操作系统概述PPT课件.ppt

1 第一章操作系统概论chapter1OperatingSystemOverview 操作系统的概念操作系统的主要功能操作系统的形成与类型操作系统的主要结构UNIX和Linux系统的核心结构 2 1 1操作系统的概念 操作系统的特征和服务 3 1 1 1计算机硬件结构 计算机系统是由硬件和软件组成的 硬件是指计算机物理装置本身 是软件建立与活动的基础 简言之 软件是计算机执行的程序 是对硬件进行管理和功能扩充 4 1 1 1计算机硬件结构 体系 5 指令是控制计算机执行某种操作 如加 减 传送 转移等 的命令 特权指令是一类具有特殊权限的指令 只用于操作系统或其他系统软件 普通用户不能直接使用 非特权指令也称为用户指令或普通指令 是普通用户能够直接使用的指令 这是指令集中除特权指令外的所有指令 1 1 1计算机硬件结构 指令 6 CPU的两种运行模式 内核态 又称核心态 系统态 管态 和用户态 又称目态 用户态是运行用户程序 权限较低 只能执行非特权指令 核心态运行操作系统的程序 权限较高 可执行全部指令包括特权指令 1 1 1计算机硬件结构 CPU工作模式 7 1 1 2系统初启一般过程 硬件检测 执行ROM BIOS执行加电自检程序 启动硬件并进行诊断检测按设定的启动顺序搜索驱动器读入引导区程序将系统控制权交给引导装入程序 加载引导程序引导区程序找到活动分区 从该区中加载引导程序运行系统引导程序 从硬盘中读入程序 加载内核系统转到setup程序并执行 设置系统参数和显示信息进入保护模式 执行内核初始化 8 1 1 2系统初启一般过程 初始化内核CPU本身的初始化 内核 基础设施的初始化 内存 上层部分的初始化 设备与文件 用户登录init程序创建login进程login进程接受账号和密码 9 操作系统隐蔽了硬件特性 进行了抽象处理 为用户提供了一台等价的扩充机器 虚拟机 抽象是管理复杂事物的一个关键虚拟机 在裸机上覆盖了软件 功能变得更加强大的机器 一 操作系统作为扩展机器 虚拟机 1 1 3什么是操作系统 10 监视各种资源 随时记录它们的状态 实施某种策略以决定谁获得资源 何时获得 获得多少 分配资源供需求者使用 回收资源 以便再分配 处理机管理 分配 控制 存储器管理 内存的分配 回收 I O设备管理 分配 操纵 文件管理 存取 共享 保护 二 OS作为资源管理器 1 1 3什么是操作系统 11 OS是用户与计算机硬件系统之间的接口 注 软件接口 即OS处于用户与计算机硬件系统之间 用户通过OS来使用计算机系统 接口类型 命令方式 如DOS系统调用方式图形窗口方式 如Windows UNIX Linux 三 OS的用户观点系统观点 1 1 3什么是操作系统 12 OS系统观点是从系统内部实现的角度看 是硬件上的第一层软件类型 资源分配者控制程序 设备 用户程序 三 OS的用户观点系统观点 1 1 3什么是操作系统 13 定义 操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源 有效地组织多道程序运行的系统软件 或程序集合 是用户与计算机之间的接口 理解 操作系统是软件 而且是系统软件 它的基本职能是控制和管理系统内各种资源 有效地组织多道程序的运行 它提供众多服务 方便用户使用 扩充硬件功能控制程序 设备 用户程序 四 操作系统的定义与理解 1 1 3什么是操作系统 14 一 OS的目标方便性 Convenience 用户可用OS提供的命令而不只是机器代码 0 1 来使用计算机系统 有效性 Efficiency OS可使各类资源更高效地被利用 合理组织工作流程 提高资源利用率 增大吞吐量 安全性 OS应保护信息不被未授权用户访问 开放性 Openness 不同硬件系统的协同工作 应用软件的可移植性和互操作性 鲁棒性 Robust 操作系统的强健性 不死机不崩溃 1 1 4操作系统的目标和地位 15 二 OS的地位 1 1 4操作系统的目标和地位 计算机系统的层次关系 16 二 OS的地位软硬件关系 硬件是软件建立与活动的基础 而软件是对硬件进行管理和功能扩充重要性OS对硬件资源进行直接管理控制依赖硬件平台 所有软件建立在OS之上 具有支配 构建软件台 1 1 4操作系统的目标和地位 17 二 OS的地位三类软件 系统软件 对计算机系统的资源进行控制 管理 并为用户的使用和其他程序的运行提供服务 应用软件 是为解决某一类应用需要或某个特定问题而设计的程序 支撑软件 是辅助软件技术人员从事软件开发工作的软件 1 1 4操作系统的目标和地位 18 一 操作系统特征 并发 Concurrence 并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生 并发性是指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 并发性指在宏观上在一段时间多道程序同时运行 但在单处理机系统中 每一时刻仅能执行一道程序 故微观上这些程序是交替执行的 程序不能并发执行 操作系统中引入了进程 线程 的概念 1 1 5操作系统的特征和服务 19 一 操作系统特征 共享 Sharing 共享指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用 资源共享方式有两种 1 互斥共享方式 如打印机 磁带机一类的资源 一段时间内只允许一个进程访问 当一个进程正在访问时 另一个进程必须等待 我们把这类资源称为临界资源 2 同时访问方式 如磁盘 重入码编写的文件一类的资源则允许在同一时间有多个进程同时访问 这里的 同时 往往是宏观上的 而微观上 这些进程可能是交替的对该资源进行访问 并发和共享是操作系统两个最基本的特征 互为条件 1 1 5操作系统的特征和服务 20 一 操作系统特征 虚拟 virtual CPU 每个用户 进程 的 虚处理机 存储器 每个进程都占有的地址空间 指令 数据 堆栈 I O设备 多台逻辑I O设备 一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体 分时或分空间 虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段 可提高资源利用率 若n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数 则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的1 n 1 1 5操作系统的特征和服务 21 一 操作系统特征 异步性 asynchronism 也称不确定性 指进程的执行顺序和执行时间的不确定性 进程的运行速度不可预知 多道程序环境中 多个进程并发执行 时走时停 不可预知每个进程的运行推进快慢 难以重现系统在某个时刻的状态 判据 无论快慢 应该结果相同 通过进程互斥和同步手段来保证 1 1 5操作系统的特征和服务 22 一 操作系统特征 抽象 抽象是把复杂事情简单化的有效方式抽象的定义或实现 利用抽象解决问题进程的运行速度不可预知 多道程序环境中 实例 CPU与进程 物理内存与虚拟内存 磁盘与文件 1 1 5操作系统的特征和服务 23 二 操作系统服务 项目 程序执行 加载 终止I O操作 文件读写和设备驱动文件系统管理 建立保存读写删除出错检测 检测及对策通信 信息交换 内存 消息资源分配 管理申请释放统计 使用情况 用户对资源 保护 1 1 5操作系统的特征和服务 24 二 操作系统服务 方式 系统调用系统调用是操作系统提供的 与用户程序之间的接口 也就是操作系统提供给程序员的接口 它一般位于操作系统核心的最高层 从感觉上系统调用类似于过程调用 都由程序代码构成 使用方式相同 调用时传送参数 两者有实质差别 过程调用只能在用户态下运行 不能进入核心态 而系统调用可以实现从用户态到核心态的转变 系统调用可分为5个类别 进程控制 文件管理 设备管理 信息维护和通信 1 1 5操作系统的特征和服务 25 二 操作系统服务 方式 系统程序它们解决带共性的问题 并为程序的开发和执行提供更方便的环境 系统程序不是操作系统的组成部分 最重要的系统程序就是命令解释程序 1 1 5操作系统的特征和服务 26 1 2操作系统的主要功能 用户接口 27 1 2 1处理机管理完成处理机资源的分配 调度等功能 处理机调度的单位可为进程或线程 进程控制 创建 撤消 状态转换 常利用若干条进程控制原语或系统调用来实现 进程同步 多进程运行的协调 有互斥方式和同步方式两种 进程同步机制 进程通信 相互合作的多进程之间的信息交换 有直接通信方式 间接通信方式 进程调度 作业调度 进程调度 28 1 2 2存储器管理管理目标 为实现多道程序运行 方便用户使用 提高内存利用率 逻辑扩充内存 内存分配 回收 静态分配 动态分配内存保护 用户程序只能在自己的内存空间中运行 界限寄存器 越界检查 地址映射 将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址 内存扩充 使用虚拟存储技术在逻辑上扩充内存 请求调入 不一次装入内存 用到时发请求再调入 置换 内存不足时 将用不到的调出 29 1 2 3设备管理管理目标 完成I O请求 为用户分配I O 提高CPU和I O设备的利用率 提高I O速度 方便用户使用I O设备 缓冲管理 在内存中设置缓冲区 以缓合CPU和I O速度不匹配的矛盾 设备分配 分配设备 控制器 通道 安全性设备处理 设备驱动 实现CPU和设备控制器之间的通信 设备独立性和虚拟设备 设备独立性指用户程序独立于物理设备 虚拟设备指把一个物理设备变换为多个对应的逻辑设备 以实现共享 提高利用率 30 1 2 4文件管理管理目标 程序和数据是以文件的形式存储在磁盘上 OS要对用户文件和系统文件进行管理 方便用户使用 保证文件的安全 文件存储空间的管理 外存的分配 回收目录管理 为每个文件建立一个目录项 实现按名存取 文件共享 快速查询 文件的读 写管理和存取控制 从外存中读取数据或将数据写入外存 存取控制指对文件实行保护 防止未经核准用户存取文件 防止冒名顶替存取文件 防止以不正确的方式使用文件 可通过设置用户口令 规定用户权限 设定文件属性等方法实现 31 1 2 5用户接口命令接口 用户向作业发命令以控制作业的运行 可有联机用户接口 由命令和命令解释程序组成 用户键入命令 系统解释执行 再等待用户键入 和脱机用户接口 批处理用户接口 由作业控制语言JCL组成 date程序接口 是用户程序取得OS服务的唯一途径 由一组系统调用组成 fd open file c 2 图形接口 图形化的操作界面 32 1 2 5用户接口三种接口区别 33 1 3操作系统的形成与基本类型 34 1 3 1操作系统的发展介绍 一 操作系统发展的主要推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更新计算机体系结构的发展 35 50年代第一个简单的批处理OS60年代产生了多道程序批处理系统分时系统80年代出现微机OS和网络OS出现嵌入式OS和分布式OS 二 操作系统的发展过程 1 3 1操作系统的发展介绍 36 工作方式用户 用户既是程序员 又是操作员 编程语言 机器语言 输入输出 纸带或卡片 计算机的工作特点用户独占全机 资源利用率低 CPU等待用户 计算前 手工装入纸带或卡片 计算完成后 手工卸取纸带或卡片 CPU利用率低 1946 50年代中期 电子管 集中计算 计算中心 计算机资源昂贵 一 人工操作方式 人机矛盾突出 CPU和I O设备速度不匹配 1 3 2操作系统的形成与发展 37 二 脱机输入输出方式 Off lineI O 出现于20世纪50年代末 设置两台外围机分别控制输入和输出 指由一台外围机控制 事先将数据由低速输入设备输入到磁带上 需要时则从磁带上高速调入内存 输出时同样先输出到磁带上 然后在另一台外围机的控制下通过低速输出设备输出 这种数据的输入和输出由外围机控制完成 或者说是脱离主机进行的技术 方式 称为脱机输入输出技术 方式 相反在主机的直接控制下进行输入输出的方式称为联机输入输出方式 有效减少CPU的空闲时间 提高I O速度 1 3 2操作系统的形成与发展 38 图1 2脱机I O示意图 输入设备 外围机 磁盘 磁盘 磁盘 磁盘 外围机 输出设备 1 3 2操作系统的形成与发展 39 三 单道批处理系统 SimpleBatchProcessingSystem 作业成批进入系统后备队列 由监督程序按照一定的策略调度一个作业在系统中运行 若在内存中始终只保持一道作业 则称为单道批处理系统 若在内存中可保留多道作业 则称为多道批处理系统 批处理系统旨在提高系统资源的利用率和系统吞吐量 1 3 2操作系统的形成与发展 40 单道程序系统 用户程序 监督程序 I O操作 I O中断请求 I O完成 t1 t2 中断处理 I O启动 单道批处理系统特点 内存中只保持一道作业运行作业完成顺序与其进入内存的顺序直接相关 现代操作系统的前身 常驻内存 1 3 2操作系统的形成与发展 41 图1 3单道批处理系统的处理流程 1 3 2操作系统的形成与发展 43 2 单道批处理系统的特征 自动性 磁带上的一批作业自动的依次执行 顺序性 先调入内存的作业先完成 单道性 内存中仅有一道作业 单道批处理的主要问题 CPU和I O设备使用忙闲不均 取决于当前作业的特性 对计算为主的作业 外设空闲 对I O为主的作业 CPU空闲 1 3 2操作系统的形成与发展 44 四 多道批处理系统 MultiprogrammingBatchSystems 多道程序设计的概念 多道 计算机内存中同时存放几个用户作业 宏观上并发运行 内存中的几个作业都处于运行状态 但都未运行完 微观上串行运行 内存中的各作业交替使用CPU 可共享计算机系统中的各种软 硬件资源 1 3 2操作系统的形成与发展 45 多道程序设计好处 可提高CPU的利用率 某程序执行I O时 则调度另一程序 例 提高内存和I O设备的利用率 共享内存 I O设备 增加系统吞吐量 多道批处理系统多个作业存放在外存上形成 后备队列 作业调度程序从中选择若干作业调入内存 使之共享CPU和系统中的各类资源 1 3 2操作系统的形成与发展 46 多道批处理 其它 作业成批进入 输入井 输出井 单道批处理系统 高速 其它 作业成批进入 输出井 多道批处理系统 多道并发执行 输入井 47 单道程序系统 用户程序 监督程序 I O操作 I O中断请求 I O完成 多道程序系统 程序A 程序B OS调度 I OA I OB t1 t1 t2 t2 48 多道批处理系统的特征 多道性 内存中可同时驻留多道程序 无序性 作业完成的顺序与进入内存的顺序无严格的对应关系 调度性 作业从提交给系统到完成需经过作业调度和进程调度 多道批处理系统的优缺点 优点 资源利用率高 CPU和内存利用率较高 作业吞吐量大 单位时间内完成的工作总量大 缺点 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 作业平均周转时间长 短作业的周转时间显著增长 1 3 3操作系统的基本类型 49 多道批处理系统需要解决的问题 处理机管理问题 如何分配 何时回收 内存管理问题 如何分配 保护而能 各得其所 I O设备管理问题 分配 文件管理问题 方便用户使用并有足够安全性 一致性 作业管理问题 不同类型作业的协调 1 3 3操作系统的基本类型 一 多道批处理系统 MultiprogrammingBatchSystems 50 有效 系统效率 资源利用率 如 CPU和内存利用的充足与否 外部设备是否忙碌 合理 公平与否 如果不公平则会产生 死锁 或 饥饿 方便 用户界面 操作系统的概念 是一组控制和管理计算机硬件和软件资源 合理地对各类作业进行调度 以及方便用户使用的程序的集合 51 二 分时系统 Time sharingSystem 分时系统指一台主机为多个终端服务 即一台主机上连接了多个终端 同时允许多个用户共享主机中的资源 每个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机 按时间片轮转用户数量 时间片大小及响应速度是相互关联的 1 3 3操作系统的基本类型 52 二 分时系统 产生的动力 人机交互 共享主机 便于上机实现时的关键问题 及时接收 可设置多路卡 缓冲区 及时处理 作业直接进入内存 短期内多个作业都能轮到执行 实现原则 1 作业直接进入内存2 不允许一个作业长期占用处理机 时间片 用户数量 时间片大小及响应速度是相互关联的 1 3 3操作系统的基本类型 53 实现方法 1 单道分时系统 内存中只驻留一道作业 它运行一个时间片后 被调至外存 调出 再从外存上选择一个作业装入内存 调入 执行一个时间片后再调出 这样使得所有作业都能在一规定的时间内轮流运行一个时间片 但调入 调出开销太大 2 具有 前台 和 后台 的分时系统 将内存分为前台区和后台区 前台区存放按时间片调进调出的作业流 后台区存放批处理作业 当前台区作业调进 调出或无作业时 则进行后台区作业 以提高CPU的利用率 3 多道分时系统 内存中存放多道作业 依次轮流获得一个时间片执行 是现代使用的分时系统 1 3 3操作系统的基本类型 54 分时系统的特点 多路性同时连接多台终端 分时原则 宏观上是多用户同时工作 微观上是轮流 独立性终端间互不影响及时性在人们能接受的时间内响应交互性方便的人机对话 1 3 3操作系统的基本类型 55 三 实时系统 Real timeSystem 实时系统的提出 分时系统的响应往往要等待一个循环周期 实时系统必须在规定的时间内对用户请求或外部事件及时响应 1 3 3操作系统的基本类型 56 实时系统的分类 实时控制系统 实时采集现场数据并及时处理 进而自动地控制相应的执行机构 如工业的自动控制 飞机的自动驾驶 导弹的制导等 特点 响应速度足够快 可靠性高实时信息处理系统 计算机接收从远程终端发来的服务请求 根据用户提出的问题 对信息进行检索处理 并在很短的时间内为用户作出正确的回答 如飞机订票 情报检索等 特点 强大的文件系统或数据库操作简便 安全 查询快速 1 3 3操作系统的基本类型 57 实时任务的类型 a 按任务执行时是否呈现周期性来划分 周期性实时任务 按指定周期循环运行非周期性实时任务 任务无明显周期性 但都必须联系着一个截止时间 b 根据截止时间的要求来划分可分为 硬实时任务 系统必须满足任务对截止时间的要求软实时任务 对截止时间要求不严 1 3 3操作系统的基本类型 58 实时 分时系统的比较 批处理系统 分时系统 实时系统是三种基本的OS 一个实际的OS 可能兼有二者或三者的功能 1 3 3操作系统的基本类型 59 1 5操作系统的结构设计 无结构操作系统模块化操作系统结构分层式操作系统结构微内核操作系统结构 随着操作系统的发展 功能越强 OS自身代码量越大 采用良好的结构 有利于保证正确性以及自身修改和扩充 60 1 4操作系统的结构 61 无结构操作系统整个OS是一组过程的集合 各过程之间可以任意相互调用 在操作系统内部不存在任何结构 存在的问题 对GOTO语句的使用不加任何限制 造成操作系统庞大杂乱 缺乏清晰的程序结构 调试困难 同时程序难以阅读和理解 增加了维护人员的负担 62 模块化操作系统结构 自顶向下 整个系统按功能进行设计和模块划分 63 模块化操作系统结构优缺点提高了OS设计的正确性 可理解性和可维护性增强了OS的可适应性加速了OS的开发过程模块划分和接口的规定难保正确和合理模块间存在复杂的依赖关系 降低了模块之间的相对独立性 不利于修改 64 分层式操作系统 自底向上 从资源管理观点出发 划分层次 各层之间只有单向依赖关系 即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 高层依赖于低层 各层之间不能构成循环 有利于系统的维护性和可靠性 层次的设置考虑的因素被调用功能在低层 活跃功能在低层 用户接口在高层 优点 功能明确 调用关系清晰 高层对低层单向依赖 有利于保证设计和实现的正确性 低层和高层可分别实现 便于扩充 高层错误不会影响到低层 避免递归调用 缺点 降低了运行效率 65 层次式系统 THE操作系统的层次结构 具有单体系统的长处 新优点 结构关系清晰 提高系统的可靠性 可移植性和可维护性 66 虚拟机结构 带CMS的VM 370结构 通过共享物理机器资源来实现 主要优点 同时运行多个操作系统 系统安全 有效地保护系统资源 提供良好的工作环境 组建虚拟网络 这些虚拟机仅仅是裸机硬件的复制品 67 客户 服务器系统 基于微内核的客户 服务器系统模型 微内核把实现扩展机器功能的这部分代码向上移入更高层次中 从而尽可能地使操作系统保持最小的核心 68 客户 服务器系统 适于在分布式系统中应用 分布式系统中的客户 服务器模型 69 微内核操作系统结构 微内核指精心设计的 能实现现代OS核心功能的小型内核 运行在核心态 常驻内存 通常采用客户 服务器模式 原来内核中的大部分服务都作为独立的进程在用户态下运行 它们通过消息传递进行通信 微内核部分经常只不过是一个消息转发站 当系统调用模块要给文件系统模块发送消息时 消息直接通过内核转发 微内核设计的最根本思想是要保持微内核尽量小 便于移植到新的平台上 70 微内核操作系统结构采用客户 服务器模式 把操作系统分成两部分 系统内核 运行在核心态 只实现操作系统的基本功能 如 虚拟存储 消息传递 服务器进程 运行在用户态 等待客户提出请求 实现方法 OS内核的工作是处理客户机 服务器之间的通信 由用户进程来实现大多数操作系统的功能 为了得到某项服务 客户进程clientprocess把请求发给服务器进程serv