操作系统,广州商学院 杜云梅 3947653,课程简介,重要的计算机专业必修基础课程 理论性强、算法多、难度大 硕士研究生和博士研究生入学的考试科目 课程性质：必修课，4学分 学时：总90课时(授课54课时+上机36课时),2,教学环节：,理论教学（上课、作业） 实验（上机检查、实验报告） 期末考试,成绩评定,平时成绩：作业 + 课堂提问 + 随机点名 上机实验：实验项目检查50%+实验报告50%(4次) 期末考试：闭卷 最后成绩=考试60%+平时成绩10%+实验30%,课程特点及学习方法,课程特点 概念多、抽象、枯燥 理论性强、难理解 学习方式 按时上课，认真听课，亲自完成实验 读课本，写提纲，作标记，找答案，做作业，应考试 思考、讨论、提问,课程要求,课前预习 上课认真听讲，不允许聊天、睡觉、玩游戏、看与本课程无关的书籍等 无故不得旷课，有事要请假，三次以上无故旷课取消期末考试资格 课后认真复习，按时独立地完成作业 实验课之前要认真准备，认真、独立做实验 考试前认真复习,6,今天的任务,1.操作系统是什么？ 2.操作系统做什么？ 3.为什么学操作系统？,第一章 操作系统概论,1.1 操作系统概观 1.2 操作系统的形成和发展 1.3 操作系统提供的服务和用户接口 1.4 操作系统的结构设计 1.5 流行操作系统简介,1.1 操作系统概观,操作系统的定义和目标 操作系统的作用和功能 操作系统的主要特性,随处可见的电子设备,所有的电子设备都有操作系统,电子计算机(大型机，微型机) 汽车电子控制部件 火星漫步者 手持设备(手机，PDA) 洗衣机，微波炉 本课讨论范围限于计算机OS,Win、Unix、Linux,Android、iOS、Symbian、Windows Phone和BlackBerry OS,Altair 8080,石器时代的操作系统,最基本的计算机由CPU，存储器以及输入/输出设备组成 Source CodeCompilerObject CodeHardware 在那个年代，人们是通过一个控制面板将Object Code输入内存并读出结果。,0x2A3B,0x20,现在我们是怎么做的?,每按一个键系统都要字符回显示至显示器，直至输入回车，数据就被写入指定地址的内存了。 谁将字符显示到显示器上？(屏显处理程序) 它如何得知我的指令结束？(键盘处理程序) 它怎么知道我是要写而 不是读？(命令处理程序),操作系统是什么?,OS是屏显处理程序+键盘处理程序+命令处理程序？ 这样的OS太过简单，无法管理文件，无法上网，无法 OS是屏显处理程序+键盘处理程序+命令处理程序+文件管理程序+网络接入程序？ OS是N个提供服务的程序集合,人们希望OS完成哪些工作?,方便地操作计算机 使计算机的功能得到扩充 有效管理我的文档 尽可能地快速完成我下达的任务 自己可以在其之上开发新功能 OS就是一套能完成上述工作的软件,操作系统的定义,操作系统是管理系统资源、控制程序执行，改善人机界面，提供各种服务，合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件 。(可以是硬件吗？) 硬件 计算机系统 系统软件 软件 应用软件,计算机系统的层次结构,Interface接口 (边界),接口提供了一条合理的边界，使接口的两边可以很好的对话。接口可分成硬硬、软硬、软软几类， OS和硬件之间是软硬接口。,用户如何透过OS支配硬件(VM),OS向用户提供一个容易理解和使用的“计算机”(虚拟机)，用户对这个“计算机”的操作都将被转化成OS对计算机硬件的操作。 E.g.在“我的电脑”中复制、粘贴文件。,OS能做些什么？(OS的功能),OS是一个协调者和交通警察 管理资源 硬件资源(处理机，存储器，设备) 信息资源(文件) 解决申请资源时产生的冲突 阻止错误的产生和对计算机不正当的使用 OS是一个便利店 提供良好的用户界面 标准的函数库 使得编程更加方便并且不容易出错,OS接管计算机的过程,打开电源 CPU将控制权交给BIOS （基本输入输出系统，存放在CMOS中） BIOS运行一个程序：通电自测试程序 BIOS确认所有外部设备：硬盘或扩充卡 BIOS找到磁盘的引导区（通常在磁盘的最开始的部分），将接下来的512Bytes主引导程序装入内存。（主引导程序是一段代码，它可以将OS余下部分装入内存） 引导操作系统结束，操作系统接管计算机,操作系统的主要功能,处理器管理 存储管理 设备管理 文件管理 网络与通信管理 用户接口,虚拟性： 是指把物理实体变成逻辑对应物。 如虚拟软驱、虚拟硬盘、虚拟光驱、虚拟内存、虚拟打印机、虚拟摄像头。,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 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： 计算机系统资源可被多个并发执行的程序共同使用。 互斥共享 如打印机、磁带机等 同时访问 如磁盘等,异步性（随机性）：,A,B,B,A,终点,操作系统的主要特性,并发性 共享性 异步性 虚拟性,并发性,并行是指两或多个事件在同一时刻发生。 存在于有多个CPU的环境中，在内存中放多道作业，在任一时间点上都可能有多道作业在不同的CUP上同时执行。 并发是两或多个事件在同一时间间隔内发生。 在内存中放多道作业，在一个时间段上来看，每一道作业都能不同程度地向前推进。 但在任何一个时间点上只能有一道占用CPU。单处理器情况下各作业只能交替执行。 并行性是并发性的特例，并发性是并行的扩展。 进程：系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。引入线程后，独立运行的单位变为线程。,共享性,系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。 互斥共享：一段时间只允许一个进程访问该资源。 而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。 同时共享：宏观上同时访问资源，微观上仍是互斥的 并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。,异步性,进程的异步性：进程以人们不可预知的速度向前推进。多个进程并发执行，“走走停停”，无法预知每个进程的运行推进快慢。 程序执行结果不确定，程序不可再现。即对同一程序，在相同的输入和相同的环境下运行，但经多次运行，却可能获得完全不同的结果。 但是操作系统必须保证：只要运行环境相同，多次运行同一程序，都会获得完全相同的计算结果。,执行结果不确定性,与时间有关的错误, a = n /n表示剩余的票数 if (a=1) a = a-1; /售出一张票 n = a; , a = n /n表示剩余的票数 if (a=1) a = a-1; /售出一张票 n = a; ,因为这种错误和相对执行速度有关，因此称为与时间有关的错误。,服务器,虚拟性,虚拟是指将一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。前者是实际存在的，而后者是虚的，是一种感觉性的存在。 虚拟技术分为：时分复用技术和空分复用技术。 通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。若n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速度或占用空间必然是物理设备速度的1/n。,例1通过多道程序和分时使用CPU技术，物理上的一个CPU变成逻辑上的多个CPU 例2通过Spooling技术可把物理上的一占设备变成逻辑上的多台虚拟设备 例3通过窗口技术可把物理上的一个屏幕变成逻辑上的多个虚拟屏幕 例4虚拟存储器把物理上的多个存储器(主存和辅存)变成逻辑上的一个(虚存),虚拟性(续),复习,什么操作系统？ OS是一套提供多种服务的系统软件！ 计算机系统是一个层次结构的系统，层与层之间都存在一个界面接口(Interface) 操作系统有哪些功能？ 管理硬件资源和信息资源 可以扩充至各种未知的功能 操作系统有哪些特性？ 并发性：与并行性之间的区别 共享性：互斥共享和同时访问 异步性：即随机性，与同步之间的区别 虚拟性,1.2 操作系统的形成和发展,人工操作阶段 管理程序阶段 多道程序设计与操作系统的形成,人工操作阶段(没有OS软件的时代),穿孔卡片 程序写在卡片上然后读入计算机,1.2.1人工操作阶段（无操作系统）,电子管计算机，无操作系统，由手工控制作业的输入输出,通过控制台开关启动程序运行。用户使用计算机的过程大致如下：先把程序纸带装上输入机，启动输入机把程序和数据送入计算机，然后通过控制台开关启动程序运行，计算完毕后，用户拿走打印结果，并卸下纸带。 人工操作方式 如纸带输入机。 特点是用户独占全机及CPU等待人工操作。 脱机I/O方式 引入I/O机的概念，解决前者的缺点。 特点是减少了CPU的空闲时间且提高I/O速度。,脱机I/O示意图,外围机,磁带,磁带,主机,磁带,外围机,输出设备,输入设备,磁带,人工操作方式的特点,(1)单用户方式 (2) 输入输出设备主要是纸带和卡片 (3) 程序员上机必须预约机时 (4) 程序员自己上机操作 (5) 程序的启动与结束处理都以手工方式进行 (6) 程序员的操作以交互方式进行(控制台) (7)程序设计直接编制二进制目标程序 (8) 程序执行过程得不到任何帮助,管理程序阶段(OS的软件雏形),操作员集中一批用户提交的作业，由管理程序将这批作业从纸带或卡片机输入到磁带上，每当一批作业输入完成后，管理程序自动把磁带上的第一个作业装入内存，并把控制权交给作业。 当该作业执行完成后，作业又把控制权缴回管理程序，管理程序再调入磁带上的第二个作业到内存执行。,晶体管计算机，管理程序，操作系统的雏形，称为监控程序（monitor） 。 管理程序阶段的工作过程：用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入到辅存（如磁带）上，形成一个作业队列。当需要调入作业时，监控程序从这一批中选一道作业调入内存运行。当这一作业完成时，监控程序调入下一道程序，直到这一批作业全部完成。,1.2.2管理程序阶段（单道批处理）,管理程序阶段（单道批处理）工作过程,还有下一 个作业？,把下一个作业 的源程序转换 为目标程序,源程序 有错吗？,装配目标程序,运行目标程序,开始,是,否,停止,是,否,用户程序,管理程序,I/O操作,I/O中断请求,启动I/O,I/O完成,结束中断,I/O中断请求,启动I/O,I/O完成,完成,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,(a)单道程序运行情况,t0,管理程序阶段 (续),管理程序Monitor的主要功能: 自动控制和处理作业流 （JCL） 提供一套操作命令 提供设备驱动和I/O控制功能 提供库程序和程序装配功能 提供简单的文件管理功能,管理程序阶段系统的特点,(1) 作业（步）间不需要人的干预 (2) 管理程序常驻内存，开机后第一个进入内存，直到关机一直驻留在内存中 (3) 专职操作员，程序员不在现场 (4) 单道 (5) 管理程序只为一个计算机系统设计,管理程序阶段系统的评价,解决了作业间的自动转动问题，减少了机器时间的浪费。 不管作业大小，只要它一旦占用处理器开始执行，则他必须一直占据处理器，直到运行完毕。 资源利用率低。 对短作业不公平，因为他们等待执行的时间可能远远超过它们实际执行的时间。 交互性差。作业由批处理程序控制运行，用户无法实时控制，如果运行中途出现故障，也只能停下来，重新运行。 自动性 顺序性 单道性,例题 (p11),计算某个数据处理问题，输入500个字符(花78ms)，经CPU处理52ms后，将结果2000个字符存到磁带上(花20ms) ，重复进行，直至输入数据全部处理完毕。 计算运行时处理器的使用效率。,单道算题,CPU利用率 = 52/(78+52+20) 35%,多道程序设计,多道程序设计是指允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计算的方法。 从宏观上看: 并行 从微观上看: 串行 引入多道程序设计技术的根本目的:提高CPU的利用率 实现该目标的硬件保证：处理器和外围设备具可以并行工作,