os第1章操作系統(tǒng)引論10軟工

操作系統(tǒng)聯(lián)系方式:

ly_ghl@126.com

ospublic_2009@126.compw:

ospublic_200912001-02-191參考書WilliamStallings,OperatingSystems(3rdedition),

清華大學出版社,1998年6月張堯學，史美林，計算機操作系統(tǒng)教程，清華大學出版社，1993年9月11-12(2)10軟工專業(yè)參考書(續(xù))Uresh

Vahalia,UNIX高級教程—系統(tǒng)技術內幕，清華大學出版社，1999年5月；DavidA.Solomon,MarkE.Russinovich,InsideMicrosoftWindows2000,3rdEdition,MicrosoftPress,2000，ISBN0-7356-1021-5DavidA.Solomon,WindowsNT

技術內幕，清華大學出版社，1999年7月11-12(2)10軟工專業(yè)要求課程要求：希望同學可以多看看相關的書籍希望同學認真完成課堂留給的作業(yè)認真記筆記思考問題：如何學習好操作系統(tǒng)這門課程？能否將自己所學習到的知識和實際聯(lián)系起來？或應用？學習這門課程對于我會有哪方面的提高？11-12(2)10軟工專業(yè)課程主要內容介紹進程管理處理機調度和死鎖存儲器管理設備管理文件管理操作系統(tǒng)接口11-12(2)10軟工專業(yè)課程要求作業(yè)：10~20%上機實驗：10%考試：60～70%考勤：10%11-12(2)10軟工專業(yè)第一章操作系統(tǒng)概述1.1操作系統(tǒng)的目標和作用1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.5操作系統(tǒng)的結構設計

11-12(2)10軟工專業(yè)1.1操作系統(tǒng)的目標和作用1.1.1操作系統(tǒng)的目標目前存在著多種類型的OS，不同類型的OS，其目標各有所側重。通常在計算機硬件上配置的OS，其目標有以下幾點：

1.方便性

2.有效性

3.可擴充性

4.開放性11-12(2)10軟工專業(yè)1.1.2操作系統(tǒng)的作用

1.OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口

OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間接口的含義是：OS處于用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間，用戶通過OS來使用計算機系統(tǒng)。或者說，用戶在OS幫助下，能夠方便、快捷、安全、可靠地操縱計算機硬件和運行自己的程序。應注意，OS是一個系統(tǒng)軟件，因而這種接口是軟件接口。11-12(2)10軟工專業(yè)圖1-1OS作為接口的示意圖11-12(2)10軟工專業(yè)

(1)命令方式。

(2)系統(tǒng)調用方式。

(3)圖形、窗口方式。11-12(2)10軟工專業(yè)

2.OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者

3.OS用作擴充機器

11-12(2)10軟工專業(yè)1.1.3推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力不斷提高計算機資源利用率2.方便用戶3.器件的不斷更新?lián)Q代4.計算機體系結構的不斷發(fā)展11-12(2)10軟工專業(yè)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)

1.人工操作方式從第一臺計算機誕生(1945年)到50年代中期的計算機，屬于第一代，這時還未出現(xiàn)OS。這時的計算機操作是由用戶(即程序員)采用人工操作方式直接使用計算機硬件系統(tǒng)。這種人工操作方式有以下兩方面的缺點：

(1)用戶獨占全機。(2)CPU等待人工操作。11-12(2)10軟工專業(yè)2.脫機輸入/輸出(Off-LineI/O)方式這種脫機I/O方式的主要優(yōu)點如下：減少了CPU的空閑時間。(2)提高I/O速度。圖1-2脫機I/O示意圖11-12(2)10軟工專業(yè)1.2.2單道批處理系統(tǒng)1.單道批處理系統(tǒng)(SimpleBatchProcessingSystem)的處理過程圖1-3單道批處理系統(tǒng)的處理流程11-12(2)10軟工專業(yè)

2.單道批處理系統(tǒng)的特征單道批處理系統(tǒng)是最早出現(xiàn)的一種OS，嚴格地說，它只能算作是OS的前身而并非是現(xiàn)在人們所理解的OS。盡管如此，該系統(tǒng)比起人工操作方式的系統(tǒng)已有很大進步。該系統(tǒng)的主要特征如下：

(1)自動性。

(2)順序性。

(3)單道性。11-12(2)10軟工專業(yè)1.2.3多道批處理系統(tǒng)

1.多道程序設計的基本概念在單道批處理系統(tǒng)中，內存中僅有一道作業(yè)，它無法充分利用系統(tǒng)中的所有資源，致使系統(tǒng)性能較差。為了進一步提高資源的利用率和系統(tǒng)吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序設計技術，由此而形成了多道批處理系統(tǒng)(MultiprogrammedBatchProcessingSystem)。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)調度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干個作業(yè)調入內存，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源。11-12(2)10軟工專業(yè)在OS中引入多道程序設計技術可帶來以下好處：提高CPU的利用率。

11-12(2)10軟工專業(yè)圖1-4單道和多道程序運行情況11-12(2)10軟工專業(yè)

(2)可提高內存和I/O設備利用率。

(3)增加系統(tǒng)吞吐量。11-12(2)10軟工專業(yè)2.多道批處理系統(tǒng)的特征多道性。(2)無序性。(3)調度性。11-12(2)10軟工專業(yè)3.多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點資源利用率高。(2)系統(tǒng)吞吐量大。(3)平均周轉時間長。(4)無交互能力。11-12(2)10軟工專業(yè)1.2.4分時系統(tǒng)

1.分時系統(tǒng)(Time-SharingSystem)的產生如果說，推動多道批處理系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要動力，是提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，那么，推動分時系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要動力，則是用戶的需求?；蛘哒f，分時系統(tǒng)是為了滿足用戶需求所形成的一種新型OS。它與多道批處理系統(tǒng)之間，有著截然不同的性能差別。用戶的需求具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)人—機交互。

(2)共享主機。

(3)便于用戶上機。11-12(2)10軟工專業(yè)2.分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關鍵問題(1)及時接收。(2)及時處理。11-12(2)10軟工專業(yè)3.分時系統(tǒng)的特征多路性。(2)獨立性。(3)及時性。(4)交互性。11-12(2)10軟工專業(yè)1.2.5實時系統(tǒng)所謂“實時”，是表示“及時”，而實時系統(tǒng)(Real-TimeSystem)是指系統(tǒng)能及時(或即時)響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調一致地運行。1.應用需求實時控制。

(2)實時信息處理。11-12(2)10軟工專業(yè)2.實時任務1)按任務執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性來劃分周期性實時任務。(2)非周期性實時任務。

外部設備所發(fā)出的激勵信號并無明顯的周期性，但都必須聯(lián)系著一個截止時間(Deadline)。它又可分為：①開始截止時間——任務在某時間以前必須開始執(zhí)行；②完成截止時間——任務在某時間以前必須完成。11-12(2)10軟工專業(yè)

2)根據(jù)對截止時間的要求來劃分

(1)硬實時任務(hardreal-timetask)。系統(tǒng)必須滿足任務對截止時間的要求，否則可能出現(xiàn)難以預測的結果。

(2)軟實時任務(Softreal-timetask)。它也聯(lián)系著一個截止時間，但并不嚴格，若偶爾錯過了任務的截止時間，對系統(tǒng)產生的影響也不會太大。11-12(2)10軟工專業(yè)3.實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較

多路性。(2)獨立性。(3)及時性。(4)交互性。(5)可靠性。11-12(2)10軟工專業(yè)1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.3.1并發(fā)(Concurrence)1.3.2

共享(Sharing)

1.

互斥共享方式

2.

同時訪問方式11-12(2)10軟工專業(yè)

1.3.3虛擬(Virtual)

操作系統(tǒng)中的所謂“虛擬”，是指通過某種技術把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應物。物理實體(前者)是實的，即實際存在的；而后者是虛的，是用戶感覺上的東西。相應地，用于實現(xiàn)虛擬的技術，稱為虛擬技術。在OS中利用了多種虛擬技術，分別用來實現(xiàn)虛擬處理機、虛擬內存、虛擬外部設備和虛擬信道等。11-12(2)10軟工專業(yè)1.3.4異步性(Asynchronism)進程的運行速度不可預知：分時系統(tǒng)中，多個進程并發(fā)執(zhí)行，"時走時停"，不可預知每個進程的運行推進快慢判據(jù)：無論快慢，應該結果相同－－通過進程互斥和同步手段來保證難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個時刻的狀態(tài)（包括重現(xiàn)運行中的錯誤）性能保證：實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)相似，但通過資源預留以保證性能11-12(2)10軟工專業(yè)1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.4.1處理機管理功能

1.進程控制

2.進程同步

3.進程通信4.調度11-12(2)10軟工專業(yè)1.4.2存儲器管理功能1.內存分配2.內存保護

3.地址映射4.內存擴充11-12(2)10軟工專業(yè)

1.4.3設備管理功能設備管理用于管理計算機系統(tǒng)中所有的外圍設備，而設備管理的主要任務是，完成用戶進程提出的I/O請求；為用戶進程分配其所需的I/O設備；提高CPU和I/O設備的利用率；提高I/O速度；方便用戶使用I/O設備。為實現(xiàn)上述任務，設備管理應具有緩沖管理、設備分配和設備處理，以及虛擬設備等功能。11-12(2)10軟工專業(yè)

1.緩沖管理

2.設備分配3.設備處理11-12(2)10軟工專業(yè)1.4.4文件管理功能

1.文件存儲空間的管理

2.目錄管理

11-12(2)10軟工專業(yè)

3.文件的讀/寫管理和保護

(1)文件的讀/寫管理。

(2)文件保護。11-12(2)10軟工專業(yè)1.4.5用戶接口1.命令接口

2.程序接口

3.圖形接口11-12(2)10軟工專業(yè)傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結構操作系統(tǒng)是一個十分復雜的大型軟件。為了控制該軟件的復雜性，在開發(fā)OS時，先后引入了分解、模塊化、抽象和隱蔽等方法。開發(fā)方法的不斷發(fā)展，促進了OS結構的更新?lián)Q代。這里，我們把第一代至第三代的OS結構，稱為傳統(tǒng)的OS結構，而把微內核的OS結構稱為現(xiàn)代OS結構。1.5操作系統(tǒng)的結構設計11-12(2)10軟工專業(yè)

1.無結構操作系統(tǒng)

11-12(2)10軟工專業(yè)

2.模塊化OS結構

1)模塊化結構模塊化程序設計技術，是最早(20世紀60年代)出現(xiàn)的一種程序設計技術。該技術是基于“分解”和“模塊化”原則來控制大型軟件的復雜度的。為使OS具有較清晰的結構，OS不再是由眾多的過程直接構成，而是將OS按其功能劃分為若干個具有一定獨立性和大小的模塊。圖1-5示出了由模塊、子模塊等組成的模塊化OS結構。11-12(2)10軟工專業(yè)圖1-5模塊化操作系統(tǒng)結構11-12(2)10軟工專業(yè)2)模塊化OS的優(yōu)缺點提高了OS設計的正確性、可理解性和可維護性。(2)增強了OS的可適應性。(3)加速了OS的開發(fā)過程。模塊化結構設計的缺點有二。首先，在開始設計OS時，對模塊的劃分及對接口的規(guī)定并不精確，而且還可能存在錯誤，因而很難保證按此規(guī)定所設計出的模塊會完全正確，這將使在把這些模塊裝配成OS時發(fā)生困難；其次，從功能觀點來劃分模塊時，未能將共享資源和獨占資源加以區(qū)別；11-12(2)10軟工專業(yè)3.分層式OS結構

1)有序分層的基本概念從改進設計方式上說，應使我們的每一步設計都是建立在可靠的基礎上。我們可以從物理機器開始，在其上面先添加一層具有一定功能的軟件A1,由于A1是建立在完全確定的物理機器上的，在經過精心設計和幾乎是窮盡無遺的測試后，可以認為A1是正確的；然后再在A1上添加一層新軟件A2，……，如此一層一層地自底向上增添軟件層，每一層都實現(xiàn)若干功能，最后總能構成一個能滿足需要的OS。11-12(2)10軟工專業(yè)分層式結構設計的基本原則是：每一層都僅使用其底層所提供的功能和服務，這樣可使系統(tǒng)的調試和驗證都變得容易。11-12(2)10軟工專業(yè)

2)層次的設置

(1)程序嵌套。通常OS的每個功能的實現(xiàn)，并非是只用一個程序便能完成的，而是要經由若干個軟件層才有可能完成。因此在劃分OS層次時，首先要考慮在實現(xiàn)OS的每個功能時所形成的程序嵌套。例如，作業(yè)調度模塊須調用進程控制模塊；在為某作業(yè)創(chuàng)建一進程時，進程控制模塊又須調用內存管理模塊為新進程分配內存空間，可見，進程控制模塊應在內存管理模塊之上；而作業(yè)調度模塊又應在更高層。11-12(2)10軟工專業(yè)

(2)運行頻率。在分層結構中，各層次軟件的運行速度是不同的，因為A1層軟件能直接在物理機器上運行，故它有最高的運行速度。隨著層次的增高，其相應軟件的運行速度就隨之下降，因而An層軟件的運行速度最低。為了提高OS的運行效率，應該將那些經?；钴S的模塊放在最接近硬件的A1層，如時鐘管理、進程調度，通常都放在A1層。11-12(2)10軟工專業(yè)

(3)公用模塊。應把供多種資源管程程序調用的公用模塊，設置在最低層，不然，會使比它低的層次模塊由于無法調用它而須另外配置相應功能的模塊。例如，用于對信號量進行操作的原語Signal和Wait。

(4)用戶接口。為方便用戶(程序)，OS向用戶提供了“用戶與OS的接口”，如命令接口、程序接口以及圖形用戶接口。這些接口應設置在OS的最高層，直接提供給用戶使用。11-12(2)10軟工專業(yè)1.5.3微內核OS結構

1.客戶/服務器模式(Client-ServerModel)1)基本概念為了提高OS的靈活性和可擴充性而將OS劃分為兩部分，一部分是用于提供各種服務的一組服務器(進程).操作系統(tǒng)的另一部分是內核，用來處理客戶和服務器之間的通信，即由內核來接收客戶的請求，再將該請求送至相應的服務器；同時它也接收服務器的應答，并將此應答回送給請求客戶。此外，在內核中還應具有其它一些機構，用于實現(xiàn)與硬件緊密相關的和一些較基本的功能。11-12(2)10軟工專業(yè)圖1-6單機環(huán)境下的客戶/服務器模式11-12(2)10軟工專業(yè)2)客戶/服務器模式的優(yōu)點提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴充性。(2)提高了OS的可靠性。(3)可運行于分布式系統(tǒng)中。11-12(2)10軟工專業(yè)2.面向對象的程序設計技術(Object-OrientatedProgramming)

1)面向對象技術的基本概念面向對象技術是20世紀80年代初提出并很快流行起來的。該技術是基于“抽象”和“隱蔽”原則來控制大型軟件的復雜度的。所謂對象，是指在現(xiàn)實世界中具有相同屬性、服從相同規(guī)則的一系列事物的抽象，而把其中的具體事物稱為對象的實例。OS中的各類實體如進程、線程、消息、存儲器等，都使用了對象這一概念，相應地，便有進程對象線程對象、存儲器對象等。11-12(2)10軟工專業(yè)圖1-7一個對象的示意圖數(shù)據(jù)結構過程1過程2過程311-12(2)10軟工專業(yè)

2)面向對象技術的優(yōu)點

(1)可修改性和可擴充性。

(2)繼承性。

(3)正確性和可靠性。11-12(2)10軟工專業(yè)3.微內核技術微內核技術的引入所謂微內核技術，是指精心設計的、能實現(xiàn)現(xiàn)代OS核心功能的小型內核，它與一般的OS(程序)不同，它更小更精煉，它不僅運行在核心態(tài)，而且開機后常駐內存，它不會因內存緊張而被換出內存。11-12(2)10軟工專業(yè)

2)微內核的基本功能微內核所提供的功能，通常都是一些最基本的功能，如進程管理、存儲器管理、進程間通信、低級I/O功能。

(1)進程管理。

(2)存儲器管理。

(3)進程通信管理。

(4)I/O設備管理。11-12(2)10軟工專業(yè)常用的操作系統(tǒng)1、MSDOS2、MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows20003、UNIX返回11-12(2)10軟工專業(yè)1MSDOS1981年：PC-DOS1.1：IBMPC，只支持軟盤的個人操作系統(tǒng)；1983年：DOS2.0：PCXT，支持硬盤和目錄的層次結構，并提供豐富的系統(tǒng)命令；1984年：DOS3.0：PCAT(Intel80286CPU)，它把286作為一個快速的8086使用；1987年：DOS3.3：提供對IBMPS/2的支持（如3.5"軟驅），提供了更多的應用；1988年：DOS4.0：支持大于32M的硬盤；1991年：DOS5.0：改進對擴展內存的支持；IBMPC,CPU8088/8086,BIOS單用戶單任務，簡單分層結構，16位MSDOS的歷史11-12(2)10軟工專業(yè)MSDOS的結構DOSBIOS(BasicInput/OutputSystem)：由一組與硬件相關的設備驅動程序組成，實現(xiàn)基本的輸入/輸出功能；DOS核心：提供一套獨立于硬件的系統(tǒng)功能：內存管理、文件管理、字符設備和輸入/輸出、實時時鐘等；命令處理程序：對用戶命令進行分析和執(zhí)行；11-12(2)10軟工專業(yè)MSDOS的特點字符用戶界面。"準多任務"不支持虛擬存儲，沒有存儲保護。XMS是段式分配，通過內存數(shù)據(jù)搬移來使用XMS區(qū)域EMS是頁式分配，通過頁面的映射來使用EMS區(qū)域或者用支持保護方式的編程工具文件系統(tǒng)為FAT(FileAllocationTable)格式（磁盤卷設備驅動程序在系統(tǒng)起動時加載。分為字符設備和塊設備。11-12(2)10軟工專業(yè)2MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows20001990年：Windows3.0（成功版本），16位OS，借見AppleMacintosh給出友好的用戶界面；1993年：WindowsNT3.1,32位OS，支持DOS和Windows應用程序；1999年12月：Windows2000(Professional,Server,AdvancedServer)，32位OS；CPU80386