操作系統Tel26732030Office:科技樓703普及型高性能計算機重點實驗室/國家高性能計算中心深圳分中心2015/8/191課程背景專業必修課通過本課程的學習，使學生了解操作系統的工作原理，掌握常用操作系統的編程思想方法，學習系統設計和實現的策略，為其今后在相關領域開展工作打下堅實的基礎。1）更好的理解程序的運行環境；2）為內核設計和編程做準備。2課程要求1出勤2作業（實驗報告）3考試中文版教材：《計算機操作系統》西安電子科技大學出版社英文版教材：ModernOperatingSystems3rd3章節安排第1章：操作系統引論目標、角色作用、發展過程、基本特性、主要功能、設計思路第2章：進程管理基本概念、同步、通信第3章：處理機調度與死鎖調度層次、調度隊列模型和準則、調度算法、死鎖第4章：存儲管理連續內存、段頁式管理、虛存及置換算法第5章：設備管理I/O控制方式、緩沖管理、設備分配、磁盤第6章：文件管理文件系統、文件邏輯結構、外存分配、目錄管理、空閑空間管理第7章：Linux擴展學習4Chapter1操作系統引論OSOperatingSystem硬件之上的第一層軟件、首次功能擴充匯編、編譯、數據庫等依賴于OS提供的服務OS/桌面系統/發行版三級相關概念61.1目標及作用1.1.1 目標共性：有效性管理資源提高利用率/吞吐率

方便性提供公共服務/抽象接口可擴充性適應硬件擴展和結構變化開放性標準化接口其他應用目標：實時性、可靠性、緊湊性771.1.2 角色、作用用戶與硬件系統間的接口命令行模式、GUI桌面方式、編程接口資源管理者——cpu/mem/file/dev功能擴充、資源的抽象OSOSC、Fortran應用程序Shell等命令行程序圖形桌面系統硬件用戶系統調用881.1.3操作系統的發展動力9不斷提高計算機資源的利用率方便用戶器件的不斷更新換代計算機體系結構的不斷發展（單CPUOS,多CPUOS,網絡OS)91.2 發展歷程1.2.1 無操作系統1.2.2 單道批處理1.2.3 多道批處理1.2.4 分時系統1.2.5 實時系統1.2.6 微機OS歷史1010一、人工操作方式11用戶獨占全機：一個用戶獨占所有計算機資源CPU等待人工操作：當用戶進行裝帶、卸帶操作時，CPU及內存等資源是空閑的效率低，操作不方便，操作人員必須有很專業的計算機知識中央處理機CPU（ALU，控制器）存儲器輸出設備輸入設備外存（硬盤）1.2.1無操作系統11二、脫機輸入輸出方式12輸入設備外圍機磁盤/磁帶計算機輸出設備外圍機磁盤/磁帶相對人工操作方式：減少了CPU的空閑時間，提高了輸入／出速度一個用戶仍獨占所有計算機資源12作業排隊計算機運行結果輸出需要監督程序（Monitor）多個作業順序先后使用計算機（共享）計算機的控制權在監督程序與作業之間交替使用擺脫人工操作，特征：自動、單道、順序1.2.2單道批處理13單道批處理系統(舉例)：14共需要時(10+20+20)+(20+20+30+30+10)+(20+30+30)=240SCPU利用率：(20+20+30+30)/240=41.7%輸入設備利用率：(10+20+20)/240=20.8%輸出設備利用率：(20+30+10+30)/240=37.5%三者之和為100%現有三道作業，第一道作業需要輸入10S，運行20S，輸出20S；第二道作業需要輸入20S，運行20S，輸出30S，然后再運行30,輸出10S；第三道作業需要輸入20S，運行30S，輸出30S1415計算機中同時有幾道作業（程序）在運行，提高了計算機資源（CPU、內存、I/O）的使用效率宏觀上，多個作業“并行”（并發）。某一作業在輸入、另一作業在CPU中運行、可能還有一個作業正在輸出。增加了系統的吞吐量微觀上，多個作業串行對一個具體資源（特別是CPU）來說，每個程序輪流使用1.2.3多道批處理15多道批處理系統(舉例)16現有三道作業，第一道作業需要輸入10S，運行20S，輸出20S；第二道作業需要輸入20S，運行20S，輸出30S，然后再運行30,輸出10S；第三道作業需要輸入20S，運行30S，輸出30S共需要時(10+20+20)+(30)+(30+10)=120S CPU利用率：(20+20+30+30)/120=83.4% 輸入設備利用率：(10+20+20)/120=41.6% 輸出設備利用率：(20+30+10+30)/120=75% 三者之和為200%16多道批處理系統

特征17多道性無序性調度性[處理機、內存、設備、文件如何管理]17多道批處理系統

優缺點：18計算機資源利用率高系統吞吐量大平均周轉時間長無交互能力18OS里程碑處理機管理，交替使用問題內存管理，隔離、后備存儲組織管理I/O管理，多道程序共享使用問題文件管理，程序代碼和數據組織作業管理，調度算法問題1919定義：操作系統是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源、合理地對各類作業進行調度（有效性），以及方便用戶使用（方便性）的程序的集合維基百科：操作系統（OperatingSystem，簡稱OS）是管理和控制計算機硬件與軟件資源的計算機程序，是直接運行在“裸機”上的最基本的系統軟件，任何其他軟件都必須在操作系統的支持下才能運行。202021分時系統是為了滿足用戶需求（方便共享計算機）而發展起來的一種OS用戶需求：1、人機交互（便于調試）2、共享主機（大、小型機）3、便于用戶上機（多終端）實現方式——時間間隔調整1.2.4分時系統2122分時——時間片概念計算機內存中同時有多個用戶程序每個用戶程序運行一小段時間（時間片，如0.1秒），然后停止該程序運行，由系統再調用下一個用戶程序運行每個用戶程序在不長的時間內，都能執行一次22分時系統特性23多路性：系統中有多個用戶程序同時運行獨立性：每個用戶(程序)獨立操作，互不干擾及時性：用戶的請求能在較短(秒級或以下)時間內獲得響應（及時接收，及時處理）交互性：用戶可以同系統進行人機對話分時系統的主要目的提高響應的及時性運行-阻塞23OS里程碑第一個分時系統CTSS，MIT開發多用戶多任務MULTICS，簡化后是UNIX前身形成現代操作系統框架242425實時系統能及時（或即時）響應外部事件的請求，在規定的時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協調一致地運行實時控制：工業生產的控制，信息采集的控制等（中斷）實時信息處理：及時信息檢索或處理1.2.5實時系統25實時任務RealtimeTask重復性周期性非周期性緊迫性硬實時軟實時與分時系統類似多路性、獨立性、及時性、交互性、可靠性262627單用戶單任務操作系統：MS-DOS等單用戶多任務操作系統：Windows等多用戶多任務操作系統：LinuxOS等1.2.6微機操作系統發展27DOS是英文DiskOperatingSystem的縮寫，意思是“磁盤操作系統”。DOS是個人計算機上的一類操作系統。從1981年直到1995年的15年間（v1.0~v7.5），DOS在IBMPC兼容機市場中占有舉足輕重的地位。若是把部分以DOS為基礎的MicrosoftWindows版本，如Windows95、98和Me等都算進去的話，那么其商業壽命至少可以算到2000年。微軟的所有后續版本中，DOS仍然被保留。1980-1981年，西雅圖電腦產品公司程序員蒂姆·帕特森（TimPaterson）花費了四個月時間編寫出了86-DOS操作系統。1981年7月，微軟以五萬美元的代價向西雅圖公司購得本產品的全部版權，并將它更名為MS-DOS。隨后，IBM發布了第一臺個人計算機，當時采用的操作系統是西雅圖公司的86-DOS1.14，但微軟很快改進了MS-DOS，并使它成功地成為IBMPC采用的操作系統。并于1981年8月12日，正式發布MS-DOS1.0和PC-DOS1.0。Microsoft開始開發基于WindowsNT構件的Windows，才成了真正獨立的操作系統。后續新的DOS軟件的整體水平的提高是很顯著的。為了挑戰Windows的界面，程序員們（經常是集體合作）開發了一個又一個仿Windows的界面增強程序，著名的有Seal,Qube,WinDOS等等。還有人開發出了內核為32位的DOS操作系統，如FreeDOS32，事實證明，這些程序的編寫水平是很高的。這些軟件都在不斷地開發中，所取得的成績是有目共睹的。而且它們最顯著的特點就是自由開放的發展2828單用戶單任務29293030單用戶多任務1.02.03.031313T

5.0

就是Windows

2000;NT5.1就是Windows

XP34Windows

XP之前，Windows是分2條線路的， Windows

1.0/2.0/3.0/3.1/95/98/ME是家用的；

而另一條就是Windows

NT

1.0/2.0/4.0/2000，XP則是將家用和服務器用NT核心集成起來的第一作。

NT:New

Technoly(新技術，因比DOS、WIN9X采用了很多新技術而得名)

NT的系統有 2000

內核NT5.0

xp

內核NT5.1

win2003是NT5.2

vista

內核NT6.0

windows7的內核版本是NT6.1，但是是NT家族第七代產品，所以被命名為Windows

7

還有對應的服務器版本2000

2003等35UNIX，是一個強大的多用戶、多任務操作系統，支持多種處理器架構，按照操作系統的分類，屬于分時操作系統，最早由KenThompson、DennisRitchie和DouglasMcIlroy于1969年在AT&T的貝爾實驗室開發。1965年時，貝爾實驗室（BellLabs）加入一項由通用電氣（GeneralElectric）和麻省理工學院（MIT）合作的計劃；該計劃要建立一套多使用者、多任務、多層次（multi－user、multi－processor、multi－level）的MULTICS操作系統。直到1969年，因MULTICS計劃的工作進度太慢，該計劃被停了下來。當時，KenThompson（后被稱為UNIX之父）已經有一個稱為"星際旅行"的程序在GE－635的機器上跑，但是反應非常慢，正巧被他發現了一部被閑置的PDP－7（Digital的主機），KenThompson和DernisRitchie就將"星際旅行"的程序移植到PDP－7上。而這部PDP－7（如圖1－1所示）就此在整個計算機歷史上留下了芳名。多用戶多任務363637/wiki/UNIX37Linux是一種自由和開放源碼的類Unix操作系統，存在著許多不同的Linux版本，但它們都使用了Linux內核。Linux可安裝在各種計算機硬件設備中，比如手機、平板電腦、路由器、視頻游戲控制臺、臺式計算機、大型機和超級計算機。Linux是一個領先的操作系統，世界上運算最快的10臺超級計算機運行的都是Linux操作系統。嚴格來講，Linux這個詞本身只表示Linux內核，但實際上人們已經習慣了用Linux來形容整個基于Linux內核，并且使用GNU工程各種工具和數據庫的操作系統。Linux操作系統的誕生、發展和成長過程始終依賴著五個重要支柱：UNIX操作系統、MINIX操作系統、GNU計劃、POSIX標準和Internet網絡。多用戶多任務3838表1-1Linux發展歷程年份事件199110月5日，LinusTorvalds在新聞組comp.os.minix發布了大約有一萬行代碼的Linux0.01版本19921月，大約有1000人在使用Linux系統1993大約有100余名程序人員參與了Linux內核代碼的編寫和修改工作，其中核心組由5人組成，此時Linux0.99的代碼有大約有10萬行，用戶大約有10萬左右19943月，Linux1.0發布，代碼量17萬行，當時是按照完全自由免費的協議發布，隨后正式采用GPL協議。至此，Linux的代碼開發進入良性循環。很多系統管理員開始在自己的操作系統環境中嘗試Linux，并將修改的代碼提交給核心小組1995Linux系統可在Intel，Digital以及SunSPARC處理器上運行，用戶量也超過了50萬19966月，Linux2.0內核發布，此內核有大約40萬行代碼，并可以支持多個處理器。此時的Linux系統已經進入了實用階段，全球大約有350萬人使用1998Linux迅猛發展的一年。1月，RedHat高級研發實驗室成立，同年RedHat5.0獲得了InfoWorld的操作系統獎項。4月，Mozilla代碼發布，成為Linux圖形界面上的王牌瀏覽器。王牌搜索引擎Google現身，采用的也是Linux服務器。同年10月，Intel和Netscape宣布小額投資RedHat軟件，這被業界視作Linux獲得商業認同的信號1999IBM宣布與RedHat公司建立伙伴關系，以確保RedHat能在IBM機器上正確運行。IBM，Compaq和Novell宣布投資RedHat公司，以前一直對Linux持否定態度的Oracle公司也宣布投資20002月，RedHat發布了嵌入式Linux的開發環境，Linux在嵌入式行業的潛力逐漸被發掘出來。同年7月，中科院與新華科技合作發展紅旗Linux，此舉讓更多的國內個人用戶知道了Linux操作系統的存在20018月，紅色代碼病毒爆發，引得許多站點紛紛從使用Windows操作系統轉向使用Linux操作系統，這是一次Linux的大規模應用普及。12月，RedHat為IBMs/390大型計算機提供了Linux解決方案，從此結束了AIX孤單獨行無人伴的歷史20031月，NEC宣布將在其手機中使用Linux操作系統，代表著Linux成功進軍手機領域。9月，中科紅旗發布RedFlagServer4版本，性能改進很多。11月，IBM注資Novell，以2.1億美元收購SuSE20041月，SuSE被Novell收購，Asianux，MandrakeSoft也在5年中首次宣布季度盈利。4月，美國斯坦福大學Linux大型機系統被黑客攻陷，再次證明了沒有絕對安全的操作系統。6月，統計報告顯示在世界500強超級計算機系統中，使用Linux操作系統的已經占到了280家，搶占了原本屬于各種UNIX的份額39391.3 基本特征無論批處理、分時、實時系統，其共性有1.3.1 并發性1.3.2 共享性1.3.3 虛擬性1.3.4 異步性404041并發性：多道用戶程序可在同一時間間隔中運行并行性parallelism=并發性Concurrent∩同時性Simultanious并發實體：用戶代碼：多進程、多線程內核代碼：系統調用、中斷代碼1.3.1 并發性414243共享性：系統資源可供內存中多個并發的進程共同使用包括：互斥共享和同時訪問1.3.2 共享性4344虛擬性：系統物理資源可虛擬為更大、更多的邏輯資源時分復用：虛擬處理機、虛擬設備空分復用：虛擬磁盤、虛擬存儲器1.3.3 虛擬性4445異步性：內存中多個并發的進程以異步方式運行相互間沒有統一的同步節拍控制——不可預知，不能以預想的方式先后完成。1.3.4 異步性451.4 操作系統主要功能無論批處理、分時、實時系統，其共性有1.4.1 處理機管理1.4.2 存儲器管理1.4.3 設備管理1.4.4 文件管理中央處理機CPU（ALU，控制器）存儲器輸出設備輸入設備外存（硬盤）4646471.4.1 處理機管理進程控制/進程同步/進程通信/進程調度1、進程控制創建：分配資源運行：進程狀態轉換撤消：回收資源2、進程同步進程互斥：臨界資源占用進程同步：多進程按順序協調完成同一任務47483、進程通信進程間進行信息交換，如輸入進程將數據送給計算進程，計算進程將結果送給打印進程4、進程調度對進程隊列中的進程進行調度，將CPU的使用權分配給指定進程含作業調度、進程調度48491、內存分配：為每個用戶程序分配內存空間2、內存保護：用戶程序只能訪問自已程序的內存空間，不能越界（到其它用戶程序或系統程序空間）3、地址映射：將目標程序的地址映射成內存的“物理地址”1.4.2 存儲器管理4、內存擴充(虛擬存儲器)采用虛擬存儲技術從邏輯上擴充內存空間，使大于實際內存空間的程序同樣可以得以運行虛擬存儲技術主要采用請求調入和置換功能實現內存擴充目標49501、緩沖管理：為設備分配緩沖區并進行管理2、設備分配：為用戶I/O請求分配相應的設備3、設備處理：實現CPU和設備控制器之間的通信1.4.3 設備管理50511、文件存儲空間管理設置相應的數據存儲結構（磁道、扇區等）對存儲空間進行分配和回收2、目錄管理對每個存在外存上的文件建立一個目錄項，主要包括文件名、屬性、在磁盤上的位置等信息形成樹形結構1.4.4 文件管理51523、文件的讀、寫管理和保護從外存上讀、寫文件數據保證文件的合法使用52用戶接口531、命令(用戶)接口：通過命令字，用戶可以直接調用操作系統完成相應功能，如dir