計算機操作系統教學理念注重基本理論知識重視操作系統實踐透徹講解理解中記憶靈活運用projectsGeekOS實驗增強實踐2課堂紀律OpenButFree不要影響其他同學手機關閉或設為震動不要隨意交談不要任意走動…3操作系統大觀園4操作系統大觀園5操作系統大觀園6操作系統大觀園7為什么要學習操作系統好用的操作系統很多了，是否還需要“重新發明輪子（re-inventthewheel）”？要想編寫出適合操作系統的大型的或底層的程序，一定要熟知操作系統操作系統的設計思想應用在很多領域知其然，知其所以然——程序到底如何在計算機運行？Forfun8主要內容概論進程管理存儲管理設備管理文件系統9第1章概論電子科技大學計算機科學與工程學院李玉軍目錄1.1操作系統的概念1.2操作系統的歷史1.3操作系統的主要功能1.4操作系統的基本特征1.5操作系統的體系結構1.6主流操作系統簡介111.1操作系統的概念操作系統是裸機上的第一層軟件，它是對硬件系統功能的首次擴充，用以填補人與機器之間的鴻溝。計算機用戶操作系統121.1.1操作系統與計算機同在操作系統的任務：為用戶程序提供一個更好、更簡單、更清晰的計算機模型，并管理所有硬件設備。操作系統所處的位置計算機硬件操作系統(Windows/Mac)系統程序應用程序用戶程序員OS設計者131.1.1操作系統與計算機同在操作系統的目標方便性使計算機更易于使用有效性以更有效的方式使用系統資源可擴展性可開發，測試和引進新的系統功能開放性應用程序的可移植和互操作141.1.2對操作系統的認識操作系統用戶虛擬機用戶環境設計者資源管理作業管理151.1.2對操作系統的認識從用戶角度觀察操作系統虛擬機（擴展機器）的觀點操作系統應隱藏復雜的、困難的、丑陋的、特殊的硬件細節操作系統應向應用程序提供一種簡單的、高度抽象的處理虛擬機的擴充包括功能和數量上的擴充用戶環境的觀點操作系統是用戶與計算機系統進行交互的界面

161.1.2對操作系統的認識從系統設計者角度觀察操作系統資源管理的觀點硬件資源（CPU等）+軟件資源（程序等）資源存在競爭使用操作系統需要對資源進行監控、分配、回收和保護，以使資源得到充分合理的利用。作業（任務）組織的觀點用戶請求以作業或任務的方式提交給系統操作系統是工作流程的組織者，協調各個任務的推進速度。171.1.3操作系統的定義Anoperatingsystem(OS)isasetofprogramsthatmanagecomputerhardwareresourcesandprovidecommonservicesforapplicationsoftware.——wikipedia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，以及方便用戶使用的程序的集合。181.2操作系統的歷史操作系統發展的推動力提高資源利用率硬件的更新換代計算機體系結構的發展新的用戶需求軟件開發技術的發展191.2操作系統的歷史提高資源利用率——操作系統最初發展的推動力

1946年2月14日，世界上第一臺現代電子計算機ENIAC誕生于美國賓夕法尼亞大學。ENIAC使用17468個真空管、7200個晶體二極管、1500個繼電器、10000個電容器，總體積約70立方米，重達27噸，占地170平方米，運算速度為每秒5000次加法或400次乘法。耗電150千瓦，傳言，每當這臺計算機啟動的時候，費城的燈都變暗了。201.2操作系統的歷史硬件的更新換代摩爾定律:1.集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一番。2.微處理器的性能每隔18個月提高一倍。211.2操作系統的歷史計算機體系結構的發展新的用戶需求軟件開發技術的發展單處理機多處理機…字符界面菜單界面圖形界面觸摸屏…模塊化層次化微內核…221.2操作系統的歷史操作系統的發展過程無操作系統的計算機系統單道批處理系統多道批處理系統分時系統實時系統231.2.1無操作系統的計算機系統人工操作方式輸入輸出介質：紙帶缺點用戶獨占全機CPU等待人工操作高速的CPU與低速的I/O設備速度不匹配人機矛盾241.2.1無操作系統的計算機系統脫機輸入/輸出方式輸入輸出介質：紙帶、磁帶外圍機

程序和數據的輸入和輸出在外圍機的控制下完成251.2.2單道批處理系統監督程序（Monitor）對一批作業進行自動處理內存中只能存放一道作業處理過程監督程序的其它功能？261.2.2單道批處理系統特征自動性順序性單道性優點

減少人工操作，解決了作業的自動接續缺點無交互能力高速的CPU與低速的I/O設備速度仍不匹配271.2.3多道批處理系統概念內存中同時存放多個作業多個作業可并發執行作業調度程序負責作業的調度特征多道性調度性作業調度進程調度無序性多道程序設計281.2.3多道批處理系統優點資源利用率高系統吞吐量大

系統吞吐量：系統在單位時間內所完成的總工作量缺點無交互能力作業平均周轉時間長

作業周轉時間：作業進入系統至完成退出所經歷的時間291.2.3多道批處理系統多道程序設計技術示例

設內存中有三道程序A、B和C，它們按A、B、C的優先次序執行。它們的計算和I/O操作時間如下表所示。假設三道程序使用能夠相同的設備進行I/O操作，即程序以串行方式使用設備，試畫出單道運行和多道運行的時間關系圖（調度程序的執行時間忽略不計）。在兩種情況下，完成這三道程序各要花多少時間？ABC計算30ms60ms20msI/O40ms30ms40ms計算10ms10ms20ms301.2.3多道批處理系統單道運行的甘特圖

ABC計算30ms60ms20msI/O40ms30ms40ms計算10ms10ms20ms時間(ms)I/O計算活動列表AAABBBCCC0307080140170200240260311.2.3多道批處理系統多道運行的甘特圖

ABC計算30ms60ms20msI/O40ms30ms40ms計算10ms10ms20ms時間(ms)I/O計算活動列表AAABBBCC0307080100130170190BC321.2.3多道批處理系統需要解決的基本問題內存管理處理機管理作業管理I/O設備管理文件管理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，以及方便用戶使用的程序的集合。操作系統的定義331.2.4分時系統產生原因人機交互共享主機方便上機概念

在一臺主機上連接有多個帶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。關鍵問題

及時響應用戶的終端命令分時技術（時間片）341.2.4分時系統特征多路性多個用戶分時使用一臺計算機獨立性

獨立運行，不混淆，不破壞及時性

系統能在很短的時間應答交互性能實現人機對話351.2.5實時系統概念

系統能夠及時（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。應用領域航空航天軍事工業控制實時控制系統實時信息系統361.2.5實時系統特征多路性

能對多個對象進行控制獨立性

獨立運行，不混淆，不破壞交互性

僅限于訪問系統中某些特定的專用服務程序可靠性高可靠性，應具有過載防護能力及時性控制對象必須在截止時間內完成371.3操作系統的主要功能處理機管理存儲器管理設備管理文件管理用戶接口381.3.1處理機管理按照一定的算法把處理機分配給進程（線程），并對其進行有效的管理和控制。進程管理控制

Controlling調度

Scheduling同步

Synchronization通信

Communication391.3.1處理機管理進程控制進程控制的主要功能是為作業創建進程、撤消已結束的進程，以及控制進程在運行過程中的狀態轉換。創建撤銷狀態轉換401.3.1處理機管理進程同步進程同步的主要任務是為多個進程的運行進行協調。進程同步的兩種協調方式進程互斥方式，這是指諸進程（線程）在對臨界資源進行訪問時，應采用互斥方式；進程同步方式，指進程相互合作去完成共同的任務時，諸進程之間的協調互斥方式同步方式411.3.1處理機管理進程通信進程是指進程之間的信息交換。進程通信方式機器內機器間421.3.1處理機管理進程調度操作系統內的進程進程運行需經調度才能執行完成，即把CPU分配給哪個進程使之運行。誰可以開始運行；誰需要立即等待；誰需要插隊加塞；誰需要強制關閉431.3.2存儲器管理為多道程序的運行提供良好的環境，方便用戶使用存儲器，提高存儲器的利用率以及能從邏輯上擴充內存。內存管理分配

Allocation保護

Protection映射

Mapping擴展

Extension441.3.2存儲器管理內存分配

為每個作業分配內存空間內存分配方式靜態分配方式，每個作業運行之前分配好內存空間，在作業的整個運行期間不再改變。動態分配方式中，每個作業在運行前或運行中，均可申請新的附加內存空間，以適應程序和數據的動態增漲。內存分配內存回收數據結構451.3.2存儲器管理內存保護確保每道用戶程序都只在自己的內存空間內運行，彼此互不干擾。內存保護的實現方式設置兩個界限寄存器，越界檢查都由硬件實現。461.3.2存儲器管理內存映射地址空間——目標程序或裝入程序限定的空間，稱為“地址空間”。單元的編號稱為邏輯地址，又稱為相對地址。內存空間——由內存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為“內存空間”，其中的地址稱為“物理地址”。地址映射——運行時，將地址空間中的邏輯地址轉換為內存空間中與之對應的物理地址，稱為地址映射。471.3.2存儲器管理內存擴充

借助于虛擬存儲技術從邏輯上去擴充內存容量，使用戶所感覺到的內存容量比實際內存容量大得多間。擴充內存必須具有內存擴充機制請求調入功能。在程序運行過程中，若所需的程序和數據尚未裝入內存，可由OS從磁盤中將所需部分調入內存，繼續運行。置換功能。將內存中的一部分暫時不用的程序和數據調出到磁盤上，然后再將所需調入的部分裝入內存。481.3.3設備管理完成用戶進程提出的I/O請求；為用戶進程分配其所需的I／O設備；提高CPU和I／O設備的利用率；提高I／O速度；方便用戶使用I／O設備。緩沖

Buffering分配

Allocation驅動

Driving491.3.3設備管理緩沖有效地緩和CPU和I/O設備速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率。對于不同的系統，可以采用不同的緩沖區機制。501.3.3設備管理設備分配設備分配的基本任務，是根據用戶進程的I／O請求，按照某種設備分配策略，為之分配其所需的設備。為了實現設備分配，系統中應設置設備控制表、控制器控制表等數據結構，用于記錄設備及控制器的標識符和狀態，以供進行設備分配時參考。不同的設備類型（獨占、共享）而采用不同的設備分配方式。511.3.3設備管理設備處理設備處理程序又稱為設備驅動程序。設備處理其基本任務：是用于實現CPU和設備控制器之間的通信，即由CPU向設備控制器發出I／O命令，要求它完成指定的I／O操作；反之由CPU接收從控制器發來的中斷請求，并給予迅速的響應和相應的處理。處理過程：檢查請求的合法性→設備空閑否？→向控制器發I/O命令→啟動I/O執行。521.3.4文件管理是對用戶文件和系統文件進行管理，以方便用戶使用，并保證文件的安全性。文件管理存儲

Storage組織

Organization讀寫

Operation安全

Security531.3.4文件管理存儲對諸多文件及文件的存儲空間，實施統一的管理。基于某種數據結構對存儲空間進行分配和回收的功能。12131415161724252627282930313233343578910116012345FILE1181920212223541.3.4文件管理組織

為每個文件建立目錄項，并對眾多的目錄項加以有效的組織與管理，以實現按名存取等功能。文件讀/寫管理

根據用戶的請求，從外存中讀取數據或將數據寫入外存。文件保護防止未經核準的用戶存取文件防止以不正確的方式使用文件551.3.5用戶接口提供友好的用戶接口以方便用戶使用。圖形用戶接口命令接口程序接口（系統調用）系統調用是用戶程序取得操作系統服務的唯一途徑561.3.5用戶接口圖形用戶接口(GUI,GraphicUserInterface)采用圖形化的操作界面，用非常容易識別的各種圖標（icon）來將系統的各項功能、各種應用程序和文件，直觀、逼真地表示出來。用戶可用鼠標或通過菜單和對話框，來完成對應用程序和文件的操作。571.3.5用戶接口命令接口用戶可通過該接口向作業發出命令以控制作業的運行。命令接口分類聯機用戶接口：這是為聯機用戶提供的，它由一組鍵盤操作命令及命令解釋程序所組成。脫機用戶接口：用戶用JCL把需要對作業進行的控制和干預，事先寫在作業說明書上，然后將作業連同作業說明書一起提供給系統。當系統調度到該作業運行時，再調用命令解釋程序，對作業說明書上的命令，逐條地解釋執行。該接口即為批處理接口。581.3.5用戶接口系統調用接口該接口是為用戶程序在執行中訪問系統資源而設置的，是用戶程序取得操作系統服務的唯一途徑。它是由一組系統調用組成，每一個系統調用都是一個能完成特定功能的子程序，每當應用程序要求OS提供某種服務（功能）時，便調用具有相應功能的系統調用。不同的系統其調用形式不同。591.4操作系統的基本特征并發性——最重要的特征，其它特征的前提共享

sharing不確定性non-determinism虛擬

virtualization并發

concurrency601.4.1并發性并發：兩個或多個事件在同一時間間隔內發生并行：兩個或多個事件在同一時刻發生程序：靜態實體，無法并發執行進程：動態實體，可并發執行單處理機系統：進程可并發執行，無法并行執行多處理機系統：進程既可并發執行，又可并行執行并發性：

在多道程序環境下，在一段時間內，有多個任務同時運行優點：讓CPU、I/O設備并行工作，提高資源利用率。611.4.1并發性思考題

在單處理機系統中，可并行的是（）。

I進程與進程II處理機與設備III處理機與通道IV設備與設備

AI、II和IIIBI、II和IVCI、III和IVDII、III和IV621.4.2共享概念系統中的資源可供內存中多個并發執行的進程共同使用。共享資源類型臨界資源：在一段時間內，只允許一個進程訪問非臨界資源：在一段時間內，允許多個進程訪問共享方式互斥共享方式對臨界資源的訪問，如打印機同時訪問方式對非臨界資源的訪問，如磁盤631.4.3虛擬性虛擬通過某種技術把一個物理實體變為若干個邏輯上的對應物。實現方式時分復用技術虛擬處理機虛擬設備，如打印機（SPOOLING技術）空分復用技術虛擬磁盤虛擬內存641.4.3異步性不確定性（異步性）在多道程序環境下，程序執行過程的不確定性何時執行執行順序完成運行所需時間通常而言，操作系統的不確定性是指異步性，而非程序執行結果的不確定性。651.5操作系統的體系結構操作系統是一個大型系統軟件四代變革無結構模塊化結構分層式結構微內核結構661.5.1無結構操作系統存在于早期開發的操作系統開發的側重點功能的實現效率的提高系統結構過程的集合過程之間相互調用缺點難以調試與維護擴展性很差整體式系統671.5.2模塊化結構模塊化結構按功能劃分成若干個模塊模塊之間通過接口實現交互模塊獨立性衡量標準內聚性：模塊內部各部分間聯系的緊密程度耦合度：模塊間相互聯系和相互影響的程度優點OS設計的正確性高，易于理解和維護缺點接口難以定義模塊之間存在復雜的依賴關系681.5.3分層式結構分層式結構按功能流圖的調用順序等原則劃分為若干層每層只能使用其直接下層所提供的服務每層對其上層隱藏其下各層的存在優點易保證系統的正確性易于理解和維護易于擴充缺點系統效率較低單向依賴關系691.5.3分層式結構常見的OS總體結構圖硬件平臺用戶接口子系統應用軟件基礎平臺子系統用戶701.5.3分層式結構雙模式基礎平臺子系統總體結構請思考：1.進程調度程序、時鐘中斷處理程序和命令解釋程序哪種模式下執行？2.系統調用時的模式切換過程？計算機硬件核內子系統/特權模式/KernelMode核外子系統/用戶模式/UserMode711.5.4微內核實現思想在操作系統內核中只留下一些最基本的功能，而將其它服務盡可能地從內核中分離出去，用若干個運行在用戶態的服務器進程來實現，形成“客戶/服務器模式”。普通用戶進程通過內核向服務器進程發送請求。721.5.4微內核機制與策略機制：實現某一功能的具體執行機構——怎么做策略：方法或原則，用以優化功能實現——做什么機制與策略的分離

如基于優先級的進程調度中，選擇進程，為之分配處理機，使之運行屬于機制部分；而為每個進程設定優先級則屬于策略部分。微內核的基本功能進程管理低級存儲器管理中斷和陷入處理731.5.4微內核優點提高了系統的可擴展性增強了系統的可靠性可移植性好提供了對分布式系統的支持缺點運行效率有所降低：消息傳遞開銷+模式切換開銷741.5.4微內核751.6主流操作系統簡介1.6.1UNIX1.6.2Linux1.6.3Windows761.6.1UNIXK.ThompsonandD.RitchieMultics/MIT,BELL,GE@1960KennethThompson&DennisRitchie@BellLabs,1969.C,1972唯一因為工程貢獻共享獲得圖靈獎771.6.1UNIXUNIX設計原則（DougMcIlroy）Writeprogramsthatdoonethinganddoitwell.一個程序只做一件事，并做好。Writeprogramstoworktogether.程序要能協作。Writeprogramstohandletextstreams,becausethatisauniversalinterface.程序要能處理文本流，因為這是最通用的接口。781.6.2LinuxLinusTorvalds:1991GNU:GNUisNotUnixGNU/Linux79UNIX發展史801.6.3WindowsMS-DOSWindows3.1NTXPVista7881補充閱讀材料及作業補充閱讀材料

《操作系統精髓與設計原理》第1章計算機系統概述作業

1.舉例說明并發、并行的區別2.論述批處理、分時和實時三種基本操作系統的特征3.從資源管理的角度，論述操作系統的基本功能4.論述現代操作系統的基本特征Projecct1分析Linux2.4內核系統調用過程，并添加一個新的系統調用，其輸入值為一個整數，返回值為該數的平方值。

建議：使用Redhat7.382Project1Notes1.中斷的基本概念2.系統調用的概念3.系統調用的執行流程831

中斷的基本概念程序在執行過程中，遇到急需處理的事件時，暫時中止CPU上現行程序的運行，轉去執行相應的事件處理程序，待處理完成后再返回原程序被中斷處或調度其它程序執行的過程。84操作系統為應用程序提供的與內核進行交互的一組接口應用程序獲取操作系統服務的唯一途徑系統調用的特殊性在于規定了應用程序進入內核具體位置，即用戶訪問內核的路徑是事先規定好的。2系統調用的概念852系統調用的概念發生中斷或執行系統調用應用程序內核函數內核空間用戶空間發生模式切換用戶態—內核態發生模式切換內核態—用戶態86程序員通常并非直接和系統調用打交道，在實際使用中，程序員調用的是函數，或稱為應用程序接口(ApplicationProgrammInterface,API)操作系統為每個系統調用在C函數庫中構造一個具有相同名字的封裝函數(wrapperfunction)，由它來屏蔽下層的復雜性，負責把操作系統提供的服務接口（系統調用）