操作系统原理_庞丽萍_第一章绪言

与实际运行着的各类操作系统有着密切的联系
技术发展快
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操作系统的学习环节
课堂、作业
实验 课程设计
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基本目的
介绍操作系统的基本概念、基本结构及运行环境
介绍操作系统原理、设计方法和实现技术
介绍操作系统的演化过程、发展研究动向、新技 术以及新思想 介绍各种有代表性的、典型的操作系统实例
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个人计算机操作系统的代表： 1. 磁盘操作系统MS—DOS 设备管理、文件系统功能 2. Windows系统
图形用户界面
多任务、多线程 可剥夺式调度 段页式虚拟存储管理技术 动态连接
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四. 多处理机系统
也称并行系统(parallel system)或紧耦合系统。 1. 定义 包含两个或多个功能相当的处理器； 所有处理器共享一个公共内存； 所有处理器共享I/O通道、控制器和外围设备； 由一个操作系统控制。
操作系统使整个计算机系统实现—— 高度自动化 高效率 高利用率 高可靠性 操作系统是整个计算机系统的核心。
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三. 操作系统的特征
1. 并发
并发性是指能处理多个同时性活动的能力。
2. 共享
并享是指多个计算任务对系统资源的共同享用。 3. 不确定性 操作系统能处理大量的、随机的事件序列，使各用户的 计算任务正确地完成。
中央 处理机
打印机
存储器
┇ ┇
用户n
绘图仪
操作命令
显示器 键 盘
应用程序 1 ┇ ┇ 应用程序 n
系统调用 Modem 系统调用 网 卡
应 用 程 序
文 件
操作系统
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操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部 软、硬资源的分配、调度工作，控制和协调并发活动，实现 信息的存取和保护。它提供用户接口，使用户获得良好的工 作环境。
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3. 实时处理
(1) 什么是”实时”
计算机对外来的信息能够以足够快的速度进行处理，并 且在被控对象允许的时间范围内作出快速反应。
(2) 实时处理 以快速反应为特征，对实时信号能在截止期限之内处理 并作出反应。
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四. 操作系统的进一步发展
单CPU计算机上的 —— 批量操作系统、分时系统
向小型化、微型化计算机发展 —— 个人计算机操作系统
网络操作系统
分布式操作系统
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一. 手工操作阶段
集中顺序过程控制
集中控制：由CPU集中管理 顺序性：程序计数器控制 过程性：模拟人们手工操作过程
机器速度 1万次/秒 60万次/秒 作业在机器上 所需时间 1小时 1分钟 人工操作时间 3分钟 3分钟 操作时间与 机器有效运行时间之比 1 ：20 3 ：1
操作系统原理
Principles of Operating System
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为什么学习操作系统?
掌握操作系统的基本理论，具备开发核心系统 软件的技能，设计操作系统或者修改现有的系统
掌握并行处理的思想方法，加深对使用的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 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
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(2) 特点
系统吞吐率高—— 脱机操作 多道运行 合理搭配作业
作业周转时间长，用户使用不方便。
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2. 分时操作系统
主机 终端 1
终端 2
┇
终端 n
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(1) 分时操作系统的定义
是操作系统的另一种类型。它一般采用时间片轮转的办法， 使一台计算机同时为多个终端用户服务。该系统对每个用户 都能保证足够快的响应时间，并提供交互会话功能。 (2) 分时操作系统的特点
向网络化发展 —— 向具有并行结构的计算机系统—— 多处理机操作系统 集群系统 分布式操作系统 网络操作系统
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(三)
操作系统的定义
一. 资源共享与资源竞争
1. 资源共享
指多个计算任务对计算机系统资源的共同享用。 2. 资源竞争 多个计算任务对计算机系统资源的争夺。
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二. 什么是操作系统
用户1 操作命令
培养学生分析问题、解决问题的基本能力，培养 创造型人才
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学习收获
使学生对操作系统的基本概念、基本结构及运行 环境有深入的认识
使学生深入到操作系统内部，理解并掌握操作系 统的基本原理、设计方法和实现技术 使学生了解操作系统的演化过程、发展研究动向、 新技术以及新思想， 使学生具有透过变化看趋势、透过技术抓原理、 把握学科发展脉搏的基本素质，为其今后在相关领 域开展工作打下坚实的基础
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学时安排
第一章 绪论（4学时） 第二章 操作系统逻辑设计（4学时） 第三章 用户界面（6学时）
第四章 并发处理（14学时）
第五章 资源分配与调度（2学时）
第六章 处理机调度（3学时）
第七章 主存管理（6学时） 第八章 输入/输出管理（4学时） 第九章 文件系统（5学时） 习题课 4学时
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参考教材
一对矛盾
顺序计算模型
如何解决矛盾 ?
并行计算模型
OS采用了一系列软件技术--------多道程序设计技术、分时技术、
资源分配与调度等
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(二) 操作系统的形成和发展
手工操 作阶段 联机 批处理 脱机 批处理 批处理 执行 系统
多道程序系统 多道批 分时
个人计算机 操作系统
处理系统 系统 实时系统 操作系统形成
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(四)
操作系统的资源管理功能
一. 处理机管理
1. 制订调度策略 (调度原则)
确决将CPU先分给哪个用户程序，它占用多长时间，下 一个又该轮到哪个程序运行等问题。 2. 给出调度算法 3. 具体的实施处理机分派
在调度时机到来时，进行处理机分派
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二. 存储器管理
1. 存储分配和存储无关性 确定各应用程序在主存中的位置及所占区域的大小；应 用程序无需关系存储细节，由存储管理模块提供地址重定 位能力。 2. 存储保护 系统提供基址、界限寄存器等存储保护方法，使各应用 程序相互隔离。 3. 存储扩充
管 理
设备
管理
文件
系统
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(五) 操作系统的基本类型
一. 大型计算机系统
大型计算机系统是最早的计算机系统，用于处理许多商业 和科学应用。
1. 批量操作系统 (1) 什么是批量操作系统 批量操作系统是操作系统的一种类型。该系统把用户提 交的作业成批送入计算机，然后由作业调度程序自动选择 作业，在系统内多道运行。
操作系统提供一系列服务：
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
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多任务、用户界面、 内存管理、内存保护、 文件存取、网络、 设备控制、硬件控制 错误检测及恢复系统、安全
操作系统 开发人员
操作系统特点
内容庞杂、涉及面广 负责全部资源管理。与计算机软、硬件及用户 都有着密切的交互 实践性强
系统提供虚拟存储技术，扩大逻辑主存。
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三. 设备管理
1. 设备无关性 用户向系统申请和使用的设备与实际操作的 设备无关， 以达到方便用户、提高设备利用率的目的。
2. 设备分配
向个应用程序和运行实体分配各种设备。设备分配通常 采用三种基本技术：独享、共享及虚拟技术。 3. 设备的传输控制 启动设备、中断处理、结束处理等。
多路调制性
独占性 交互性
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二. 实时系统
1. 实时系统的定义 对科学实验、医学成像系统、工业控制系统、武器装备控 制系统和特定显示系统进行控制的系统称为实时系统。 2. 实时系统的分类
(1) 硬实时系统
系统中所有的截止期限(deadline)必须被严格的保证，否则 将导致灾难性后果。 (2) 软实时系统 系统中截止期限被错过的情况下，只造成系统性能下降而 不会带来严重后果。
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软 操 统
件 程 序
用
其 户
二. 存储程序式计算机的结构和特点
存储程序式计算机(Von Neumann计算机)
1. 基本部件
CPU、主存储器、I/O设备、控制台 2. 特点 集中顺序过程控制 集中控制：由CPU集中管理 顺序性：程序计数器控制 过程性：模拟人们手工操作过程
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3. 计算机系统结构与操作系统的关系
计算机操作系统 ，汤子瀛等，西安电子科技大学 出版社 Modern Operating System ，Andrew S.Tanenbaum 现代操作系统，陈向群等译，机械工业出版社 Operating System Concept ，Abrahan Silberschatz,etc Applied Operating System Concept ， Abrahan Silberschatz,etc
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为什么学习操作系统 ?
掌握操作系统的基本理论，具备开发核心系统 软件的技能，设计操作系统或者修改现有的系统
为后继课程打好基础 ———— 数据库、网络、分布式系统 了解当前流行的实际操作系统的使用方法与实 现技术 ———— UNIX，Linux, Windows
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操作系统能做什么 ?
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3. 实时操作系统
(1) 实时操作系统的定义 实时操作系统是操作系统的一种类型。实时操作系统对外 部输入的信息，能够在规定的时间内处理完毕并作出反应。 (2) 实时操作系统的特点
及时响应
高可靠性和安全性
(3) 实时操作系统的类型
实时控制：生产过程控制、作战指挥。 实时信息处理：订购机票、情报检索。
打印 输出
绘图 输出
输出结束
外部设备
输入结束
输出结束
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(3) 什么是多道程序设计技术
在计算机主存中同时存放几道相互独立的程序。这些 程序在管理程序控制之下，相互穿插地运行。当某道程 序因某种原因不能继续运行下去时(如等待外部设备传输 数据)，管理程序便将另一道程序投入运行。
(4) 多道运行的特征
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三. 桌面系统
随着微电子技术的发展，操作系统的目标： 不再是最大化CPU和外设的利用率 而是最大化用户方便性和响应速度 各种类型的Windows替代MS-DOS， IBM公司将MS-DOS升级为多任务OS/2 Linux个人计算机操作系统(类似于UNIX)
个人计算机操作系统得益于大型机操作系统的研制成果。 另一方面，微型计算机硬件费用很低，有些技术实现可简单。
输出带
脱机批处理图示
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3. 执行系统 (1) 什么是执行系统
借助于通道与中断技术，由主机控制I/O工作。原有的监 督程序不仅要负责调度作业自动地运行，而且还要提供 I/O控制功能。它常驻主存，称为执行系统。 (2) 特点
主机、外设并行操作；增强了保护能力。 (3) 操作系统基本功能 I/O控制功能 (4) 问题? 调度
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二. 批处理阶段
1. 联机批处理
特点：有监督程序；作业自动过渡
问题：CPU高速与I/O慢速的矛盾
解决：由卫星机负责I/O
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2. 脱机批处理 特点：有监督程序；作业自动过渡
问题：CPU高速与I/O慢速的矛盾
解决：由卫星机负责I/O
输入机
输入带
输入带
卫星机
主机
打印机
输出带
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第一章
绪论
(一) 操作系统与计算机结构的关系
(二) 操作系统的形成和发展
(三) 操作系统的定义
(四) 操作系统的功能
(五) 操作系统的基本类型
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(一) 操作系统与计算机结构的关系
一. os与其他各层的关系
用 程
对下与硬件交互
控制CPU的工作、访问存储器、
应
系 作 他 裸机
统
系
序
设备驱动、中断处理。 对上与用户及各种应用程序交互 提供方便的用户界面、 提供优质的服务。 操作系统的宗旨 提高计算机的使用效率 方便用户的使用
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四. 软件资源管理
为用户提供一种简便的、统一的存取和管理信息的方法， 并要解决信息的共享、数据的存取控制和保密等问题。 信息组织
存取方法
文件共享
文件安全
文件完整性 磁盘空间分配
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操作系统的资源管理功能
系 统 资 源 处理机 存储器 I/O 设备 软件 资源
操作系统 功能模块
处理机
管 理
存储器
处理机仍有空闲等待现象
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三. 操作系统的形成
1. 多道程序设计技术与多道成批处理
(1) 单道程序程序的工作情况
计算
用户程序 监督程序 I∕O操作
继续计算
请求输入
启动I∕O I∕O完成 结束中断
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(2) 多道程序程序的工作情况
中央 处理机
外部设备
程序A
程序B 输入 结束
程序A
程序B
光标记 阅读输入 光标记 阅读输入
多道
宏观上并行
微观上串行
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2. 分时技术与分时处理 (1) 分时技术
所谓分时技术，是把处理机时间划分成很短的时间片 (如几百毫秒)轮流地分配给各个联机作业使用，如果某个 作业在分配的时间片用完之前计算还未完成，该作业就暂 时中断，等待下一轮继续计算。
(2) 分时处理 一台计算机与许多终端设备连接，终端用户以联机方 式使用计算机。