这些技术的出现 使监督程序在负责作业运行的同时提供I/O控制功能。
• 通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传 输。启动后可独立于CPU运行，实现CPU与 I/O的并行。
– 作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增 长；
批处理：交互性差－－提高对CPU利用率； 分时处理：用户与应用程序随时交互，控制程序运行，适于商 业和办公事务处理－－缩短响应时间
1.2.5 分时操作系统
(time-sharing system)
70年代中期至今
• 分时的目的：多个程序分时共享硬件和软件资源(即： 多任务)。多个用户分享使用同一台计算机(即：多 用户) 。
出现：作业管理、处理机管理、存储管理、设备管理、 文件系统管理(file system)
多道批处理系统的特点
• 优点：
– 资源利用率高：CPU和内存利用率较高； – 作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；
• 缺点：
– 用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时， 才与用户交互，不利于调试和修改；
操作系统
主讲教师： 向勇 办公地点： 东主楼9区410室 电 话： 6278 5609 邮 箱： xyong@ 助 教： 杨胜文、崔鹤鸣
1
参考书
• Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne, Operating system concepts (6th Edition)，高等教育出版社，2002年5月(有 中译本)
应用软件
工具软件… 多媒体/游戏软件…
系统软件
编辑软件/编译软件… 操作系统
硬件及固件（裸机）
计算机系统的组成
返回
操作系统在计算机系统中的地位
应用用户 应用开发人员
应用软件 系统工具 操作系统 计算机硬件
操作系统 开发人员
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）
• 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
1.2 操作系统的发展历史
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 1.2.2 手工操作 1.2.3 单道批处理系统 1.2.4 多道批处理系统 1.2.5 分时操作系统 1.2.6 实时操作系统和多处理机操作系统 1.2.7 分布式操作系统和网络操作系统
提交
收容
就绪
等待
执行
作业调度
作业录入
作业调度
批处理系统中作业处理及状态
作业1
预输入程序 输入机 作业调度程序
作业n
管理 作业
读程序 的
作业1
结果 :
作业n
管理 执行 写程序
打印机
结果
缓输出
多道批处理系统结构 程序
作业1信息 :
作业n信息 输入井 虚拟设备
作业1结果 :
作业n结果
输出井
磁盘
单道(uniprogramming)和多道批处理的比较
– 多个用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而允 许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。
有用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输入后程序 暂停，等待下一次用户输入－－时走时停
– 前台和后台程序(foreground & background)分时：后台程
序不占用终端输入输出，不与用户交互－－现在的图形 用户界面(GUI)，除当前交互的程序(输入焦点)之外，其 他程序均作为后台
• 中断是指CPU在收到外部中断信号后，停止 原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回 到原来断点继续工作。
• 监督程序发展为执行系统(executive system)， 常驻内存
单道批处理的主要问题
• CPU和I/O设备使用忙闲不均（取决于当 前作业的特性）。
– 对计算为主的作业，外设空闲； – 对I/O为主的作业，CPU空闲；
内存使用 作业次序
单道 每次一个作业 顺序，先进先出
多道 每次多个作业（充分利用内存） 无确定次序
多道程序系统和多处理系统(multiprocessing system)的区别： 前者指多个程序同时在内存中交替运行，后者指多个处理 器。
单道批处理：
CPU I/O
多道批处理：
CPU I/O
作业甲（红黄） 作业乙（白绿）
1.1.2 操作系统的作用
• OS是计算机硬件、软件资源的管理者； • OS是用户使用系统硬件、软件的接口； • OS是扩展机/虚拟机；
返回
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（包括用户权限）。
– 通常按时间片(time slice)分配：各个程序在CPU上执行的
轮换时间。
返回
抢先式和非抢先式
• 分时的定义：
– 把计算机的系统资源（尤其是CPU时间）进行 时间上的分割，每个时间段称为一个时间片 （time slice），每个用户依次轮流使用时间片。
• 抢先式和非抢先式(preemptive & nonpreemptive)：出让CPU是OS强迫或程序主动
返回
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力
“需求推动发展”
(1) 提高资源的利用率和系统性能：计算机 发展的初期，计算机系统昂贵，用作集 中计算
(2) 方便用户：用户上机、调试程序，分散 计算时的事务处理和非专业用户（商业 和办公、家庭）
(3) 器件的发展：CPU的位宽度（指令和数 据）、快速外存
• Solaris Internals Core Kernel Architecture， Jim Mauro, Richard McDougall, Sun Microsystems Press, 2000，ISBN 0-13-022496-0 (有中译本)
• Microsoft Windows Internals, 4th Edition, Mark E. Russinovich, David A. Solomon, Microsoft Press, 2005，ISBN 0-7356-1917-4
返回
批处理方式1：联机批处理
• 用户提交作业：以纸带或卡片为介质； • 操作员合成批作业：结果为磁带介质； • 批作业处理：对批作业中的每个作业进行相同的
处理：从磁带读入用户作业和编译链接程序，编 译链接用户作业，生成可执行程序；启动执行； 执行结果输出。 • 这时的问题：慢速的输入输出处理仍直接由主机 来完成。输入输出时，CPU处于等待状态。
多道
33%
66%
100%
多道批处理系统上的技术
• 作业调度：作业的现场保存和恢复－－上下文切换 • 资源共享：资源的竞争和同步－－互斥(exclusion)和同
步(synchronization)机制 • 内存使用：提高内存使用效率（为当前由CPU执行的
程序提供足够的内存）－－覆盖(overlay)，交换(swap) 和虚拟存储(virtual memory) • 内存保护：系统存储区和各应用程序存储区不可冲突 －－存储保护 • 文件非顺序存放、随机存取
1.1 什么是操作系统 1.2 操作系统的发展历史 1.3 操作系统的特征 1.4 操作系统的功能 1.5 操作系统的结构 1.6 常用的操作系统
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用和组成
返回
1.1.1 操作系统的地位和目标
计算机系统 (层次结构)
软件
– CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计 算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低； 返回
• 主要矛盾
– 计算机处理能力的提高，手工操作的低效率 （造成浪费）；
– 用户独占全机的所有资源；
• 提高效率的途径
– 专门的操作员，批处理
1.2.3 单道批处理系统 (simple batch processing, uniprogramming)
作为资源管理器的操作系统
OS是用户使用系统硬件、软件的接口
• 系统命令（命令行、菜单式、命令脚本 式、图形用户接口GUI）；
• 系统调用（形式上类似于过程调用，在 应用编程中使用）。
OS是扩展机(extended machine) /虚拟机(virtual machine)
• 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）；
课程要求
• 作业：10% • 上机实验：10% • 操作系统分析：10%
– 内容要求：模块功能描述、功能实现 分析、关键代码分析
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(Batch Processing Operation System)
• 作业的处理流程
– 作业提交：作业的输入； – 作业执行 – 作业完成：作业的输出；
运行
完成
用户
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
• 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（系统开发人员的观点）：硬件的类 型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、 多个系统之间的资源共享和互操作；强调系统 的开放程度
• 缺点：磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分 类，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预 才可恢复）。
通道和中断技术
60年代初，发展了通道技术和中断技术，这些技术的出现 使监督程序在负责作业运行的同时提供I/O控制功能。
• 通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传 输。启动后可独立于CPU运行，实现CPU与 I/O的并行。
– 作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增 长；
批处理：交互性差－－提高对CPU利用率； 分时处理：用户与应用程序随时交互，控制程序运行，适于商 业和办公事务处理－－缩短响应时间
1.2.5 分时操作系统
(time-sharing system)
70年代中期至今
• 分时的目的：多个程序分时共享硬件和软件资源(即： 多任务)。多个用户分享使用同一台计算机(即：多 用户) 。
出现：作业管理、处理机管理、存储管理、设备管理、 文件系统管理(file system)
多道批处理系统的特点
• 优点：
– 资源利用率高：CPU和内存利用率较高； – 作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；
• 缺点：
– 用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时， 才与用户交互，不利于调试和修改；
操作系统
主讲教师： 向勇 办公地点： 东主楼9区410室 电 话： 6278 5609 邮 箱： xyong@ 助 教： 杨胜文、崔鹤鸣
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参考书
• Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne, Operating system concepts (6th Edition)，高等教育出版社，2002年5月(有 中译本)
应用软件
工具软件… 多媒体/游戏软件…
系统软件
编辑软件/编译软件… 操作系统
硬件及固件（裸机）
计算机系统的组成
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操作系统在计算机系统中的地位
应用用户 应用开发人员
应用软件 系统工具 操作系统 计算机硬件
操作系统 开发人员
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）
• 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
1.2 操作系统的发展历史
1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 1.2.2 手工操作 1.2.3 单道批处理系统 1.2.4 多道批处理系统 1.2.5 分时操作系统 1.2.6 实时操作系统和多处理机操作系统 1.2.7 分布式操作系统和网络操作系统
提交
收容
就绪
等待
执行
作业调度
作业录入
作业调度
批处理系统中作业处理及状态
作业1
预输入程序 输入机 作业调度程序
作业n
管理 作业
读程序 的
作业1
结果 :
作业n
管理 执行 写程序
打印机
结果
缓输出
多道批处理系统结构 程序
作业1信息 :
作业n信息 输入井 虚拟设备
作业1结果 :
作业n结果
输出井
磁盘
单道(uniprogramming)和多道批处理的比较
– 多个用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而允 许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。
有用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输入后程序 暂停，等待下一次用户输入－－时走时停
– 前台和后台程序(foreground & background)分时：后台程
序不占用终端输入输出，不与用户交互－－现在的图形 用户界面(GUI)，除当前交互的程序(输入焦点)之外，其 他程序均作为后台
• 中断是指CPU在收到外部中断信号后，停止 原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回 到原来断点继续工作。
• 监督程序发展为执行系统(executive system)， 常驻内存
单道批处理的主要问题
• CPU和I/O设备使用忙闲不均（取决于当 前作业的特性）。
– 对计算为主的作业，外设空闲； – 对I/O为主的作业，CPU空闲；
内存使用 作业次序
单道 每次一个作业 顺序，先进先出
多道 每次多个作业（充分利用内存） 无确定次序
多道程序系统和多处理系统(multiprocessing system)的区别： 前者指多个程序同时在内存中交替运行，后者指多个处理 器。
单道批处理：
CPU I/O
多道批处理：
CPU I/O
作业甲（红黄） 作业乙（白绿）
1.1.2 操作系统的作用
• OS是计算机硬件、软件资源的管理者； • OS是用户使用系统硬件、软件的接口； • OS是扩展机/虚拟机；
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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（包括用户权限）。
– 通常按时间片(time slice)分配：各个程序在CPU上执行的
轮换时间。
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抢先式和非抢先式
• 分时的定义：
– 把计算机的系统资源（尤其是CPU时间）进行 时间上的分割，每个时间段称为一个时间片 （time slice），每个用户依次轮流使用时间片。
• 抢先式和非抢先式(preemptive & nonpreemptive)：出让CPU是OS强迫或程序主动
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1.2.1 推动操作系统发展的主要动力
“需求推动发展”
(1) 提高资源的利用率和系统性能：计算机 发展的初期，计算机系统昂贵，用作集 中计算
(2) 方便用户：用户上机、调试程序，分散 计算时的事务处理和非专业用户（商业 和办公、家庭）
(3) 器件的发展：CPU的位宽度（指令和数 据）、快速外存
• Solaris Internals Core Kernel Architecture， Jim Mauro, Richard McDougall, Sun Microsystems Press, 2000，ISBN 0-13-022496-0 (有中译本)
• Microsoft Windows Internals, 4th Edition, Mark E. Russinovich, David A. Solomon, Microsoft Press, 2005，ISBN 0-7356-1917-4
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批处理方式1：联机批处理
• 用户提交作业：以纸带或卡片为介质； • 操作员合成批作业：结果为磁带介质； • 批作业处理：对批作业中的每个作业进行相同的
处理：从磁带读入用户作业和编译链接程序，编 译链接用户作业，生成可执行程序；启动执行； 执行结果输出。 • 这时的问题：慢速的输入输出处理仍直接由主机 来完成。输入输出时，CPU处于等待状态。
多道
33%
66%
100%
多道批处理系统上的技术
• 作业调度：作业的现场保存和恢复－－上下文切换 • 资源共享：资源的竞争和同步－－互斥(exclusion)和同
步(synchronization)机制 • 内存使用：提高内存使用效率（为当前由CPU执行的
程序提供足够的内存）－－覆盖(overlay)，交换(swap) 和虚拟存储(virtual memory) • 内存保护：系统存储区和各应用程序存储区不可冲突 －－存储保护 • 文件非顺序存放、随机存取
1.1 什么是操作系统 1.2 操作系统的发展历史 1.3 操作系统的特征 1.4 操作系统的功能 1.5 操作系统的结构 1.6 常用的操作系统
1.1 什么是操作系统
1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用和组成
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1.1.1 操作系统的地位和目标
计算机系统 (层次结构)
软件
– CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计 算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低； 返回
• 主要矛盾
– 计算机处理能力的提高，手工操作的低效率 （造成浪费）；
– 用户独占全机的所有资源；
• 提高效率的途径
– 专门的操作员，批处理
1.2.3 单道批处理系统 (simple batch processing, uniprogramming)
作为资源管理器的操作系统
OS是用户使用系统硬件、软件的接口
• 系统命令（命令行、菜单式、命令脚本 式、图形用户接口GUI）；
• 系统调用（形式上类似于过程调用，在 应用编程中使用）。
OS是扩展机(extended machine) /虚拟机(virtual machine)
• 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）；
课程要求
• 作业：10% • 上机实验：10% • 操作系统分析：10%
– 内容要求：模块功能描述、功能实现 分析、关键代码分析