华中科技大学 操作系统课件 【chapter1】许 毅 平

2、单道批处理系统
出现年代：50年代末 ~ 60年代中（晶体管） 关键技术：脱机输入输出技术 工作方式：
利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个批作业 由一个专门的监督程序（Monitor）自动依次处理。 监督程序（Monitor） 可使用汇编语言开发。
优点：同一批内各作业的自动依次更替，改善了主 机CPU和I/O设备的使用效率，提高了吞吐量。 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）。
1.2.1 OS发展动力
计算机器件的更新：
电子管-〉晶体管-〉集成电路-〉大规模集成电路 微机由 8位-〉16位-〉32位-〉64位 OS 由 8位-〉16位-〉32位-〉64位
新概念和新技术的发展：
假脱机技术、中断技术、虚存技术、通道技术等
计算机体系结构发展：
单处理机-〉多处理机
用户方便的需求：
多道程序的运行特征
多道：内存中同时存放几个作业； 宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完； 微观上串行运行：各作业交替使用CPU；
多道程序系统的技术问题
并行程序的运行需要共享软件硬件资源， 需要同步和互斥机制。 多道程序需要提高内存的使用效率，需 要覆盖技术、交换技术、虚拟存储等技 术。 多道程序在内存中要保证系统程序存储 区和用户程序存储区的安全可靠，需要 内存保护。
计算机系统的层次与虚拟机（3）
进程1 扩充后的机器 进程3
裸机
（操作系统软件） 进程2 进程4
裸机＋软件＝功能更强的机器＝虚拟机
1.1.2 操作系统的定义
没有普遍接受的定义，由于:
内涵不断变化； 不同角度作用不一样（资源管理者、一般用 户）。
通常的定义：用以控制和管理系统资源， 方便用户使用计算机的程序集合。
操作系统检查字符串的位置是否正确 操作系统找到字符串被送往的设备 设备是一个伪终端， 设备是一个伪终端，由一个进程控制 操作系统将字符串送给该进程 该进程告诉窗口系统它要显示字符串 窗口系统确定这是一个合法的操作， 窗口系统确定这是一个合法的操作，然后将字符串 转换成像素 窗口系统将像素写入存储映像区 视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示 重画屏幕） 器（重画屏幕） 显示器发射电子束 你在屏幕上看到hello 你在屏幕上看到hello world
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）
提高资源利用率和系统性能的需要：
1.2.2 OS发展历史
1、“史前文明”——无操作系统的计算机系统 2、 单道批处理系统——操作系统雏形 3、多道批处理系统——现代意义的操作系统 4、交互式分时与实时系统——OS实用化阶段 5、现代通用操作系统
OS的功能和作用（1）
2、作为计算机系统资源的管理者：
资源：CPU、存储器、I/O设备、信息（数据和程 序）； 主要管理以下资源： （1）CPU：分配、监视和控制； （2）存储器：内存分配、监视、回收和保护； （3）I/O设备：分配和回收，部分设备的共享； （4）信息：负责本地（和网络）信息的组织、存取、 共享和保护。
1.1.4 操作系统的特性（续）
（2）共享性：指主存中并行运行的程序要 求共享所有的系统资源。 由于多个进程共享有限的计算机系统资源 。操作系统需要对系统资源进行合理分配 和使用。资源在一个时间段内交替被多个 进程所用。
1.1.5 操作系统的性能指标
系统的可靠性
系统能发现、诊断和恢复硬件、软件故障的能力。
课程要求
作业和出勤：10% 上机实验：10% 考试：80%
操作系统课程特点
实践性强（从实践总结出原理） 涉及面广（并行程序，性能问题，结 构问题，程序方法论，软件工程，等 等） 错综复杂：纵横交叉
注意学习方式的变换
教师只指出要点 要通过自学、研读参考书掌握内容 整理笔记相当重要 不能只通过PowerPoint来复习课程 善于发现问题、提出问题 要努力寻求问题的答案
1.1.3 OS的功能和作用（1）
1、作为用户与计算机硬件系统间的接口：
操作系统提供两种接口：
系统命令：供用户用于组织和控制自己的作业运行。命 令行、菜单式或GUI"联机"；命令脚本"脱机" 编程接口：供用户程序和系统程序调用操作系统功能。 系统调用和高级语言库函数；
通过这些接口，可达到：
方便快捷：由于提供了便利的输入输出，用户能方便快 捷地使用计算机； 安全可靠：由于规定了用户的接口，能发现并处理各种 错误，使用户能安全可靠地使用计算机。
1.1 什么是操作系统
1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 计算机系统组成 操作系统的定义 操作系统的功能和作用 操作系统的特性
1.1.1计算机系统组成
软件 计算机系统 应用软件 编辑软件，编译软件 系统软件 操作系统 硬件及固件（裸机）
硬件：指计算机物理装置本身，可以是电子的、 电的、磁的、机械的、光的元件或装置。 软件：指计算机系统中的所有软件。
CPU 存储器 I/O设备 设备 I/O设备 设备
以总线为核心
计算机典型组织（2） 计算机典型组织
（2）大小型计算机的硬件组织 ： ）
包括中央处理器、通道、存储器和I/O设备； 采用双总线结构（I/O总线、存储总线）； 以存储器为中心。
操作系统做什么？
用户告诉操作系统执行hello程序 用户告诉操作系统执行hello程序 hello 操作系统找到该程序， 操作系统找到该程序，检查其类型 检查程序首部， 检查程序首部，找出正文和数据的地址 文件系统找到第一个磁盘块 父进程需要创建一个新的子进程，执行hello程序 父进程需要创建一个新的子进程，执行hello程序 hello 操作系统需要将执行文件映射到进程结构 操作系统设置CPU上下文环境， 操作系统设置CPU上下文环境，并跳到程序开始处 CPU上下文环境 程序的第一条指令执行，失败， 程序的第一条指令执行，失败，缺页中断发生 操作系统分配一页内存，并将代码从磁盘读入， 操作系统分配一页内存，并将代码从磁盘读入， 继续执行 更多的缺页中断， 更多的缺页中断，读入更多的页面 程序执行系统调用，在文件描述符中写一字符串 程序执行系统调用，
1 、手工操作
出现年代：1946 ~ 50年代（电子管） 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；
计算机系统的层次与虚拟机（1）
人 应用程序 调试程序 编译程序 装入程序 汇编程序 操作系统 存 储 管 理 处 理 机 管 理 裸机 设 备 管 理 信 息 管 理 编辑程序 装配程序
大多数用户并 不欢迎裸机这 种环境。
计算机系统的层次与虚拟机（2）
结论：
下层是上层的基础；上层是下层功能的扩展； 软件是在硬件基础上对硬件性能的扩充和完 善。 操作系统是对硬件的第一次扩充，是其他软 件运行的基础。
计算机硬件
中央处理器（运算器和控制器） 输入输出处理器 存储器 输入输出设备
计算机硬件组织结构
早期以处理器为中心的组织结构 现代以存储器为中心的组织结构
计算机典型组织（1） 计算机典型组织
（1）微型计算机的典型组织： ）微型计算机的典型组织：
包括CPU、I/O设备、存储器。 单总线结构，以总线为纽带。 总线分为地址总线和数据总线，通过地址总线选设备， 通过数据总线传递控制信息、状态信息和数据信息； 同一时间，总线只能为一对设备所占用； 由于CPU与I/O设备间的速度匹配问题，采用两种数据流 线路： 直接：与低速I/O设备； 经由存储器：与高速I/O设备，防止CPU处理不过来 。
操作系统原理
许毅平
Tel: 87544042
E-mail: xuyiping01@
教材：
屠祁，屠立德，操作系统基础(第三版)，清华大学出版社
参考教材：
王素华，操作系统教程，人民邮电出版社 庞丽萍，操作系统原理，华中科技大学出版 周长林，左万历，计算机操作系统教程，高等教育出版 社 陈向群，杨芙清，操作系统教程，北京大学出版社 尤晋元、史美林等，Windows 操作系统原理，机械工业 出版社
1.1.4 操作系统的特性
计算机硬件结构为顺序过程计算模型， 为了提高系统资源利用率，采用多道程 序思想，必然导致OS具有以下特性： （1）并行性：指两个或多个程序同时在内 存中并处于运行状态。
单处理器：宏观上并行，指宏观上在一段时间内 有多道程序同时运行，微观上，每一时刻仅执行 一道程序，通常称为并发。 多处理器：真正意义上的并行。
CPU 单道 多道 17% 33% 打印机 33% 66% 磁带 50% 100%
多道批处理系统（续）
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；
课程主要内容介绍
1、操作系统概述（包括第一章、第二章） 2、进程管理 3、线程管理 4、并行性：同步和互斥 5、处理器管理 6、死锁 7、存储管理（包括实存和虚存管理） 8、设备管理 9、文件系统
第一章 绪论
掌握： 掌握： OS的定义、功能和作用； 多道程序系统的特点； 影响OS发展的关键技术和思想: 假脱机技术 中断技术和通道技术 多道程序设计思想 了解： 了解： OS的发展历史、分类、常见的操作系统
通道有专用的I/O处理器，可与CPU并行工作 可实现 I/O联机处理
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。