计算机操作系统讲义-09

操作系统讲义-1-1《计算机操作系统》讲义一、课程简介操作系统是计算机系统的核心，它负责控制和管理整个计算机系统的软硬件资源，并使之协调工作。随着计算机的功能不断地发展和创新，计算机系统仍然遵循冯·诺依曼提出的体系结构，操作系统的核心功能依然是对处理器、存储器和输入输出设备的管理。对操作系统的基本原理和核心功能的学习和理解，是进一步创新的基础。学习本课程，使学生了解操作系统的基本概念、功能、分类和发展历史，掌握操作系统的使用操作方法，掌握进程和线程的管理技术，掌握处理机的管理和调度策略，掌握存储管理系统、文件系统和设备管理技术，在此基础上结合Linux的进程和存储管理与文件系统进行深入学习与分析，掌握目前主流操作系统Linux的基本原理和功能以及特点。使学生比较清楚地了解现在主流操作系统的一般面貌和内部结构，为进一步学习软、硬件技术及移植、修改、设计和使用系统打下良好的理论基础。通过本课程的学习，可深刻理解计算机软硬件如何协同工作，而且明确开发大型软件必然需要取得操作系统的支持，为以后设计和实现大型应用软件和系统软件打好基础；具备基本的分析问题和解决问题的能力。课程中应使学生掌握计算机操作系统的基本理论知识，基本原理与设计分析方法，掌握基本的实验技能。学生学习本课程后，为后续课程《计算机网络》、《数据库原理》、《编译原理》、《计算机接口技术》、《计算机组成原理》、《嵌入式系统》、《软件工程》的学习打下一个坚实的基础。二、课程教材教材：张尧学，史美林，张高.计算机操作系统教程(第3版).北京：清华大学出版社，2006教学内容：第一章绪论第二章操作系统用户界面第三章进程管理第四章处理机调度第五章存储管理第六章进程与存储管理示例第七章文件系统第八章设备管理第九章Linux文件系统三、课程安排操作系统讲义-2-21、学时安排总学时：56理论学时：46实验学时：102、参考书目[1]张尧学编．计算机操作系统教程（第三版）习题解答与实验指导．北京:清华大学出版社，2006[2]汤子瀛主编．计算机操作系统（第三版）．西安:西安电子科技大学出版社，2001[3]AndrewS.Tanenbaum.ModernOperatingSystems,SecondEdition.EnglewoodCliffs,N.J,PrenticeHall,2001[4]屠祁等编.操作系统基础（第三版）．北京:清华大学出版社，2000[5]冯耀霖等编.操作系统.西安:西安电子科技大学出版社，2001[6]左万历．计算机操作系统教程（第二版）．北京：高等教育出版社，2004操作系统讲义-3-3第一章操作系统引论1.1什么是操作系统一、系统软件的构成银行系统航空订票系统游戏}应用程序编译器编辑器命令解释器系统程序操作系统机器语言硬件微程序物理设备二、操作系统的作用1、操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口用户通过两种方式使用计算机：一是命令方式；二是系统调用方式。2、操作系统作为计算机系统资源的管理者系统资源分为：处理机资源（一个或多个）、存储器资源、I/O设备资源以及信息资源。相应操作系统的管理分为：处理机管理（进程管理）、存储器管理、I/O设备管理和文件管理3、操作系统作为扩充机器—虚拟机计算机安装了操作系统后，易于程序设计人员在逻辑上编写程序，方便了用户使用。三、操作系统的定义操作系统可以定义为如下3个方面的程序集合：1、控制和管理计算机系统的硬件和软件资源；主要内容：本章主要介绍什么是操作系统；操作系统在计算机系统中的地位、作用；操作系统的发展过程；操作系统的基本特征和功能；操作系统的结构设计模式；并对操作系统的今后发展动向和现在流行的操作系统进行介绍。教学安排：理论教学；共2学时备课札记操作系统讲义-4-42、合理地组织计算机的工作流程；3、方便用户的使用。1.2操作系统的发展史和分类一、操作系统的发展简史二、操作系统分类迄今为止，各类操作系统均属于下列操作系统之一或它们的组合：1、单用户（微机）操作系统；2、批处理系统；3、分时系统；4、实时系统；5、网络操作系统；6、分布式操作系统；7、多处理机操作系统；备课札记手工操作单道批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统脱机输入脱机输出监督程序输入输出缓存中断多道程序设计技术SPOOLING技术并行与分布式系统网络操作系统讲义-5-5其中前4类操作系统的运行环境以单处理机系统为主，后3类以多计算机系统为主。1.3操作系统的特征与功能一、操作系统的特征1、并发（Concurrence）指宏观上在一段时间内有多道程序在同时运行，而微观上这些程序是在交替执行。*注意区分并行。并行是指两个或多个事件在同一时刻发生。2、共享（Sharing）程序的并发执行使系统中的全部资源不在为某个程序所独占，而是有多个程序共同使用。3、虚拟（Virtual）多道程序设计技术把一台物理计算机虚拟为多台逻辑上的计算机，使的每个用户都感觉是“独占”计算机。4、异步性（Asynchronism）指一组事件在多次出现时，它们出现的时间和次序没有一定规律。多道程序环境下，指每道持续均以人们不可预知的速度向前推进。其中并发和共享是操作系统的两个基本特征。二、操作系统的功能五大管理功能：1、进程管理—处理机管理主要任务：对处理机的分配和运行实施有效的管理。2、存储器管理主要任务：对内存进行分配、保护和扩充。3、设备管理主要任务：根据设备分配原则对设备进行分配，使设备与主机并行工作，为用户提供良好的设备使用界面。4、文件管理主要任务：有效地管理文件的存储空间，合理地组织和管理文件系统，为文件访问和文件保护提供良好的使用手段。5、作业管理作业：是用户需要计算机完成任务的总和。主要任务：根据用户要求对作业的运行进行合理的组织和控制。1.4操作系统的结构设计模式备课札记操作系统讲义-6-61、模块化结构模式系统由许多标准的、可兼容的基本单位（模块）构成。各模块功能独立，可以单独设计，模块之间通过规定的接口相互调用。系统开发周期短，但模块之间调用关系复杂、相互依赖，使分析、移植和维护系统较为困难。2、层次化结构模式把操作系统分成许多基本的模块，并将这些模块按照某种逻辑关系进行分层，各层之间只能单向依赖，即上层软件基于下层之后，不能构成循环。整个系统的正确性由各层次的正确性来保证，易于保证可靠性，也便于维护和移植。3、客户/服务器结构模式操作系统的基本功能构成了内核。用户进程（即客户进程）向服务器进程发出请求，服务器进程完成操作后，把结果返回给客户进程。服务器进程运行在用户态下而不是核心态下。4、对象模式利用面向对象技术设计的操作系统。5、对称多处理模式操作系统工作在所有的处理机上且共享同一内存。1.5主要操作系统的介绍一、Windows系列个人操作系统商用操作系统1985Windows1.01987Windows2.01990Windows3.01993Windows3.XWindowsNT3.1(NT第1版)1993...WindowsNT3.5(NT第2版)19941995Windows95WindowsNT3.51(NT第3版)1995WindowsNT4.0(NT第4版)19961998Windows98WindowsCE19982000WindowsMEWindows2000(NT5.0)20002001WindowsXP备课札记操作系统讲义-7-7二、UNIX系列三、Linux发展Linux是由LinusTorvalds于1991年开发的。1991年9月，Linux0.0.1，很不完善。1991年10月，Linux0.0.2，第一个“正式”版本。两周后0.0.3。1991年12月，Linux0.1.0，已经有许多人在上面工作了。1994年3月，Linux1.01.6小结操作系统是由一系列程序模块组成的，它的基本功能是资源管理和方便用户：它管理处理机、内存、I/O设备和文件，提供用户接口。操作系统发展40年来，主要有两个目的：第一，为程序开发和执行提供一个方便的环境；第二，为保证计算机系统顺利执行，操作系统对各个计算机活动进行调度。操作系统的形成和发展是与计算机硬件发展密切相关的。操作系统这类系统软件有自己的基本特征，这就是：并发、共享和异备课札记SystemIII（1982）第8版第9版第10版(1989)SVR4（1989）第1版（1971）第3版（1973）第6版（1975）第7版SystemV（1983）SVR2（1984）SVR3（1987）1BSD（1978）2BSD（1978）3BSD（1979）4.0BSD（1980）4.4BSD（1993）IBMAIXSunSolarisHPUX操作系统讲义-8-8步性。操作系统提供大量的服务，在最低层是系统调用，它允许正在运行的程序直接得到操作系统的服务；在较高层，命令解释程序为用户提供请求服务的机制，而不必编写程序第二章进程的描述与控制2.1前趋图和程序执行一、前趋图的定义1、前趋图前趋图是一个有向无环图。有向是指结点Pi到Pj有边，用〈Pi，Pj〉表示。无环是指在整个图中不存在循环。2、前趋图的表示使用两个集合来表示。一个是结点集合“P”，另一个是前趋关系（有向边）的集合“→”。例：P={P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7}，→={〈P1，P2〉，〈P1，P3〉，〈P2，P4〉，〈P3，P5〉，〈P4，P6〉，〈P5，P6〉，〈P6，P7〉}。二、程序的顺序执行（单道程序设计环境）顺序程序活动有三个主要特点：主要内容：本章的重点在于建立进程的概念，深入理解进程动态性以及进程间的相互作用。程序是静态的，进程是动态的。进程有不同的状态，在一定的条件下发生状态变迁，每个进程有惟一的进程控制块（PCB），PCB是进程存在的惟一标志。教学安排：理论教学；共6学时P1P3P2P4P5P6P7备课札记操作系统讲义-9-9(1)程序所规定的动作在机器上严格地按顺序执行。(2)只有程序本身的动作才能改变程序的运行环境。(3)程序的执行结果与程序运行的速度无关。上述特点概括起来就是程序顺序性、封闭性和可再现性。所谓顺序性就是处理机的操作严格按程序所规定的顺序执行，即程序和机器执行程序的操作一一对应。所谓封闭性就是指程序一旦运行起来，其计算结果仅取决于程序本身；除了人为地改变运行状态或机器出现故障外，没有别的因素能影响程序运行的过程。所谓可再现性就是当机器在同一数据集上重复执行同一程序，每次执行都会得到相同的结果。程序顺序执行的特征：顺序性、封闭性、可再现性三、程序的并发执行（多道程序设计环境）1、多道程序设计在硬件引入通道和中断机构后，使得处理机和外部设备之间，外部设备和外部设备之间可以并行操作。这样就引入了多道程序设计技术。多道程序设计是在一台计算机上同时运行两个或更多个程序。从宏观上看，系统中的多个程序都同时得到执行，从微观上看它们是在交替执行，即程序是并发执行的。多道程序设计具有提高系统资源利用率和增加作业吞吐量的优点。例：（一个极端化的例子，但能说明问题）假定有两道作业A和B都在执行，每个作业都是执行一秒钟，然后等待一秒钟，进行数据输入，随后再执行，再等待……一直重复60次。如果按单道方式，先执行作业A，A作完了再执行B，那么两个作业都运行完，共需要4分钟，CPU的利用率为百分之五十。如果我们采用多道程序技术来执行同样的作业A和B就能大大改进系统性能，作业A先运行，它运行一秒后等待输入。此时让B运行，B运行一秒后等待输入，此时恰好A输入完，可以运行了，……就这样在CPU上交替地运行A和B，在这种理想的情况下，CPU不空转，其使用率升到百分之百，并且吞吐量也随之增加了。2、并发程序的表示为了在高级语言以及描述程序中的并发成分，Dijkstra引出了一组并发语句Parbegin/Parend。具体形式：ParbeginS1；S2；…Sn；备课札记操作系统讲义-10-10parend其中S1,S2，…，Sn表示可以并发执行的语句。3、程序并发执行时的特征1）间断性（制约性）并发程序在执