CH 01 操作系统概论 ---操作系统.ppt

2012 2013第一学期 主讲 陈丹hendw 南京邮电大学计算机科学与技术学院信息安全系 操作系统结构分析 课程性质及安排 课程性质 专业必修课总64课时 授课54课时 上机10课时 平时成绩 作业 课堂提问 随机点名上机实验 5次 答疑时间地点 周三中午 3大节信息安全实验室最后成绩 考试70 平时成绩10 实验20 课程特点及学习方法 课程特点概念多 抽象 枯燥理论性强 难理解学习方式读课本 写提纲作标记 找答案做作业 应考试求助方式GoogleEmail chendw 课后答疑 第一章操作系统概论 1 1操作系统概观1 2操作系统的形成和发展1 3操作系统提供的服务和用户接口1 4操作系统的结构设计1 5流行操作系统简介 1 1操作系统概观 操作系统的定义和目标操作系统的作用和功能操作系统的主要特性 随处可见的电子设备 所有的电子设备都有操作系统 电子计算机 大型机 微型机 汽车电子控制部件火星漫步者手持设备 手机 PDA 洗衣机 微波炉本课讨论范围限于计算机OS Altair8080 石器时代的操作系统 最基本的计算机由CPU 存储器以及输入 输出设备组成 SourceCode Compiler ObjectCode Hardware在那个年代 人们是通过一个控制面板将ObjectCode输入内存并读出结果 0 x2A3B 0 x20 现在我们是怎么做的 每按一个键系统都要字符回显示至显示器 直至输入回车 数据就被写入指定地址的内存了 谁将字符显示到显示器上 屏显处理程序 它如何得知我的指令结束 键盘处理程序 它怎么知道我是要写而不是读 命令处理程序 操作系统是什么 OS是屏显处理程序 键盘处理程序 命令处理程序 这样的OS太过简单 无法管理文件 无法上网 无法 OS是屏显处理程序 键盘处理程序 命令处理程序 文件管理程序 网络接入程序 OS是N个提供服务的程序集合 人们希望OS完成哪些工作 方便地操作计算机使计算机的功能得到扩充有效管理我的文档尽可能地快速完成我下达的任务自己可以在其之上开发新功能OS就是一套能完成上述工作的软件 操作系统的定义 操作系统是管理系统资源 控制程序执行 改善人机界面 提供各种服务 合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件 可以是硬件吗 硬件计算机系统系统软件软件应用软件 计算机系统的层次结构 Interface 接口 边界 接口提供了一条合理的边界 使接口的两边可以很好的对话 接口可分成硬 硬 软 硬 软 软几类 OS和硬件之间是软 硬接口 用户如何透过OS支配硬件 VM OS向用户提供一个容易理解和使用的 计算机 虚拟机 用户对这个 计算机 的操作都将被转化成OS对计算机硬件的操作 E g 在 我的电脑 中复制 粘贴文件 OS能做些什么 OS的功能 OS是一个协调者和交通警察管理资源硬件资源 处理机 存储器 设备 信息资源 文件 解决申请资源时产生的冲突阻止错误的产生和对计算机不正当的使用OS是一个便利店提供良好的用户界面标准的函数库使得编程更加方便并且不容易出错 操作系统的主要功能 处理器管理存储管理设备管理文件管理网络与通信管理用户接口 OS接管计算机的过程 打开电源CPU将控制权交给BIOS 基本输入输出系统 存放在CMOS中 BIOS运行一个程序 通电自测试程序BIOS确认所有外部设备 硬盘或扩充卡BIOS找到磁盘的引导区 通常在磁盘的最开始的部分 将接下来的512Bytes主引导程序装入内存 主引导程序是一段代码 它可以将OS余下部分装入内存 引导操作系统结束 操作系统接管计算机 虚拟性 是指把物理实体变成逻辑对应物 如虚拟软驱 虚拟硬盘 虚拟光驱 虚拟内存 虚拟打印机 虚拟摄像头 并发 在计算机系统中同时存在多个程序宏观上 这些程序是同时在执行的微观上 任何时刻只有一个程序在执行 即微观上这些程序在CPU上轮流执行并行 与并发相似 但多指硬件支持 共享 计算机系统资源可被多个并发执行的程序共同使用 互斥共享如打印机 磁带机等同时访问如磁盘等 异步性 随机性 A B B A 终点 操作系统的主要特性 并发性共享性异步性虚拟性 复习 什么操作系统 OS是一套提供多种服务的系统软件 计算机系统是一个层次结构的系统 层与层之间都存在一个界面 接口 Interface 操作系统有哪些功能 管理硬件资源和信息资源可以扩充至各种未知的功能操作系统有哪些特性 并发性 与并行性之间的区别共享性 互斥共享和同时访问异步性 即随机性 与同步之间的区别虚拟性 1 2操作系统的形成和发展 人工操作阶段管理程序阶段多道程序设计与操作系统的形成 人工操作阶段 没有OS软件的时代 穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机 管理程序阶段 OS的软件雏形 操作员集中一批用户提交的作业 由管理程序将这批作业从纸带或卡片机输入到磁带上 每当一批作业输入完成后 管理程序自动把磁带上的第一个作业装入内存 并把控制权交给作业 当该作业执行完成后 作业又把控制权缴回管理程序 管理程序再调入磁带上的第二个作业到内存执行 例题 p11 计算某个数据处理问题 输入500个字符 花78ms 经CPU处理52ms后 将结果2000个字符存到磁带上 花20ms 重复进行 直至输入数据全部处理完毕 单道算题运行时处理器的使用效率 CPU利用率 52 78 52 20 35 多道程序设计 多道程序设计是指允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计算的方法 从宏观上看 并行从微观上看 串行引入多道程序设计技术的根本目的 提高CPU的利用率实现该目标的硬件保证 处理器和外围设备具可以并行工作 例题 p11 12 接上题 计算机还接受了另一算题 先从另一台磁带机上输入2000个字符 花20ms 经42毫秒的处理后 从行式打印机上输出两行 约花88ms 两道算题运行时处理器的使用效率 CPU利用率 52 42 78 52 20 63 例题 p12 甲 乙两道程序 独占计算机单道运行时每道花一个小时 若此时处理器利用率为30 粗略地说 甲 或乙 程序执行时所需要的处理器时间为 1小时 30 18分钟假定按多道程序设计方法运行 处理器的利用率达50 提供36分钟的CPU时间 约要运行72分钟 加上系统开销 若共花80分钟 单道运行时 甲 乙依次执行完需120分钟 采用多道程序设计方法后可以提高效率 120 80 120 33 甲 乙两道程序 如果单道运行 它花60分钟就可得到结果 多道运行时 却要花80分钟才有结果 延长了20分钟 即延长了33 的时间 80 60 60 33 多道程序设计产生的问题 采用多道程序设计提高了效率 即增长了单位时间的算题量 但对每道程序来说 却延长了计算时间 多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐率是以牺牲用户的响应时间为代价的 多道程序设计的道数问题 多道程序设计的道数多少不是任意的 如两道程序都要用某一台打印机 内存储器的容量和用户的响应时间等因素也影响多道程序道数的多寡 一道程序等待I O操作的时间占其运行时间的比例为p 当内存中有n道程序时 所有程序都等待I O的概率是pn 那么 CPU利用率 1 pn其中n称多道程序的道数或度数 可见CPU的利用率是n的函数 注 解题时是否使用该公式请依题意 内存数量对CPU利用率的影响 若计算机有1MB内存 操作系统占200KB 其余空间允许4道用户程序共享 每个占用200KB 如果进程平均花费80 的时间等待I O操作 则 忽略操作系统开销时 CPU利用率 1 0 8 4 59 当增加1MB内存后 多道程序可从4道增加到9道 因而 CPU的利用率 1 0 8 9 87 第二个1MB内存提高了47 的系统吞吐量 增加第三个1MB内存只将CPU的利用率从87 提高到96 吞吐量仅提高了10 多道程序设计的优缺点 优点 提高了CPU的利用率 提高了内存和I O设备的利用率 改进了系统的吞吐率 充分发挥了系统的并行性 缺点作业周转时间延长 三个关键促成了操作系统的形成 中断技术实现了多道程序的切换通道技术实现了硬件之间的并行性磁盘的问世高速高容量的存储器充当虚拟存储器 操作系统发展简史 微芯片上集成的晶体管数目每18个月翻一番 戈登 摩尔 硬件发展带动操作系统的发展 0 2 4 000 25 000 0 1 1 10s 2 32 16 110 000 1Gb s 9600b s 100 000 1TB 10MB 32 768 4GB 128KB 1 280 3200 x4 10 ENIAC 1945 1955 这个家伙重30吨 并且要消耗200KW的电力http ei cs vt edu history ENIAC Richey html 第1阶段 1948 1970 人机矛盾突显用户在机器前操作一次只一个用户使用当用户在机器面前思考 计算机空闲 浪费严重 批处理系统一次性处理多个作业如果其中一个作业出错 将导致人工干预 硬件昂贵 人力便宜 磁心存储器 1950s 60s CoreMemory将数据存储在被磁化的铁环中http www columbia edu acis history core html 第1 阶段 60年代末70年代初 通道和中断 提供了I O和计算的并行多道程序设计复杂性变得难以控制 Multics 耗费了1866people人力 www multicians org 图灵奖得主FernandoCorbat 的获将演说 Onbuildingsystemsthatwillfail OS360 发布时就存在1000个已知bugs APARs AnomalousProgramActivityReport OS逐渐形成一门重要的学科 如何处理硬件的复杂性 UNIX基于Multics系统开发 但已经大大的简化 MulticsSystem 由MIT 通用电气公司以及贝尔实验室三家于1969年推出了著名的MULTICS 即多路信息计算系统 MultiplexedInformationandComputerSystem 作为一种通用的操作系统 MULTICS能有效地把计算机资源分配给多个远程用户程序 同时解决了安全和保密等问题 http www multicians org multics stories html 磁盘的发展 1973 1 7Mbit sq in140MBytes 1979 7 7Mbit sq in2 300MBytes 第2阶段 1970 1985 OS技术不断成熟和稳定分时操作系统 多个用户可以通过自己的终端同时与系统会话每个用户可以获得相同的CPU处理时间用户可以在线进行编程 调试以及其它操作第一个分时系统CTSS在1962年由MIT开发成功 硬件成本下降 人力资源费用上升 第3阶段 1981 人均拥有计算机数量 1微机操作系统单用户单任务 CP M DOS多用户多任务 windows OS2 MACOS LinuxOS之间的战争 见附录 硬件十分便宜 人力资源费用昂贵 第4阶段 1989 分布式操作系统不同的机器共享资源打印服务 文件服务 WEB服务客户 服务器模式提供计算和文件存储等服务 第5阶段 1995 嵌入式操作系统随处可见的移动设备 笔记本 PDA 手机等硬件设备CPU 内存容量有限对无线环境要求高 操作系统迁移图 操作系统的分类 批处理操作系统分时操作系统实时操作系统微机操作系统并行操作系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统 1 3操作系统提供的服务和用户接口 操作系统的主要功能 OS部件 处理器管理存储管理设备管理文件管理网络与通信管理用户接口 操作系统提供哪些服务 程序的创建和执行程序是如何进入内存并得以执行 I O操作用户如何通过OS来操作IO设备 文件的操作建立 读写 修改 删除和查找文件通信服务机器之间的网络通信以及同台机器中不同程序之间的通信其它服务错误的检测和恢复资源的分配帐户管理保护 用户如何使用OS提供的服务 操作系统提供了许多服务 底层服务通过系统调用来实现 可被用户程序直接使用 高层的服务通过系统程序来实现 用户不必自己编写程序而是借助命令来请求执行完成各种功能 用户和操作系统之间的两种接口 系统调用 系统调用 广义指令 是由操作系统在机器指令 访管指令 基础上实现的 是能完成特定功能的过程或子程序 程序接口又称应用编程接口API 允许运行程序调用操作系统的服务和功能 程序接口由一组系统调用 SystemCall 组成 用户程序使用 系统调用 就可获得操作系统的底层服务 使用或访问系统的各种软硬件资源 UNIX Linux系统程序 库函数 系统调用的分层关系 系统调用的实现机制 陷入 异常 系统调用与函数调用的区别 操作接口 联机用户接口操作控制命令 命令 命令解释程序命令解释程序脱机用户接口用户事先把要做的事写好 然后一次性叫计算机完成 批处理操作系统 作业控制语言 JobControlLanguage 1 4操作系统的结构设计 操作系统的构件操作系统的设计结构操作系统的运行模型 整体式结构 简单结构 操作系统的整体式结构又叫模块组合法 它按照功能划分模块 模块间可以互相调用 最后把所有的模块连接起来构成一个完整的系统 优点 结构紧密 组合方便 执行效率高 缺点 模块独立性差 可靠性低 系统功能增减十分困难 层次式结构 它把操作系统划分为内核和若干模块 或进程 这些模块 或进程 按功能的调用次序排列成若干层次 各层之间只能是单向依赖或单向调用关系 这样不但系统结构清晰 而且不构成循环 部分功能无法很分清谁上谁下 如进程调度和存储管理 该结构很适合平台和硬件的移植 此设计思想很值得借鉴 虚拟机结构 客户 服务器及微内核结构 由两类进程和微内核组成每个进程实现一类服务 称服务器进程 如文件服务 进程管理服务 存储管理服务 网络通信服务等 它的任务是检查是否有客户提出服务请求 如果有请求则在满足客户的要求后返回结果 于是 客户进程与服务器进程形成了C S关系 与层次结构相似 但更加灵活 操作系统的运行模型1 非进程内核模型 操作系统的运行模型2 OS功能在用户进程内执行的模型 操作系统的运行模型3 OS功能作为独立进程执行的模型 总结 你应该了解什么 操作系统的定义和特点多道程序设计思想操作系统的功能以及用户是如何使用的系统调用 程序接口 系统程序 操作接口 操作系统的结构设计方法 附录 OS之间的战争 个人计算机操作系统 CP M 8位MS DOS 设备管理 文件系统功能WINDOWS图形用户界面多任务 多线程可剥夺式调度段页式虚拟存储管理技术动态连接MACOS 个人计算机操作系统 1CP M操作系统随着大规模集成电路发展 个人计算机时代到来了各种类型的个人计算机和软件层出不穷1973年GaryKildall看到对个人计算机操作系统的需求 设计了CP M操作系统 ControlProgram MicroprocessororMicrocomputer CP M操作系统有较好的层次结构 它的BIOS把操作系统的其他模块与硬件配置分隔开 所以它的可移植性好 具有较好的可适应性和易学易用性到了1981年 CP M操作系统成为世界上流行最广的8位操作系统之一 个人计算机操作系统 2微软MSDOS个人计算机的成功 逼得IBM采取紧急战略行动 决定要在1980年尽快生产出微型计算机 以应付挑战但没有操作系统不行 要想快就是找现成系统配套 IBM公司洽谈CP M操作系统不顺利 机遇落到了微软在关键时刻 开发新操作系统时间和人手上已经不可能 微软找到西雅图计算机产品公司 达成由微软经销西雅图计算机产品公司的QDOS操作系统的协议当时西雅图公司并不知道QDOS将被转卖给IBM 否则历史将会怎样演变 谁也无法知晓 个人计算机操作系统 IBM在1981年推出PC 宣布了PC DOS操作系统随着IBMPC和MSDOS普及 CP M逐渐走向下坡路MSDOS有优良的文件系统 但受到Intelx86体系结构的限制 缺乏以硬件为基础的存储保护机制 它属于单用户单任务操作系统 从1981的1 0版到1998年在Windows95 98之下的7 0版 MSDOS历经了16个年头 拯救苹果公司的Macintosh MACOS 在推出IBMPC机后 市场卷起一股龙卷风 IBM自己也没有料到产品会有如此巨大的成功 IBM的成功说明必有其他公司失败 甚至连苹果公司也遇到了问题 销售数量落到了兰色巨人的后面 苹果公司推出Lisa机遭到失败 AppleIII型也遭到失败 分析家们 微机市场上的战斗似乎兰色巨人要嬴了 施乐PaloAlto研究中心 70年代的计算机研究思想库 世界上第一台个人计算机Alto 1972年在这里出现 图形界面 手持鼠标 面向对象程序设计 微机网络 桌面出版和激光打印等等很多先进概念和技术的原型都首次出现在这里 施乐PaloAlto研究中心 cont 1979年苹果公司允许施乐公司购买一百万股的苹果公司股票 作为回报 施乐公司允许苹果公司的少数人员 包括乔布斯 在有限的时间内考察施乐公司PaloAlto研究中心内部 并同该思想库的研究人员交谈 苹果公司对PaloAlto研究中心内的技术大感吃惊 他们