计算机科学导论 模块4操作系统w.ppt

北京理工大学计算机科学技术学院 2007 模块4计算机操作系统 2 本模块学习内容 计算机系统的组成操作系统的形成与发展主流操作系统文件路径用户界面 3 计算机系统的组成 计算机系统的组成 硬件资源 软件资源 计算机系统可划分为四个层次 硬件 操作系统 实用程序和应用程序 如图4 1所示 4 实用程序 各种语言编译程序 文本编辑程序 调试程序 连接装配程序 应用程序 图4 1计算机系统的组成 5 单向调用关系这四层的关系表现为一种单向调用关系 即外层的软件必须以事先约定的方式调用内层软件或硬件提供的服务 通常把这种约定称为界面或接口 interface 6 操作系统的定义 是裸机上的第一层软件 由一系列的程序模块组成 裸机 一台完全无软件的计算机系统 通过执行机器指令来实现计算和I O功能的 很难使用 是为了建立用户与计算机之间的接口而为裸机配置的一种系统软件 用户的角度 7 是一种资源管理程序 计算机系统设计者的角度 它依据一定的策略对计算机的软硬资源进行分配 管理和调度 合理地组织计算机的工作流程 从而提高系统资源的利用效率 8 操作系统设计目标 早期操作系统的设计目标方便性 向用户提供方便 简单的使用计算机的环境 有效性 就是使计算机系统能高效地工作 提高系统资源的利用率 9 操作系统的形成与发展 顺序处理 手工操作阶段 简单的批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统 10 手工操作阶段 计算机没有配置OS由程序员直接使用计算机硬件系统 将程序和数据送入计算机内存 按动启动按钮 计算机开始计算 11 手工操作阶段存在的问题 人工负责计算机的调度用户使用计算机时 首先向机房负责人说明 由机房负责人为他安排上机时间 并预先登记在一张纸上 其中包括各用户几点上机 大约使用计算机多长时间等 人工负责作业编排顺序用户自己安排上机所需的各种程序 数据以及上机的步骤 12 手工操作阶段存在的缺点 一个用户独占全机资源CPU等待人工操作 浪费大量的人力和机器的时间 系统利用率很低 13 简单的批处理系统 BATCHPROCESSSYSTEM 使用一个监控程序软件用户 不再直接与计算机打交道 而是将自己的作业 卡片叠或纸带 交给机房的操作员 操作员 将多个作业按序成批地放在一个输入设备上 14 监控程序 自动启动输入设备将一个个作业读入到磁带上 再将一个个作业顺序装入内存 并控制作业的运行处理 从而实现了各作业之间的自动转接 提高了系统效率 15 图4 2输入作业的结构 16 简单批处理的二种控制方式 早期的联机批处理早期的脱机批处理 17 早期的联机批处理 作业的输入 计算和输出是在CPU直接控制下进行的 缺点 主机的速度在输入 输出过程中 降低为慢速外设的水平 大大降低了CPU的利用效率 为此 引入早期的脱机批处理方式 18 图4 3早期的脱机批处理 19 早期脱机批处理的特点 外围机 小型卫星机 代替主机完成作业的输入 输出工作 脱机输入技术 在外围机的控制下 预先把作业从低速输入设备输入到磁带上 当CPU需要时 再直接从磁带机高速输入到内存 减少了CPU等待输入的时间 20 早期脱机批处理的特点 脱机输出技术CPU需要输出时 高速地把结果输出到磁带上 然后在外围机的控制下 把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出 主机与慢速外设可以并行工作 21 多道批处理系统 指在内存同时放若干道程序 使它们在系统中交叉运行 共享系统中的各种资源 当一道程序暂停执行时 CPU立即转去执行另一道程序 特点 多道 宏观上并行 不同的作业分别在CPU和外设上执行 微观上串行 在单CPU上交叉运行 22 CPU 主存 通道 I O设备 图4 4多道程序设计的结构模型 例 假设一个计算机系统有256k主存 不包含操作系统 一个磁盘 一个终端和一台打印机 三个作业分别被命名为JOB1 JOB2 JOB3 各作业运行时间分别为5分钟 15分钟和10分钟 它们对资源的具体使用情况如表4 1所示 23 作业编号JOB1JOB2JOB3作业类型计算型I O型I O型占用主存50k100k80k需磁盘情况NONOYes需终端情况NOYesNO需打印机情况NONOYes运行所需时间5分钟15分钟10分钟作业1主要使用CPU 作业2主要使用终端 键盘和显示器 作业3主要使用磁盘和打印机 作业2和作业3需要较少CPU时间 表4 1三个作业对资源的使用情况 24 简单批处理时 作业按顺序执行 作业1运行5分钟完成 作业2等待5分钟后再用15分钟完成 作业3等待20分钟后开始执行 30分钟后三个作业全部完成 多道批处理时 三个作业同时装入主存并运行 由于它们运行中几乎不同时使用同类资源 这三个作业在15分钟内将全部完成 整个系统处理效率明显提高 25 分时系统 批处理系统仍存在几个问题 1 用户不能直接控制作业运行 2 作业的周转时间太长 分时系统 多用户交互式系统 多个用户通过交互方式分享使用同一台计算机 一台分时计算机系统联有若干台远近终端 多个用户可以在各自的终端上以交互方式联机使用计算机 26 例 早期的分时系统之一是IBM360机上的兼容的分时系统 CTSS Compatibletime sharingsystem 与后来的分时系统相比 CTSS非常简单 它的操作控制很容易理解 当控制分配给一个交互用户时 用户的程序和数据装入主存 运行0 2s 一个时间片 系统时钟产生一个中断 每个时钟中断产生时 操作系统获得控制 将当前运行程序从主存换出到磁带或磁鼓 再选一个用户程序从磁带或磁鼓换入主存 将处理机分给新进入的另一个用户程序 这典型地叫滚进滚出 ROLL INROLL OUT 27 分时系统的特点 同时性 若干个用户可同时使用计算机 独立性 每个用户占有一台终端 彼此独立操作 互不干扰 交互性 用户可通过终端与系统进行人机对话 及时性 用户的请求能在较短时间内得到响应 28 实时系统 分时系统的响应时间 是指用户发出终端命令到系统开始响应所需的时间 它是衡量分时系统的主要性能指标 为了提高资源的利用 多道程序设计技术也应用到分时系统 29 实时系统 处理对象 作业处理系统是以作业为处理对象 实时系统是以随机发生的外部事件为处理对象 主要应用 工业生产过程的自动控制 军事上的自动控制 如飞机运行和导弹发射等 民航的飞机票预订 查询 有关航班 航线 票价等 银行系统的借贷 情报信息检索等系统 30 实时系统的主要特征 实时性 以被处理信息或被控制过程能承受的延迟来确定 通常可能是秒的数量级 也可能是毫秒级 微秒级甚至毫微秒级 高安全可靠性 实时系统控制和处理的对象往往是重要的经济和军事目标 而且又是现场直接控制处理 凡是重要的实时控制系统 往往采用双工机制 31 操作系统的基本类型 操作系统的三个基本类型 批处理系统 分时系统和实时系统 通用操作系统 一个系统兼有批量处理 分时处理和实时处理三者或其中两者的功能 如 分时和批处理相结合 将分时任务作为前台任务 将批量处理作业作为后台任务 便是分时批量处理系统 通用操作系统不仅能满足用户的特殊要求 而且能提高资源的利用率 因此得到广泛应用 32 操作系统的进一步发展 个人计算机操作系统并行操作系统分布式操作系统 33 单用户单任务OS 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 如MS DOS 单用户多任务OS 只允许一个用户上机 但允许将一个用户程序分为若干个任务 使它们并发执行 如OS 2 MSWindows 多用户多任务OS 允许多个用户通过各自的终端 使用同一台主机 共享系统资源 而每个用户程序又可进一步分为几个任务 使它们并发执行 如UNIXOS 34 由于windows是基于DOS的 使它的性能受到很多的限制 95年之后 先后制作了Windows95 Windows98 windows2000等 Windows95等以上操作系统完全脱离了DOS的限制 是一个性能优良的系统 最近几年的类UNIX的LINUX系统发展很快 很受用户欢迎 35 操作系统的组成部分 36 存贮管理主存管理 存储分配 使多个用户能分享有限的主存资源 存贮保护 保证各用户程序和数据彼此不被破坏 主存扩充 处理机管理 进程管理 在多道程序系统中 处理机数目远远少于运行的作业数 因此 处理机的调度就成为关键问题 调度策略 先来先服务 优先级调度 分时轮转等 操作系统的功能 37 设备管理 为多用户运行提供方便的运行环境 分配设备 控制设备传输数据 文件管理 负责对软件资源进行存贮 检索和保护 使用户能方便 安全地访问它们 文件存储设备 磁盘 磁带 用户界面 负责操作系统与外界的联系 操作系统的功能 38 操作系统的性能评价 系统效率体现系统效率的指标包括资源利用率 吞吐量和周转时间以及响应时间等 系统可靠性指系统能发现 诊断和恢复硬件和软件故障的能力 可移植性指把一个操作系统从一个硬件环境移植到另一个硬件环境时系统仍能正常工作的能力 39 主流操作系统 MS DOS 单用户单任务 简单分层结构 MS DOS的历史1981年 PC DOS1 1 IBMPC 只支持软盘的个人操作系统 1983年 DOS2 0 PCXT 支持硬盘和目录的层次结构 并提供丰富的系统命令 1984年 DOS3 0 PCAT Intel80286CPU 它把286作为一个快速的8086使用 40 MS DOS的结构 DOSBIOS BasicInput OutputSystem 由一组与硬件相关的设备驱动程序组成 实现基本的输入 输出功能 DOS核心 提供一套独立于硬件的系统功能 内存管理 文件管理 字符设备和输入 输出 实时时钟等 命令处理程序 对用户命令进行分析和执行 41 Windows系统 单用户多任务 分时系统 16位 16和32位混合 32位 Windows的历史1990年 Windows3 0 成功版本 16位OS 借见AppleMacintosh给出友好的用户界面 1993年 WindowsNT3 1 32位OS 支持DOS和Windows应用程序 1999年12月 Windows2000 Professional Server AdvancedServer 32位OS 42 Windows2000的特点 Windows2000是改进的微内核结构 使得许多微内核外的系统函数在内核模式下运行 每个系统函数都正好由一个操作系统部件管理 操作系统的其余部分和所有应用程序通过相应的部件使用标准接口访问这个函数 可移植性 可以在各种硬件平台上运行 支持多线程 支持对称多处理 SMP 大量使用面向对象设计的概念 面向对象方法简化了进程间资源和数据的共享 43 UNIX系统 多用户多任务 16 32 64位UNIX的历史1974年 UNIX系统正式发表 第五版 在大学得到使用和好评 1980年 UniversityofCaliforniaatBerkeley为VAX11发表BSD4 0 以后 UNIX就以AT T和Berkeley为主分别开发 有多种变种 1989年 UI UNIXInternational 发表UNIXsystemVRes4 0 使BSD和SystemV在用户界面上统一 1991年芬兰大学生LinusBenedictTorralds开发了第一个Linux版本 44 大多数UNIX内核是整体式的 整体式的内核是指在一大块代码中实际上包含了所有操作系统功能 并作为一个单一进程运行 具有唯一地址空间 为了解决这个整体式的问题 Linux被组织成一组相对独立的块 称作可加载模块 动态链接 当内核已经在存储器并正在运行时 内核模块可以被加载和链接到内核 可堆栈模块 模块按层次排列 当被高层的客户模块访问时 它们作为库 当被低层模块访问时 它们作为客户 45 Linux系统 多用户多任务 16 32 64位特点 1 多用户 多任务系统性能稳定 效率高 可以在x86 Alpha Sparc等多种平台下使用 它是自由软件 提供全部源代码 2 硬件要求低 可以在低档电脑上使用 支持多种文件系统 3 具有进程间内存保护 防止一个程序运行出错而导致系统当机 4 强大的内存管理和高性能的文件系统 有强大的网络功能 46 文件路径 文件 File 文件夹中包含的一组相关信息的集合 存储在磁盘上要求的参数 盘符 路径 文件名扩展名例如 D TOOL PS EXE文件夹 操作系统在磁盘上划分出来用于存储文件的区域 常见Windows中使用 DOS文件通过磁盘驱动器上设置的文件目录 Windows通过文件夹 表进行管理 47 DOS文件目录管理 B的文件 Windows文件 A的文件 DOS文件 数据文件 程序文件 磁盘上可以存放成千上万个文件 如何在磁盘上查找文件 不同系统文件重名怎么办 树目录 48 外存储器是软盘驱动器 硬盘 光盘驱动器 用盘符来代表它们 A 代表软盘C D E 代表光盘驱动器 代表硬盘 物理硬盘是一个 分为几个区 在一个驱动器的目录下可以有子目录 C MD NAME C CD NAME C NAME MD命令用来建立子目录 CD命令用来改变子目录 RD命令用来删除子目录 49 DOS树目录 当前盘 二级子目录 不同子目录可重名 找文件XS BAT 表示为 C LI XS BAT 路径 绝对路径 表示为 XS BAT 直接查找 当前目录相对路径 目录树中每一个结点都有一个名字 供用户访问从树根出发到任一个结点都有且只有一条路径 由该路径所经过的全部节点名组成一个 路径 其中根目录由系统创建 各结点由用户创建 50 DOS的文件名 英文字母 大 小写 数字0 9特殊字符 文件名 主文件名 文件扩展名 主名与扩展名可以使用的字符 文件以文件名区分 规则 DOS采用8 3的文件名格式 51 COMDOS命令文件 EXE可执行程序 OBJ目标文件 SYS系统文件 CPPC 代码文 BAT批处理文件 TXT文本文件 BAK备份文件 LIB库文件 CC语言程序 DLL动态链接库 DOCWord文档文件 EML邮件消息文件 MAP连接映像 部分常用文件扩展名的规定 系统文件 文件属性 只读文件 隐藏文件 档案文件 52 Windows文件路径 资源管理器操作界面 选择 基础操作模块 PPT 文件路经 D盘 a计算机基础 本科 基础操作模块 PPT 一级 二级 三级 一级文件夹 二级文件夹 文件 53 用户界面 微机平台 英文基本平台中界面命令和系统提示均用英文 WINDOWS应用程序基本操作窗口 54 中文操作平台 WINDOWS资源管理操作平台 WINDOWS应用程序基本操作窗口 在中文操作平台中界面命令和系统提示均用汉字 55 人机交互与用户界面 Windows下的人机字符交互界面 字符界面 以字符命令方式输入 系统以字符方式回答用户 DOS使用典型的字符界面 WINDOWS使用典型的图形界面 56 图形用户界面的基本元素 1 窗口 57 菜单提供了应用程序中的各种功能选项 每个菜单条中的选项还可以弹出一个下拉式菜单 2 菜单 菜单技术带来了两大好处 一是减轻了用户对命令的记忆负担二是避免键盘命令输入过程中的人为错误 两种经典菜单形式 下拉式 菜单和 弹出式 快捷菜单 58 下拉式 菜单 上下文相关的 弹出式 快捷菜单 下拉式 菜单位于应用程序窗口上方的菜单栏 均采用 下拉式 菜单方式 菜单中含有若干条命令 为了便于使用 命令按功能分组 分别放在不同的菜单项里 当前能够执行的有效菜单命令以深色显示 不能使用的无效命令则呈浅灰色 如果菜单命令旁带有 则表示选择该命令将弹出一个对话框 以期待用户输入必要的信息或作进一步的选择 59 弹出式 快捷菜单这是一种随时随地为用户服务的 上下文相关的弹出菜单 将鼠标指向某个选中对象或屏幕的某个位置 单击鼠标右键打开一个弹出式菜单 该菜单列出了与你正在执行的操作直接相关的命令 Windows桌面上按鼠标右键弹出的菜单 PowerPoint空白处按鼠标右键弹出的菜单 60 windows2000开始菜单项 程序 Program 用以运行指定的应用程序 文档 Documents 用以打开最近使用过的文档 设置 Setting 用户按个人喜好设定Windows2000的显示状态及行为 搜索 Find 查找本地计算机或者网络中其他计算机的文件夹中的某个信息 帮助 Help 打开Windows2000联机帮助系统 运行 Run 提供了一种通过输入命令字符串来启动程序 打开文档或文件夹 以及浏览Web站点的方法 关机 ShutDown 关闭计算机 61 3 对话框 包括 命令按钮 选项按钮 复项 正文框 列表框及下拉列表框 滑杆 选值按钮 取消对话框 活页卡片 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