高级操作系统教案正文

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1、学院教案- - 1 - -时间时间教学步骤与内容教学步骤与内容备注备注45第一章 操作系统概述一、操作系统做什么？#include int main(int argc, char *argv) puts(“hello world“); return 0; 程序执行系统调用，在文件描述符中写一字符串 用户告诉操作系统执行 hello 程序 操作系统找到该程序，检查其类型 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 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，并跳到程序开始处 程序的第一条指令执行，

2、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，继续执行 更多的缺页中断，读入更多的页面 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，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，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器（重画屏 幕） 显示器发射电子束 你在屏幕上看到 hello world操作系统的工作: 1 程序的执行 负责启动每个程序以及结束程序的工作 2 完成与硬件有关的工作 3 完成与应用无关的工作 易于使用

3、，基本服务，统一性 4 计算机系统的效率与安全问题硬件相关：硬件相关：启发、探 讨、讲解学院教案- - 2 - -时间时间教学步骤与内容教学步骤与内容备注备注应用程序 - 虚机器界面操作系统 - 物理机器界面硬件 假如没有操作系统？怎样将目标代码送给硬件？怎样输出打印结果？人们将对二进制程序操作 从二极发光管读答案 指实现代码中包含存储器的物理地址，包含对设备接口寄存器和设 备接口缓冲区的读写等等； 实现该工作的过程代码和硬件因素密切相关，即需要设置与测试、 使用物理地址、设备接口寄存器等等； 硬件相关必然复杂繁琐、代码量大； 硬件相关的工作，其实现代码不通用。 由于操作系统承担了上述工作，在

4、其之上的各类程序就没有必 要直接同硬件打交道了。硬件改变时，操作系统相应变化即可，其 他的程序不用作出改变。 硬件相关还表现在有关硬件的状态必定带来对应代码的变化。与应用无关：与应用无关： 是指这些工作是任何一个程序都需要的、最基本的工作 它们具有共性，工作过程相同与具体应用无直接关系，即与用户所 关心的应用目标无直接关系。二、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 它们能以尽量有效、合理的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

5、地运行。有效：系统效率，资源利用率 （如：CPU 利用的充足与否，内存、外部设备是否忙碌） 合理： 公平与否，如果不公平则会产生“死锁”或“饥饿” 方便： 用户界面 三、操作系统的特征并发：在计算机系统中同时存在多个程序 宏观上：这些程序是同时在执行的学院教案- - 3 - -时间时间教学步骤与内容教学步骤与内容备注备注微观上：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。 并行：(与并发相似，但多指硬件支持)。 共享：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 随机性：操作系统必须随时对以不可预测的次序发生的事件进行响 应如何考虑周密、设计适当。 四、研究操作

6、系统的几种观点作为软件来看的观点 资源管理的观点 进程的观点 虚机器观点 服务提供者观点 1 作为软件来看的观点 软件的特性 外在特性： 软件是种语言,是界面 界面:使用方式 （命令,系统调用等) 内在特性： 软件的结构 a.由有几部分组成 b.每个部分的功能 c.部分之间的关系 2.资源管理的观点 操作系统-资源管理者 硬件资源： CPU，内存，外部设备(I/O 设备，外存，时钟，网络接口等) 软件资源： 硬盘上的文件，信息 管理资源 记录资源使用状况如 哪些资源空闲，好坏与否，被谁使用,使用多长时间等 合理的分配资源 静态分配策略 (在程序运行前分配，但效率不高) 动态分配策略 (在程序运

7、行过程中何时用资源，何时分配。其缺点是会出现死锁) 具体完成分配 回收资源 3 进程的观点 是从操作系统运行的角度动态的观察操作系统 从这个观点来看：学院教案- - 4 - -时间时间教学步骤与内容教学步骤与内容备注备注操作系统是由一些可同时独立运行的进程和一个对这些进程进行 协调的核心组成. 进程： 完成某一特定功能的程序 是程序的一次执行过程 是动态有生命的，当它执行时存在，否则消亡 4 虚机器观点 从操作系统内部结构来看： 把操作系统分成若干层 每一层完成其特定功从而构成一个虚机器，并对上一层提供支持 通过逐层功能扩充,最终完成整个操作系统虚机器 而操作系统虚机器向用户提供各种功能, 完

8、成用户请求 5 服务提供者的观点 在操作系统之外从用户角度来看：操作系统为用户提供一组功能强大的、方便易用的命令或系统调 用 6.其他观点 操作系统作为 仲裁者（协调者）使多个应用程序/用户高效公平地一起工作保护用户不互相干扰 例子：并发，存储保护文件系统，网络 操作系统作为 管理程序 硬件平台扩展为运行平台 运行平台是承载应用程序的载体 操作系统作为 幻觉制造者(illusionist) 提供硬件的高层界面，取消硬件限制 操作系统提供无限的内存、无限的 CPU 操作系统作为 管理者(government) 有效合理地分配资源，保护用户不受侵犯 提供安全、保密措施 操作系统作为 历史教员 学习

9、过去，预测未来 操作系统作为 标准服务提供者 提供每个用户需要的标准工具 如标准库、窗口系统 操作系统作为 A PARENT 五、操作系统的发展操作系统发展是随着计算机硬件技术、应用软件的发展而发展的学院教案- - 5 - -时间时间教学步骤与内容教学步骤与内容备注备注目标：充分利用硬件提供更好的服务第一台数字计算机： 英国数学家 Charles Babbage（1792-1871）设计 Babbage 投入了 毕生精力但却没能让它成功地运行起来因为当时的技术不可能达到 需要的精度当然，这个分析机没有操作系统。电子计算机之父： 1936 年 图灵（A.M.Turing）发表划时代论文论可计算数

10、及其在 判定问题中的应用论述了一种“图灵机”只要为它编好程序，它 就可以承担其他机器能作的任何工作 重要性:世界上还没人提出通用计算机概念前图灵已在理论上证明了它存在的可能性 德国人兰德楚泽（Konrad Zuse）最早提出了“程序设计”的概 念 1949 年楚泽的 Z4 计算机，安装在瑞士苏黎士技术学院，一直稳 定地运行到 1958 年。 美国人冯诺依曼（John von Neumann）提出了“存储程序”的概 念。 所有的这些“电子计算机之父”们计算机先驱者们没有提及有关计 算机“操作系统”的任何思想，也没有在“操作系统”的设计方面 进行任何尝试。 二战对武器设计的需要，美国、英国和德国等

11、国家 开始了电子数字计算机的研究工作。 哈佛大学的 Howard Aiken 普林斯顿高等研究院的 John Neumann（冯诺依曼） 宾夕法尼亚大学的 J.Presper Eckert 和 William Mauchley 德国电话公司的 Konraad Zuse 以及其他一些人都使用真空管成功 地建造了运算机器早期数字计算机的演变操作系统硬件基础的完善 ： 第一台数字电子计算机 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) 1943 年开始建造 1946 年投入使用 用于弹道计算第一颗原子弹的计算 运算速度：10000 次/每秒

12、, 18000 个真空管, 占地 182 平方米，重量 130 吨，功耗 140kW 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，从而可以计算学院教案- - 6 - -时间时间教学步骤与内容教学步骤与内容备注备注自己的题目。 早期数字计算机没有任何操作系统 程序：人工编制二进制代码 输入：通过卡片或者纸带输入计算机完成之后按下控制台运行键命令计算机开始运行 运行结果：通过卡片、纸带以及氖灯显示 完全依赖人工运行方式，运行效率非常低 新创造发明大事记 ： 1947 年，晶体管发明

13、1948 年，英国 Manchester 大学依据“存储程序”概念建造了第一台具有随机存取存储器可存储程序和数据的计算机 1951 年，第一台“旋风”实时控制计算机投入运行用于美国防空系统 软磁盘在这一年发明 第一台通用计算机 UNIVAC I 投入运行 1952 年， IBM 推出 IBM 701 型真空管计算机用于科学计算，配有卡片阅读机，打印机，磁鼓第一台磁带机，已经构成了完整的输入、运算处理和输出能力 1953 年，王安博士发明磁芯存储器。 1954 年 ，IBM 推出 IBM 704 型计算机第一台具有变址和浮点运算能力的商用数字计算机 1955 年 ，IBM 推出第一台晶体管计算机

14、 IBM 608 型。 1957 年，Fortran 由 IBM 公司设计完成 1958 年，LISP 程序设计语言出现 1959 年，IBM 推出 IBM 1401 数据处理系统共销售了一万余台配有 IBM 1403 高速打印机，现代“链式”打印机的先驱批处理操作系统技术出现的背景 ：50 年代中后期，系统的运行方式依旧： 运算程序通过卡片机、纸带机和输入内存 运算完毕之后，再启动输出打印机打出结果 当时，计算机稀少，的机时费用昂贵，大段的时间在等待输入和输 出过程中浪费了 官僚主义在计算中心也到处存在，严重影响了计算机效率的提高， 用户上机时间的安排，甚至以日为单位安排 东部联合计算机会议

15、（Eastern Joint Computer Conference）用户提出能否使计算机作业更流畅一些，效率高一些用户的反映，得到当时系统管理员们的重视学院教案- - 7 - -时间时间教学步骤与内容教学步骤与内容备注备注1955 年，第一套批处理管理程序（Batch Processing Monitor Program）由 General Motors Research Center 开发在 IBM 701 上运行 1956 年，由于 IBM 701 机不稳定用户 General Motors 和 North American Aviation于在 IBM 709 机上改写了批处理管理程序

16、，称为 GM/NAA I/O System 由 North American Aviation 开发的管程（FMS ，FORTRAN Monitor system）也在 IBM 709 投入运行 1960 年，GM/NAA I/O System 被的 IBM 用户组织 SHARE 进一步发展成为 SHARE Operating System (SOS)软件开放性 早期操作系统诞生的温床：早期的计算机用户们在实际应用上的需求对计算机软件设计的开放 性思想是操作系统发展的强大动力。 这时期的操作系统不仅是完全开放的，而且是免费共享的。启示 操作系统没有被任何一位“计算机之父”所预见。早期操作系统， 批处理系统的出现。说操作系统的出现是必然的、不可避免的 为了有效的利用昂贵而又稀缺的计算资源，电子数字计算机 就必然会寻找有效管理计算资源的方法，让计算机系统本身拥有系 统资源