操作系统原理 第1章 操作系统引论.ppt

第1章操作系统引论 一 操作系统的概念 操作系统定义 操作系统是一组有效控制和管理计算机系统的硬件和软件资源 合理地组织计算机工作流程以及方便用户的程序集合 有效 系统效率 资源利用率 如 CPU的充分利用 内存 外部设备是否忙碌 合理 是否公平 是否合理 如果不合理则会产生 死锁 或 饥饿 方便 用户界面 工作环境 接口 二 操作系统功能 1 从资源管理观点上看操作系统是系统资源管理者 OperatingSystemasaResourceManager 操作系统是资源管理程序 它用于控制和管理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 数据 文件系统硬件 I O设备 设备管理存储器 存储器管理处理器 处理器 进程 管理 在多道程序环境下 处理机的分配和运行都是以进程为基本单位 因而对处理机的管理归结为对进程的管理 1 进程控制创建 撤消进程 进程状态转换通过原语或系统调用实现 2 进程同步协调进程间的关系互斥和同步同步机制如锁 信号量 3 进程通信进程间的信息交换直接通信和间接通信 4 进程调度为进程分配处理机核心为调度算法 1 处理机管理 2 存储管理 1 存储分配为进程分配存储空间静态分配和动态分配 2 存储保护防止程序相互干扰硬 软件结合实现 3 地址映射逻辑地址物理地址 4 存储扩充在不增加物理内存的情况下向用户提供海量存储空间 3 设备管理 任务 分配与回收设备驱动设备响应I O请求目的 提高I O设备利用率方便使用I O设备 1 缓冲管理解决CPU与I O速度不匹配缓冲机制 单缓冲 双缓冲 缓冲池 2 设备分配分配设备 含通道 控制器 设备分配表 3 设备驱动控制设备工作 处理中断请求设备驱动程序 4 设备独立性和虚拟设备设备独立性 deviceindependence 指应用程序独立于物理设备 即用户程序与物理设备无关虚拟设备将一个物理设备变换为多个与之对应的逻辑设备 供多个用户共享 4 文件管理 1 文件空间管理分配 回收文件空间 2 目录管理目录登记文件 实现文件按名存取 共享与保护 3 文件读写和存取控制实现对文件的具体访问防止文件被坏 5 用户接口 1 命令接口键盘命令 2 图形接口窗口菜单 3 程序接口系统调用 2 从软件分层 扩充机器的观点上看操作系统是扩充裸机的第一层系统软件 窗口软件虚拟机3语言处理程序等虚拟机2操作系统虚拟机1硬件 裸机 操作系统是扩展的机器 是虚拟机 是功能更强大 使用更方便的机器 3 从服务用户的观点上看操作系统是用户与裸机之间接口 用户应用程序系统调用命令图标 窗口操作系统裸机 三 操作系统的分类 操作系统按照不同方式分类 按用户数目的多少划分 单用户和多用户系统 根据操作系统所依赖的硬件规模划分 大型机 中型机 小型机和微型机操作系统 据操作系统提供给用户的工作环境划分 单用户操作系统 多道批处理操作系统 分时系统 实时系统 网络操作系统和分布式操作系统等 操作系统的历史 1 第0代 40年代未 50年代初 无操作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 先把程序纸带 或卡片 装上输入机 然后启动输入机把程序和数据送入计算机 接着通过控制台开关启动程序运行 计算完毕 打印机输出计算结果 用户取走并卸下纸带 或卡片 2 第一代 50年代中 50年代未 早期单道批处理系统它是为了减少人工操作时间和作业转换时间提高CPU利用率而设计的 系统自动依次处理作业 早期单道批处理系统包括 联机批处理和脱机批处理两种方式 早期联机批处理系统 作业的执行过程为 1 用户提交作业 作业程序 数据 用作业控制语言编写的作业说明书 2 作业被作成穿孔纸带或卡片 3 操作员有选择地把若干作业合成一批 通过输入设备 纸带输入机或读卡机 把它们存入磁带 4 监督程序 管理作业的运行 负责装入和运行各种系统处理程序 如汇编程序 编译程序 连接装配程序 程序库 如输入输出标准程序等 完成作业的自动过渡 读入一个作业 若系统资源能满足该作业要求 5 从磁带调入汇编程序或编译程序 将用户作业源程序翻译成目标代码 6 连接装配程序把编译后的目标代码及所需的子程序装配成一个可执行程序 7 启动执行 8 执行完毕 由善后处理程序输出计算结果 9 再读入一个作业 重复 5 9 各步 10 一批作业完成 返回到 3 处理下一批作业 特点 实现了作业自动转接 从而减少作业建立和人工操作时间 但是在作业的输入和执行结果的输出过程中 主机CPU仍处在停止等待状态 解决办法 脱机批处理 早期脱机批处理系统 3 第二代 50年代末 60年代中 多道程序系统 单道程序工作示例 多道程序工作示例 多道程序运行的特点是 1 多道 计算机内存中同时存放几道相互独立的程序 2 宏观上并行 同时进入系统的几道程序都处于运行过程中 即它们先后开始了各自的运行 但都未运行完毕 3 微观上串行 实际上 各道程序轮流使用CPU 交替执行 4 第三代 60年代中 70年代中 通用操作系统这一代计算机系统是通用系统 这一代操作系统是多模式系统 即一个系统同时支持多道批处理 分时处理 实时处理等功能 5 第四代 70年代中 网络操作系统和分布式操作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 操作系统基本类型 1 批处理系统 BatchProcessingSystem 1 多道程序设计技术 它是在计算机内存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 它们先后开始了各自的运行 但都未运行完毕 多道程序在宏观上并行执行 而在微观上多道程序在某个部件上 如CPU I O 是串行 即多道程序轮流地使用部件 交替执行 返7 2 多道批处理系统的主要特征 1 用户脱机使用计算机 2 成批处理 3 多道程序运行 4 无交互性 2 分时系统 TimeSharingSystem 1 分时系统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 多路性交互性 独占 性及时性 同时有多个用户使用一台计算机宏观上 是多个人同时使用一个CPU微观上 多个人在不同时刻轮流使用CPU 用户根据系统响应结果进一步提出新请求 用户直接干预每一步 用户感觉不到计算机为其他人服务 OS提供虚机器 各个用户的虚机器互不干扰 系统对用户提出的请求及时响应 2 分时系统的特征 3 实时系统 RealTimeSystem 目标 为了提高系统的响应时间 对随机发生的外部事件作出及时响应并对其进行处理 1 实时系统分类 1 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 火炮自动控制 飞机自动驾驶 导弹的制导系统等 2 实时信息处理系统主要用于实时信息处理 象飞机订票系统 情报检索系统等 2 实时系统特征 1 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 2 有限的交互能力 实时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 3 高可靠性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 4 通用操作系统 Systems 通用操作系统一般是以上几种系统的组合 如 批处理系统与分时系统相结合 当系统有分时用户时 系统及时地做出响应 当系统暂时没有分时用户或分时用户较少时 可以处理不太紧急的批作业 以便提高系统资源的利用率 这种系统中 把分时作业称为前台作业 批处理作业称为后台作业 5 多处理机操作系统 MultiprocessorOperatingSystems 提高计算机系统性能的主要途径有两条 一是提高构成计算机系统的元器件的运行速度 二是改进计算机系统的体系结构 如 70年代出现的多处理机系统MPS 引入多处理机系统的原因有以下三点 增加系统的吞吐量 节省投资 提高系统的可靠性 1 多处理机系统的类型 结构 1 紧密耦合MPS通过高速总线或高速交叉开关来实现多个处理机之间的互连 各处理机共享存储器和I O设备 2 松散耦合MPS通过通道或通信线路来实现多台计算机之间互连 2 多处理机OS的类型 模式 1 非对称多处理模式又称主 从模式即把处理机分主 从两类 2 对称多处理模式 6 网络操作系统 NetworkOperatingSystem NOS 1 计算机网络基本概念计算机网络是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和局域网LAN两类 2 网络操作系统定义 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 3 网络操作系统功能 1 高效 可靠的网络通信 2 对网络中共享资源有效的管理 3 提供电子邮件 文件传输 共享硬盘 打印机等服务 4 网络安全管理 5 提供互操作能力 3 网络操作系统的模式 1 客户 服务器模式服务器 是网络的控制中心 其任务是向客户提供一种或多种服务 服务器可有多种类型 如提供文件 打印服务的文件服务器等 客户 是用于本地处理和访问服务器的计算机 2 对等模式模式采用这种模式的操作系统网络中 各个站点是对等的它既可作为客户去访问其它站点 又可作为服务器向其它站点提供服务 4 现代操作系统特点 内嵌网络 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WindowsNT AT T公司的UNIXSystemV Sun公司的SunOS Linux等都已把TCP IP网络功能包含在内核中 7 分布式操作系统 DistributedOperatingSystems 1 分布式操作系统的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 分布式操作系统基于两种环境 多处理器 CPU 系统或多计算机系统 网络 它是网络操作系统的更高级的形式 它保持了网络操作系统的全部功能 2 分布式操作系统与网络操作系统的区别 1 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 2 透明性分布操作系统负责全系统的资源分配和调度 任务划分 信息传输协调工作 并为用户提供一个统一的界面 标准的接口 用户通过这一界面实现所需要的操作和使用系统资源 分布式OS能很好地隐藏系统内部的实现细节 3 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 4 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 四 操作系统特征 1 操作系统特征1 并发性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 这些程序是在交互执行 2 共享性 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 可有互斥共享和同时共享两种不同的共享方式 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 3 虚拟性 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 例如在单CPU多道分时系统中 通过多道程序和分时技术可把一个物理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 4 异步性和不确定性在多道程序环境下 允许多个程序并发执行 但由于资源等因素的限制 程序的执行并非 一气呵成 而是以 走走停停 的方式运行 即程序是以异步方式运行的 每个程序 进程 执行的速度和时间不确定 各程序 进程 之间推进的序列也不确定 即是不可预测的 2 操作系统的性能指标 1 可靠性 可维修性和可用性2 系统