《计算机操作系统》PPT课件.ppt

1,操作系统,Operating System（OS）,2,参考书目,(1)庞丽萍 编著 操作系统原理（第三版）华中科技大学出版社 (2)“操作系统基础”，屠祁等，清华大学出版社，2000年第三版。 (3)冯耀霖 杜舜国 编著操作系统（第二版）西安电子科大出版社 (4)滕至阳 编著 现代操作系统教程高等教育出版社，2000年第一版 (5)“现代操作系统”，Aadrew S.T著陈向群等译，机械工业出版社， 1999年第一版。 (6)“操作系统”，徐宗元，高等教育出版社，2000年第一版。,3,第一章 操作系统引论,教学目的： 操作系统（OS）是最重要的系统软件，本章从OS的作用、发展史、类型、特征和功能等多方面介绍OS。 教学要求： 熟悉操作系统作用和定义，一般了解操作系统的历史。 了解计算机硬件系统结构。 熟练掌握多道程序设计技术的概念，掌握批处理系统、分时系统及实时系统三种操作系统基本类型，了解、网络操作系统和分布式操作系统。 了解现代操作系统特征，熟悉操作系统功能。,4,一、计算机系统的资源 计算机系统分为两大类：硬件系统和软件系统。 运算器 CPU(中央处理器) 硬主机 控制器 件 内存 系 外存 统外设输入设备(键盘、鼠标) 输出设备(显示器、打印机) 软件系统：系统软件、应用软件、工具软件,5,二、操作系统的层次视图 计算机系统可以划分为四个层次：硬件层、操作系统层、实用软件和应用软件层。每一层都表示一组功能和一个界面，表现为一种单向服务的关系，即上一层的软件必须以事先约定的方式使用下一层软件或硬件提供的服务，反之则不行。,硬件层,应用软件,实用软件,操作系统,指的是各种硬件资源。对外界面由机器指令系统组成，它是操作系统的工作基础。,6,二、操作系统的层次视图 计算机系统可以划分为四个层次：硬件层、操作系统层、实用软件和应用软件层。每一层都表示一组功能和一个界面，表现为一种单向服务的关系，即上一层的软件必须以事先约定的方式使用下一层软件或硬件提供的服务，反之则不行。,硬件层,应用软件,实用软件,操作系统,操作系统层 操作系统对硬件层进行了首次的功能扩充，对外界面是系统调用或系统服务。实用层软件以及应用层软件就是通过系统调用使用计算机系统资源的。,7,二、操作系统的层次视图 计算机系统可以划分为四个层次：硬件层、操作系统层、实用软件和应用软件层。每一层都表示一组功能和一个界面，表现为一种单向服务的关系，即上一层的软件必须以事先约定的方式使用下一层软件或硬件提供的服务，反之则不行。,硬件层,应用软件,实用软件,操作系统,它由软件定义的操作系统界面和硬件指令系统的部分组成。对外提供的界面是由一 组操作系统控制下运行的实用程序组成。实用层软件的功能是为应用层软件以及最终用 户处理自己的程序或数据提供服务。 如：语言编译系统、系统工具软件、数据库管理系统等。,8,二、操作系统的层次视图 计算机系统可以划分为四个层次：硬件层、操作系统层、实用软件和应用软件层。每一层都表示一组功能和一个界面，表现为一种单向服务的关系，即上一层的软件必须以事先约定的方式使用下一层软件或硬件提供的服务，反之则不行。,硬件层,应用软件,实用软件,操作系统,应用层软件包括办公自动化系统、事务处理系统、财务管理系统等。,9,三、什么是操作系统 操作系统是直接管理和控制计算机硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，以方便用户充分而有效地利用这些资源的程序集合。 即：管理者、组织者、服务者,10,（1）操作系统作用 1.从计算机系统组成观点操作系统是系统软件 计算机系统组成： 软件：应用软件 系统软件（操作系统、语言处理系统和常用的例行服务程序） 硬件： 输入输出（IO）设备 存储器 处理器,11,2. 从资源管理观点操作系统是系统资源管理者 （ Operating System as a Resource Manager）,操作系统是资源管理程序，它用于管理和控制计算机系统的硬件和软件资源。 计算机系统资源： 操作系统： 软件 文件系统 硬件：IO设备 设备管理 存储器 存储器管理 处理器 处理器（进程）管理,12,3. 从软件分层、扩充机器的观点 操作系统是扩充裸机的第一层系统软件,软件：语言处理程序 虚拟机2 软件：操作系统 虚拟机1 硬件（裸机） 虚拟机：二者结合变成了功能更强大、使用更方便的机器 固件：为了改善系统的性能，将操作系统中与硬件密切有关的部分软件，通过微程序设计技术转化为硬件，也就是通常所说的固化，这些具有软件功能的硬件称为固件。,13,4.从服务用户的观点操作系统是用户与裸机之间接口,用户 操作系统 接口 裸机 系统提供的接口有二类： 一类是作业级接口，它提供一组键盘命令，供用户组织和控制自己的作业运行。 另一类是程序级接口，它提供一组系统调用，即OS中某个模块功能，供用户程序和其它程序调用。,14,总结： 1、从用户的观点看： 操作系统是用户和计算机之间的接口。 2、从资源管理的观点看： 它是管理和控制计算机系统资源的管理软件。 3、从进程的观点看： 它是合理组织计算机工作流程的大型软件。 4、从软件分层、扩充机器的观点看： OS是扩充裸机的第一层系统软件，它是由若干层次、按照一定结构形式组成的有机体。 5、从发展观点看： OS是为了给计算机系统功能扩展提供支撑平台，使之在追加新的服务和功能时更加容易和不影响原有的服务和功能。,15,操作系统的发展,第0代 手工操作系统,第四代网络操作系统和分布式操作系统,第三代 多模式系统,第一代初级单道批处理系统,第二代 多道程序设计共享系统,由程序员采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统,16,操作系统的发展,第0代 手工操作系统,第四代网络操作系统和分布式操作系统,第三代 多模式系统,第一代初级单道批处理系统,第二代 多道程序设计共享系统,两种方式： 联机批处理 脱机批处理,它是为了减少人工操作时间和作业周转时间提高CPU利用率而设计的。系统自动成批处理作业，这是初级单道批处理系统。,17,操作系统的发展,第0代 手工操作系统,第四代网络操作系统和分布式操作系统,第三代 多模式系统,第一代初级单道批处理系统,第二代 多道程序系统,特点： 多道 宏观上并行 微观上串行,问题： 同步与互斥问题 内存不足 内存保护,这一代操作系统包括多道批处理系统、采用交互方式的分时系统和以提高瞬时响应时间为特征的实时系统。,18,操作系统的发展,第0代 手工操作系统,第四代 网络操作系统和分布式操作系统,第三代 多模式系统,第一代 初级单道批处理系统,第二代 多道程序系统,分时操作系统 实时操作系统 通用操作系统,这一代操作系统是多模式系统，即一个系统同时支持批处理、分时处理、实时处理和多重处理。,19,操作系统的发展,第0代 手工操作系统,第四代 网络操作系统和分布式操作系统,第三代 多模式系统,第一代 初级单道批处理系统,第二代 多道程序系统,网络操作系统实现在计算机网络上进行信息交换、资源共享和互操作等功能。 分布式操作系统将地域上分散的各系统互连成一个具有整体功能的系统，并可将一个任务分布地在各系统上运行，实现分布式处理。,20,早期批处理系统,为了缩短作业的建立时间,减少错误操作尽可能地提高CPU的利用率,采取了两个措施: 1.配备专门的操作员 2.批处理(联机批处理、 脱机批处理) 联机批处理: 用户上机前,需向操作员提交程序、数据和一个作业说明书,提供用户标识、用户想使用的编译程序以及所需的系统资源等基本信息.,21,一个作业处理完毕后,监督程序又可以自动地调下一个作业处理.解决了作业自动转换问题.但是在作业的输入和执行结果的输出过程中,CPU仍处于停止等待状态. 脱机批处理:,读卡机,穿卡机,卫星机,主机,输入磁带,输出磁带,输入磁带,输出磁带,22,由主机和卫星机组成. 卫星机又称外围计算机,不与主机直接连接,只与外部设备打交道.主机与卫星机可以并行操作,二者分工明确,可以充分发挥主机的高速计算能力. 批处理系统解决了人机矛盾以及高速CPU和低速I/O设备的矛盾. 它的出现促进了软件的发展,最重要的是产生了起管理作用的监督程序. 优点:实现了作业的自动过渡,改善了CPU和外设的使用情况,提高了计算机系统的处理能力; 缺点:磁带需人工拆卸;系统的保护问题;,23,执行系统,在硬件方面随着通道的引入和中断技术的出现,操作系统进入执行系统阶段. 通道 一.通道的概念 一种专用的处理部件,它能控制一台或多台外设工 作,负责外部设备和主存之间的信息传输. 二.通道的功能 一旦启动就能独立于CPU运行,可使CPU和通道并 行操作,而且CPU和各种外部设备也能并行操作.,24,中断 一、中断的概念 指CPU对系统中发生的异步事件的响应。 异步事件指无一定时序关系的随机发生的事件。 采用中断能使主机与外设并行工作，有效地发挥主机的处理能力 二、中断的类型与分级 1、按中断源的处理方法即中断请求响应的方式等不同，可划分为不同的中断类型。 1） 输入输出中断(I/O) 2） 程序中断 3） 外部中断 4） 机器检验中断,25,2、分级 即：根据中断源来确定中断执行的优先级。也就是当有多个中断源同时发出中断请求时先执行哪个中断。 中断的优先选择由硬件来实现的，在计算机中设置了若干个中断级，从大到小给每个中断级编号。对每个优先级分配的原则，一般是对紧急的、重要的、较频繁发生的中断源分配较高的中断优先级。,26,借助于通道和中断技术,I/O的工作可在主机控制下完成. 扩大了原有监督程序的功能,不仅要负责调度作业自动地运行,而且还要提供I/O控制功能. 这个发展了的监督程序常驻内存,称为执行系统. 执行系统实现的是联机操作,和批处理系统不同的是:I/O工作是由在主机控制下的通道完成的,主机和通道、主机和外设之间都可以并行操作.在执行系统中,用户程序的I/O工作是委托给系统实现的;引入了一些新的中断如:算术溢出和非法操作码中断、时钟中断等,27,多道程序系统,1.多道程序设计 单道批处理系统:系统每次中调用一个用户作业程序进入主存并运行. 特征:(1)自动性; (2)顺序性; (3)单道性,单道程序工作示例,28,多道程序设计是一种软件技术,该技术使同时进入计算机主存的几个相互独立的程序在管理程序控制之下相互交替地运行.当某道程序因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.,CPU,I/O设备,请求输出,程序A,请求 其他,输出 结束,CPU 等待,I/O操作,程序B,输入 结束,程序B,程序A,请求输入,I/O设备,多道程序工作示例,29,引入多道程序的好处: (1)提高CPU的利用率; (2)提高主存和I/O设备利用率; (3)增加系统吞吐量 多道程序的特点: (1)多道; (2)宏观上并行; (3)微观上串行;,2.多道批处理系统 在批处理系统中采用多道程序设计技术,就形成了多道批处理系统. 在主存中总是存有几道程序,系统资源的利用率比较高.调入作业时要注意到不同作业的特点, 能合理搭配,可以进一步提高系统资源的利用率.,30,多道批处理系统需要解决的问题: (1)同步与互斥; (2)提高主存的使用效率; (3)主存保护; 多道程序系统的出现标志着操作系统进入渐趋成熟的阶段.先后出现了作业调度管理、处理器管理、存储器管理、外部设备管理、文件系统管理等技术. 分时系统 分时技术:把处理器的时间分成很短的时间片,这些时间片轮流地分配给各联机作业使用. 采用分时技术的系统称为分时系统.,31,目标：分时系统的形成和发展的动力是用户的需要。用户希望自己能直接控制程序的运行及时进行人-机交互，以便能方便地修改程序的错误。 实现原理：分时系统是指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，它同时允许许多用户通过终端以交互方式使用计算机共享主机中的资源。 所谓分时是指多个用户分时共享使用同一台计算机，也就是说把计算机的系统资源（尤其是CPU时间）进行时间上分割，即将整个工作时间分成一个个的时间段（时间片），每个时间片分给一个用户使用，这样将CPU工作时间分别提供给多个用户使用，每个用户依次地轮流使用一个时间片。 把计算机的系统资源进行时间上的分割，分成一个个时间片供多个用户使用，每个用户依次轮流使用时间片。,32,多道批处理系统和分时系统的出现标志着操作系统的初步形成. 分时系统的类型: (1)单道分时系统:主存中只驻留一道程序(作业),其余作业都保存在辅存上.(每道作业可能频繁地调进/调出多次,开销较大,系统性能较差) (2)具有“前台”和“后台”的分时系统:为了充分利用CPU而引入了“前台”和“后台”的概念.主存被固定地划分为“前台区”(按时间片调进和调出的作业流)和“后台区”(批处理作业). (3)多道分时系统:在分时系统中引入多道程序技术,可在主存中同时存入多道作业,每道作业无固定位置.作业在主存中进行切换. 现代的分时系统都属于多道分时系统.,33,分时系统的特征,同时性：允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。宏观上是多个用户同时工作，共享系统资源，而微观上则是每个用户作业轮流运行一个时间片。多路性即同时性，它提高了资源利用率，从而促进了计算机更广泛的应用。 独立性：每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。因此用户会感觉到就象他一人独占主机。 交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。用户可以请求系统提供多方面服务，如文件编辑，数据处理和资源共享等。 及时性：用户的请求能在很短时间内获得响应，此时间间隔是以人们所能接受的等待时间来确定的，通常为1-2秒。,34,实时操作系统 对随机发生的外部事件作出及时的响应并对其进行处理，所发生的外部事件并非是由于人来启动和直接干预引起的。 实时过程控制和实时信息处理两种系统。 基本特征 是事件驱动设计，即当接收到某种类型的外部信息时，由系统选择相应的程序去处理。,35,实时系统分类,实时控制系统 此类实时控制系统主要用于生产过程的自动控制，实验数据自动采集，武器的控制：包括火炮自动控制、飞机自动驾驶、导弹的制导系统。 实时信息处理系统 这类系统主要用于实时信息处理，比如飞机订票系统、情报检索系统。,36,.实时系统特征,快速的响应时间 实时系统是为了提高系统响应时间而设计的OS，特别是实时控制系统，对外部事件的响应要十分及时迅速。外部事件往往以中断方式通知系统，系统有较强的中断处理能力，实时系统的设计也以“事件驱动”方式来设计。 有限的交互能力 实时系统（如实时信息处息系统）一般是专用系统，它能提供人机交互方式，但用户只能访问系统中某些特定的专用服务程序，不能象分时系统一般向终端用户提供多方面服务。 高可靠性和安全性 批处理系统和分时系统虽也要求系统可靠，相比之下，实时系统则要求系统高度可靠。因此实时系统中往都采用双机系统，多级容错措施来保证系统和数据的安全。,37,通用操作系统,多道批处理系统和分时系统的不断改进,实时系统的出现及其应用日益广泛,致使操作系统日益完善.在此基础上,出现了通用操作系统.可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能,或其中两种以上的功能. 如:实时处理和批处理相结合构成实时批处理系统. 微机操作系统 配置在微机上的OS称为微机操作系统。常用的微机OS有MS-DOS、MS Windows、OS/2、 UNIX、 Linux等。,38,3. Linux Linux操作系统是一个遵循标准操作系统界面的标准免费操作系统。 4多用户多任务操作系统 UNIX SCO公司将运行于大、中、小型机上UNIX操作系统移植到微机上，UNIX是多用户多任务操作系统。,2单用户多任务操作系统MS Windows Windows98/2000是Microsoft公司开发的一个图形 用户界面的多任务、多线程、全32位的操作系统。,1单用户单任务操作系统MS-DOS MS-DOS是Microsoft公司开发的首先在IBM-PC机上使用的微机OS，MS-DOS操作系统现在成了事实上的16位微机单用户单任务操作系统的标准。,39,网络操作系统 （Network Operating System ，NOS）,1. 网络操作系统定义 计算机网络可以定义为一些互连的自主计算机系统的集合，所谓自主计算机是指计算机具有独立处理能力，而互连则表示计算机之间能够实现通信和相互合作。 按网络所覆盖的地理范围大小可把计算机网络分成广域网WAN（Wide Area Network）和局域网LAN（Local Area Network）两类。(城域网MAN) 网络操作系统定义为：网络操作系统是使网络上各计算机能方便地进行网络通信、有效地共享网络资源，为网络用户提供所需各种服务的软件和有关规程的集合。,40,2. 网络OS功能: 高效、可靠的网络通信 对网络中共享资源（在LAN中有硬盘、打印机等）有效的管理 提供电子邮件、文件传输等网络服务 网络安全管理 提供互操作能力,3. 现代操作系统特点内装网络,现代操作系统已把网络功能包含到操作系统的内核中，作为操作系统核心功能的一个组成部分。 微软公司的Windows NT，AT & T公司的UNIX 、Sun公司的SunOS、IBM公司的Linux等都已把TCPIP网络功能包含在内核中。,41,分布式操作系统,1.分布式操作系统定义 分布式计算机系统是为分散处理、协同完成任务而将多个分散的计算机经互连网络连接而成的计算机系统，分布式操作系统是在它上配置的操作系统。分布式操作系统是能直接对系统中各类资源进行动态分配和管理，有效控制和协调诸任务的并行执行，允许系统中的处理单元无主、次之分，并向系统提供统一的、有效的接口的软件集合。,42,2. 分布式操作系统与网络操作系统的区别,分布性 处理上的分布性是分布式操作系统的最基本特征。网络虽有分布处理的功能，但网络的控制功能，则大多集中在某个主机或服务器上，它的控制方式集中的，分布式系统的处理分布是资源、功能、任务和控制都是分布的。 透明性 分布式OS通常很好地隐藏系统内部的实现细节，如对象的物理位置、并发控制、系统故障等对用户都是透明的。,43,统一性 分布式系统要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性，而网络系统一般是在各自操作系统基础上加上负责网络访问功能模块，网络各系统操作不一致。 健壮性 由于分布式系统的处理和控制功能是分布的，设备出现故障时，可通过容错技术实现系统重构，从而仍保持系统的正常运行，因而系统具有键壮性，即具有较好的可用性和可靠性。而网络系统其控制功能大多集中在主机和服务器中，使系统具有潜在的不可靠性。,44,操作系统的分类,按照操作系统所提供的功能可分为: (1)批处理操作系统; (2)单用户操作系统; (3)分时操作系统; (4)实时操作系统; (5)网络操作系统; (6)分布式操作系统;,分布式操作系统正处于研制阶段,网络操 作系统正处于不断发展阶段而其它的操作 系统比较成熟.,45,操作系统的功能,操作系统目的之一是为方便用户使用计算机系统之二是充分发挥计算机系统资源的使用率。 操作系统的功能由五个部分组成：处理器管理、存储管理、设备管理、文件和作业管理。,46,处理机管理（又称进程管理） 处理器管理的主要任务是对处理器进行分配,并对其运行进行有效的控制和管理. 进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位,是一个活动的实体.在多道程序环境下,处理器的分配和运行都是以进程为基本单位的,因而对处理器的管理可归结为对进程的管理. 包括以下几个方面: (1)进程控制; (2)进程调度; (3)进程的互斥与同步; 进程互斥方式:诸进程在对临界资源进行访问时应采用互斥方式对进程进行协调 进程同步方式:在相互合作完成共同任务的进程间由同步机构对进程的执行次序加以协调. (4)进程通信;,47,存储管理 存储管理是指对主存储器的管理，即：如何把有限的主存储器进行合理的分配，满足多个用户程序运行的需要。 主存储器分为两部分:一是系统区,一是用户区。 对主存储器的管理主要是对用户区域进行管理。,48,存储管理的功能有下列四个方面： 分配和释放主存储器空间 若当时的情况不能满足申请要求，则让申请的进程处于等待状态，直到有足够主存空间时再分配给该进程.当某个作业返回时,系统负责收回，使之成为自由区域。 主存储器空间的共享 主存空间共享有两方面的内容：一是共享主存资源，一是共享主存的某些区域。 扩充主存容量 通过虚拟存储技术或自动覆盖技术，把辅助存储器作为主存储器的扩充部分来使用。 存储保护 为避免相互干扰，必须对主存中的程序和数据进行保护。,49,设备管理 有效地管理各种外设，使这些设备充分地发挥效率；并且要给用户提供简单而易于使用的接口，以便用户在不了解设备性能的情况下，也能很方便地使用它。 功能主要包括： 设备分配与去配 设备处理(设备处理程序又称为设备驱动程序):基本任务是 实现CPU和设备控制器之间的通信. 虚拟设备(把每次公允许一个进程使用的物理设备改造为能同时供多个进程共享的设备.),50,文件管理 现代计算机系统中,总是把程序和数据以文件的形式存储在辅存上,供所有的或指定的用户使用.文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理,以方便用户使用,并保证文件的安全性. 主要功能: (1)文件存储空间的管理; (2)目录管理; (3)文件操作; (4)文件的共享、保护和保密;,51,5.作业管理 作业管理是操作系统与用户的接口软件。 作业是指用户在一次算题过程中, 或一次事务处理过程中, 要求计算机系统所做工作的集合。在批处理系统中，把一批作业按用户提交的先后顺序依次安排在输入设备上，然后依次读入系统并进行自理从而形成一个作业流。一个作业从进入系统到执行结束，一般需要经历收容、执行和完成三个阶段，即作业处于后备、执行和完成三 个不同的状态。,52,操作系统特征和作用,（1）操作系统特征 并发性（Concurrence） 并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生，而并发性是指两个或多个在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指宏观上在一段时间内有多道程序在同时执行。但在单处理机系统中，每一个时刻仅能执行一道程序，故微观上，这些程序是在交替执行。 共享性（Sharing） 共享是指系统中的所有资源不再为一个程序所独占，而是供同时存在于系统中的多道程序所共同使用。根据资源属性不同，可有互斥共享和同步共享两种不同的共享方式。,53,操作系统特征-1,并发和共享关系：并发和共享是操作系统的两个最基本的特性，它们又是互为存在条件。一方面资源共享是以程序（进程）的并发性执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题。另一方面若系统不能对资源共享实施有效管理，则也必将影响到程序并发执行。 虚拟性（Virtual） 虚拟是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，是实的；逻辑物体是用户感觉到的，是虚拟的。例如在单CPU多道分时系统中，通过多道程序技术和分时技术可以把一个物理CPU虚拟为多台逻辑上的CPU，使每个终端用户都认为有一台“独立”的CPU为它运行，用户感觉的CPU是虚拟CPU。,54,操作系统特征-2,异步性（Asynchronis