【正文】 計算機操作系統(tǒng) 南京工業(yè)大學信息學院計算機系 2 總 目 錄 第 1章 操作系統(tǒng)引論 第 2章 進程管理 第 3章 處理機調(diào)度與死鎖 第 4章 存儲器管理 第 5章 設備管理 第 6章 文件管理 第 7章 操作系統(tǒng)接口 3 課內(nèi)上機實驗 1. 進程的創(chuàng)建 2. 線程的創(chuàng)建 3. 進程同步 4. 進程通信 5. 進程調(diào)度 6. 銀行家算法 7. 頁面置換算法的模擬 8. 磁盤 I/O 9. 命令解釋程序 【 說明 】 以上 9個上機實驗 ， 共計 22學時 (包括 2個進階要求的 4學時 )， 可以選擇其中的 4次實驗 (共 8學時 )作為課內(nèi)上機實驗任務 。 第 1次實驗 (進程管理 ) 第 2次實驗 (調(diào)度與死鎖 ) 第 4次實驗 (操作系統(tǒng)接口 ) 第 3次實驗 (存儲器管理 ) (設備管理 ) (4選 1) (2選 1) (2選 1) 4 第 1章 操作系統(tǒng)引論 OS的目標和作用 OS的發(fā)展過程 操作系統(tǒng)的基本特征 操作系統(tǒng)的主要功能 操作系統(tǒng)的結構設計 第 1章復習題 5 OS的目標 ? 有效性 ? 方便性 ? 可擴展性 ? 開放性 操作系統(tǒng) （ Operating System , OS） 是計算機硬件上的第一層軟件 ， 是計算機必須配置的最基本 、 最重要的系統(tǒng)軟件 。 OS的目標和作用 6 1． 有效性 (早期 OS的主要目標 ) ?有效提高 CPU和 I/O設備利用率 ? 提高的方法： 合理地組織計算機的工作流程 2． 方便性 (現(xiàn)在 OS越來越重視方便性 ) ?可使計算機系統(tǒng)更容易使用 (解釋之 ) 方便性和有效性是設計 OS的兩個最重要的目標 7 3． 可擴展性 ? 計算機硬件和體系結構的發(fā)展，對 OS提出了更高的功能和性能要求 ? 計算機網(wǎng)絡，特別是 Inter的發(fā)展，也對 OS提出了一系列更高的要求 為什么要有可擴充性？ 因為： OS為了能適應發(fā)展的要求，須具有良好的可擴充性。 如何才有可擴充性？ 應采用新的 OS結構，如微內(nèi)核結構和客戶服務器模式。 8 4． 開放性 ? 為什么要有開放性 ？ 計算機網(wǎng)絡 ， 特別是 LAN的迅速發(fā)展 ， 使 OS的應用環(huán)境由單機轉向網(wǎng)絡環(huán)境 。 為使不同廠家的計算機和設備能通過網(wǎng)絡加以集成化 ， 并能正確 、有效地協(xié)同工作 ， 實現(xiàn)應用的可移植性和互操作性 ， 必須具有統(tǒng)一的開放環(huán)境 ， 進而要求 OS具有開放性 。 ? 什么是開放性 ？ 開放性是指系統(tǒng)能遵循世界標準規(guī)范 ， 特別是遵循開放系統(tǒng)互連 （ OSI） 國際標準 。 9 ? 從用戶觀點看 ， OS是用戶和計算機硬件系統(tǒng)之間的 接口 ? 從資源管理觀點看 ， OS是計算機系統(tǒng)資源（ 軟 、 硬 ） 的 管理者 OS的作用 1． OS作為用戶和計算機硬件系統(tǒng)的接口 2． OS作為計算機資源的管理者 3． OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象 操作系統(tǒng)的作用 : 10 算機硬件系統(tǒng)的接口 (用戶接口 ) 用 戶 系統(tǒng)調(diào)用 命令 窗口 操作系統(tǒng) 應用程序 計算機硬件 圖 11 操作系統(tǒng)作為用戶接口示意圖 用戶可以通過三種方式使用計算機 ： ? 命令方式 （ 鍵盤命令 ） ? 圖標 、 窗口方式 （ GUI） ? 系統(tǒng)調(diào)用方式 （ 程序接口 ） 操作接口 OS的作用 11 ? 計算機系統(tǒng)資源可歸結為四類：處理器 、 存儲器 、 I/O設備 、 信息 （ 數(shù)據(jù)和程序 ） ? OS的主要功能也正是針對這四類資源進行有效管理： 2. OS作為計算機資源的管理者 ?處理機管理：分配和控制處理機 ?存儲器管理：主要是內(nèi)存分配和回收 ?I/O設備管理： I/O設備的分配與操縱 ?文件管理：文件的存取 、 共享和保護 12 ? 完全無軟件的計算機 ——裸機 。 ? “ 裸機 ” 難于使用 。 ? 裸機覆蓋了一層 I/O設備管理軟件如圖 12所示 ， 由它來實現(xiàn)對 I/O設備操作的細節(jié) ， 并向上提供一組 I/O操作命令 ，如 Read和 Write命令 ， 用戶可以利用它進行數(shù)據(jù)輸入 /輸出 ，而無需關心 I/O實現(xiàn)的細節(jié) 。 此時用戶所看到的是一臺功能顯著增強 、 使用極為方便的的機器 ， 它向上提供了一組抽象的 I/O設備 ， 稱為擴充機或虛擬機 。 3. OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象 虛擬性 是OS的基本特征之一 用戶 用戶 物理接口 硬件 物理接口 硬件 I/O軟件 I/O操作命令 (Read, Write) 機器指令 虛擬機 圖 12 I/O軟件隱藏了 I/O操作實現(xiàn)的細節(jié) 第一層軟件 第二層軟件 13 為了方便用戶使用文件系統(tǒng)，又在第一層軟件上再覆蓋一層用于文件的管理軟件，用它來實現(xiàn)對文件操作的細節(jié)，并向上提供一組對文件進行存取操作的命令。 第二個層次的抽象 。 又在文件管理軟件上再覆蓋一層面向用戶的窗口軟件，用戶便可在窗口環(huán)境下方便地使用計算機，形成一臺功能更強的虛擬機。 由此可知，操作系統(tǒng)是鋪設在硬件上的多層系統(tǒng)軟件，它們不僅增強了系統(tǒng)功能，而且還隱藏了對硬件操作的細節(jié)，由它們實現(xiàn)對計算機硬件的多個層次的抽象。 14 推動 OS發(fā)展的主要動力 1． 不斷提高計算機資源利用率 。 2． 方便用戶 : 繼續(xù)發(fā)展的因素 分時系統(tǒng) （ 或稱 多用戶系統(tǒng) ） 3．器件的不斷更新?lián)Q代 4．計算機體系結構的不斷發(fā)展 最初發(fā)展的動力。 批處理系統(tǒng) 8位機 → 16位機 → 32位機 → 64位機 (8位 OS →16 位 OS ... ) 單機系統(tǒng) → 多處理機系統(tǒng)：單機 OS→ 多處理機 OS 計算機網(wǎng)絡：網(wǎng)絡 OS 15 OS的發(fā)展過程 ? 20世紀 50年代中期 ， 第一個簡單的批處理系統(tǒng) ? 60年代中期 ， 多道程序批處理系統(tǒng) ， 隨后出現(xiàn)分時系統(tǒng) ? 上世紀 80年代開始至 21世紀初 ， 微型機 、多處理機 、 計算機網(wǎng)絡大發(fā)展年代 → 微機OS、 多處理機 OS和網(wǎng)絡 OS的形成和大發(fā)展年代 。 16 無 OS的計算機系統(tǒng) ? 人工操作方式 ? 脫機輸入 /輸出（ OffLine I/O）方式 （ 20世紀 50年代末 ） 這一時期有兩種操作方式： 17 1．人工操作方式 ? 程序員將事先已穿孔（對應于程序和數(shù)據(jù)）的紙帶（或卡片）裝入紙帶輸入機（或卡片輸入機）； ? 再啟動輸入機將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機； ? 然后啟動計算機運行。 ? 當程序運行完畢并取走計算結果后，才讓下一個用戶上機。 缺點： ? 用戶獨占全機； ? CPU等待人工操作 18 2．脫機輸入 /輸出方式 優(yōu)點 ： （ 1）減少了 CPU的空閑時間 （ 2） 提高了 I/O速度 外圍機 磁帶機 磁帶機 磁帶機 磁帶機 外圍機 輸出機 主機 輸入設備 圖 12 脫機 I/O示意圖 19 單道批處理系統(tǒng) ?把一批作業(yè)以脫機方式輸入到磁帶上； ?在監(jiān)督程序 （ Monitor）控制下使這批作業(yè) 一個接一個地連續(xù)處理。 參看下頁的圖 13 它是 OS的前身，而非現(xiàn)在人們理解的 OS。 1. 單道批處理系統(tǒng)的處理過程 20 開始 還有下一個作業(yè)？ 停止 把下一個作業(yè)的源程序轉換為目標程序 源程序有錯嗎？ 裝配目標程序 目標程序運行 直到結束 否 是 是 否 圖 13 單道批處理系統(tǒng)的處理流程 21 2. 單道批處理系統(tǒng)的特征 (1) 自動性 在磁帶上的作業(yè)能自動地逐個地依次運行，而無需人工干預。 (2) 順序性 (3) 單道性 磁帶上的各道作業(yè)是順序地進入內(nèi)存，各道作業(yè)的完成順序與它們進入內(nèi)存的順序相同，即先調(diào)入內(nèi)存的作業(yè)先完成。 在內(nèi)存中僅有一道程序運行，即監(jiān)督程序每次從磁帶上只調(diào)入一道程序進入內(nèi)存，當該程序完成或發(fā)生異常情況時，才換入其后繼程序進入內(nèi)存運行。 22 多道批處理系統(tǒng) ? 多道程序設計的基本概念 20世紀 60年代中期 ? 用戶提交的作業(yè)事先存放在外存上，形成 “ 后備隊列 ” ? 作業(yè)調(diào)度程序按一定算法從后備隊列中選擇若干作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源。 好處 ： （ 1） 提高 CPU利用率 （ 2） 提高內(nèi)存和 I/O設備利用率 （ 3）增加系統(tǒng)吞吐量 23 多道批處理系統(tǒng)的特征 (1) 多道性 ： 多道程序在內(nèi)存中并發(fā)執(zhí)行。提高了資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。 (2) 無序性 ： 先進入內(nèi)存的作業(yè)可能后完成；后進入內(nèi)存的作業(yè)可能先完成。 (3) 調(diào)度性 ： 作業(yè)從提交到完成，需經(jīng)過兩種調(diào)度： 作業(yè)調(diào)度 和 進程調(diào)度 。 24 多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點： （ 1）資源利用率高。 (CPU、內(nèi)存、 I/O設備利用率 ) （ 2）系統(tǒng)吞吐量大。 （ 3）周轉時間長。 （ 4）無交互能力。 系統(tǒng)吞吐量是指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)所完成的總工作量。 作業(yè)周轉時間是指從作業(yè)進入系統(tǒng)（提交）開始，直至它完成并退出系統(tǒng)為止所經(jīng)歷的時間。 對修改和調(diào)試程序極不方便。 25 多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題 （ 1）處理機管理問題 (處理機分配、提高利用率 ) （ 2）內(nèi)存管理問題 (分配、保護等 ) （ 3） I/O設備管理問題 (方便用戶、提高利用率 ) （ 4）文件管理問題 (方便用戶、數(shù)據(jù)安全一致 ) （ 5）作業(yè)管理問題 (計算型、 I/O型不同處理 ) 26 分時系統(tǒng) ? 分時系統(tǒng) ——是指在一臺主機上連接多個帶有顯示器和鍵盤的 終端 ，同時允許多個用戶通過自己的終端，以交互方式使用計算機，共享主機中的資源。 27 1. 分時系統(tǒng)的產(chǎn)生 是為了滿足用戶的以下需求而產(chǎn)生的： （ 1） 人 機交互 （ 2） 共享主機 （ 3） 便于用戶上機 28 2．分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關鍵問題 （ 1） 及時接收 （ 2） 及時處理 ? 用戶作業(yè)不能先進入磁盤 ， 然后再調(diào)入內(nèi)存 ? 不允許一個作業(yè)長期占用處理機 ， 直至它運行結束或出現(xiàn) I/O請求后 ， 方才調(diào)度其它作業(yè)運行 ? 應該規(guī)定每個作業(yè)只運行一個很短的時間（ 稱為 時間片 ） 要做到上述兩條，必須徹底改變批處理系統(tǒng)的運行方式，即： 29 3．分時系統(tǒng)的特征 （ 1）多路性： 允許一臺主機上同時聯(lián)接多個聯(lián)機終端 （ 2）獨立性： 每個用戶各占一個終端，彼此獨立操作，互不干擾。 （ 3）及時性： 用戶的請求能在很短時間內(nèi)獲得響應。 （ 4）交互性： 用戶可通過終端與系統(tǒng)進行廣泛的對話。 30 實時系統(tǒng) 實時系統(tǒng) （ RealTime System） ——是指系統(tǒng)能及時響應外部事件的請求，在規(guī)定時間內(nèi)完成該事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調(diào)一致地運行。 定義： 31 1．應用需求 （ 1） 實時控制 。 飛機或火車的訂票系統(tǒng)、情報檢索系統(tǒng)等 。 （ 2）實時信息處理。 實時數(shù)據(jù)采集處理；執(zhí)行機構；自動控制 32 2．實時任務 在實時系統(tǒng)中必然存在著若干個實時任務，這些實時任務通常與某個（某些）外部設備相關，能反映或控制相應的外部設備，因而帶有某種程度的緊迫性。 周期性 實時任務 按指定周期循環(huán)執(zhí)行，以便周期性地控制某外部設備。 非周期性 實時任務 外部設備發(fā)出的激勵信號無明顯周期性，但都必須聯(lián)系著一個 截止時間 。 ① 開始截止時間 ——任務在某時間以前必須開始執(zhí)行 ②完成截止時間 ——任務在某時間以前必須完成 分類：按執(zhí)行是否周期性劃分 33 分類：實時任務按對截止時間要求劃分 硬實時任務 軟實時任務 系統(tǒng)必須滿足任務對截止時間的要求，否則可能出現(xiàn)難于預測的結果。 它也聯(lián)系著一個截止時間，但并不嚴格，若偶爾錯過了任務的截止時間，對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也不會太大。 34 3．實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較 （ 1）多路性： 實時系統(tǒng)的多路性主要表現(xiàn)在：系統(tǒng)經(jīng)常對多路的現(xiàn)場信息進行采集，以及對多個對象或多個執(zhí)行機構進行控制。 （ 2）獨立性： 實時系統(tǒng)中對信息的采集和對對象的控制，也都是彼此互不干擾 （ 3）及時性： 實時系統(tǒng)的及時性，是以控制對象所要求的開始截止時間