操作系统简明教程PPT第1章.ppt

计算机操作系统 吴桂军 参考书目:汤子瀛等著.计算机操作系统 西安电子科技大学出版社 第一章 引论 本章要点 l操作系统的定义 l操作系统的发展过程及基本操作系统类型 和新型操作系统 l操作系统的功能和特征 2 2 l1.1 操作系统的基本概念 l1.1.1 操作系统的定义 计算机系统的组成 3 3 引入操作系统主要可完成以下两个方面的工作： (1) 方便用户使用。 操作系统应该提供给用户一个良好的界面， 用户不必了解硬件和其它软件的细节，就可以方 便地使用计算机。 (2) 充分利用资源。 操作系统应该最大限度地发挥计算机系统资 源的使用效率，合理地组织工作流程，使得计算 机资源能为多用户共享。 4 4 定义：操作系统是为了方便用户和提高计算 机的利用率，对计算机资源进行组织和管理 的程序集合。 用户 广义的概念，包括一般用户和软件开发 人员等； 资源包括处理器、存储器、输入/输出设备等 硬件资源和程序与数据等软件资源。 5 5 l1.1.2 操作系统在计算机系统中的作用 1.对外职能用户与计算机之间的接口 必须为用户提供良好的界面，使用户能够感觉 计算机是可用而且易用的。 2.对内职能组织和管理计算机资源，充 分发挥资源的效能，提高利用率 6 6 l1.1.3 研究操作系统的几种观点 1.用户观点 2.资源管理的观点 计算机资源按性质分四类:CPU、内存、处部设备、信息文件 对于操作系统来说，资源管理要做如下工作： (1) 对资源使用情况进行登记，这是资源管理的依据。 (2) 决定分配策略。 (3) 提供分配与回收算法。 3.进程观点 进程分析计算机操作系统在处理过程中的基本对象，是系 统中的活动实体。 7 7 图1-2 资源分配与释放过程 8 8 年代第一代 1946- 1957 第二代 1958- 1964 第三代 1965- 1970 第四代 1971-现在 电子 器件 电子管晶体管集成电路大规模集成 电路 存储 器 延迟线、 磁芯、磁鼓 磁带、纸带 磁芯、磁鼓 磁带、磁盘 半导体存储 器 磁芯、磁鼓 磁带、磁盘 半导体存储 器 磁带、磁盘 光盘 处理 方式 机器语言 汇编语言 监控程序 高级语言 实时处理 操作系统 实时/分时 处理网络操 作系统 应用 领域 科学计算科学计算 数据处理 过程控制 科学计算 系统设计等 科技工程领 域 各行各业 运算 速度 5000至 3万次/秒 几十万至 百万次/秒 百万至 几百万次/ 秒 几百万至 千亿次/秒 典型 机种 ENIAC EDVAC IBM705 UNIVAC IBM7094 CDC6600 IBM360 PDP 11 NOVA12 00 ILLIAC- VAX 11 IBM PC 9 9 l1.2 操作系统的发展 一方面操作随着充分发挥计算机硬件性能的要求不断发展, 另一方面它也促进了计算机硬件种类的扩充,使计算机体系结 构不断改进,功能越来越强大. l1.2.1 问题的提出 1.速度问题 人工操作速度和处理机计算速度严重不匹配 2.作业差异 3.CPU与外部设备的充分利用 1010 l1.2.3 解决办法 1.减少人工干预 批处理技术 作业执行序列、监督或管理程序、自动转换 联机批处理方式 2.改善速度匹配 脱机批处理技术 计 算 机 卡片机 接 口 计 算 机 卫 星 机 输入/出设备 l1.2.3 解决办法 1.减少人工干预 批处理技术 作业执行序列、监督或管理程序、自动转换 联机批处理方式 2.改善速度匹配 脱机批处理技术 计 算 机 卡片机 接 口 1111 3.实现多道程序系统 系统结构：以中央处理器为中心主存为为中心 中断技术术和通道技术术 通过软过软 件技术术使CPU和I/O设备设备 并行工作多道程序 系统统 多道程序系统是指允许多个相互独立的程 序同时存在于内存中，而且处于同时运行的过 程中。各道程序轮流占用CPU，交替执行。 问题：如何共享资源、如何互斥和同步、如何 提 高内存使用率、如何证程序安全 1212 图1-3 CPU与I/O并行图 1313 l1.2.3 基本操作系统类型 1.批处理系统 用户不能直接干预作业的运行过程 作业提交之前用作业控制语言编制成作业说明书或作 业控制卡,与程序和数据一起提交给系统 引入多道程序后,批处理系统有以下特征: (1) 多道性 (2) 无序性 (3) 调度性：作业从提交到运行完成需要经过两次调度， 即作业调度和进程调度。作业调度是指按照一定作业调度 算法，从后备作业队列中选择一个或几个作业调入内存。 进程调度是指按照一定进程调度算法，从在内存的进程中 选择一个进程，将处理机分配给它，使之执行。 1414 批处理系统，特别是多道批处理系统的主要优 点是资源利用率高和系统吞吐量大。 批处理系统的缺点主要体现在以下两个方面： (1) 平均周转时间长。作业的周转时间是指从 作业进入系统开始，直到作业完成并退出系 统为止所经历的时间。在批处理系统中，由 于作业需要排队来依次进行处理，因而作业 的周转时间较长。 (2) 无交互能力。在作业提交后，用户不能与自 己的作业进行交互，不便于对作业的控制。 1515 2分时系统 分时就是多个用户对系统资源进行时 间上的分享。 计算 机 接 口 终端 终端 终端 终端 终端 终端 分时系统示意图 微观上，每个用户作业轮 流运行一个时间片；宏观 上，多个用户同时工作， 共享系统资源。 分时系统作为多道程序系统的一 个典型代表，集中体现了多道程 序系统的一些技术特征，成为当 今的计算机操作系统主流 1616 3实时系统 “实时”是指系统能够及时响应发生的外部事件(一般 为一些随机事件)，并以足够快的速度完成对事件 的处理。 为了保证程序可靠运行，系统应提供安全措施，比 如多级容错、硬件冗余等，避免因发生错误或丢 失信息而造成重大经济损失甚至导致灾难性的后 果。 实时系统相对于其它操作系统来说，其优点是系统 的及时响应以及系统的可靠性。 两种类型：硬实时系统，软实时系统。 1717 l1.2.4 新型操作系统 1微机操作系统 MS-DOS、Windows、OS/2、UNIX、Linux 单用户单任务、单用户多任务、多用户多任务 2多处理机操作系统 从硬件结构上分：紧密耦合型和松散耦合型 多处理机系统所配置的操作系统分：对称式和 非对称式（又称为主从式）的 1818 3网络操作系统 如同在单机上安装操作系统可以方便用户合理 组织与管理计算机资源一样，在网络系统之上覆 盖一层网络操作系统之后，用户可以方便地使用 网络，实现用户通信和资源共享，提高网络资源 的利用率和网络吞吐量。 从功能上讲，网络操作系统是包括网络管理、 通信、资源共享、系统安全和多种网络应用服务 在内的诸方面功能的一个系统软件。 1919 4分布式操作系统 分布式处理系统是指由多个分散的处理单元 经互连网络的连接而形成的，且可以实现 分布处理的系统。 处理单元 自治性 协调 实现资源管理 动态地分配任务 能并行地运行分布式程序。 操作系统分布性并行性透明性共享性健壮性 网络操作 系统 分布处理， 集中控制 任务在本地 计算机上运 行 操作透明， 但需指明物 理位置 一般只能 共享服务 器上的资 源 控制集中于 服务器，可 靠性弱 分布式操 作系统 分布处理， 分布控制 多任务在多 处理单元中 并行执行 操作透明， 而且物理位 置透明 各站点资 源可供全 系统共享 容错能力强 ，可靠性高 2020 l1.3 操作系统的特征与功能 l1.3.1 操作系统的特征 1并发（Concurrence） 并发与并行的区别 程序与进程 2共享（Sharing） 是指内存中多个并发执行的进程共同使用系统中 的资源。 资源共享的两种方式 并发与共享的关系 3虚拟（Virtual） 4异步性（Asynchronism） 2121 从两个不同的角度（1.1.1）讨论操作系统的功能： 1. 资源管理 协调、管理计算机的软、硬件资源，提 高其利用率。 2. 用户角度 为用户提供使用计算机的环境和服务。 计算机四大类资源 C P U 内 存 外 设 信息文件 处理机管理 存储器管理 设备管理 文件管理 用户接口 1.3.2 1.3.2 操作系统的功能操作系统的功能 2222 1处理机管理的功能 进程管理和作业管理 1) 进程控制 2) 进程同步 3) 进程通信 4) 调度 作业调度作业具有使用CPU的权力 进程调度真正获得CPU 最重要内容！ 第2章 2323 2存储器管理的功能 1) 内存分配 内存分配的主要任务是为每道程序分配足够完整运 行的内存空间，而且要提高存储器的利用率。 内存分配的机制中应具有以下结构和功能： 内存分配数据结构：该结构用于记录内存 空间的使用情况，作为内存分配的依据。 内存分配功能：系统按照一定的内存分配 算法为用户程序分配内存空间。 内存回收功能：系统对用户不再需要的内 存根据释放请求进行回收。 2424 2) 内存保护 内存保护是指通过设置内存保护机制来确保 每道用户程序都在自己的内存空间中运行，不 能访问操作系统存放在系统区中的程序和数据 ，也不允许访问非共享的其它用户程序内存区 。 3) 地址变换 用户应用程序（源程序）经编译、链接而 形成的可装入程序，它所形成的逻辑单元编号 （即逻辑地址）与装入内存后具体的内存存储 单元编号（即物理地址）之间的对应变换，需 借助于相应的地址变换硬件机构实现，以保证 程序在执行过程中可以在正确的内存单元访问 所需的指令或数据。 2525 4) 内存扩充 大型文件系统 虚拟存储技术 逻辑扩充 请求调入功能。允许在仅装入一部分用户程序和数 据的情况下，启动该进程运行。在运行过程中，当 发现继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存时 ，可向OS发出请求，由OS将所需部分调入内存， 以便继续运行。 对换功能。若内存中已无足够的空间来装入需要调 入的部分时，系统应将内存中的一部分暂时不用的 程序和数据调至磁盘上，以便腾出内存空间，然后 再将所需部分调入内存。 以上是第3章将要讲述内容。 2626 3设备管理的功能 设备管理是指根据用户的I/O请求分配相应的I/O 设备，控制I/O操作过程，达到提高I/O速度和设备 利用率的目的。设备管理具体包括以下内容。 1) 缓冲管理 缓冲管理的基本任务是管理好各种类型的缓冲 区，以缓和CPU和I/O速度不匹配的矛盾，最终达 到提高CPU和I/O设备利用率，进而提高系统吞吐 量的目的。最常见的缓冲区机制有单缓冲机制，可 实现双向同时传送数据的双缓冲机制，以及可供多 个设备同时使用的公用缓冲池机制。 2727 2) 设备分配 设备分配的基本任务是根据用户的I/O请求，为 其分配所需的设备，其中包括可能需要的相应的控 制器和通道。 需数据结构：系统设备表、设备控制表、控制器控制 表、通道控制表等 3) 设备处理 设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任 务通常是实现CPU和设备控制器之间的通信，由 CPU向设备控制器发出I/O指令，要求它完成指定 的I/O操作，并能接收由设备控制器发来的中断请 求，给予及时的响应和相应的处理。 2828 4) 设备独立性和虚拟设备 设备独立性是指应用程序使用的逻辑 设备名独立于具体的物理设备，以使用户 编制的程序与实际使用的物理设备无关。 虚拟设备就是虚拟技术在设备管理中 的一种具体应用。 以上是第4章将要讲述内容。 2929 4文件管理的功能 文件管理是指对存储在磁盘或磁带上 的文件进行管理，以方便用户使用，并保 证文件的安全性。 文件管理具体包括：对文件存储空间 的管理，目录管理，文件的读、写管理以 及文件的共享与保护等功能。 3030 1) 文件存储空间的管理 由文件系统对诸多文件在存储空间的占用情 况进行记录，以供分配和回收空间时参考。分配和 回收是以提高存储空间的利用率为目标的。 2) 目录管理 主要任务是为每个文件建立目录项，以实现 方便的按名存取；文件共享；快速的目录查询手段 3) 文件的读、写管理和存取控制 该功能规定文件读、写的具体方式，以提高 读写效率。为了保障文件系统的安全，应对文件存 取施加限制措施，保证各个用户以适当的权限来使 用文件系统，达到系统的安全性要求。 以上是第5章将要讲述内容。 3131 5. 用户接口 为了方便用户使用计算机，操作系统 向用户提供了更易理解和进行工作的命令 接口、程序接口和图形接口。这些接口对 于不同层次、不同水平的用户提供了快速 、高效访问计算机的手段，对于计算机的 普及与发展起到了非常重要的促进作用。 将在第2章简述。 3232 l1.4 操作系统的结构设计 操作系统设计的一般观点? l1.4.1 整体式系统 一种非模块化的简单结构 一系列的过程 明确定义的接口 随意调用 操作系统与外部程序有统一的接口，即一组系统调用 命令 系统态（管态） 、用户态（目态） 3333 整体式系统基本的结构关系： (1) 一个主过程，它接受和解释系统调用命令，并调用相应 的过程 (2) 一组执行系统调用的服务过程，每个系统调用都有对应 的服务过程。 (3) 一组支持服务过程的实用过程，每个实用过程完成若干个 服务过程所必须执行的公共事务。 MS-DOS 早期的UNIX采用这种结构 所设计出的操作系统既庞大又杂乱 ，缺乏清晰的程序结构。这一方面 会使所编制出的程序错误很多，给 调试工作带来很多困难；另一方面 也使程序难以阅读和理解，增加了 维护人员的负担。 3434 l1.4.2 模块层次式系统 一种模块化的系统结构 把操作系统划分成若干模块 按这些模块的控制或服务关系进行分层 每层包含一个或若干个模块 层间调用 不可反向 两种基本方法：自底向上法和自顶向下法 3535 性质： (1) Ai所提供的资源和功能构 成了建立Ai+1的全部基础（ 单向依赖关系）。 (2) 从Ai扩充到Ai+1时，并不 一定是Ai的全部功能都同时 被扩充了，Ai的那些未经扩 充的功能被看成是延续到 Ai+1中