【正文】 1 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng) The Principles of Operating Systems 主講教師：原倉(cāng)周 輔導(dǎo)教師：劉蕓 北航軟件學(xué)院 2 2020/11/4 操作系統(tǒng) 教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)模式 ?操作系統(tǒng)是一門(mén)涉及較多硬件知識(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件課程，在計(jì)算機(jī)軟、硬件課程的設(shè)置上，起著承上啟下的作用 ?本課程的目的與任務(wù)是 ?使學(xué)生理解操作系統(tǒng)的基本原理、組成、基本概念和主要功能 ?目前國(guó)內(nèi)外操作系統(tǒng)課程的教學(xué)主要有兩種模式： ?側(cè)重理論與原理的講述，不局限于具體實(shí)例 ?結(jié)合具體實(shí)例，講述操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù) 3 2020/11/4 操作系統(tǒng) 本課程的教學(xué)目的 ?掌握操作系統(tǒng)的工作原理 ?學(xué)習(xí)軟件設(shè)計(jì)的思想方法 ?了解 Linux/windows的技術(shù)方法 4 2020/11/4 操作系統(tǒng) 教材 操作系統(tǒng)原理 Linux篇 徐德明 編著 國(guó)防工業(yè)出版社 2020年 1月第 1版 5 2020/11/4 操作系統(tǒng) 參考書(shū)：理論部分 ?《 現(xiàn)代操作系統(tǒng) 》 陳向群等譯 機(jī)械工業(yè)出版社 ? “ Operating System:Internals and Design Principles” 中文版：電子工業(yè)出版社 英文版：清華大學(xué)出版社 ?“ Operating System Concept” Abrahan Silberschatz,etc ?《 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 》 湯子瀛等 西安電子科技大學(xué)出版社 6 2020/11/4 操作系統(tǒng) 參考書(shū)：具體操作系統(tǒng) ?《 操作系統(tǒng)原理 DOS篇 》 張昆蒼 清華大學(xué)出版社 ?《 Windows操作系統(tǒng)原理 》 尤晉元等 機(jī)械工業(yè)出版社 ?《 Windows 內(nèi)核實(shí)驗(yàn)教程 》 陳向群等編著 機(jī)械工業(yè)出版社 ?《 Linux Kernel》 中文版，電子讀物 ?《 深入分析 Linux內(nèi)核源代碼 》 陳莉君編著 人民郵電出版社 7 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)課程的特點(diǎn) ?新概念多，涉及面廣：并行程序，性能問(wèn)題，結(jié)構(gòu)問(wèn)題，程序方法論，軟件工程，等等 ?理論性強(qiáng) ?實(shí)踐性強(qiáng) ： 從實(shí)踐總結(jié)出原理 ? ?結(jié)構(gòu)復(fù)雜：各部分知識(shí)縱橫交叉，密切相關(guān) 8 2020/11/4 操作系統(tǒng) 注意學(xué)習(xí)方法 ?掌握實(shí)質(zhì) 、 忌諱死記硬背 ， 要善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題 、提出問(wèn)題 ， 并要努力尋求問(wèn)題的答案 ? ?提倡自主學(xué)習(xí) 、 拓寬知識(shí) ， 要通過(guò)自學(xué) 、 研讀參考書(shū)深入理解和掌握教師課堂指出的要點(diǎn)內(nèi)容 ? ?理論與實(shí)踐相結(jié)合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)理解和驗(yàn)證所學(xué)理論 9 2020/11/4 操作系統(tǒng) 課程形式 ?主課，習(xí)題課，討論課 ?作業(yè)，小論文及上機(jī)實(shí)驗(yàn) 10 2020/11/4 操作系統(tǒng) 平時(shí)成績(jī)（ 30%）： 作業(yè) （ 10%） ，上機(jī)實(shí)驗(yàn)（ 10%） ，小論文 （ 10%） 期末考試（ 70%）：筆試 考核方式和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) 11 2020/11/4 操作系統(tǒng) 本課程需要的基礎(chǔ)知識(shí) ?具備 C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí) ?粗通匯編語(yǔ)言編程 ?略知微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尤其是保護(hù)模式，分段、分頁(yè)機(jī)制。 12 2020/11/4 操作系統(tǒng) 第一章 操作系統(tǒng)概論 ?什么是操作系統(tǒng)？ ?為什么學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)？ ?操作系統(tǒng)的發(fā)展史及常用的操作系統(tǒng)介紹 ?操作系統(tǒng)做什么？ ?操作系統(tǒng)的分類(lèi) ?操作系統(tǒng)發(fā)展方向及影響因素 ?操作系統(tǒng)的特征 ?操作系統(tǒng)的功能 ?操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 13 2020/11/4 操作系統(tǒng) 什么是操作系統(tǒng)？ ?操作系統(tǒng)的 地位 ?引入 操作系統(tǒng)的 目標(biāo) ?操作系統(tǒng)的 作用 ?操作系統(tǒng)的 組成 操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)系統(tǒng)軟件，是目前最復(fù)雜的軟件成分 14 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的地位 ?計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 15 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的地位 ?操作系統(tǒng)的地位：緊貼系統(tǒng)硬件之上，所有其他軟件之下（是其他軟件的共同環(huán)境） 計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)系統(tǒng)工具應(yīng)用軟件應(yīng)用用戶(hù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員16 2020/11/4 操作系統(tǒng) 引入操作系統(tǒng)的目標(biāo) ?提供一個(gè)計(jì)算機(jī)用戶(hù)與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口，使用戶(hù)能夠靈活、 方便 、有效地使用計(jì)算機(jī) ?有效 地控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種硬件和軟件資源，使之得到更有效的利用。 ?合理 地組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作流程，以改善系統(tǒng)性能（如響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)吞吐量）。 ?虛擬機(jī) 的概念 17 2020/11/4 操作系統(tǒng) 引入操作系統(tǒng)的目標(biāo) ?有效 ： ?系統(tǒng)效率（如 CPU用的充足與否） ?資源利用率（如內(nèi)存，外部設(shè)備是否忙碌） ?合理 ： ? 公平與否，如果不公平則會(huì)產(chǎn)生“死鎖”或“饑餓” ?方便 ： ?針對(duì)應(yīng)用程序程序員和用戶(hù) ?可擴(kuò)充性 （開(kāi)放的觀點(diǎn)）：硬件的類(lèi)型和規(guī)模、操作系統(tǒng)本身的功能和管理策略、多個(gè)系統(tǒng)之間的資源共享和互操作 18 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的作用（ 1） ?OS是計(jì)算機(jī)硬件、軟件資源的管理者 ?管理對(duì)象 包括： CPU、存儲(chǔ)器、外部設(shè)備、信息（數(shù)據(jù)和軟件） ?管理的內(nèi)容 ：資源的當(dāng)前狀態(tài)（數(shù)量和使用情況）、資源的分配、回收和訪(fǎng)問(wèn)操作，相應(yīng)管理策略（包括用戶(hù)權(quán)限） 19 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的作用（ 2） ?OS是用戶(hù)使用系統(tǒng)硬件、軟件的接口 ?系統(tǒng)命令 （命令行、菜單式、命令腳本式、圖形用戶(hù)接口 GUI） ?系統(tǒng)調(diào)用 （形式上類(lèi)似于過(guò)程調(diào)用，在應(yīng)用編程中使用） 20 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的作用（ 3） ?OS是擴(kuò)展機(jī) (extended machine)/虛擬機(jī)(virtual machine) ?在裸機(jī)上添加：設(shè)備管理、文件管理、存儲(chǔ)管理（針對(duì)內(nèi)存和外存）、處理機(jī)管理（針對(duì) CPU） ?另外，為合理組織工作流程：作業(yè)管理、進(jìn)程管理 操作系統(tǒng)的 非形式化定義 （關(guān)鍵點(diǎn)）：系統(tǒng)軟件，程序模塊的集合，資源管理和用戶(hù)接口功能 21 2020/11/4 操作系統(tǒng) 為什么學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)？ ?反對(duì)學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的理由 ?世界上只需要很少的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì) /實(shí)現(xiàn)者 ?Windows 的壟斷不易改變 ?支持學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的理由 ?操作系統(tǒng)包括了 所有軟件設(shè)計(jì) /實(shí)現(xiàn)問(wèn)題 ，包括資源共享 /管理、 安全和身份驗(yàn)證、靈活性，健壯性、友好界面設(shè)計(jì) ?加深對(duì)使用的 OS的理解，有利于深入編程 ?編程時(shí)借鑒操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和算法 ?存在人們意識(shí)不到的大量“操作系統(tǒng)”，嵌入式系統(tǒng)(Embedded OS） ?操作系統(tǒng)的性能是支撐軟件和應(yīng)用 軟件性能的基礎(chǔ) ?操作系統(tǒng)的安全是一切 信息安全的基礎(chǔ) 22 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的發(fā)展的 主要?jiǎng)恿? ?推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿Γ骸?需求推動(dòng)發(fā)展 ” ?提高資源的利用率和系統(tǒng)性能 ：計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)昂貴，用作集中計(jì)算 ?方便用戶(hù) ：用戶(hù)上機(jī)、調(diào)試程序，分散計(jì)算時(shí)的事務(wù)處理和非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)（商業(yè)和辦公、家庭） ?器件的發(fā)展： CPU的位寬度（指令和數(shù)據(jù)）、快速外存。操作系統(tǒng)發(fā)展是隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，目標(biāo)： 充分利用硬件 23 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的歷史 變化 ! 意味著技術(shù)總在改變 要適應(yīng)、折衷權(quán)衡 24 2020/11/4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)發(fā)展的四個(gè)階段 ?第 1階段：電子管時(shí)代 (1946年 1955年 ) ?手工計(jì)算 ?第 2階段 晶體管時(shí)代（ 1955年 1965年） ?單道批處理系統(tǒng) ?第 3階段：集成電路時(shí)代（ 1965年 70年代中） ?多道批處理系統(tǒng) ?第 4代階段：大規(guī)模集成電路時(shí)代 (70年代中 ) ?分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng) ?操作系統(tǒng)新的 發(fā)展方向 ?網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng) 25 2020/11/4 操作系統(tǒng) 第 1階段：電子管時(shí)代 (1946年 1955年 ) ?手工操作，沒(méi)有 OS ?集中計(jì)算（計(jì)算中心），計(jì)算機(jī)資源昂貴 ?程序通過(guò)插板或卡片裝入 26 2020/11/4 操作系統(tǒng) 沒(méi)有操作系統(tǒng)之前的程序運(yùn)行過(guò)程 ?要運(yùn)行一個(gè)作業(yè)，先將程序?qū)懺诩埳希ㄓ酶呒?jí)語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言） ?然后穿孔成卡片，再將卡片盒交給操作員 ?計(jì)算結(jié)果從打印機(jī)上輸出 ?操作員到打印機(jī)上撕下運(yùn)算結(jié)果送到輸出室 ?程序員稍后可從取到結(jié)果 ?然后，操作員從輸入室的卡片盒中讀入另一個(gè)任務(wù) ?如果需要 FORTRAN編譯器，還要把它取來(lái)讀入計(jì)算機(jī) ?機(jī)時(shí)在走來(lái)走去時(shí)被浪費(fèi) 27 2020/11/4 操作系統(tǒng) 第 1階段的特點(diǎn) ?工作方式 ? 用戶(hù) ：用戶(hù)既是程序員，又是操作員；用戶(hù)是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員 ? 編程語(yǔ)言 ：為機(jī)器語(yǔ)言 ? 輸入輸出 ：紙帶或卡片 ?計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn) ? 用戶(hù)獨(dú)占全機(jī) ：不出現(xiàn)資源被其他用戶(hù)占用，資源利用率低； ? CPU等待用戶(hù) ：計(jì)算前，手工裝入紙帶或卡片；計(jì)算完成后，手工卸取紙帶或卡片； CPU利用率低 ?主要矛盾 ? 計(jì)算機(jī)處理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪費(fèi)）； ? 用戶(hù)獨(dú)占全機(jī)的所有資源 ?提高效率的途徑 ? 專(zhuān)門(mén)的操作員，批處理 28 2020/11/4 操作系統(tǒng) 第 2階段：晶體管時(shí)代（ 1955年 1965年） ?利用磁帶把若干個(gè)作業(yè)分類(lèi)編成作業(yè)執(zhí)行序列，每個(gè)批作業(yè)由一個(gè)專(zhuān)門(mén)的 監(jiān)督程序 （ Monitor）自動(dòng)依次處理 ?程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言誕生： ? FORTRAN 1954年提出， 1956年設(shè)計(jì)完成 ? ALGOL 1958年引入 ? COBOL 1959年引入 ?設(shè)計(jì)人員、操作人員、程序人員和維護(hù)人員之間有了明確的分工 29 2020/11/4 操作系統(tǒng) 單道批處理操作系統(tǒng) 現(xiàn)代操作系統(tǒng)雛型 ? 批處理中的作業(yè)的組成 ?用戶(hù)程序 ?數(shù)據(jù) ?作業(yè)說(shuō)明書(shū)（作業(yè)控制語(yǔ)言） ? 批 ?供一次加載的磁帶或磁盤(pán)，通常由若干個(gè)作業(yè)組裝成，在處理中使用一組相同的系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)帶） 30 2020/11/4 操作系統(tǒng) 單道批處理操作系統(tǒng) 聯(lián)機(jī)批處理 ?用戶(hù)提交作業(yè)：以紙帶或卡片為介質(zhì)； ?操作員合成批作業(yè)：結(jié)果為磁帶介質(zhì)； ?批作業(yè)處理：對(duì)批作業(yè)中的每個(gè)作業(yè)進(jìn)行相同的處理：從磁帶讀入用戶(hù)作業(yè)和編譯鏈接程序，編譯鏈接用戶(hù)作業(yè)，生成可執(zhí)行程序；啟動(dòng)執(zhí)行；執(zhí)行結(jié)果輸出。 ?這時(shí)的問(wèn)題：慢速的 輸入輸出處理仍直接由主機(jī)來(lái)完成 。輸入輸出時(shí)， CPU處于等待狀態(tài) 31 2020/11/4 操作系統(tǒng) 單道批處理操作系統(tǒng) 脫機(jī)批處理 ?利用 衛(wèi)星機(jī) 完成輸入輸出功能。 主機(jī) 與衛(wèi)星機(jī)可并行工作 ?衛(wèi)星機(jī) ：完成面向用戶(hù)的輸入輸出（紙帶或卡片），中間結(jié)果暫存在磁帶或磁盤(pán)上。 ?作業(yè)控制