第一章：引論.ppt

1、第一章：引論,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，操作系統(tǒng)是配置在計(jì)算機(jī)硬件上的第一層軟件，是對(duì)硬件的第一次擴(kuò)充是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最核心的系統(tǒng)軟件，其他的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序都是在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的,操作系統(tǒng)的作用：,操作系統(tǒng)是用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口 操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)資源的管理者 通過(guò)操作系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)資源（硬件資源、軟件資源）的管理（處理器管理、I/o設(shè)備管理、信息管理、存儲(chǔ)器管理），來(lái)達(dá)到提高計(jì)算機(jī)資源的利用率，擴(kuò)大計(jì)算機(jī)處理信息的吞吐量 操作系統(tǒng)用作擴(kuò)充機(jī)器，增加了裸機(jī)的更能。 提供友好界面，方便用戶使用,操作系統(tǒng)的定義,操作系統(tǒng)是一組有效的管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種資源，協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)

2、各部件的工作，合理的組織計(jì)算機(jī)的工作流程，提供友好的用戶界面以方便用戶使用計(jì)算機(jī)的一種系統(tǒng)軟件 1、操作系統(tǒng)是軟件 2、基本職能是控制管理系統(tǒng)內(nèi)各種資源，有效地組織多道程序的運(yùn)行（統(tǒng)籌安排）。 3、操作系統(tǒng)位于計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)用戶之間，是用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口,從計(jì)算機(jī)組成觀點(diǎn)來(lái)看：操作系統(tǒng)是體統(tǒng)軟件。是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成部分之一。 從資源管理觀點(diǎn)來(lái)看：是系統(tǒng)資源的管理者。 從軟件分層、擴(kuò)充機(jī)器的觀點(diǎn)來(lái)看：是擴(kuò)充裸機(jī)的第一層系統(tǒng)軟件。 從服務(wù)用戶的觀點(diǎn)來(lái)看：是用戶和裸機(jī)之間的接口。,操作系統(tǒng)的不同視角,和操作系統(tǒng)打交道的兩類人1、操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員2、操作系統(tǒng)的使用者（廣大計(jì)算機(jī)用

3、戶） 使用者關(guān)心：1、操作系統(tǒng)的使用方法 2、操作系統(tǒng)提供了哪些功能幫助我們使用計(jì)算機(jī)，如何使用這些更能功能。 3、操作系統(tǒng)對(duì)其他應(yīng)用程序的支持,設(shè)計(jì)者關(guān)心：操作系統(tǒng)應(yīng)該有哪些功能 這些功能如何實(shí)現(xiàn) 如何編寫程序（提高系統(tǒng)效率、 大的系統(tǒng)吞吐量、 盡快地響應(yīng)時(shí)間） 如何方便用戶的使用 在有一臺(tái)處理機(jī)CPU和兩臺(tái)輸入輸出設(shè)備IO1和IO2的計(jì)算機(jī)上，投入運(yùn)行P2這個(gè)作業(yè)。它使用設(shè)備的先后順序和占用設(shè)備時(shí)間分別是：作業(yè)P2：IO1（20毫秒）CPU（20毫秒） IO2（40毫秒）問(wèn)當(dāng)作業(yè)從投入運(yùn)行到完成 CPU、 IO1和IO2的利用率是多少？ 各設(shè)備的利用率是該設(shè)備的使用時(shí)間同作業(yè)進(jìn)程組全部完成

4、所占最長(zhǎng)時(shí)間的比率,操作系統(tǒng)的類型,1、無(wú)操作系統(tǒng)時(shí)期 程序員首先將穿孔的紙帶裝入紙帶輸入機(jī)，把程序和數(shù)據(jù)輸入給計(jì)算機(jī)，然后讓計(jì)算機(jī)運(yùn)行，運(yùn)行后將結(jié)果取走后，再執(zhí)行下一個(gè)程序 缺點(diǎn)：資源獨(dú)占：每次只有一個(gè)程序使用計(jì)算 機(jī)， 該程序完全占有計(jì)算機(jī)的所有資源 CPU等待人工操作降低了資源的利用 率（人機(jī)矛盾） 高速的cpu和低速的i/o設(shè)備之間的矛盾,脫機(jī)輸入輸出技術(shù) 為了解決人機(jī)矛盾及CPU和I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，出現(xiàn)了脫機(jī)輸入輸出技術(shù) 將裝有程序和數(shù)據(jù)的紙帶裝入紙帶輸入機(jī)等設(shè)備，在一臺(tái)外圍機(jī)的控制下把紙帶的數(shù)據(jù)輸入到高速的磁帶上。當(dāng)CPU需要時(shí)把數(shù)據(jù)從高速的磁帶上輸入內(nèi)存。 程序和數(shù)

5、據(jù)的輸入輸出都是在外圍機(jī)的控制下完成的，脫離了主機(jī)的控制，主機(jī)可以在同時(shí)做別的事情 圖課本第6頁(yè),優(yōu)點(diǎn),提高了CPU的利用率 提高了I/O設(shè)備的利用率,操作系統(tǒng)的類型之批處理系統(tǒng),一、初級(jí)單道批處理系統(tǒng)（利用的就是脫機(jī)輸入輸出系統(tǒng)） 為了解決人工操作降低了計(jì)算機(jī)資源利用率的問(wèn)題（人機(jī)矛盾、低速的輸入輸出設(shè)備和高速的CPU之間的矛盾） 工作原理：采用脫機(jī)技術(shù)，讓眾多作業(yè)進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在作業(yè)處理過(guò)程中不需用戶的控制和干涉，追求的是系統(tǒng)吞吐量大，作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間短，資源利用率高 特點(diǎn)：(1) 自動(dòng)性。磁帶上的一批作業(yè)自動(dòng)的逐個(gè)運(yùn)行 (2) 順序性。 磁帶上的各個(gè)作業(yè)順序的進(jìn)入內(nèi)存，各道作業(yè)完成的順序和

6、他們進(jìn)入內(nèi)存的順序是一致的 (3) 單道性內(nèi)存中只有一道程序并使之運(yùn)行，每次只從磁帶中調(diào)入一道程序，只有當(dāng)該程序完成或者異常時(shí)，才調(diào)后繼程序進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行,缺點(diǎn),每一時(shí)刻只有一道作業(yè)在內(nèi)存中運(yùn)行，程序頻繁的從外存調(diào)入內(nèi)存，降低了系統(tǒng)的利用率 沒(méi)有對(duì)作業(yè)的控制和管理，假如一個(gè)程序作業(yè)量非常龐大，他運(yùn)行時(shí)獨(dú)占資源，在它運(yùn)行完之前，其他的任何作業(yè)，哪怕是非常短（非常著急）的作業(yè)也必須等待 工作過(guò)程課本第頁(yè),二、現(xiàn)代多道批處理系統(tǒng) 在單道批處理系統(tǒng)中，內(nèi)存中僅有一道作業(yè)，使系統(tǒng)中有比較多的空閑，為了提高資源利用率，在硬件采用通道和中斷技術(shù)支持并行操作的情況下引入了多道批處理技術(shù)，形成的系統(tǒng)為多道批處理系

7、統(tǒng)。 并不是將內(nèi)存中的程序按照順序執(zhí)行，而是通過(guò)一定的調(diào)度算法對(duì)駐留內(nèi)存中的作業(yè)進(jìn)行選擇執(zhí)行（依靠計(jì)算機(jī)中通道和中斷可并行）,批處理系統(tǒng)基礎(chǔ),并行：兩個(gè)或者多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生。 并發(fā)：兩個(gè)或者多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔發(fā)生。 為了提高計(jì)算機(jī)資源利用率，采用多道程序技術(shù)，他在主存中存放多道用戶作業(yè)，計(jì)算機(jī)硬件支持作業(yè)并行操作，使多道作業(yè)處于同時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)以共享系統(tǒng)資源。,在現(xiàn)代批處理系統(tǒng)中支持并行操作的硬件是通道和中斷。 通道是可以與CPU并行操作的專門用來(lái)控制I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送的處理機(jī)。（解釋） 異步事件：無(wú)一定時(shí)序關(guān)系的隨機(jī)發(fā)生的事件。 中斷是指CPU對(duì)系統(tǒng)中發(fā)生的異步事件的響應(yīng)。,中斷的含

8、義:這些異步事件發(fā)生后，打斷了對(duì)當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而去處理異步事件，執(zhí)行該事件的中斷處理程序，處理完成后在轉(zhuǎn)向原程序的中斷點(diǎn) 中斷響應(yīng)：處理起暫停當(dāng)前處理的程序，轉(zhuǎn)而處理中斷的過(guò)程為中斷響應(yīng) 中斷返回：處理完中斷處理程序后，恢復(fù)原來(lái)程序的執(zhí)行,中斷的方式：,中斷的應(yīng)用：提高利用率，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力 硬件中斷：硬件故障引起的中斷（電源故障總線錯(cuò)誤） 軟件中斷：軟件錯(cuò)誤引起的中斷（被零除地址越界） 中斷系統(tǒng)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心機(jī)制之一。,中斷優(yōu)先級(jí),按照優(yōu)先級(jí)排列中斷，較高優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)可以搶占較低優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù) 程序運(yùn)行時(shí)，如果中斷源的優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前運(yùn)行程序的優(yōu)先級(jí)，則可以中斷當(dāng)前正

9、在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)而運(yùn)行中斷源程序若中斷源的優(yōu)先級(jí)低于當(dāng)前運(yùn)行程序的優(yōu)先級(jí)，那么中斷請(qǐng)求將被屏蔽或封鎖。,多道批處理系統(tǒng)的特征,多道性：內(nèi)存中同時(shí)駐留多道程序，并允許他們并發(fā)執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的利用率和系統(tǒng)的吞吐量 無(wú)序性：多個(gè)作業(yè)完成的順序與他們進(jìn)入內(nèi)存的順序沒(méi)有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系 宏觀上并行，微觀上串行 調(diào)度性 作業(yè)調(diào)度：從外存的多道作業(yè)中選擇作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行 進(jìn)程調(diào)度：從已在內(nèi)存的多道作業(yè)中選擇一個(gè)作業(yè)的進(jìn)程，將處理機(jī)分配給它，使之執(zhí)行,多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)在內(nèi)存中同時(shí)存放幾道相互獨(dú)立的程序，這幾道程序都處于運(yùn)行過(guò)程中。 從宏觀看，多道程序是并行執(zhí)行的 從微觀上看，多道程序在某個(gè)部件上是串行 多道程

10、序輪流使用部件，交替執(zhí)行。 多道程序在計(jì)算機(jī)的各部件上并行執(zhí)行。,批處理系統(tǒng),對(duì)I/O設(shè)備采用非搶占方式，一旦將該I/O設(shè)備分配給某進(jìn)程，那就要等該程序的完成后再進(jìn)行分配 調(diào)度采用兩種方式：非搶占方式和強(qiáng)占方式 若采用強(qiáng)占方式，當(dāng)一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的程序要使用cpu時(shí)，就要停止當(dāng)前cpu正在運(yùn)行的優(yōu)先級(jí)較低的程序，讓優(yōu)先級(jí)高的程序運(yùn)行完畢后再運(yùn)行原程序,缺點(diǎn),作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)：作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間是指作業(yè)從開(kāi)始進(jìn)入系統(tǒng)開(kāi)始，到完成并退出系統(tǒng)經(jīng)歷的時(shí)間在批處理系統(tǒng)中，作業(yè)要排隊(duì)，依次進(jìn)行處理，周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng) 無(wú)交互能力：用戶一旦把作業(yè)提交給系統(tǒng)直到作業(yè)完成，用戶都不能與自己的作業(yè)交互,例題（年高級(jí)程序員試題）

11、有一臺(tái)處理機(jī)CPU和兩臺(tái)輸入輸出設(shè)備IO1和IO2，且能夠?qū)崿F(xiàn)搶先式多任務(wù)并行工作的多道程序內(nèi)，投入運(yùn)行優(yōu)先級(jí)由高到低P1、P2、P3三個(gè)作業(yè)。它們使用設(shè)備的先后順序和占用設(shè)備時(shí)間分別是：作業(yè)P1：IO2（30毫秒）CPU（10毫秒） IO1（30毫秒） CPU（10毫秒）作業(yè)P2：IO1（20毫秒）CPU（20毫秒） IO2（40毫秒）作業(yè)P3：CPU（30毫秒）IO1（20毫秒）在對(duì)于其他輔助操作時(shí)間可以忽略不計(jì)的假設(shè)下，作業(yè)P1、P2、P3從投入到完成所用的時(shí)間分別為A 毫秒、B 毫秒和C 毫秒。三個(gè)作業(yè)從投入運(yùn)行到全部完成，CPU的利用率約為D%，IO1的利用率約為E%。假定在系統(tǒng)中僅

12、有這三個(gè)作業(yè)投入運(yùn)行，各設(shè)備的利用率指該設(shè)備的使用時(shí)間同作業(yè)進(jìn)程全部完成所占用最長(zhǎng)時(shí)間的比例。,分時(shí)系統(tǒng),解決的矛盾：用戶希望自己能夠直接控制程序的運(yùn)行和及時(shí)進(jìn)行人機(jī)交互，希望每個(gè)人都獨(dú)立控制一臺(tái)主機(jī)但是但是主機(jī)昂貴而且缺乏 分式系統(tǒng)是指在一臺(tái)主機(jī)上連接了許多帶有顯示器和鍵盤的終端，他允許多個(gè)用戶同時(shí)通過(guò)終端以交互方式使用并共享主機(jī)中的資源,分時(shí)是指多個(gè)用戶分時(shí)共享同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，把計(jì)算機(jī)資源（尤其是cpu）進(jìn)行時(shí)間上分割，即將整個(gè)工作時(shí)間分成一個(gè)個(gè)時(shí)間片，將每個(gè)時(shí)間片分給一個(gè)用戶使用將cpu工作時(shí)間分別提供給多個(gè)用戶，每個(gè)用戶依次輪流使用每一個(gè)時(shí)間片,單道分時(shí)系統(tǒng),內(nèi)存中駐留一道程序，其余程序

13、都放到外存中 每當(dāng)內(nèi)存中的一個(gè)作業(yè)運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片后，便調(diào)到外存，再?gòu)耐獯嬷羞x一個(gè)作業(yè)調(diào)到內(nèi)存并運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片 可以保證：每個(gè)程序都能在一規(guī)定的時(shí)間內(nèi)輪流運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片，所有用戶可以和自己的作業(yè)交互 缺點(diǎn)：作業(yè)被頻繁調(diào)出調(diào)入內(nèi)存多次，開(kāi)銷大（調(diào)出調(diào)入過(guò)程中cpu是空閑的）,多道分時(shí)系統(tǒng),在內(nèi)存中存放多道作業(yè)并排成一個(gè)隊(duì)列，依次輪流的獲得一個(gè)時(shí)間片來(lái)運(yùn)行 切換的作業(yè)本身就在內(nèi)存，不用花大量時(shí)間用于調(diào)動(dòng)調(diào)出,分時(shí)系統(tǒng)的特征：,多路性 宏觀多個(gè)用戶同時(shí)工作，共享資源 微觀上每個(gè)用戶作業(yè)輪流運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片 獨(dú)立性 多個(gè)終端互不干擾，用戶覺(jué)得自己好象獨(dú)占主機(jī) 交互性 可以通過(guò)終端進(jìn)行人機(jī)對(duì)話 及時(shí)性 用戶

14、的請(qǐng)求能夠在很短的時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng),分時(shí)系統(tǒng)的指標(biāo)響應(yīng)時(shí)間,響應(yīng)時(shí)間：用戶從終端發(fā)出命令到系統(tǒng)作出響應(yīng)之間的時(shí)間間隔 分時(shí)系統(tǒng)中用戶為n，每個(gè)用戶運(yùn)行時(shí)間為q，則系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為nq Q有兩部分組成切換時(shí)間 真正用于處理的時(shí)間,時(shí)間片的選擇,nq q（時(shí)間片）s（切換時(shí)間）+tP（處理時(shí)間） 時(shí)間片過(guò)大，響應(yīng)時(shí)間不變則用戶減少 用戶不變，時(shí)間片過(guò)大，則響應(yīng)時(shí)間過(guò)大 時(shí)間片太小，則切換開(kāi)銷相對(duì)增加，一個(gè)進(jìn)程要相對(duì)花費(fèi)更多的時(shí)間片才能運(yùn)行結(jié)束 最佳時(shí)間片：好的響應(yīng)時(shí)間、切換開(kāi)銷小,在輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法中決定時(shí)間片是一個(gè)復(fù)雜和關(guān)鍵的任務(wù)假定進(jìn)程間平均文本切換時(shí)間為s，一個(gè)受設(shè)備束縛的進(jìn)程在產(chǎn)生一個(gè)請(qǐng)求前使用的

15、時(shí)間為t（ts）討論以下每個(gè)時(shí)間片設(shè)置時(shí)的影響 1、q比0稍微大 2、q=s 3 、q=t 4 、qt 5 、q無(wú)限大,分時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間T= nq，式中n為用戶數(shù)，q為時(shí)間片。 q（時(shí)間片）s（切換時(shí)間）+tP（處理時(shí)間）。 當(dāng)q比0大一點(diǎn)和qs時(shí)qs，即tP0，表示在q時(shí)間片內(nèi)系統(tǒng)忙于在進(jìn)程間切換，沒(méi)有時(shí)間用于處理進(jìn)程任務(wù)，無(wú)法完成進(jìn)程各任務(wù)，類似死循環(huán)。,當(dāng)q增大到q=t第3種情況，由于t是進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求前的平均執(zhí)行時(shí)間，ts，系統(tǒng)給每一個(gè)交互進(jìn)程執(zhí)行的時(shí)間片足以讓該進(jìn)程產(chǎn)生一個(gè)輸入輸出要求，這樣可使用戶進(jìn)程工作在最高速度上，并且也減少了不必要的進(jìn)程間轉(zhuǎn)接處理機(jī)時(shí)的開(kāi)銷，提高了輸入輸出

16、設(shè)備的利用率，同時(shí)也能提供較好的周轉(zhuǎn)時(shí)間。這時(shí)如適當(dāng)選擇用戶數(shù)n使響應(yīng)時(shí)間T控制在1秒內(nèi)，則此時(shí)時(shí)間片q選擇最佳。,在第4種情況qt，隨著時(shí)間增大，在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)，進(jìn)程必要提出一個(gè)I/O請(qǐng)求，這時(shí)剩余不用的時(shí)間片時(shí)間增大，造成CPU機(jī)時(shí)的浪費(fèi)，CPU的利用率也逐步降低，而響應(yīng)時(shí)間也逐步增大，進(jìn)程的周轉(zhuǎn)時(shí)間也增大。 當(dāng)q增大到無(wú)窮大，第5種情況時(shí)，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法也退化為先來(lái)先服務(wù)算法。,實(shí)時(shí)系統(tǒng),目標(biāo)：為了縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)隨即發(fā)生的外部時(shí)間能夠做出及時(shí)響應(yīng)并對(duì)其做出處理。 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng) 用于生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)控制，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、武器的控制。這些系統(tǒng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件并非由于人工啟動(dòng)和直接干預(yù)引起的。 實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng) 實(shí)時(shí)信息處理，飛機(jī)訂票、情報(bào)檢索、隨機(jī)發(fā)生的外部事件是由人工通過(guò)終端啟動(dòng)，并連續(xù)對(duì)話引起的。,操作系統(tǒng)的特征,并發(fā)性 在多道環(huán)境下，宏觀上，一段時(shí)間內(nèi)有多道程序同時(shí)進(jìn)行，微觀上，每一個(gè)時(shí)刻僅能執(zhí)行一道程序 共享性 系統(tǒng)中的所