1、操作系統(tǒng) Principles of Operating System,中國石油大學(xué)計算機(jī) 魯強(qiáng) 2008,聯(lián)系方式,電子郵件：luqiang_ 計算機(jī)系-211室 主頁： ,教材,推薦教材 計算機(jī)操作系統(tǒng)(第三版) 湯小丹等西安電子科技大學(xué)出版 現(xiàn)代操作系統(tǒng)（第二版） 陳向群等 電子工業(yè)出版社 參考教材 Modern Operating System(Second Edition) Andrew S.Tanenbaum Operating System:Design and Implementation(Second) Andrew 操作系統(tǒng)-精髓與設(shè)計原理 陳渝等 電子工業(yè)出版社 計算機(jī)操

2、作系統(tǒng)教程 張堯?qū)W史美林 清華大學(xué)出版社,授課形式,理論+實踐 共64學(xué)時（理論-48+實踐-16） 主課、上機(jī)實踐、課堂討論、項目報告 學(xué)習(xí)成績 課下作業(yè)+平時成績（10%） 項目實踐（30%） 課堂項目報告 項目實現(xiàn)代碼 期末考試（60%）,學(xué)習(xí)要求 按時上課，認(rèn)真聽講 閱讀參考書 整理筆記 思考，討論，提問 項目實踐要求 項目小組由3-4人組成 按時完成項目報告和項目代碼 小組成員定期討論 定期課堂進(jìn)行項目成果報告 每個小組成員都被進(jìn)行提問 上機(jī)實習(xí),為什么學(xué)習(xí)操作系統(tǒng),應(yīng)用范圍廣 大型機(jī)，微機(jī)，手機(jī)，電視機(jī)，工控設(shè)備，。 涉及知識面廣，有利于整合學(xué)習(xí)過的內(nèi)容 加深對OS的理解，有利于深

3、入編程 用戶為了開發(fā)應(yīng)用程序必須與操作系統(tǒng)打交道 編程時借鑒操作系統(tǒng)的設(shè)計思想和算法操作系統(tǒng)中所用的許多概念和技巧可以推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域,課程目的,OS工作方式 不是如何使用操作系統(tǒng) 而是理解操作系統(tǒng)如何工作 OS內(nèi)部算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 設(shè)計OS 過程中的問題、解決方案和折中權(quán)衡 初步掌握操作系統(tǒng)設(shè)計過程和方法,課程特點,實踐性強(qiáng)（從實踐總結(jié)出原理） 涉及面廣（并行程序，性能問題，結(jié)構(gòu)問題，程序方法論，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，軟件工程等等） 錯綜復(fù)雜：縱橫交錯 Learn OS Concepts By Coding,第一章導(dǎo)論,操作系統(tǒng)的概念 操作系統(tǒng)特征 操作系統(tǒng)服務(wù) 操作系統(tǒng)發(fā)展過程 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步

4、發(fā)展 操作系統(tǒng)功能,1.1 操作系統(tǒng)的概念-計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),1.問題的引入 下面列舉了一些大家熟悉的軟件，你能說出它們的區(qū)別嗎？ 極品飛車、Realone Player播放器、Visual C+、Flash、Dreamweaver MX 2004、Linux、Unix、Windows XP、Word、Windows優(yōu)化大師、Oracal、升達(dá)大學(xué)學(xué)生管理系統(tǒng),1.1 操作系統(tǒng)的概念-計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),機(jī)器語言 微體系結(jié)構(gòu)層 物理設(shè)備,1.1 操作系統(tǒng)的概念-計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),計算機(jī)系統(tǒng)的組成 硬件系統(tǒng)（裸機(jī)）：CPU、存儲器（主存、輔存）、I/O、I/O控制系統(tǒng) 軟件系統(tǒng)：系

5、統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件 系統(tǒng)軟件：管理計算機(jī)本身的操作。如操作系統(tǒng)、編譯. 應(yīng)用軟件：提供給用戶進(jìn)行解題。如，科學(xué)計算、事物管理,1.1 操作系統(tǒng)的概念-操作系統(tǒng)視圖,操作系統(tǒng)是用戶與計算機(jī)硬件之間的接口。,用戶A(上網(wǎng)）,用戶B(欣賞音樂）,用戶C(辦公）,瀏覽器,播放器,辦公軟件,用戶需求,操作界面,計算機(jī)硬件,操作系統(tǒng)屏蔽計算機(jī)硬件的物理特性差異，給用戶提供了接口,1.1 操作系統(tǒng)的概念-操作系統(tǒng)視圖,操作系統(tǒng)為用戶提供虛擬計算機(jī) 裸機(jī)極難使用，雖有很強(qiáng)的指令系統(tǒng)，從功能上來說局限性很大。加上軟件后，就可在硬件基礎(chǔ)上，對其功能和性能進(jìn)行擴(kuò)充和完善。 操作系統(tǒng)是緊靠硬件的第一層軟件，計算機(jī)上覆蓋

6、操作系統(tǒng)后，可擴(kuò)展基本功能，為用戶提供一臺功能顯著增強(qiáng)，使用更加方便，安全可靠性好，效率明顯提高的機(jī)器，稱為擴(kuò)展計算機(jī)，或操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器（Virtual Machine）。,1.1 操作系統(tǒng)的概念-操作系統(tǒng)視圖,操作系統(tǒng)作為計算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者 管理計算機(jī)系統(tǒng)中的資源，包括兩大類：硬件資源和信息資源。 處理機(jī)管理 存儲器管理 I/O設(shè)備管理 文件管理 監(jiān)視資源的狀態(tài)，協(xié)調(diào)各程序?qū)Y源的使用沖突,1.1 操作系統(tǒng)的概念,操作系統(tǒng)是控制和管理計算機(jī)硬件和軟件資源，合理地對各種資源進(jìn)行分配和調(diào)度，規(guī)范計算機(jī)工作流程，方便用戶使用的程序的集合。 操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件，它常駐內(nèi)存，給用戶程

7、序提供一個支撐環(huán)境. 一個比較公認(rèn)的定義是操作系統(tǒng)是一直運行在計算機(jī)上的系統(tǒng)程序（通常稱為內(nèi)核），其它程序則為應(yīng)用程序，運行在操作系統(tǒng)提供的良好環(huán)境中。,1.2 操作系統(tǒng)特征,并發(fā)性（concurrence) 并發(fā)性是指兩個或多個事件或活動在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。 操作系統(tǒng)的并發(fā)性是指計算機(jī)系統(tǒng)中同時存在若干個運行的程序，這些程序在執(zhí)行時間上重疊。 并發(fā)與并行的區(qū)別。 程序的并發(fā)執(zhí)行，有效地改善了系統(tǒng)資源的利用率和提高了系統(tǒng)的吞吐量，但它使系統(tǒng)復(fù)雜化，操作系統(tǒng)必須具有控制和管理各種并發(fā)活動的能力。,1.2 操作系統(tǒng)特征,共享性 操作系統(tǒng)與多個用戶的程序共同使用計算機(jī)系統(tǒng)中的資源 資源共享是指系統(tǒng)

8、中的硬件和軟件資源不再為某個程序所獨占，而是供多個用戶共同使用。 并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)兩個最基本的特征，這兩者之間又是互為存在條件的。 資源共享方式：互斥共享，同時訪問,1.2 操作系統(tǒng)特征,虛擬性 在操作系統(tǒng)中，所謂虛擬，是指把一個物理上的實體，變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。物理實體(前者)是實的， 而后者是虛的，相應(yīng)地，用于實現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。在OS中利用了多種虛擬技術(shù)，分別用來實現(xiàn)虛擬處理機(jī)、虛擬內(nèi)存、 虛擬外部設(shè)備和虛擬信道等。,1.2 操作系統(tǒng)特征,異步性(Asynchronism) 在多道程序環(huán)境下，允許多個進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行， 但由于競爭資源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行不是“一氣呵

9、成，而是以“走走停?！钡姆绞竭\行。 多道程序環(huán)境下程序的執(zhí)行，是以異步方式進(jìn)行的；每個程序在何時執(zhí)行，多個程序間的執(zhí)行順序以及完成每道程序所需的時間都是不確定和不可預(yù)知的。進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，此即進(jìn)程的異步性。,1.3 操作系統(tǒng)服務(wù),公共服務(wù)類型 程序執(zhí)行 I/O操作 文件系統(tǒng)操作 通信 差錯檢測 系統(tǒng)調(diào)用 OS提供的服務(wù)，供高級語言進(jìn)行調(diào)用。 系統(tǒng)調(diào)用運行在系統(tǒng)態(tài)上。 調(diào)用類型：進(jìn)程控制，文件操作，設(shè)備管理，通信用系統(tǒng)，信息維護(hù)等。,1.4操作系統(tǒng)的發(fā)展過程,1.4.1 無操作系統(tǒng)的計算機(jī)系統(tǒng)-真空管和插件板 人工操作方式 特點:用戶獨占全機(jī),CPU等待人工操作,獨占性,串行

10、性 缺點:計算機(jī)的有效機(jī)時嚴(yán)重浪費,效率低 脫機(jī)輸入/輸出方式 優(yōu)點：減少了CPU的空閑時間， 提高I/O速度。,脫機(jī)I/O示意圖,1.4.2 單道批處理系統(tǒng)-晶體管,單道批處理系統(tǒng)的處理過程 批處理是指計算機(jī)系統(tǒng)對一批作業(yè)自動進(jìn)行處理的一種技術(shù)。 單道批處理在內(nèi)存中僅有一道作業(yè)。,單道批處理系統(tǒng)的處理流程,單道批處理系統(tǒng)的特征 自動性 順序性 單道性,1.4.2 單道批處理系統(tǒng),早期批處理系統(tǒng),$END,$RUN,Data for program,$LOAD,Fortran program,$FORTRAN,$JOB, 10（時間）, 429754（計費帳號） YongLi （程序員名）,典

11、型的FMS 作業(yè)結(jié)構(gòu),1.4.3 多道批處理系統(tǒng)-集成電路,多道程序設(shè)計的基本概念 在計算機(jī)內(nèi)存中同時存放若干道已開始運行尚未結(jié)束的程序，它們交替運行，共享系統(tǒng)中的各種硬、軟件資源，從而使處理機(jī)得到充分利用。 在該系統(tǒng)中， 用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個隊列，稱為“后備隊列”；然后，由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干個作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源。,圖 1-6 單道和多道程序運行情況,1.4.3 多道批處理系統(tǒng),多道批處理系統(tǒng)的特點 多道：多道指某個作業(yè)占用CPU，若由于某種原因暫時不用CPU 則系統(tǒng)讓第二個作業(yè)占用CPU 成批處理：用戶自己不能干預(yù)

12、自己作業(yè)的運行，一旦發(fā)現(xiàn)作業(yè)錯誤不能及時改正，并延長開發(fā)軟件時間，所以適用于成熟的程序。 無序性 調(diào)度性,1.4.3 多道批處理系統(tǒng),多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點 資源利用率高 系統(tǒng)吞吐量大 可提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率 平均周轉(zhuǎn)時間長 無交互能力。 適合大型科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理。,多道批處理需要解決的問題 處理機(jī)管理問題。 內(nèi)存管理問題。 I/O設(shè)備管理問題。 文件管理問題。 作業(yè)管理問題。,1.4.3 多道批處理系統(tǒng),1.4.4 分時系統(tǒng),分時系統(tǒng)(Time-Sharing System)的產(chǎn)生 人機(jī)交互 共享主機(jī) 便于用戶上機(jī),主機(jī),終端,分時系統(tǒng)示意圖,分時系統(tǒng)的思想 采用時間片輪的方法，同時

13、為許多終端用戶服務(wù)，對每個用戶能保證足夠快的響應(yīng)時間，并提供交互會話的功能。 時間片：將CPU的時間劃分成若干個片段,稱為時間片，操作系統(tǒng)以時間片為單位,輪流為每個終端用戶服務(wù) 設(shè)計目標(biāo)：對用戶的請求及時響應(yīng)，并在可能條件下盡量提高系統(tǒng)資源的利用率。 適合辦公自動化、教學(xué)及事務(wù)處理等要求人機(jī)會話的場合。,1.4.4 分時系統(tǒng),分時操作系統(tǒng)工作方式 分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關(guān)鍵問題 及時接收 及時處理 分時系統(tǒng)的實現(xiàn)方法 單道分時系統(tǒng)-CTSS 具有“前臺”和“后臺”的分時系統(tǒng) 多道分時系統(tǒng),1.4.4 分時系統(tǒng),分時操作系統(tǒng)特點,多路性 交互性 “獨占”性 及時性,同時有多個用戶使用一臺計算機(jī) 宏觀上

14、：是多個人同時使用一個CPU 微觀上：多個人在不同時刻輪流使用CPU,用戶根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)一步 提出新請求(用戶直接干預(yù)每一步),用戶感覺不到計算機(jī)為其他人服務(wù) （OS提供虛機(jī)器，各個用戶的虛 機(jī)器互不干擾）,系統(tǒng)對用戶提出的請求及時響應(yīng),影響響應(yīng)時間的因素 終端數(shù)目多少 調(diào)度算法（時間片的選取） 信息交換量和信息交換速度 機(jī)器處理能力 請求服務(wù)的時間長短及服務(wù)請求的分布,1.4.4 分時系統(tǒng),1.4.5 實時系統(tǒng),“實時”，是表示“及時”，而實時系統(tǒng)(Real-Time System)是指系統(tǒng)能及時響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運行。 特

15、點：及時性要求高，系統(tǒng)可靠性高。,實時操作系統(tǒng)的分類,實時控制系統(tǒng) 通常是指以計算機(jī)為中心的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，又稱計算機(jī)控制系統(tǒng)。如：鋼鐵冶煉和鋼板軋制的自動控制、煉油、化工生產(chǎn)過程的自動控制,軍事控制等。 實時信息處理系統(tǒng) 計算機(jī)及時接收從遠(yuǎn)程終端發(fā)來的服務(wù)請求，根據(jù)用戶提出的問題對信息進(jìn)行檢索和處理，并在很短時間內(nèi)對用戶做出正確回答。例如：銀行，機(jī)票訂購系統(tǒng)、股市行情實時信息處理系統(tǒng)等。,實時操作系統(tǒng)主要追求目標(biāo),對外部請求在嚴(yán)格時間范圍內(nèi)作出反應(yīng) 高可靠性 安全性 完整性 實時系統(tǒng)必須和先進(jìn)的技術(shù)裝備相結(jié)合,多路性 獨立性 及時性 交互性 可靠性,實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較,1.5 操

16、作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展,操作系統(tǒng)（包括其前身）成為獨立的程序，已有40年的歷史，它經(jīng)過60和70年代的大發(fā)展時期，到80年代雖已趨于成熟，但它仍繼續(xù)沿著兩個方向繼續(xù)向前發(fā)展，一個是隨著計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，形成多處理機(jī)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)；另一個則是把操作系統(tǒng)應(yīng)用于微機(jī)，形成微機(jī)操作系統(tǒng)。,1.多處理機(jī)操作系統(tǒng),將多個CPU連接成單個的系統(tǒng) 多處理機(jī)系統(tǒng)類型 緊密耦合 松散耦合 多處理機(jī)操作系統(tǒng)類型 非對稱多處理模式-主從模式 對稱多處理模式,多處理機(jī)類型,主從式 獨立管理程序系統(tǒng) 浮動式管理程序控制方式,2. 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是建立在主機(jī)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，用于管理網(wǎng)絡(luò)通

17、信和共享資源，協(xié)調(diào)各主機(jī)上任務(wù)地運行，并向用戶提供統(tǒng)一的、有效的網(wǎng)絡(luò)接口的軟件集合。 網(wǎng)絡(luò)OS的模式 客戶/服務(wù)器模式（C/S） 對等模式（Peer-to-Peer）,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的基本功能,網(wǎng)絡(luò)通信 資源管理 提供多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 提供網(wǎng)絡(luò)接口,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 應(yīng)用程序,通信軟件（協(xié)議支持）,單機(jī) 操作系統(tǒng),用戶應(yīng)用程序,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu),通信軟件（協(xié)議支持）,分布式操作系統(tǒng)的特征 分布性 并行性 透明性 共享性 健壯性,3. 分布式操作系統(tǒng),4. 嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式操作系統(tǒng)，是運行在嵌入式智能芯片環(huán)境中，對整個智能芯片以及它所操作、控制的各種部件裝置等等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、調(diào)度、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。 特點 完成特定功能-非通用 性能和實時性有嚴(yán)格的要求 能源、成本和可靠性通常是影響設(shè)計的重要因素 占有資源少、易于連接 系統(tǒng)功能可針對需求進(jìn)行裁剪、調(diào)整和生成 以便滿足最終產(chǎn)品的設(shè)計要求,嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境,通常配有源碼級可配置的系統(tǒng)模塊設(shè)計 豐富的同步原語 可選擇的調(diào)度算法 可選擇內(nèi)存分配策略 定時器與計數(shù)器 多方式中斷處理支持 多種異常處理選擇 多種通信方式支持 標(biāo)準(zhǔn)語言庫 數(shù)學(xué)運算庫和開放式應(yīng)用程序接口,1.6 操