清华大学讲义-操作系统1

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1、操作系统主讲教师：向勇 电话：6278.5609 Email：助教：张凯捷、杨敏2001-02-191参考书 William Stallings, Operating Systems(3rd edition), 清华大学出版社, 1998年6月 张尧学，史美林，计算机操作系统教程，清华 大学出版社，1993年9月参考书(续) Uresh Vahalia, UNIX高级教程系统技术内幕 ，清华大学出版社，1999年5月； David A. Solomon, Mark E. Russinovich, Inside Microsoft Windows 2000, 3rd Edition, Micro

2、soft Press, 2000，ISBN 0-7356-1021-5 David A. Solomon, Windows NT 技术内幕，清 华大学出版社，1999年7月课程主要内容介绍 用户接口 进程管理 处理机管理 存储管理 文件系统 外部设备管理操作系统的功能管理系统软硬件资源、扩展计算机的功能、向用户提供服务。课程要求 作业：10% 上机实验：10% 考试或课程报告：70% 第8周提交课程报告方案 第16周完成 Linux内核代码报告：10% 要求：接口功能描述、数据结构分析、流程 图、代码注释）第一章 绪论1.1 什么是操作系统 1.2 操作系统的发展历史 1.3 操作系统的分类

3、1.4 操作系统的特征 1.5 操作系统的功能 1.6 操作系统的结构 1.7 常用的操作系统1.1 什么是操作系统1.1.1 操作系统的地位和目标 1.1.2 操作系统的作用和组成 1.1.3 操作系统举例返回1.1.1 操作系统的地位和目标计算机系统 (层次结构)软件硬件及固件（裸机）应用软件系统软件编辑软件，编译软件操作系统图1.1 计算机系统的组成操作系统在计算机系统中的地位操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（ 是其他软件的共同环境）引入操作系统的目标 有效性（系统管理人员的观点）：管理和分配 硬件、软件资源，合理地组织计算机的工作流 程 方便性（用户的观点）：提供良好

4、的、一致的 用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别 可扩充性（开放的观点）：硬件的类型和规模 、操作系统本身的功能和管理策略、多个系统 之间的资源共享和互操作操作系统的作用(1) OS是计算机硬件、软件资源的管理者 。 管理对象包括：CPU、存储器、外部设 备、信息（数据和软件）； 管理的内容：资源的当前状态（数量和 使用情况）、资源的分配、回收和访问 操作，相应管理策略（包括用户权限） 。1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用(2) OS是用户使用系统硬件、软件的接口 。 系统命令（命令行、菜单式、命令脚本 式、图形用户接口GUI）； 系统调用（形式上类似于过程调用，在 应用编程中使用）。

5、操作系统的作用(3) OS是扩展机(extended machine)/虚拟机(virtual machine)。 在裸机上添加：设备管理、文件管理、 存储管理（针对内存和外存）、处理机 管理（针对CPU）； 另外，为合理组织工作流程：作业管理 、进程管理。操作系统的非形式化定义（关键点）：系统软件，程 序模块的集合，资源管理和用户接口功能1.1.3 操作系统举例 MS OS: MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000 UNIX: BSD, SRV4, OSF1, SCO UNIX, AIX, Solaris, L

6、inux NOS: Novell Netware RTOS: VxWorks, pSoS, Nucleus1.2 操作系统的发展历史1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 1.2.2 手工操作 1.2.3 单道批处理系统(simple batch processing) 1.2.4 多道批处理系统(multiprogramming system) 1.2.5 分时系统(time-sharing system) 1.2.6 实时系统(real-time system)返回1.2.1 推动操作系统发展的主要动力(1) 提高资源的利用率和系统性能：计算机 发展的初期，计算机系统昂贵，用作集 中计算

7、(2) 方便用户：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） (3) 器件的发展：CPU的位宽度（指令和数 据）、快速外存“需求推动发展”1.2.2 手工操作 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；1946 50年代（电子管），集中计算（计算中心） ，计算机资源昂贵； 主要矛盾 计算机处理能力的提高，手工操作的低效

8、率 （造成浪费）； 用户独占全机的所有资源； 提高效率的途径 专门的操作员，批处理1.2.3 单道批处理系统 (simple batch processingm, ,uniprogramming) 批处理中的作业的组成： 用户程序 数据 作业说明书（作业控制语言） 批： 供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装 成，在处理中使用一组相同的系统软件（系统带）50年代末 60年代中（晶体管）：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。可使用汇编语言开发。两种批处理方式(1) 联机批处理 用户提交作业：以纸带或卡片为介质； 操作员

9、合成批作业：结果为磁带介质； 批作业处理：对批作业中的每个作业进行相同的 处理：从磁带读入用户作业和编译链接程序，编 译链接用户作业，生成可执行程序；启动执行； 执行结果输出。 这时的问题：慢速的输入输出处理仍直接由主机 来完成。输入输出时，CPU处于等待状态。两种批处理方式(2) 脱机批处理 卫星机：完成面向用户的输入输出（纸带或卡片） ，中间结果暂存在磁带或磁盘上。 作业控制命令由监督程序(monitor)来执行，完成如 装入程序、编译、运行等操作。 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

10、类，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预 才可恢复）。利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并行工作。通道和中断技术 通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传输。启动后可独 立于CPU运行，实现CPU与I/O的并行。 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。 中断处理过程：中断请求，中断响应，中断点（暂停当前任务并保 存现场），中断处理例程，中断返回（恢复中断点的现场并继续原 有任务 可处理算术溢出和非法操作码，死循环（利用时钟中断进行超时限 定） 监督程序

11、发展为执行系统(executive system)，常驻内存60年代初，发展了通道技术和中断技术，这些技术的出现 使监督程序在负责作业运行的同时提供I/O控制功能。单道批处理的主要问题 CPU和I/O设备使用忙闲不均（取决于当 前作业的特性）。 对计算为主的作业，外设空闲； 对I/O为主的作业，CPU空闲；1.2.4 多道批处理系统 (multiprogramming system) 多道批处理的运行特征 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；60年代中 70年代中（集成电路），利用多道批处理提高资 源的利用率。在

12、当前运行的作业需作I/O处理时，CPU转而执行另一个作 业。（I/O完成后是否立刻恢复执行？要等到其他程序再次 I/O时）多道批处理系统的特点 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；批处理：交互性差提高对CPU利用率； 分时处理：用户与应用程序随时交互，控制程序运行，适于商 业和办公事务处理缩短响应时间1.2.5 分时系统 (time-sharing system) “分时”的含义分时是指多个用户分享使用同一

13、台计 算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。 多个用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而允许 多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。有 用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停 ，等待下一次用户输入时走时停 前台和后台程序(foreground & background)分时：后台程序 不占用终端输入输出，不与用户交互现在的图形用户 界面(GUI)，除当前交互的程序(输入焦点)之外，其他程序 均作为后台 通常按时间片(time slice)分配：各个程序在CPU上执行的 轮换时间。70年代中期至今抢先式和非抢先式 抢先式和非抢先式(preemptive & non-

14、preemptive)：出让CPU是OS强迫或程序 主动 抢先式：OS强近出让CPU； 非抢先式：程序主动出让CPU；分时系统的特点 人机交互性好：在调试和运行程序时由 用户自己操作。 共享主机：多个用户同时使用。 用户独立性：对每个用户而言好象独占 主机。现在的许多操作系统都具有分时处理的功能，在分时系 统的基础上，操作系统的发展开始分化，如实时系统、 通用系统、个人系统等。1.2.6 实时系统(real-time system) 要求：响应时间短，在一定范围之内；系统可靠性高 任务的类型： 周期性实时任务： 非周期性实时任务：截止时间(deadline)，开始截止时间（最 晚开始时间）和完

15、成截止时间（最晚完成时间）用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域，包括实时 控制、实时信息处理目前的操作系统，通常具有分时、实时和批处理功能，又称作 通用操作系统。可适用于计算、事务处理等多种领域，能运行 在多种硬件平台上，如 UNIX系统、Windows NT等。通用 化、小型化1.3 操作系统的分类1.3.1 批处理操作系统 1.3.2 分时操作系统 1.3.3 实时操作系统 1.3.4 多处理操作系统 1.3.5 网络操作系统 1.3.6 分布式操作系统 1.3.7 个人计算机操作系统操作系统分类主要讨论操作系统的内部特征。返回1.3.1 批处理操作系统 (Batch Processing Operation System) 作业的处理流程 作业提交：作业的输入； 作业执行 作业完成：作业的输出；图1 批处理系统中作业处理及状态单道(uniprogramming)和多道批处理的比较多道程序系统和多处理系统(multiprocessing system)的区别 ：前者指多个程序同时在内存中交替运行，后者指多个处 理器。批处理的主要特征 用户脱机使用计算机：作业提交后直到 获得结果之前，用户无法与作业交互。 作业成批处理 多道程序并行：充分利用系统资源。多道批处理系统的资源利用效率特征多道批处理系统的资源利用效率特征是基于各作业对系统资 源的需求差异