操作系统引论PPT教学课件.pptx

操作系统引论,引言,计算机系统由硬件和软件两部分组成。操作系统(OperatingSystem,OS)是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是配置在计算机硬件上的最基本的系统软件，在计算机系统中占据了特别重要的地位。任何其他软件都依赖于操作系统的支持。,2,引言,3,有效性方便性可扩充性开放性,操作系统的目标,4,有效性,操作系统的目标,(1)提高系统资源利用率。配置了OS之后，可使CPU和I/O设备由于能保持忙碌状态而得到有效的利用，且可使内存和外存中存放的数据因有序而节省了存储空间。(2)提高系统的吞吐量。操作系统还可以通过合理地组织计算机的工作流程，缩短程序的运行周期，从而提高系统的吞吐量。,5,方便性,操作系统的目标,未配置OS的计算机系统是极难使用的。计算机硬件只能识别0和1这样的机器代码。用户要直接在计算机硬件上运行自己所编写的程序，就必须用机器语言书写程序。在计算机硬件上配置了OS之后，OS提供给用户的系统调用、命令、图形用户界面等接口，可大大地方便用户，从而使计算机变得易学易用。,6,可扩充性,操作系统的目标,OS必须具有很好的可扩充性，方能适应计算机硬件、体系结构以及应用发展的要求。,开放性,开放性是指系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连(OpenSystemInterconnection,OSI)国际标准。凡遵循国际标准所开发的硬件和软件，均能彼此兼容，可方便地实现互连。,7,OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口,操作系统的作用,8,OS作为计算机系统资源的管理者,操作系统的作用,OS的主要功能是针对计算机系统中的四类软硬件资源进行有效的管理，即：处理机管理，用于分配和控制处理机；存储器管理，主要负责内存的分配与回收；I/O设备管理，负责I/O设备的分配与操纵；文件管理，负责文件的存取、共享和保护。,9,OS实现了对计算机资源的抽象,操作系统的作用,机器指令,I/O软件,I/O操作命令(Read,Write),虚机器,在裸机上铺设的I/O软件隐藏了对I/O设备操作的具体细节。,10,OS实现了对计算机资源的抽象,操作系统的作用,进一步的，文件系统是在第一层I/O软件之上覆盖的又一层抽象，隐藏对文件操作的细节，使用户可方便地进行文件的存取及管理。而在文件系统之上再覆盖一层面向用户的窗口系统后，用户便可在图像窗口环境下更方便地使用计算机。由此可知，OS是铺设在计算机硬件上的多层系统软件，它们不仅增强了系统的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，由它们实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象。,11,不断提高计算机资源的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,推动操作系统发展的主要动力,12,无操作系统的计算机系统人工操作方式（19451950s中）脱机输入/输出方式（1950s末）,操作系统的发展过程,主要优点：减少了CPU的空闲时间；提高了I/O速度。,缓冲,13,单道批处理系统（1950s）,操作系统的发展过程,主要特征：自动性；顺序性；单道性。,14,多道批处理系统（1960s）,操作系统的发展过程,用户所提交的作业都先存放在外存上并且排成一个队列。由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。,15,多道批处理系统（1960s）,操作系统的发展过程,作为三大基本操作系统类型之一（另两种是分时系统、实时系统），多道批处理系统资源利用率高，系统吞吐量大，但平均周转时间长，无交互能力。多道批处理系统很有效，但又很复杂，为使多道程序能协调运行，必须引入一组软件，用以对处理机、内存、I/O设备、文件、作业等进行妥善、有效的管理，也正是这样一组软件构成了操作系统。,16,分时系统（Time-SharingSystem,1960s）,操作系统的发展过程,分时系统可使一台计算机提供给多个用户同时使用，提高计算机的利用率。可实现人机交互、共享主机，并方便用户上机。关键问题：（1）及时接收；（2）及时处理。作业应直接进入内存；采用时间片轮转的方式进行作业调度。分时系统的特征：（1）多路性；（2）独立性；（3）及时性；（4）交互性。,17,实时系统（Real-TimeSystem,1960s）,操作系统的发展过程,实时系统可满足实时控制、实时信息处理的需求。可分为硬实时系统(HardReal-TimeOS)，软实时系统(SoftReal-TimeOS)。实时系统和分时系统特征的比较：多路性；独立性；及时性；交互性；可靠性。,18,微机操作系统的发展（1970s现在）单用户单任务操作系统CP/M(19741983，8位)MS-DOS(19812000，16位)单用户多任务操作系统Windows(1985现在，32位，64位)多用户多任务操作系统WindowsServer(1990s现在)UNIX(1973现在)Solaris(1992现在)Linux(UNIX变种，1991现在)，Android(2008现在)OSX(2001现在，64位)，iOS(2007现在，64位),操作系统的发展过程,19,部分常见操作系统,微软、苹果、谷歌三家美国公司垄断了全世界PC以及智能手机的操作系统的绝大部分份额(95%左右)。Linux之父LinusTorvalds已被归化入美国国籍，据传，美国国家安全局(NSA)要求他在LinuxOS中植入后门。,20,并发性共享性虚拟技术异步性,操作系统的基本特性,并发性是最重要的特征。,并发性和共享性是最基本的特征，两者又是互为存在的条件。,21,并发性,操作系统的基本特性,并行性(Parallelism),并发性(Concurrency),两个或多个事件在同一时刻发生。倘若在计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并行执行，即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序。,两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。,22,并发性,操作系统的基本特性,为使多个程序能并发执行，系统分别为每个程序建立进程(Process)。通常在一个进程中可以包含若干个线程(Thread)，它们可以利用进程所拥有的资源。现代的操作系统都引入了线程，以便进一步提高系统的并发性，并把它视作现代操作系统的一个重要标志。并发性是操作系统最重要的特征。,23,共享性,操作系统的基本特性,所谓共享(Sharing)，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。资源共享的方式主要有两种：1）互斥共享方式；2）同时访问方式。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。,24,虚拟技术,操作系统的基本特性,所谓虚拟(Virtual)，是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。前者是实际存在的，而后者仅是用户感觉上的东西。时分复用技术1）虚拟处理机技术2）虚拟设备技术空分复用技术1）虚拟磁盘技术2）虚拟存储器技术,25,虚拟技术,操作系统的基本特性,如果虚拟的实现是通过时分复用的方法来实现的，即对某一物理设备进行分时使用，设N是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则每台虚拟设备的平均速度必然等于或低于物理设备速度的1/N。类似地，如果是利用空分复用方法来实现虚拟，此时一台虚拟设备平均占用的空间必然也等于或低于物理设备所拥有空间的1/N。,26,异步性,操作系统的基本特性,由于资源等因素的限制，使进程的并发执行通常都不是“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。有可能是先进入内存的作业后完成，而后进入内存的作业先完成。进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性(Asynchronism)。尽管如此，但只要在操作系统中配置有完善的进程同步机制，作业经多次运行都会获得完全相同的结果。因此，异步运行方式不仅是允许的，而且是操作系统的一个重要特征。,27,处理机管理功能存储器管理功能设备管理功能文件管理功能操作系统与用户之间的接口,操作系统的主要功能,28,处理机管理功能进程控制进程同步进程通信调度,操作系统的主要功能,29,存储器管理功能内存分配内存保护地址映射内存扩充,操作系统的主要功能,30,设备管理功能缓冲管理设备分配设备处理,操作系统的主要功能,31,文件管理功能文件存储空间的管理目录管理文件的读/写管理和保护,操作系统的主要功能,32,操作系统与用户之间的接口用户接口程序接口,操作系统的主要功能,33,传统的操作系统结构无结构（第一代，最初）模块化结构（第二代，1960s）分层式结构（第三代）现代的操作系统结构微内核结构（1980s）,操作系统的结构设计,34,传统的操作系统结构模块化结构（第二代，1960s）,操作系统的结构设计,35,传统的操作系统结构分层式结构（第三代）,操作系统的结构设计,自底向上的分层设计的基本原则是：每一步设计都是建立在可靠的基础上。将操作系统分为若干个层次，每层由若干个模块组成，各层之间只存在着单向的依赖关系，即高层仅依赖于紧邻它的低层。分层结构的优点：(1)易保证系统的正确性；(2)易扩充和易维护性。缺点：OS每执行一个功能，通常要自上而下的穿越多个层次，增加系统的通信开销，从而导致系统效率的降低。,36,现代操作系统-微内核结构（1980s）基本概念足够小的内核基于客户/服务器模式应用“机制与策略分离”原理采用面向对象技术,操作系统的结构设计,37,现代操作系统-微内核结构（1980s）客户/服务器(Client/Server,CS)模式,操作系统的结构设计,将OS划分成两大部分：负责最基本核心功能的微内核（运行在核心态），以及用于提供各种服务的一组服务器(进程，运行在用户态)。用户进程（客户）与服务器之间借助微内核提供的消息传递机制来实现信息交互。,38,现代操作系统-微内核结构（1980s）面向对象(Object-Oriented)技术,操作系统的结构设计,基于面向对象技术中的“抽象”和“隐蔽”原则，利用封装、继承、多态等方法，可保证操作系统的正确性、可靠性、易修改性、易扩展性，并提高操作