操作系统原理 Principles of Operating 课件

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1、操作系统原理 Principles of Operating System,华中科技大学计算机学院 邵志远,使用过程中的问题,遇到计算机运行或打开硬盘上的程序的速度变慢，该怎么办？,原因：硬盘上的卷可能有过多的碎片，可能是由于最近创建了大量的文件或文件夹，或安装了新软件。 解决方案：如果必要，分析并整理硬盘上的卷碎片。,为什么要学习操作系统？,0d58b4b8 青帝 ,游戏中的现象,基本配置 推荐配置 CPUPentium3 800MHz以上 Pentium4 1GHz以上 内存 256M以上 512M以上 显卡GeForce2以上3D加速卡Geforce4 Ti以上3D加速卡 硬盘 3G以上

2、,为什么要学习操作系统？,操作系统做什么,#include int main(int argc, char *argv) puts(hello world); return 0; ,为什么要学习操作系统？,为什么要学习操作系统？,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 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

3、,操作系统的工作： （1）程序的执行 （2）完成与硬件有关的工作 （3）完成与应用无关的工作 （4）计算机系统的效率与安全问题,操作系统课程特点 涉及面广 错综复杂 实践性强,怎样学习操作系统 深入理解教学内容 独立完成练习题 做好阶段复习 理论联系实际,教材：操作系统原理(第四、三版) 庞丽萍 华中科技大学出版社,参考教材：UNIX操作系统设计莫里斯 贝奇 机械工业出版社计算机操作系统 汤子瀛等 西安电子科技大学出版社现代操作系统 陈向群等译 机械工业出版社计算机操作系统教程 张尧学 史美林 清华大学出版社操作系统基础 屠立德 屠祁 清华大学出版社,讲课学时安排,4816,学习要求与成绩评定

4、,学习要求: 课前预习，认真听讲，课后复习 遵守课堂纪律 成绩评定： 平时成绩+考试成绩 闭卷考试,第一章 绪 论,（一） 操作系统在计算机系统中的地位 （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 （六） UNIX和Windows,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) 基本部件 CPU、主存储器、I/O设备、控制台 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,计算机系统的组成,计算机系统（层次结构）,软件,硬件及固件（裸机）,应用

5、软件,系统软件,编辑软件、编译软件,操作系统,计算机系统的基础,提高系统效率方便用户使用,管理信息系统、飞机订票系统、银行系统、地理信息系统、CAD系统、数字计算软件包,管理信息系统、飞机订票系统、银行系统、地理信息系统、CAD系统、数字计算软件包,语言编译程序、连接装配程序、数据库管理系统、网络软件,操 作 系 统,（一）操作系统在计算机系统中的地位,计算机硬件,系统软件,应用软件,支撑软件,用户,用户,用户,用户,与硬件的关系： 控制CPU的工作、 访问存储器、 设备驱动、中断处理,与用户及应用程序的关系： 提供方便的用户界面、 提供优质的服务,（二）操作系统的形成和发展,操作系统发展是随

6、着计算机硬件技术的发展而发展的。 目标： 充分利用硬件， 提供更好的服务,手工操作阶段,批处理,联机批处理,脱机批处理,执行系统,操作系统形成,多道程序系统,多道批处理系统,分时系统,实时系统,个人计算机操作系统,网络操作系统,分布式操作系统,没有程序设计语言（甚至没有汇编），更谈不上操作系统. 程序员提前预约一段时间,然后到机房将他的插件板插到计算机里 期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断,从而可以计算自己的题目,ENIAC计算机(1946年，美国宾夕法尼亚大学),运算速度：1000次/每秒, 数万个真空管, 占地100平方米,第 1 阶段 手工操作阶段 硬件非常昂贵，没有操作系统,特

7、点： 工作效率极低：手工操作的慢速度与机器处理的高速度 每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码 工作量大，难度高，易出错，需要大量人力和物力 独占性、串行性 问题： 人机矛盾 机器速度 计算所需时间 人工操作时间 操作时间 : 机器运行时间 1万次/秒1小时3分钟1 : 20 60万次/秒1分钟3分钟3 : 1,第2阶段 单道批处理阶段 硬件昂贵，人力便宜，单任务自动批处理,简单批处理： 装入程序、运行、打印结果、撤出、再重复 用户把作业（卡片或磁带）交给负责调度的操作员（系统管理员），由操作员按作业类型分类编成一个作业序列，送到输入设备上。 常驻监督程序自动地装入程序、运行、撤出作业 （1）

8、联机批处理 （2）脱机批处理 （3）执行系统,批 处 理,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 2. 脱机批处理 特点：主机与卫星机并行操作 问题：调度不灵活，保护问题 解决：硬件技术的发展 通道技术、中断技术,3. 执行系统： 定义： 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的运行，而且还要提供I/O控制功能。它常驻内存，称为执行系统。 特点：主机、外设并行操作；增加了保护能力 问题：处理机仍有空闲等待现象,通道 一种专用部件，负责外部设备与内存之间信息的传输。 中断 主机接到信

9、号（来自CPU外部或内部）时，立即中止原来的工作，转去处理这一事件，处理完后，主机又回到原来工作点继续工作。,第 3 阶段 多道批处理阶段 硬件较以前便宜，人力昂贵,处理过程 在内存中同时存放几道相互独立的程序 在管理程序控制之下，相互穿插地运行，处理机和外设尽量处于忙碌状态 交互式分时处理 一台计算机，多个便宜终端 所有用户可与系统立即交互 调试比较方便,多道程序设计技术,多道程序设计技术,多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，在管理程序的控制下相互穿插地运行。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。,多道运行的

10、特征: 多道 宏观上并行 微观上串行,分时技术与分时处理,分时技术： 把处理机的响应时间分成若于个大小相等（或不相等）的时间单位，称为时间片，每个终端用户获得CPU，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运行，当时间片到（用完），用户程序暂停运行，等待下一次运行。 分时计算机系统： 由于中断技术的使用，使得一台计算机能连接多个用户终端，用户可通过各自的终端使用和控制计算机，我们把一台计算机连接多个终端的计算机系统称为分时计算机系统，或称分时系统。,实时处理,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。 实时处理 以快速反应为特征，对实

11、时信号能在截止期限之内处理并作出反应。,第 4 阶段 操作系统的进一步发展硬件非常便宜、人力昂贵,单CPU计算机方面 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 向网络化发展 网络操作系统 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,（三）操作系统的定义,操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合 以尽量有效合理方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活，方便，有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效的运行。 资源共享：多个计算任务对计算机系统资源

12、的共同享用。 资源竞争：多个计算任务对计算机系统资源的争夺。,操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动，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。操作系统使整个计算机系统实现了高效率和高度自动化。 操作系统是整个计算机系统的核心。,操作系统的定义,操作系统的特征,并发：系统中同时存在多个程序处理多个同时性活动 宏观上：这些程序是同时在执行的 微观上：任何时刻只有一个程序在执行，即微观上这些程序在CPU上轮流执行 共享：多个计算任务对系统资源的共同享用 操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统中的资源（共享有限的系统

13、资源） 操作系统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 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。,（四）操作系统的功能,虚拟机观点 裸 机 ：没有装配任何软件的计算机称为裸机。 虚拟机：装配有相应软件的机器称为虚拟机。,操作系统的资源管理功能,把操作系统看成一个资源管理器。换句话说，从资源管理的角度看操作系统有如下四个功能： 一 处理机分配 1. 制定调度策略（调度原则） 2. 给出调度算法 3. 具体的实施处理机分派 二 存储器管理 1. 存储分配和存储无关性 2. 存储保护 3. 存储扩充,三 设备管理,1. 设备无关性

14、2. 设备分配 3. 设备的传输控制 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。,操作系统的资源管理功能,处理机,存储器,I/O设备,软件资源,处理机管 理,存储器管 理,设 备管 理,文 件系 统,系统资源,操作系统功能模块,（五）操作系统的类型,批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统 个人计算机操作系统 网络操作系统 分布式操作系统 嵌入式操作系统 自由软件和LINUX操作系统,多道批处理系统,在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了批量操作系统。 该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作业调度程

15、序自动地选择作业运行。 优点： 缩短作业之间的交接时间，减少处理机的空闲等待时间，提高系统的吞吐量 缺点： 用户响应时间较长。用户既不能了解自己程序的运行情况，也不能控制计算机。,特点： 多路调制性：众多联机用户可同时使用同一台计算机 独占性：各终端用户感觉到自己独占了计算机 交互性：用户与计算机之间可进行“会话”,分时操作系统,实时操作系统,实时操作系统：对用户（外部）的请求，实时操作系统能在规定的时间内处理完毕。 响应时间 指用户发出命令，到系统开始执行命令所需的时间。 批处理操作系统 没有 分时操作系统 秒级(一般情况） 实时操作系统 微秒级 甚至更小（经典说法） 系统满足用户时限（de

16、adline)的 要求 (现代）,实时操作系统,实时操作系统的类型： 实时控制： 工业过程控制、防空系统等 实时信息处理：情报检索和查询、飞机订票系统 实时操作系统特点： 系统对外部的信号必须能及时响应 要求高可靠性和安全性，效率则放在第二位 系统整体性强 不要求很强的“会话”能力,网络操作系统,计算机网络: 计算机技术与通信技术相结合的产物,是互连起来的计算机的集合。,主机：组成网络的独立自主的计算机系统。 子网：将入网主机连接起来的实体，任务是在入网主机之 间传递信息,以提供通信服务。 网络协议：网络中各主机之间传递信息的规则的集合。,计算机网络的组成,网络操作系统： 在通常的操作系统中增加了实现网络低层协议功能和网络设备管理功能的操作系统称为网络操作系统。,分布式系统,分布式系统是网络操作系统的更高级的形式,它保持了网络操作系统的全部功能。 从硬件上讲，它与计算机局域网没有任何区别。关键是软件。