第一章绪论(1).ppt

操作系统原理 2010 9徐曼xumanly 参考教材 计算机操作系统 第三版 汤小丹等 操作系统现代观点 著 机械工业出版社 操作系统OS OperatingSystem 的重要性 掌握核心系统软件掌握并发处理的思想方法 为后继课程打好基础 如何学习操作系统 掌握操作系统的基本概念 基本原理 实现技术 操作系统实例分析 第一章操作系统引论 1 1什么是操作系统1 2操作系统的发展过程1 3操作系统的基本特性1 4操作系统的主要功能1 5计算机硬件基础 1 1什么是操作系统 计算机系统计算机系统就是按人们的要求接收和存储信息 自动进行数据处理和计算 并输出结果信息的机器系统1 计算机硬件系统计算机的各种部件和设备依据计算机系统结构的要求构成的一个有机整体 成为计算机硬件系统 2 计算机软件系统软件是计算机系统中的程序和有关文件的集合 计算机硬件系统 输入设备 输出设备 控制器 主存储器 运算器 控制流 数据流 计算机硬件结构示意图 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 其它软件是建立在操作系统之上的 与硬件的关系 控制CPU的工作 访问存储器 设备驱动 中断处理 与用户及应用程序的关系 提供方便的用户界面 提供优质的服务 操作系统的作用 1 OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是 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 应用程序 显示器 磁盘驱动器 打印机 鼠标 操作系统 键盘 图1 1OS作为接口的示意图 1 命令方式 这是指由OS提供了一组联机命令 语言 用户可通过键盘输入有关命令 来直接操纵计算机系统 2 系统调用方式 OS提供了一组系统调用 用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用 来操纵计算机 3 图形 窗口方式 用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序 2 OS作为计算机系统资源的管理者 在一个计算机系统中 通常都含有各种各样的硬件和软件资源 归纳起来可将资源分为四类 处理器 存储器 I O设备以及信息 数据和程序 OS的主要功能也正是针对这四类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 OS是计算机系统资源的管理者 裸机 I O设备管理软件 文件管理软件 窗口软件 提供I O命令 来进行数据输入和打印输出 提供文件存取命令 来进行文件的存取 用户 3 OS用作扩充机器 实现了对计算机资源的抽象 Os用作扩充机器举例 操作系统是计算机系统中的一个系统软件 它是这样一些程序模块的集合 它们有效地组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源 合理地组织计算机工作流程 控制程序的执行并向用户提供各种服务功能 使得用户能够灵活 方便和有效地使用计算机 使整个计算机系统能高效地运行 操作系统的宗旨 方便用户 提高计算机系统资源的使用效率 返回 推动操作系统发展的主要动力 不断提高计算机资源利用率2 方便用户 3 器件的不断更新换代4 计算机体系结构的不断发展 1 2操作系统的发展过程 操作系统的形成和发展 人工操作阶段 脱机I O 单道批处理 无操作系统 晶体管 小规模集成电路 1 2 1无操作系统的计算机系统 1 人工操作方式1945 50年代中期用户在计算机上算题的所有工作都要用户人工干预 如程序的装入 运行 结果的输出等 缺点 1 用户独占全机 2 CPU等待人工操作 问题 人 机矛盾机器作业在机器上人工操操作时间与机器速度计算所需时间作时间有效运行时间之比1万次 秒1小时3分钟1 2060万次 秒1分钟3分钟3 1 人工操作阶段 脱机I O 单道批处理 无操作系统 晶体管 小规模集成电路 2 脱机输入 输出 Off LineI O 方式 这种脱机I O方式的主要优点如下 减少了CPU的空闲时间 2 提高I O速度 图1 3脱机I O示意图 人工操作阶段 脱机I O 单道批处理 无操作系统 晶体管 小规模集成电路 1 2 2单道批处理系统 批处理是指系统中有一个监控程序 它负责完成用户程序的调入 启动运行 输出运行结果等工作 图1 4单道批处理系统的处理流程 2 单道批处理系统的特征 单道批处理系统是最早出现的一种OS 严格地说 它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS 尽管如此 该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步 该系统的主要特征如下 1 自动性 2 顺序性 3 单道性 60年代计算机硬件获得两个重大的进展 通道技术和中断技术通道 是一种专用部件 负责外部设备与内存之间信息的传输 中断 指主机接到外界的信号 来自CPU外部或内部 时 立即终止原来的工作 转去处理这一外来事件 处理完后 主机又回到原来工作点继续工作 人工操作阶段 脱机I O 单道批处理 无操作系统 晶体管 小规模集成电路 1 2 3多道批处理系统 1 多道程序设计的基本概念在60年代中期又引入了多道程序设计技术 由此而形成了多道批处理系统 MultiprogrammedBatchProcessingSystem 后备队列 作业调度 外存 内存 图1 5单道和多道程序运行情况 3 多道批处理系统的优缺点 资源利用率高 2 系统吞吐量大 3 平均周转时间长 4 无交互能力 4 多道批处理系统需要解决的问题 处理机管理问题 2 内存管理问题 3 I O设备管理问题 4 文件管理问题 5 作业管理问题 作业 作业队列 内存分配 内存 处理机调度 处理机 提交作业 作业完成 a 传统批处理 批处理文件 内存分配 内存 处理机调度 处理机 提交批处理文件 批处理文件完成 b 现代批处理文件处理 1 2 4分时系统 1 分时系统 Time SharingSystem 的产生 70年代 分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型OS 用户的需求具体表现在以下几个方面 1 人 机交互 2 共享主机 3 便于用户上机 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 同时允许多个用户共享主机中的资源 每个用户都可以通过自己的终端以交互方式使用计算机 分时技术 把处理机的响应时间分成若干个大小相等 或不相等 的时间单位 称为时间片 如100毫秒 每个终端用户获得CPU 就等于获得一个时间片 该用户程序开始运行 当时间片到 用完 用户程序暂停运行 等待下一次运行 3 分时系统的特征 多路性 2 独立性 3 及时性 4 交互性 2 分时系统实现中的关键问题 人 机交互及时接收 及时处理 四种早期的分时系统 CTSS兼容的分时系统由MIT为IBM的7090机器开发的系统Multics早期取代CTSS继续发展 重点发展了虚拟内存 内存保护以及安全方面Cal涉及分时共享系统的一般技术 保护和安全UNIX1970用于管理小型机PDP11 45 1 2 5实时系统 所谓 实时 是表示 及时 而实时系统 Real TimeSystem 是指系统能及时 或即时 响应外部事件的请求 在规定的时间内完成对该事件的处理 并控制所有实时任务协调一致地运行 1 应用需求 实时控制 2 实时信息处理 响应时间 指用户发出命令 到系统完成用户命令所需的时间 批处理操作系统没有分时操作系统秒级 一般情况 实时操作系统微秒级甚至更小 经典说法 系统满足用户时限 deadline 的要求 现代 2 实时任务 1 按任务执行时是否呈现周期性来划分 周期性实时任务 2 非周期性实时任务 外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性 但都必须联系着一个截止时间 Deadline 它又可分为 开始截止时间 任务在某时间以前必须开始执行 完成截止时间 任务在某时间以前必须完成 2 根据对截止时间的要求来划分 1 硬实时任务 hardreal timetask 系统必须满足任务对截止时间的要求 否则可能出现难以预测的结果 2 软实时任务 Softreal timetask 它也联系着一个截止时间 但并不严格 若偶尔错过了任务的截止时间 对系统产生的影响也不会太大 3 实时系统与分时系统特征的比较多路性 2 独立性 3 及时性 4 交互性 5 可靠性 Win32API CE Windows9X ME Win32Subsystem NT 2000 微软操作系统家族 返回 1 3操作系统的基本特性 并发共享虚拟异步 返回 1 3 1并发 Concurrence 并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念 1 并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生 2 并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生 并发性 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 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多处理机系统中 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 这样 多个程序便可同时执行 返回 1 3 2共享 Sharing 在操作系统环境下 所谓共享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 由于资源属性的不同 进程对资源共享的方式也不同 目前主要有以下两种资源共享方式 1 互斥共享方式 2 同时访问方式 1 互斥共享方式 把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源 把这种资源共享方式称为互斥式共享 计算机系统中的大多数物理设备如打印机 磁带机等 以及某些软件中所用的栈 变量和表格 都属于临界资源 它们要求被互斥地共享 2 同时访问方式 允许在一段时间内由多个进程 同时 对它们进行访问 这里所谓的 同时 往往是宏观上的 而在微观上 这些进程可能是交替地对该资源进行访问 典型的可供多个进程 同时 访问的资源是磁盘设备 一些用重入码编写的文件 也可以被 同时 共享 即若干个用户同时访问该文件 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 返回 1 3 3虚拟 Virtual 所谓 虚拟 是指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 用于实现虚拟的技术 称为虚拟技术 物理实体 1 2 n 虚拟技术 逻辑对应物 虚拟技术 1 时分复用技术虚拟处理机技术虚拟设备技术2 空分复用技术虚拟磁盘技术虚拟存储器技术 返回 1 3 4异步性 Asynchronism 由于资源等因素的限制 使进程的执行通常都不是 一气呵成 而是以 停停走走 的方式运行 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 尽管如此 但只要运行环境相同 作业经多次运行 都会获得完全相同的结果 因此 异步运行方式是允许的 是操作系统的一个重要特征 返回 处理机管理存储器管理设备管理文件管理操作系统与用户接口 1 4操作系统的主要功能 一 处理机管理 1 进程控制进程创建 撤销 状态转换2 进程同步进程互斥 进程同步3 进程通信实现在相互合作的进程 线程 间交换信息4 调度作业调度 进程调度 进程是处理机分配和运行的基本单位 二 存储器管理 1 内存分配内存分配数据结构 分配 回收2 内存保护确保每道程序都只在自己的内存空间运行 3 地址映射逻辑地址 物理地址4 内存扩充虚拟存储技术 三 设备管理 1 缓冲管理 设备分配设置数据结构 分配策略 设备处理设备驱动程序 完成用户提出的 请求分配设备提高 设备利用率提高 速度方便用户使用 四 文件管理 文件存储空间的管理目录管理文件的读 写管理和保护 对用户文件和系统文件进行管理 以方便用户使用保证文件的安全性 五 操作系统与用户之间的接口 用户接口联机用户接口脱机用户接口图形用户接口 程序接口系统调用 1 5计算机硬件基础 1 计算机基本部件 PC IR MAR MBR I OAR I OBR 执行单元 CPU 主存储器 输入 输出模块 PC 程序计数器IR 指令寄存器MAR 存储器地址寄存器MBR 存储器缓冲寄存器I O地址寄存器I O缓冲寄存器 处理器 执行数据处理任务I O模块 在计算机和外部环境间移动数据 外部环境由各种设备组成 包括 辅助存储器设备 通信设备和终端等等 主存储器 存储数据和程序 系统总线 连接各部件的通信线路 2 寄存器 1 用户可编程寄存器 数据寄存器 地址寄存器 2 状态寄存器 供处理器使用以控制处理机的操作 也可供具有特权的OS例程使用以控制程序的执行 PC IR PSW 中断现场保护寄存器 过程调用用堆栈 条件码 3 程序的装入和链接将一个用户源程序变为一个可在内存中的程序 通常要经过以下几步 1 编译 由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块 2 链接 由链接程序将目标模块及他们需要的库函数链接在一起 形成一个装入模块 3 装入 由装入程序将装入模块装入内存 程序的装入和链接 4 指令的执行与中断处理机执行的程序是由一组保存在存储器中的指令组成的 执行指令分两步 1 读入指令 2 执行指令 指令的指令周期 开始 结束 读入下一条指令 执行当前指令 小结 操作系统是计算机资源管理者 为用户提供方便使用的接口 操作系统的发展 无操作系统单道批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统 操作系统基本特性并发性 共