操作系统第三版第一章.ppt

1,操 作 系 统,主讲教师：白恩健,Email: Phone2,一个程序若要在计算机中运行，必须要放到内存中，因为CPU只从内存中取得指令执行。所以在外存上存放的可执行文件对于处理机来说是执行不了的，只有把它加载到内存之后，CPU才能执行这个程序。当使用计算机时，可能会单击鼠标激活屏幕上显示的某个应用程序的图符，然后这个应用程序便执行起来。过程就如此简单吗？,3,事实上，当单击某个图符时，首先是鼠标按钮产生 中断，然后转入操作系统的中断处理，之后又通过 相应的分析程序去获取屏幕上这个图符所在位置的 坐标，从而获知是哪个程序，在调入该程序到内存 之前，首先由进程管理为此程序建立进程，再由进 程管理调用存储管理为此程序分配内存，然后由文 件管理系统提供该程序在外存上的位置等属性,4,信息。之后文件管理系统调用设备管理启动磁盘驱动器，并将这个程序读入到内存中。这样，一旦操作系统调度到这个进程，CPU便可执行由该进程定位的这个程序了。从这个过程的描述中，我们可以体会到，用户的单纯的单击，便引起了操作系统一系列的工作。,5,课程主要内容介绍,操作系统的功能 管理系统软硬件资源 扩展计算机的功能 向用户提供服务,进程管理 处理机管理 存储管理 外部设备管理 文件系统,6,教材和参考资料,汤小丹，计算机操作系统，西安电子科技大学出版社 尤晋元，史美林，Windows操作系统原理，机械工业出版社,7,课程要求,课堂作业：20% 课堂考试：10% 期末考试：70%,8,第一章 操作系统引论,本章主要讨论操作系统(OS)的基本概念，包括OS的目标和作用、 OS的发展过程、 OS的特征和功能以及 结构设计等。,学习要点: (1) 掌握操作系统的定义及功能 (2) 掌握操作系统的三种基本类型及特点 (3) 深入领会多道程序设计技术,9,第一章 操作系统引论,什么是OS OS发展简史 计算机硬件简介 OS的基本类型 OS的特征和功能 OS结构,10,什么是OS,OS的定义 OS是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理的组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序集合。它是最重要的系统软 件。(如何理解？),11,(1) 从计算机系统组成的观点OS是系统软件,12,从计算机系统组成的角度，可把整个计算机 系统划分为四个层次：硬件、操作系统、实 用程序和应用程序。这四个层次之间表现为 一种单向依赖和调用关系，即外层的软件必 须以事先约定的方式(即接口)调用内层软件或 硬件。,13,14,操作系统的地位： 操作系统是紧挨着硬件的第一层软件，是对硬件功 能的首次扩充，其他软件则是建立在操作系统之上 的。操作系统对硬件功能进行扩充，并统一管理和 支持各种软件的运行。 没有操作系统，任何应用软件都无法运行。,15,操作系统的作用： 硬件抽象，屏蔽底层硬件差异 应用集成，提供通用方法工具 高级管理，维护环境稳定安全,16,(2) 从资源管理观点OS是系统资源管理者,从操作系统提供给的程序接口上看，任何操作系统 的核心内容都体现在一组系统调用上，系统调用表 达了操作系统真正执行的内容。程序员通过系统调 用使用操作系统程序，系统调用一般划分为进程管 理（如建立进程与终止进程）、存储管理（如申请 内存）、文件管理（如文件的建立、读、写、删除 等）和设备管理（如安装驱动程序等）几个部分。,17,计算机硬件提供了操作的物理基础，程序员通过硬件编程接口来控制硬件，这些硬件编程接口是指：机器指令集合、各种寄存器、内存地址以及设备地址等，这些地址接口分别与存储器和设备控制器相连，而设备控制器通过硬件接口与设备相连。操作系统在硬件之上扩充了硬件编程接口能够为用户提供的功能，操作系统对计算机硬件资源进行了抽象，所以用户可以通过操作系统接口，即系统调用和交互式命令方便的使用计算机硬件，而无需了解对硬件控制的具体细节。,18,系统软件如编译程序、汇编程序、调试程序、编辑 程序等在操作系统基础上又增加了新的功能，通过 应用程序接口提交给用户使用，不同的系统软件在 操作系统基础上进一步抽象操作系统软件资源，为 用户提供更加集成的功能和更加方便的使用计算机 的手段。,19,从计算机资源管理角度，计算机系统分为硬件 和软件。硬件是软件建立与活动的基础，软件 是对硬件功能的扩充。而操作系统则是管理和 协调软、硬件有机结合的核心系统软件。,20,(3) 从软件分层、扩充机器的观点OS是扩充裸机的第一层系统软件(虚拟机),裸机：不包括软件的计算机硬件系统。 虚拟机：经OS提供的资源管理功能和各种功能把裸机改造成为功能更强、使用更方便的机器。,(4) 从服务用户的观点OS是用户与裸机之间的接口,接口：用户通过OS使用计算机。三种方式： 命令方式、系统调用方式和图形窗口方式,21,操作系统与计算机结构的关系,存储程序式计算机(Von Neumann计算机) 1. 基本部件 CPU、主存储器、I/O设备 2. 特点 集中顺序过程控制 集中控制：由CPU集中管理 顺序性：程序计数器控制 过程性：模拟人们手工操作过程,22,3. 计算机系统结构与操作系统的关系 顺序计算模型 并行计算模型 如何解决矛盾 ? OS采用了一系列软件技术- 多道程序设计技术、分时技术、 资源分配与调度等 硬件体系结构的改变,23,OS发展简史,推动OS发展的主要动力(“需求推动发展”),提高计算机资源利用率 方便用户 器件的不断更新换代 计算机体系结构的不断发展,24,批处理,手工操 作阶段,联机 批处理,脱机 批处理,执行 系统,操作系统形成,实时系统,个人计算机操作系统,网络操作系统,分布式操作系统,25,联机批处理解决了人机矛盾；脱机批处理进一步解决了CPU的高速度与I/O设备的低速度矛盾；执行系统节省了卫星机，降低了成本，实现了主机和通道、主机和外设的并行操作，提高了系统安全性。,26,OS的发展过程,手工操作操作系统的史前文明 (电子管) 单用户工作，人工直接操作硬件系统 监督程序(单道批处理)操作系统的雏形 (晶体管) 计算机系统对一批作业自动处理 多道程序设计共享系统操作系统实用化 (集成电路) 多道批处理、分时系统和实时系统 微机操作系统：Windows系列、UNIX 网络OS、分布式OS、嵌入式OS和多处理器OS,27,网络OS：将分散的多个系统互联进行信息交 换、资源共享和互操作，目标是相互通信及资源共享。 分布式OS：将分散的多个系统互联成一个具有整体功能的系统，可将一个任务分布到各个系统上运行，实现分布式处理。可以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。 嵌入式OS：运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。,28,多处理器OS：针对处理器的多核体系结构，提高系统并行处理能力。分为主从式结构(主处理器运行OS，从处理器运行其他操作)和对称式结构(OS交替运行在不同的处理器上)。,29,计算机硬件简介,计算机硬件系统结构,大、中、小型计算机 中央处理机、存储器、I/O设备、I/O处理机(通道),30,微型计算机 以总线为纽带，CPU与I/O设备之间通过总线交换信息，存储器与I/O设备之间信息交换经DMAC (直接存储器访问控制器)到总线进行。,31,现代OS的硬件基础,60年代初，发展了通道和中断技术来支持并行操作。 通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传输的处理机。启动后可独立于CPU运行，实现CPU与I/O的并行。 通道有专用的I/O处理器，可与CPU并行工作 可实现 I/O联机处理,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，完毕后回到原来断点继续工作。,32,OS的基本类型,三种基本类型： 批处理系统 分时系统 实时系统,33,批处理系统 用户将作业交给系统操作员，系统操作员将许多用户提交的作业组成一批作业，之后输入到计算机中，在系统中形成一个自动转接的连续作业流。然后启动操作系统，由监督程序自动、依次执行每个作业。最后由操作员将作业结果交给用户。 单道批处理系统 多道批处理系统,34,单道批处理系统 目的：解决CPU等待人工操作和高速CPU与低速I/O设备间的矛盾。 特征：内存仅有一道作业，顺序完成。 工作流程：,35,单道批处理系统的处理流程,36,单道批处理系统的特点： (1)自动性。在顺利情况下，在磁带上的一批作业能自动地逐个地依次运行，无需人工干预。 (2)顺序性。磁带上各道作业顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序相同。 (3)单道性。内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。,37,典型的作业卡片序列,38,多道批处理系统 条件：硬件采用了通道和中断技术。 目的：解决CPU(比较昂贵)等待时间长的缺陷。 特征：内存中有多道作业，非顺序完成。 多道程序设计技术：在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，这几道程序都处于运行过程中，先后开始各自的运行，但都未运行完毕。宏观上并行执行，微观上在某个部件上是串行。即多道程序轮流使用部件，交替执行。,39,支持多道程序设计所需要的软、硬件物质基础： 存储管理的功能：主存要支持多道程序设计，首先要求系统具有主存分配功能，为了保证正确而有效的运行，应具有主存保护、主存扩充和共享的功能； 处理机管理的功能：使系统能按照某种策略把CPU分配给各个处理单元； 设备管理功能：系统能根据运行程序的要求为其分配所需设备，并控制设备完成数据传输； 文件管理：为运行程序提供所需的联机信息等。,40,工作流程：程序在CPU与I/O设备间切换。由监督 程序根据一定的算法调度某个程序在CPU上运行。 对I/O设备采用非抢占式调度，CPU可以采用非抢 占式和抢占式。,41,优点： -资源利用率高：CPU和内存利用率高 -系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大 缺点 -平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长 -用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时， 才与用户交互，不利于调试和修改。,42,典型的操作系统： FORTRAN监控系统(FMS) IBMSYS(IBM为7094机配备的操作系统) 这些操作系统由监控程序、特权指令、存储 保护和简单的批处理构成。,43,分时系统,目的：用户需要 -人机交互 -多用户共享一台计算机(比较昂贵) 分时：将CPU进行时间上分割成一个个时间片，每个时间片分给一个用户使用，每个用户依次轮流使用一个时间片。,44,分时系统：在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，允许多个用户同时通过终端以交互方式使用计算机资源。,45,特征： 多路性：多路连接；宏观上用户共享，微观上分时； 独立性：用户相互不干扰； 及时性：响应时间； 交互性：人机对话。 重要指标响应时间：用户发出终端命令到系统开始作出响应之间的时间间隔T=N*Q。 如何合理选择时间片长度Q？,46,实时系统,目的：缩短响应时间。对随机发生的外部事件做出及时响应并在规定时间内对其进行处理。 分类： -实时控制系统：工业过程控制、军事实时控制 -实时信息处理系统：飞机订票、情报检索 特征： 快速的响应时间(及时性) 有限的交互能力 高可靠性,47,微机操作系统的发展 1单用户单任务操作系统 只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。配置在8位和16位微机上。MS-DOS 2单用户多任务操作系统 只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行。WINDOWS 3多用户多任务操作系统 允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行。UNIX,48,OS的特征和功能,四大特征： 并发性 共享性 虚拟性 异步性和不确定性,49,并发性：宏观上一段时间内有多道程序在同时执行 -并行：两个或多个事件在同一时刻发生 -并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生 共享性：系统中的所有资源不再为一个程序独占，而是同时供多个程序使用(操作系统程序与多个用户程序共用系统资源) -互斥共享(打印机、变量) -同时访问(宏观),50,并发和共享是操作系统的两个最基本的特 征，它们又是互为存在的条件。一方面，资 源共享是以程序(进程)的并发执行为条件 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，协调好诸进程对共 享资源的访问，也必然影响到程序并发执行 的程度，甚至根本无法并发执行。,51,虚拟性：通过某种技术把一个物理实体，变为若干个逻辑上的对应物 -多道程序中的CPU -SPOOLING技术(外围设备同时联机操作) -虚拟存储 异步性和不确定性：如何理解？ -程序执行结果不确定 -多道程序中执行顺序不确定,52,如：现有两个运行程序共享相同变量 a：,PA、PB并发执行，因此PA与PB之间能以任意速度向前推进。,？,？,53,功能： 处理机管理进程管理 存储器管理内存资源 设备管理I/O设备 文件管理硬盘管理和数据管理,54,OS,基本概念,进程管理,设备管理,存储管理,文件管理,用户接口,55,OS结构,随着操作系统的发展，功能越强，OS自身代码量越来越大采用良好的结构：有利于保证正确性以及自身修改和扩充。 模块组合结构 分层结构 微内核结构,56,模块组合结构 整个系统按功能进行设计和模块划分。并规定好模块之间的接口，然后分头对各个模块设计，最后按照接口关系把各个模块连接起来，形成完整的、模块化的操作系统。这种结构思想来源于服务功能观点，而不是资源管理的观点。如DOS系统。 优点：加速了OS研制过程、增加了OS灵活性、便于修改和维护。 缺点：接口定义困难、无序性。,57,58,分层结构 从资源管理观点出发，划分层次。在某一层次上代码只能调用低层次上的代码，使模块间的调用变为有序性。系统每加一层，就构成一个比原来功能更强的虚拟机。有利于系统的维护性和可靠性。,59,特点： 把无序性变为有序性； 把模块间的复杂依赖关系改为单向依赖； 设计低层软件时无需考虑高层软件的实现方法； 高层的错误不会影响低层； 不会产生递归调用，避免死锁。,60,微内核结构(Windows OS, 采用面向对象程序设计) 把操作系统分成若干分别完成一组特定功能的服务进程，等待客户提出请求；系统内核只实现操作系统的基本功能(虚拟存储、消息传递、中断处理、进程通信)。文件系统、网络功能、内存管理、设备管理等作为服务在微内核上运行。客户/服务器模式 优点：内核易于实现、可移植性好、配置灵活、适应分布式环境。 缺点：速度较慢，消息传递开销引起效率的降低。,61,操作系统的设计涉及到两个层面上的接口问题： 硬件层提供的编程接口：这是操作系统设计人员需要掌握的硬件基础，操作系统软件通过控制这些编程接口达到控制硬件的目的。 操作系统软件为用户提供使用的接口：这是计算机用户需要掌握的内容，