浙江大学城市学院 操作系统 chapter1

计算机系统的层次关系
用户1 用户2 用户3 用户4 … 用户n
财务系统
航空订票
上网浏览 (应用软件)
电子商务
…
科学计算
编译程序
汇编程序
数据库 (支撑软件) 操作系统 (系统软件)
…
Biblioteka Baidu实用程序
操作系统 计算机硬件 (系统软件)
操作系统(Operating System)
• 操作系统作为所有软件中最基础、最核心的部 分，是控制和管理计算机系统各种硬件和软件 资源，有效地组织多道程序运行的系统软件（ 或程序集合），是用户和计算机硬件之间的接 口。 • 操作系统是管理系统资源、控制程序执行，改 善人机界面，提供各种服务，合理组织计算机 工作流程和为用户有效使用计算机提供良好运 行环境的最基本的一种系统软件。
历程4：实时系统
• 实时：
– 对随机发生的外部事件做出及时的响应并对其进行处理。
课程考核方式
• 平时表现：10％
• 作业：10%，包括BB平台上的在线测试 和书面作业 • 缺勤：倒扣分，扣完为止
• 实验：20%，完成实验报告 • 期中考试：30％ 闭卷 • 期末考试：40％ 闭卷
Basic Elements
（计算机的基本元素）
•Processor（中央处理器） •Main Memory（主存储器，物理内存） –Referred to as real memory or primary memory –Volatile（多变性） •I/O modules（输入/输出设备） –secondary memory devices（辅助存储器，外存） –communications equipment –terminals •System bus（系统总线） –communication among processors, memory, and I/O modules
Principle of Operating System
操作系统原理
教
材
1.教材： 《操作系统原理及实验》 郑增威主编 浙江大学出版社 2.操作系统相关网页： 国内精品课程网站: http://www.jingpinke.com/index 国外院校课程网站： http://williamstallings.com/OperatingSystems/ 操作系统的百科全书： http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_operating_systems 中国领先的IT技术网站： http://os.51cto.com/linux/
– 计算机内存中只存放一个作业， – 辅存（如硬盘）中存放多个作业。
• 一次运行一个作业，所有计算机资源均为该作 业所使用，直到该作业运行完成，才轮到下一 作业运行。 • 特点：
– 自动性：顺利情况下，磁带上的作业可一个接一个 地运行，无需人工干预； – 顺序性：按进入磁带的顺序进入内存； – 单道性：内存中只存放一道作业运行。
• 应用软件：为解决某类应用需要或某个特定问题而编制的 程序，如学生成绩管理软件、飞机订票系统、财务应用软 件等； • 支撑软件：是辅助计算机技术人员从事软件开发工作的软 件，如各种开发工具、测试工具等； • 系统软件：如操作系统、各种语言的编译程序和解释程序 、汇编程序、连接装配程序、数据库管理系统等
操作系统课程的主要内容及学习目的 一、 主要内容
1.操作系统概述及相关的背景知识介绍
2.进程管理及处理机调度 3.存储管理及虚拟内存管理 4.设备管理 5.文件管理
二、学习目的
1.通过系统学习操作系统知识，深入了解 其工作原理和计算机运作过程，更好地 使用操作系统； 2.通过学习，了解系统编程的方法 3.学习系统程序设计中的思考方式和处理 问题的技巧,提高程序设计能力和计算 机应用能力。
操作系统的作用
• 对内是“管理员”，对外是“服务员”：
–OS作为用户接口和服务提供者 –OS作为作为扩展机或虚拟机 –OS作为资源管理者和控制者
操作系统的目标与功能
• 功能
– 操作系统作为控制应用程序执行的系统软件，作为 分配系统硬件和软件资源的管理者，充当着应用程 序和计算机硬件之间的媒介。 – 方便：操作系统要让计算机更易于被用户操作、使 用； – 有效：操作系统允许用户更有效地使用计算机系统 资源； – 扩展性：在构造操作系统时，应该允许在不妨碍服 务的前提下有效地开发、测试和引进新的系统功能 。
– 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的一类技术。 – 虚化的例子—虚拟设备、虚拟存储器、虚拟屏幕( 终端)、虚拟信道，虚拟文件系统VFS 。
• 资源抽象
操作系统的资源管理技术3
• 资源复用 • 资源虚化 • 资源抽象
–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。磁盘设备 – 单级资源抽象与多级资源抽象。
• 缺点：
历程2：多道批处理系统
• 多道批处理：多道程序设计是指允许多个程序 同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进 行计算的方法
– 在辅存（硬盘）中创建大量作业，并将这些作业按 一定要求排成队列（后备作业队列）， – 从这些作业队列中，选出若干个作业加载入内存多 道运行。
历程2：多道批处理系统（续）
• 依赖于某些计算机硬件
– I/O中断技术、通道、存储保护机构 、地址转换机 构……
• 优点：
– 充分利用CPU、内存、各种I/O设备资源
单道VS 多道批处理系统
历程2：多道批处理系统（续）
• 单处理器多道批处理系统的特点：
– 多道； – 宏观并行：多个作业“同时”在系统中运行； – 微观串行：在CPU上也是一个接一个地运行（因为只有一个处理器 ）。
Top-Level Components
Instruction Cycle
（指令执行周期）
取指周期 执行周期
START
取下一条指令
执行指令
HALT
第一章 操作系统概述
计算机系统
• 完整计算机系统由硬件和软件两大部分组成。
– 硬件：又称“裸机”，由中央处理器（运算器和控 制器）、存储器、输入设备和输出设备等部件组成 ，它构成了系统本身和用户作业赖以活动的物质基 础。 – 软件：包括应用软件、支撑软件和系统软件。
• 缺点：
– 缺乏交互能力：用户一旦把作业提交给系统后直至该作业完成 ，均无法干预其运行，使用起来不方便。 – 平均周转时间长：所谓周转时间是指从作业提交给系统开始， 直至其完成并退出系统为止所经历的时间间隔。在多道批处理 系统中，由于作业要排队等待处理，因而作业周转时间较长。
历程3：分时系统
• 分时：
接口
• 命令接口
– 提供给用户在键盘终端上使用
• 程序接口
– 提供给用户在编程时使用
• 图形接口
命令接口
• 作业：
– 指用户定义的、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。
• 联机用户接口
– 由键盘操作命令及命令解释程序所组成
• 脱机用户接口
– 为批处理作业的用户提供 – 由作业控制语言（Job Control Language）组成。
图形接口
• 不用多说，你现在用的OS就是图形接口
– Microsoft公司的 Windows操作系统 – IBM 公司的OS/2 操作系统 – Apple公司的Macintosh操作系统
操作系统的发展历程
• • • • 单道批处理系统 多道批处理系统 分时系统 实时系统
历程1：单道批处理系统
• 单道：
• 目标：
操作系统与支撑软件及应用软件的区别 • 程序意图不同； • 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。
操作系统——资源管理器
• In simple terms, an operating system is a resources manager. It manages all the available resources on a computer.
程序接口
• 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唯一途径； • 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， 是操作系统提供给编程人员的唯一接口。 • 它与一般用户程序、库函数和实用程序的区别是：
– 系统调用程序运行在内核态模式， – 调用它们需要一个类似于硬件中断处理的中断处理机 制来提供系统服务。
操作系统中最基础的抽象
• 进程抽象
–是对已进入主存正在运行的程序在处理器上操 作的状态集的抽象。
• 虚存抽象
–是对物理主存的抽象，进程可获得一个硕大 的连续地址空间来存放可执行程序和数据， 可使用虚拟地址来引用物理主存单元。
• 文件抽象
–是对磁盘之类存储设备的抽象。
操作系统的功能
• 处理机管理 • 存储管理 • 设备管理 • 文件管理 • 网络与通信管理 • 用户接口
操作系统的资源管理技术1
• 资源复用
–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。内存 –时分复用共享---并不把资源进一步分割成 更小的单位，进程可在一个时间片内独占使 用整个物理资源。分时系统
• 资源虚化 • 资源抽象
操作系统的资源管理技术2
• 资源复用 • 资源虚化
⑴监视各种系统资源，随时记录它们的状 态； ⑵使用一些调度策略，合理分配系统资源 给用户作业使用； ⑶及时回收资源，以便再分配使用； ⑷统计各种资源使用情况，作为调整调度 策略提高系统性能的依据。
硬件资源：CPU、存储 器、时钟、磁盘、鼠标、 网络接口、打印机 …… 软件资源：代码、变量、 数据……
历程2：多道批处理系统（续）
• 优点：
– 资源利用率高：由于在内存中加载了多道作业，它们可以共享 CPU、内存和I/O设备等资源，这样，使得各种资源处于忙碌 状态的可能性增大，从而使各种资源得以充分利用； – 充分发挥了系统的并行性； – 系统吞吐量大：所谓系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成 的作业量或任务数。
历程1：单道批处理系统（续）
• 优点：
– 解决了作业之间的自动切换问题， – 提高了计算机资源利用率。 – 系统需要有标准输入输出程序、汇编程序、编译程 序、连接程序等支持，这种要求在早期的计算机内 存资源稀缺昂贵的情况下，增加了成本； – 由于CPU的运算速度与外部设备的输入输出速度差 距很大，CPU仍需要花费大量时间等待低速外部设 备的输入输出处理结果，浪费仍然是非常惊人的。
• 特征 ：
– 多道性：在内存中可同时驻留多道作业，并允许它们交错执行。 – 无序性：多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间，并 无严格的对应关系，即先进入内存的作业可能较后甚至最后完成， 而后进入内存的作业也可能先完成。 – 调度完成：一个作业从提交给系统开始直至完成，可能需要经过多 次作业调度和进程调度。
历程3：分时系统（续）
• 优点
– 可以为用户提供友好的人机接口，即用户能在较短 时间内得到系统响应，可以以对话方式完成对程序 的编写、调试、修改、运行并得出计算结果； – 促进了计算机的普及应用，一个分时系统可以携带 多台终端，同时为多个用户使用，这在早期计算机 价格昂贵的情况下，大大缓解了用户对计算机需求 的矛盾，为教学和办公自动化提供了很大方便； – 便于资源共享和交换信息，为软件开发和工程设计 提供了良好的环境。
– 多个用户分享使用同一台计算机； – 把计算机的系统资源（尤其是CPU时间）进行时间上的分割， 即将整个工作时间分成一个个时间片，通常为几十毫秒， – 将CPU工作时间分别提供给多个用户使用，每个用户依次地轮 流使用时间片
历程3：分时系统（续）
• 特征 ：
– 同时性：允许在一台主机上同时联接多台联机终端 ，系统按分时原则为每个用户服务。宏观共享系统 资源；微观轮流使用一个时间片。 – 交互性：用户可以通过终端与系统进行广泛的人机 对话 – 独立性：每个用户各占用一台终端，彼此独立操作 ，互不干扰 – 及时性：用户能够在很短时间内得到系统的响应， 通常为2-3秒钟