(第 01 章)操作系统概述[ 2 课时](1)
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操作系统原理
第 01 章 操作系统概述
苏曙光
Huazhong University of Science and Technology
1
DOS-Disk Operate System，磁盘操作系统 Wndows 3.1 Windows：95/98/NT/2k[Pro/Server]/2k3/Vista UNIX:：BSD/ SRV4/ OSF1/SCO UNIX/AIX/Solaris Linux：Redhat/Ubuntu/openSUSE/Fedora/Debian /Mandriva /KNOPPIX/Slackware /Gentoo/
8
工作站机群COW
分布式存储，MIMD，工作站+商用互连网络，每 个节点是一个完整的计算机，有自己的磁盘和操 作系统。例子：Berkeley NOW，Alpha Farm, FXCOW。
苏曙光.软件学院.华中科技大学
第9页共39页
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
9
2. 操作系统的形成和发展
计算机硬件系统的四个典型阶段 1946－1955 电子管时代 1955－1965 晶体管时代 1965－1980 集成电路时代 1980－至今 大规模集成电路时代 操作系统的四个典型阶段 手工操作（无操作系统） 40年代 单道批处理系统 50年代 多道批处理系统 60年代初 分时系统 60年代中
对称多处理机SMP
SMP：采用商用微处理器，通常有片上和片外Cache， 基于总线连接，集中式共享存储，例子：SGI Power Challenge, DEC Alpha Server,Dawning 1
P/C
P/C
…
SM
P/C
总线或交叉开关 SM
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I/O
第8页共39页
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第22页共39页
22
中断和通道
扫描仪和CPU工作配合
启动扫描仪
扫描仪
扫描完成仪 关闭扫描仪
CPU
内存（扫 描 数据）
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第23页共39页
23
中断和通道
扫描仪和CPU工作配合
完成扫描后主 动通知CPU
扫描仪
CPU
内存（扫 描 数据）
通道
DMA
多道批处理系统
采用多道程序设计技术的批处理系统称为多道批处理 系统。
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第21页共39页
21
中断技术和通道技术
60年代硬件的两个重大进展 中断
CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去 处理该中断事件，处理完毕后回到原来的断点继续 原来的工作。
通道(I/O处理机)
实际上是一台功能单一、结构简单的I/O处理机，它 独立于CPU并直接控制外设与内存进行数据传输。
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19
单道批处理的设备利用存在的问题 CPU和I/O设备忙闲不均（取决于作业特性）。
对计算为主的作业，外设空闲； 对I/O为主的作业，CPU空闲；
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20
多道批处理系统
多道程序设计技术
在内存中存放多道程序,使它们在管理程序的控制下相 互穿插地运行。当某道程序因为某种原因不能继续运 行下去时，管理程序便将另一道程序投入运行。这样 可以使CPU和外设尽量处于忙碌状态，提高系统效率。
出路：专职操作员，批处理
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13
单道批处理系统
背景：晶体管计算机出现
工作过程
用户将作业（纸带）交给机房的操作员 操作员将一批作业输入到辅存形成作业队列 监控程序把一道作业调入内存运行直到运行完成撤出 把下一道作业调入内存运行，直到运行完成撤出 直到一批作业全部完成 通知用户取运行结果 定义：监控程序自动批量装入程序、运行、打印结果、撤 出。再自动识别下一程序的开始，重复上面的过程，故称 之批处理；作业装入后串行执行，一道接一道运行，称之 为单道。
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5
“并行”软件设计
单CPU计算机宏观上有多个任务同时在运行
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第6页共39页
6
并行物理结构
具有多个CPU或CPU核 对称多处理机 工作站机群 不同的CPU上可以同时运行不同的程序！
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7
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第33页共39页
33
？思考
多道批处理和分时系统都有多个作业/同时在内存中运 行，都会发生CPU在作业间的切换过程。请问这两种切换 之间有什么区别？
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34
实时操作系统
产生背景 军事领域，工业控制，智能仪器，现场数据处 理，实时事务 特点 以实时响应为特征，强调操作完成的时间是否 满足预定要求。 强调系统工作的可靠性 不注重系统效率，但注重特定作业的执行效率 交互功能差
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30
分时系统的物理结构
把主机的时间分成很短的时间片，各个联机的终端轮 流地使用主机，每次使用一个时间片的时间！
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31
分时技术
把处理机的时间分成很短的时间片，时间片轮流 地分配给联机的作业使用。如果某作业在分配给 它的一个时间片内还没有运行完，则该作业就暂 时中断，【等待下一轮时间片分配】并把处理机 的让给下一个作业使用。这样在一个相对较短的 时间间隔内，每个作业都能得到快速响应，给用 户的印象就是——自己独占计算机。
作业卡片序列
作业卡片序列
常驻监控程序
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16
单道批处理的两种方式
联机批处理
特点：由CPU直接控制作业输入输出 缺点：硬件利用效率低
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17
脱机批处理
输入带 读卡机 卫星机 打印机 输出带 系统库 主机 运行日志 执行带
(2) 方便用户
用户上机、调试程序，分散计算时的事务处理和非 专业用户（商业，办公，家庭）
(3) 硬件的发展
集成电路，CPU宽度、高速内存
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12
手工操作阶段（没有操作系统）
背景 电子真空管，按钮，开关，接线面板，纸带，卡片 硬件造价昂贵 操作过程和特点 程序设计：直接编制二进制目标程序 ，再纸带上穿孔 输入输出设备主要是纸带和卡片 程序员上机必须预约机时，亲自上机操作 程序的启动与结束处理都以手工方式进行 单用户方式 缺点 用户独占所有资源；效率低下；程序员操作员用户三 合一；程序执行过程得不到任何帮助
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24
多道程序的运行
程序A 程序B 监督程序 启动盘 磁盘操作 磁带操作 请求输入
请求输入
CPU 运 行 调度B 设 备 运 行
调度B
启动带
调度A 结束中断
结束中断
时间
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25
多道程序设计技术的目的 提高CPU的利用率，充分发挥并行性，包括程序 之间、设备之间、设备和CPU之间均并行工作。
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27
多道批处理系统的核心技术
作业调度：作业的现场保存和恢复 资源共享：资源的竞争和同步——互斥机制 内存使用：提高内存使用效率（为当前由CPU执行的程 序提供足够的内存）——覆盖(overlay)，交换(swap)和 虚拟存储(virtual memory) 内存保护：系统存储区和各应用程序存储区不可冲 突，即存储保护 文件非顺序存放、随机存取。 出现了：作业管理、处理机管理、存储管理、设备管 理、文件系统管理(file system)
2
主要内容和重点
本章主要学习内容 操作系统发展历史 操作系统的定义 操作系统的功能 操作系统的特性 重点 操作系统四个发展阶段的典型特点 多道程序设计技术 分时的概念 理解操作系统的特性
苏曙光.软件学院.华中科技大学 第3页共39页
3
1 存储程序式计算机的结构和特点
1.1 存储程序式计算机的结构和特点
CPU与外部设备充分并行 外部设备之间充分并行 发挥CPU的使用效率 提高系统吞吐量
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第26页共39页
26
多道批处理系统的特点 多道：内存中同时存放着多道程序。 并行：宏观上并行，作业同时处于运行状态。 串行：微观上串行，任一特定时刻，在处理机上运行 的作业只有一个。 缺点 作业平均周转时间长【不利于短作业】 交互能力差【作业完成或出错才有响应】
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28
思考
多处理器系统也可以同时运行多个程序，它和多道批处理 系统有什么区别？
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29
分时操作系统
步入实用化阶段的操作系统 背景 事务性计算和交互性要求 对用户快速响应的要求 硬件水平 大规模集成电路的出现 多终端计算机的出现
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10
操作系统的进一步发展 实时操作系统 微机操作系统 多处理机操作系统 网络操作系统 分布式操作系统 嵌入式操作系统
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推动操作系统发展的主要动力－需求和支持 (1) 提高资源的利用率和系统性能
第 01 章 操作系统概述
苏曙光
Huazhong University of Science and Technology
1
DOS-Disk Operate System，磁盘操作系统 Wndows 3.1 Windows：95/98/NT/2k[Pro/Server]/2k3/Vista UNIX:：BSD/ SRV4/ OSF1/SCO UNIX/AIX/Solaris Linux：Redhat/Ubuntu/openSUSE/Fedora/Debian /Mandriva /KNOPPIX/Slackware /Gentoo/
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工作站机群COW
分布式存储，MIMD，工作站+商用互连网络，每 个节点是一个完整的计算机，有自己的磁盘和操 作系统。例子：Berkeley NOW，Alpha Farm, FXCOW。
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2. 操作系统的形成和发展
计算机硬件系统的四个典型阶段 1946－1955 电子管时代 1955－1965 晶体管时代 1965－1980 集成电路时代 1980－至今 大规模集成电路时代 操作系统的四个典型阶段 手工操作（无操作系统） 40年代 单道批处理系统 50年代 多道批处理系统 60年代初 分时系统 60年代中
对称多处理机SMP
SMP：采用商用微处理器，通常有片上和片外Cache， 基于总线连接，集中式共享存储，例子：SGI Power Challenge, DEC Alpha Server,Dawning 1
P/C
P/C
…
SM
P/C
总线或交叉开关 SM
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I/O
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中断和通道
扫描仪和CPU工作配合
启动扫描仪
扫描仪
扫描完成仪 关闭扫描仪
CPU
内存（扫 描 数据）
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中断和通道
扫描仪和CPU工作配合
完成扫描后主 动通知CPU
扫描仪
CPU
内存（扫 描 数据）
通道
DMA
多道批处理系统
采用多道程序设计技术的批处理系统称为多道批处理 系统。
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中断技术和通道技术
60年代硬件的两个重大进展 中断
CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去 处理该中断事件，处理完毕后回到原来的断点继续 原来的工作。
通道(I/O处理机)
实际上是一台功能单一、结构简单的I/O处理机，它 独立于CPU并直接控制外设与内存进行数据传输。
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单道批处理的设备利用存在的问题 CPU和I/O设备忙闲不均（取决于作业特性）。
对计算为主的作业，外设空闲； 对I/O为主的作业，CPU空闲；
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多道批处理系统
多道程序设计技术
在内存中存放多道程序,使它们在管理程序的控制下相 互穿插地运行。当某道程序因为某种原因不能继续运 行下去时，管理程序便将另一道程序投入运行。这样 可以使CPU和外设尽量处于忙碌状态，提高系统效率。
出路：专职操作员，批处理
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单道批处理系统
背景：晶体管计算机出现
工作过程
用户将作业（纸带）交给机房的操作员 操作员将一批作业输入到辅存形成作业队列 监控程序把一道作业调入内存运行直到运行完成撤出 把下一道作业调入内存运行，直到运行完成撤出 直到一批作业全部完成 通知用户取运行结果 定义：监控程序自动批量装入程序、运行、打印结果、撤 出。再自动识别下一程序的开始，重复上面的过程，故称 之批处理；作业装入后串行执行，一道接一道运行，称之 为单道。
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“并行”软件设计
单CPU计算机宏观上有多个任务同时在运行
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并行物理结构
具有多个CPU或CPU核 对称多处理机 工作站机群 不同的CPU上可以同时运行不同的程序！
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？思考
多道批处理和分时系统都有多个作业/同时在内存中运 行，都会发生CPU在作业间的切换过程。请问这两种切换 之间有什么区别？
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实时操作系统
产生背景 军事领域，工业控制，智能仪器，现场数据处 理，实时事务 特点 以实时响应为特征，强调操作完成的时间是否 满足预定要求。 强调系统工作的可靠性 不注重系统效率，但注重特定作业的执行效率 交互功能差
苏曙光.软件学院.华中科技大学
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分时系统的物理结构
把主机的时间分成很短的时间片，各个联机的终端轮 流地使用主机，每次使用一个时间片的时间！
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分时技术
把处理机的时间分成很短的时间片，时间片轮流 地分配给联机的作业使用。如果某作业在分配给 它的一个时间片内还没有运行完，则该作业就暂 时中断，【等待下一轮时间片分配】并把处理机 的让给下一个作业使用。这样在一个相对较短的 时间间隔内，每个作业都能得到快速响应，给用 户的印象就是——自己独占计算机。
作业卡片序列
作业卡片序列
常驻监控程序
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单道批处理的两种方式
联机批处理
特点：由CPU直接控制作业输入输出 缺点：硬件利用效率低
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脱机批处理
输入带 读卡机 卫星机 打印机 输出带 系统库 主机 运行日志 执行带
(2) 方便用户
用户上机、调试程序，分散计算时的事务处理和非 专业用户（商业，办公，家庭）
(3) 硬件的发展
集成电路，CPU宽度、高速内存
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手工操作阶段（没有操作系统）
背景 电子真空管，按钮，开关，接线面板，纸带，卡片 硬件造价昂贵 操作过程和特点 程序设计：直接编制二进制目标程序 ，再纸带上穿孔 输入输出设备主要是纸带和卡片 程序员上机必须预约机时，亲自上机操作 程序的启动与结束处理都以手工方式进行 单用户方式 缺点 用户独占所有资源；效率低下；程序员操作员用户三 合一；程序执行过程得不到任何帮助
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多道程序的运行
程序A 程序B 监督程序 启动盘 磁盘操作 磁带操作 请求输入
请求输入
CPU 运 行 调度B 设 备 运 行
调度B
启动带
调度A 结束中断
结束中断
时间
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多道程序设计技术的目的 提高CPU的利用率，充分发挥并行性，包括程序 之间、设备之间、设备和CPU之间均并行工作。
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多道批处理系统的核心技术
作业调度：作业的现场保存和恢复 资源共享：资源的竞争和同步——互斥机制 内存使用：提高内存使用效率（为当前由CPU执行的程 序提供足够的内存）——覆盖(overlay)，交换(swap)和 虚拟存储(virtual memory) 内存保护：系统存储区和各应用程序存储区不可冲 突，即存储保护 文件非顺序存放、随机存取。 出现了：作业管理、处理机管理、存储管理、设备管 理、文件系统管理(file system)
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主要内容和重点
本章主要学习内容 操作系统发展历史 操作系统的定义 操作系统的功能 操作系统的特性 重点 操作系统四个发展阶段的典型特点 多道程序设计技术 分时的概念 理解操作系统的特性
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1 存储程序式计算机的结构和特点
1.1 存储程序式计算机的结构和特点
CPU与外部设备充分并行 外部设备之间充分并行 发挥CPU的使用效率 提高系统吞吐量
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多道批处理系统的特点 多道：内存中同时存放着多道程序。 并行：宏观上并行，作业同时处于运行状态。 串行：微观上串行，任一特定时刻，在处理机上运行 的作业只有一个。 缺点 作业平均周转时间长【不利于短作业】 交互能力差【作业完成或出错才有响应】
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思考
多处理器系统也可以同时运行多个程序，它和多道批处理 系统有什么区别？
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分时操作系统
步入实用化阶段的操作系统 背景 事务性计算和交互性要求 对用户快速响应的要求 硬件水平 大规模集成电路的出现 多终端计算机的出现
苏曙光.软件学院.华中科技大学 第10页共39页
10
操作系统的进一步发展 实时操作系统 微机操作系统 多处理机操作系统 网络操作系统 分布式操作系统 嵌入式操作系统
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推动操作系统发展的主要动力－需求和支持 (1) 提高资源的利用率和系统性能
