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1、计算机操作系统（Computer Operating System）课程说明学习目的：学习操作系统的基本原理和基本概念， 掌握操作系统的基本管理功能，加深对计算机系统的理解和提高软件开发水平；课程地位：基础核心课；承上启下；学习方法：以问题驱动学习、理论联系实际；课堂要求：遵守课堂纪律，“预习+课堂学习+复习”，按时按量完成作业。 课程内容n操作系统引论n进程管理n处理机调度与死锁n存储管理n设备管理n文件管理n操作系统接口n多处理机操作系统n多媒体操作系统OS 引论（Introduction）n1.1 操作系统的目标和作用n1.2 操作系统的发展过程n1.3 操作系统的基本特性n1.4 操作
2、系统的主要功能n1.5 OS结构设计存储程序式计算机结构与特点存储程序式计算机结构与特点n冯诺依曼(Von Neumann)于1946年提出存储程序概念:n要一个运算器处理； -执行指定的操作n要一个控制器； -实现自动操作n计算机能自动地计算； -存储器存储程序和数据n输入/输出部件； -输入原始数据和输出结果n主要特点是存储程序、程序控制。计算机系统的组成计算机系统计算机系统软件系统软件系统硬件系统硬件系统工具软件工具软件应用软件应用软件系统软件系统软件CPUMemoryI/O计算机系统的组成计算机系统的组成（续）计算机系统的四个层次1 操作系统的目标和作用n操作系统的目标：1）有效性：充
3、分利用系统资源；2）方便性：计算机系统更容易使用；3）可扩充性：便于功能的增加和修改；4）开放性：程序的可移植和互操作性。2 操作系统的目标和作用n操作系统的作用：计算机硬件系统调用 命令 图形、窗口操作系统应用程序用 户1 1）用户与计算机硬件系统之间的接口）用户与计算机硬件系统之间的接口n提供良好的界面；方便使用；n操作系统提供了三种方式来使用计算机：n（1）命令方式；（2）系统调用方式; (3)图形、窗口方式。操作系统的作用操作系统的作用2 2）计算机资源的管理者）计算机资源的管理者n合理组织工作流程；n管理和分配系统资源（软、硬）；n资源共享；n3） 对资源的抽象对资源的抽象(扩充机器
4、扩充机器)硬 件物理接口用户用户硬 件物理接口I/O软件I/O操作命令（Read,Write)n裸机；n软件虚拟机；n操作系统虚拟机(多次扩充)。 软件：语言处理程序 虚拟机2软件：操作系统 虚拟机1 硬件（裸机） 虚拟机虚拟机：二者结合变成了功能更强大、使用更方便 的机器n固件固件：为了改善系统的性能，将操作系统中与硬件密切有关的部分软件，通过微程序设计技术转化为硬件，也就是通常所说的固化，这些具有软件功能的硬件称为固件。n总结：总结：5、从发展观点看：、从发展观点看： 1、从用户的观点看：、从用户的观点看：操作系统是用户和计算机之间的接口。操作系统是用户和计算机之间的接口。2、从资源管理的
5、观点看：、从资源管理的观点看：它是管理和控制计算机系统资源的管理软件。它是管理和控制计算机系统资源的管理软件。 3、从进程的观点看：、从进程的观点看：它是合理组织计算机工作流程的大型软件。它是合理组织计算机工作流程的大型软件。4、从软件分层、扩充机器的观点看：、从软件分层、扩充机器的观点看： OS是扩充裸机的第一层系统软件，它是由若干层次、是扩充裸机的第一层系统软件，它是由若干层次、按照一定结构形式组成的有机体。按照一定结构形式组成的有机体。 OS是为了给计算机系统功能扩展提供支撑平台，是为了给计算机系统功能扩展提供支撑平台，使之在追加新的服务和功能时更加容易和不影响原有的使之在追加新的服务和
6、功能时更加容易和不影响原有的服务和功能。服务和功能。 什么是操作系统？什么是操作系统？n定义：n操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。n理解：.是系统软件，由一整套程序组成.基本职能是控制和管理系统内各种资源，有效的组织多道程序运行.提供众多服务方便用户使用，扩充硬件功能即：管理者、组织者、服务者即：管理者、组织者、服务者操作系统举例nMS OS: MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 9X, Windows NT, Windows 2000/XP, Windows Vista,Win7nUNIX: BS
7、D, SRV4, OSF1, SCO UNIX, AIX, Solaris, LinuxnNOS: Novell Netware推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力n不断提高计算机资源的利用率n方便用户n器件的不断更新换代n计算机体系结构的不断发展操作系统的发展过程操作系统的发展过程n计算机的发展过程（按元器件）第一代：电子管时代，无第二代：晶体管时代，批处理系统第三代：集成电路时代，多道程序设计第四代：大规模和超大规模集成电路，分时系统操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展n人工（无）操作阶段n批处理阶段n多道程序系统n分时系统n实时系统n通用操作系统n微机操作系统n网络操
8、作系统n分布式操作系统1.人工操作阶段（无操作系统）n上机过程：程序纸带（或卡片）装上输入机，启动输入机把程序和数据送入计算机通过控制台开关，启动程序运行监视和控制它的执行打印机输出计算结果，卸下纸带n人工干预n计算机运行的高速度与手工操作的慢速度之间的矛盾。缺点：作业不能自动转换用户独占机器CPU等待人工操作（人机矛盾） 为了缩短作业的建立时间为了缩短作业的建立时间,减少错误操作减少错误操作尽可能地提高尽可能地提高CPU的利用率的利用率,采取了两个措施采取了两个措施: 1.配备专门的操作员配备专门的操作员 2.批处理批处理(联机批处理、联机批处理、 脱机批处理脱机批处理)联机批处理联机批处理
9、: 用户上机前用户上机前,需向操作员提交程序、数据需向操作员提交程序、数据和一个作业说明书和一个作业说明书,提供用户标识、用户想使用提供用户标识、用户想使用的编译程序以及所需的系统资源等基本信息的编译程序以及所需的系统资源等基本信息.2.早期批处理脱机批处理模型脱机批处理模型 脱机批处理原理：在主机之外另设一在主机之外另设一台卫星机（外围计算机），它负责工作台卫星机（外围计算机），它负责工作而主机专门完成计算任务。而主机专门完成计算任务。纸带机卡片机打印机卫星机主机输入带输出带批处理阶段n早期批处理系统n联机批处理：解决了作业自动转换；n脱机批处理：使I/O操作和主机分离；n解决人-机矛盾以及
10、高速CPU和低速I/O设备的矛盾 由主机和卫星机组成。卫星机又称外围计算由主机和卫星机组成。卫星机又称外围计算机，不与主机直接连接，只与外部设备打交道机，不与主机直接连接，只与外部设备打交道.主主机与卫星机可以并行操作，二者分工明确，可以机与卫星机可以并行操作，二者分工明确，可以充分发挥主机的高速计算能力。充分发挥主机的高速计算能力。 批处理系统解决了人批处理系统解决了人机矛盾以及高速机矛盾以及高速CPU和低速和低速I/O设备的矛盾。它的出现促进了软件的发设备的矛盾。它的出现促进了软件的发最重要的是产生了起管理作用的监督程序。最重要的是产生了起管理作用的监督程序。 优点优点:减少了减少了CPU
11、的空闲时间；的空闲时间； 提高了提高了I/O速度；速度； 实现了作业的自动过渡实现了作业的自动过渡 缺点缺点:磁带需人工拆卸；系统的保护问题磁带需人工拆卸；系统的保护问题;3.单道批处理系统 单道批处理系统单道批处理系统:系统每次中调用一个用系统每次中调用一个用户作业程序进入主存并运行。户作业程序进入主存并运行。用户程序计算监督程序请求输入I/O操作启动I/O结束中断I/O完成继续计算单道程序工作示例单道程序工作示例还有下一个作业？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图1-4 单道批处理系统的处理流程单道批处理的特征特征：特征：1)自动性自动
12、性：无需人工干预：无需人工干预 2)顺序性顺序性：按进入磁带的顺序进入内存按进入磁带的顺序进入内存 3)单道性单道性：内存中仅存一个作业运行内存中仅存一个作业运行缺点：缺点：1）系统没有任何保护自己的措施系统没有任何保护自己的措施； 2）程序进入死循环必须要程序员干预）程序进入死循环必须要程序员干预。作业作业(Job)(Job)要求计算机系统按指定步骤对初始数要求计算机系统按指定步骤对初始数据进行处理并得到结果的一系列工作的集合。据进行处理并得到结果的一系列工作的集合。4.多道批处理系统n多道程序设计的概念n单道程序工作：单道程序工作：指计算机主存中只存一个作指计算机主存中只存一个作业，辅存中
13、存放多个作业业，辅存中存放多个作业n多道程序工作：多道程序工作：在辅存中存有大量作业，并在辅存中存有大量作业，并将这些作业按一定要求排成队列，从这些作将这些作业按一定要求排成队列，从这些作业队列中，选出几个作业进入主存多道运行业队列中，选出几个作业进入主存多道运行单道与多道程序工作示意中断请求中断请求中断n中断中断（InterruptsInterrupts）：是指CPU对系统中发生的异步事件的响应。中断的含义是当这些异步事件发生后，打断了处理机对当前程序的执行，而转去处理该异步事件，即执行该事件的中断处理程序，直到处理完了之后，再转向原程序的中断点执行。n中断一般可分为中断一般可分为硬件中断和
14、软件中断硬件中断和软件中断二大类二大类。硬件中断硬件中断又可分为n硬件故障中断例如：电源故障、从内存取指令错、取数据错n输入输出中断 当外部设备或通道操作正常结束或发生某种错误时发生的中断。例如：设备出错、传输结束n外部中断对某台中央处理机而言，它的外部非通道式装置所引起的中断称为外部中断。例如：时钟中断、操作员控制台中断。2、分级、分级 即：根据即：根据中断源中断源来确定中断执行的优先级。也就来确定中断执行的优先级。也就是当有多个中断源同时发出中断请求时先执行哪个是当有多个中断源同时发出中断请求时先执行哪个中断。中断。 中断的优先选择由中断的优先选择由硬件硬件来实现的，在计算机中设来实现的，
15、在计算机中设置了若干个中断级，从大到小给每个中断级置了若干个中断级，从大到小给每个中断级编号编号。对每个优先级分配的原则，一般是对对每个优先级分配的原则，一般是对紧急的、重要紧急的、重要的、较频繁发生的的、较频繁发生的中断源中断源分配较高的中断优先级分配较高的中断优先级。中断处理过程图 1-5单道和多道程序运行情况 t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求用户程序监督程序I/O 操作(a) 单道程序运行情况程序A程序A I/O 请求程序A I/O 完成程序B程序B I/O 请求程序C程序C I/O 请求程序D程序D
16、 I/O 请求C I/O 完成C 再被调度程序B I/O 完成程序A再被调度程序A程序B程序C程序D调度程序(b) 四道程序运行情况A完成结束中断多道程序系统n多道程序系统：指允许多个相互独立的程序同时存在于主存中，而且同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，各道程序轮流占用处理机，交替运行。n多道批处理的运行特征：n多道：内存中同时存放几个作业；n宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；n微观上串行运行：各作业交替使用CPU；n在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？）多道批处理系统需要解决的问题：n处理机管理问题；n内存管理问题；nI/O设备管理问题；n文件管理问题；n作业管理问题；多道程序系统n优点：n资源利用率高：CPU和内存利用率较高；n系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；n缺点：n平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；n无交互能力：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；分时系统n1. 分时系统分时系统(Time-Sharing System)的产的产生生 推动多道批处理系统形成和发展的
