计算机操作系统考研指定教材.ppt

计算机操作系统 普通高等教育 十一五 国家级规划教材北京邮电大学出版社许曰滨孙英华赵毅考研指定参考教材 什么是操作系统 为什么学 学什么 怎么学 什么是操作系统 讨论 你熟悉的操作系统 你听说的操作系统 你满意的操作系统 操作系统有什么重要作用 你认为的学习目的 为什么学 1 操作系统在整个计算机系统中的地位 2 计算机操作系统课程在计算机专业课程体系中的地位 操作系统在整个计算机系统中的地位 讨论 微机系统操作系统 网络操作系统 新型分布式系统中的操作系统 为什么学 1 操作系统在整个计算机系统中的地位 2 计算机操作系统课程在计算机专业课程体系中的地位 学什么 1 学习操作系统的基本概念 基本结构及运行环境2 学习操作系统原理 设计方法和实现技术3 学习各种有代表性的 典型的操作系统实例4 了解操作系统的演化过程 发展研究动向 新技术以及新思想学时安排课内72 18课外a教材内容 怎么学 本课程特点 原理 枯燥 课堂学习课堂实验研究小组课下讨论作业考核注 课下答疑时间安排 参考书操作系统 精髓与设计原理第六版WilliamStalling著操作系统原理与设计曹先彬陈兰香编操作系统第二版孟庆昌牛欣源编 第1章绪论 电子计算机系统分为硬件和软件两部分硬件部分称为 裸机 由若干物理设备连接而成 为此 人们研制了一种能够管理和控制这种裸机的软件 这就是 操作系统 OS OperatingSystem 操作系统 是管理计算机系统内全部资源的程序模块和数据集合的总称 它作为用户和计算机硬件之间的连接软件 主要是响应应用程序的各种要求 解决各种要求之间的矛盾 使系统的利用率提高 以便用户能够简单而高效地使用计算机 第1章绪论 本章主要内容操作系统的发展过程操作系统的处理方式操作系统的功能与构造通用操作系统的特点 1 1操作系统的形成与发展 操作系统 曾用名 监控 督 程序 系统 Monitor 执行系统 程序 ExecutiveSystem program 控制系统 程序 ControlSystemprogram 管理程序 Supervisor SupervisorySystem 核心程序 Kernel 操作系统 OperatingSystem 1 手工操作方式早期的计算机由于运算速度低 外部设备少 加之没有配置操作系统 用户使用计算机是相当困难的 用户编制好的程序被输入到机内后 直接通过控制台上的一排排机械式开关和指示灯来监督控制程序的运行 当时 尚未研制出现操作系统 因此用户使用计算机的繁琐程度可想而知 这一阶段大体对应计算机诞生后的前10年 1946 1955 这10年又可分为两个时期 前一个时期称为手工交互时期 后一个时期是手工批处理时期 手工操作的主要缺点是操作较麻烦 操作员要了解计算机各部分的技术细节才能准确地控制作业运行 而这样做极容易出错 维护工作比较复杂 另一个问题是资源浪费 计算机的所有软硬件资源全部被一个作业独占 不用的资源也不能给其他作业使用 特别是 当一个作业完成 另一个作业开始 作业切换过程中的上机 下机将浪费大量时间 2 单任务操作系统发展阶段关于操作概念的第一次讨论 是1953年在华盛顿召开的IBM701计算机用户会议上展开的 到计算机诞生10年后的1955年 计算机上出现了第一个操作系统 当时称为监控程序 monitor 该系统是美国通用动力研究实验室 简称GMRL GeneralMotorsResearchLaboratory 为IBM701计算机研制的 主要目的是实现作业的自动转换 向用户提供方便的操作接口 尽可能高效率地利用计算机 这就是单任务操作系统 后来 北美航空公司开始与GMRL实验室合作 共同开发了运行于IBM704计算机上的操作系统 该系统就是一个支持Fortran语言的监控程序 简记为FMS FortranMonitorSystem 单任务操作系统的特点是 系统中装有高级语言翻译程序 程序设计人员可以用更直观易懂的语言编写程序 这也同时意味着程序设计人员可以摆脱计算机上的操作 将自己的程序交给计算站的操作员就可以了 应用程序在监控程序的管理下 一个接一个地自动切换运行 基本上不需要人工干预 内存中除了存储用户的应用程序外 还要驻留着监控程序 存储空间的划分和定位严格起来 单任务操作系统的缺点是 资源利用不充分 比如 硬件上的发展已经使内存空间比较充裕 而不少的作业却用不完内存的诺大空间 致使空间浪费严重 另外 一个作业在运行中遇到输入输出操作 比如读写磁带 时 处理机不得不处于闲置状态 等候低速输入输出操作完成 这些缺点使计算机硬件飞速发展的辉煌成就不能很好地利用起来 系统的许多优点被深深埋没在低速的I O中 3 多任务操作系统发展阶段从60年代中期开始 计算机系统进入了第3代发展时期 以集成电路为中心的硬件设计与制造工艺不断提高 一大批功能完善 集成度高的微处理器涌入市场 由于其价格便宜 因而被广泛引入到输入输出接口设备 终端及外部设备的设计中 所以 这一时期的计算机除了CPU的运行速度加快 内存容量大大增加之外 还出现了中断装置 输入输出通道 大容量的外存储器 磁盘等 多任务操作系统发展阶段要使多道程序共享计算机硬件 要解决的问题 1 内存空间的共享和内存空间扩充问题 2 处理机交替使用的问题 也就是CPU的控制权转移问题 3 共享设备的管理问题 多任务操作系统发展阶段 出现的新技术 虚拟化 技术 比如 虚拟机 VirtualMachine 虚拟存储器 VirtualStorage 和虚拟设备 VirtualUnits 等 此外 在输入输出方面 操作系统提供了 Spooling 又称 假脱机输入输出 技术 使系统的输入输出得到改善 这一时期具有代表性的操作系统有 六十年代初期运行的美国MIT计划项目MULTICS分时系统 IBM的OS 360系统 UNIVAC的EXEC系统 FACOM的MONITORV系统 以及Bell实验室于七十年代初推出的UNIX系统等 4 规范化和微型化发展阶段规范化20世纪60 70年代是操作系统大发展的时期 无论是规模上还是结构上 操作系统都是非常庞大的 系统从研制到交付使用需要花费很大的时间和财力 更有甚者 当使用一段时间后发现某些隐患时 修改系统的代价将十分高昂 这些问题引起人们的极大关注 并称为软件危机 由此 导致了软件工程的研究 让软件研制过程纳入工程管理的思想 比如 采用工程的组织与管理模式 软件构造采取结构化设计方法 注重软件的存档和维护 规范程序接口标准等 当时 UNIX成为贯彻这些思想的典型代表 4 规范化和微型化发展阶段微型化较为典型的有单用户单任务的微型操作系统 诸如CP M和较低版本的磁盘操作系统DOS 单用户 多任务的Windows 以及支持多用户 多任务的UNIX等 网络化随着通讯技术的进步 加上通讯软件的支持 将多个独立的计算机系统连接成计算机网络成为可能 操作系统随之得到进一步发展 于是出现了以信息通信为基础 将分布在不同地域上的多台计算机连接成网的 网络操作系统 如 WindowsNT 5 并行与分布式系统发展阶段进入20世纪90年代以来 出现了一种多处理机系统管理的 分布式操作系统 DistributedOperatingSystem 它既适合于以网络为平台的松耦合多机系统 也适合共享存储器的紧耦合多机系统 该系统支持多台处理机相互协作 共同完成一个大任务 它的主要职责是 将一个计算任务分解为若干子任务 然后将这些子任务分布到多台计算机上并行运算 当各计算机处理完成后 把各子任务的解再合成起来形成一个最终解 分布式操作系统除了需要解决任务分布之外 还要处理任务通信问题 其主要目的是通过多台计算机的并行运算提高系统处理大任务的能力 1 2系统管理方式 批处理方式单道批处理多道批处理分时处理方式实时处理方式 1 2 1单道批处理方式 单道批处理是早期的一种计算机管理方式 它的管理可以简单地描述为 一次运行一个作业 不间断地运行 直到一批作业全部运行结束为止 单道批处理的特点成批装入 单道处理从系统效率上看 单道批处理系统比人工操作提高了很多缺点由于CPU的运算速度与外部设备的输入输出速度差距很大 CPU仍需要花费大量时间等待低速外部设备的输入输出 浪费仍然是很大的 1 2 2多道批处理方式 多道批处理是为了提高CPU的利用率而设计的一种管理方式 它是单道批处理方式的一种改进形式 它允许多道作业同时进入内存 共同使用CPU进行运算 这里突出了一种全新的设计思想 多道程序设计的思想 即允许多个作业按交替方式或者并行方式运行 通常 将采用这种方式运行的程序称作 并发 程序 并发 Concurrent 程序 是既可以并行运行 也可以交替运行的程序 在单处理机的系统中 它们的运行只能是交替地进行 但是从宏观上看 它们的运行是并行的 只有在多处理机系统中 这些并发程序才能够真正并行地运行 多道批处理方式 单道与多道的运行情况比较 多道批处理方式 特点 多道 系统在内存中存放多个作业 并且在外存上还保存大量的后备作业 成批 系统按批次调度作业 而在系统运行过程中不允许用户和机器之间发生交互作用 批处理系统的主要优点 系统资源利用率高 系统吞吐量大明显缺点 用户作业的等待时间长 没有交互能力 1 2 3分时处理 分时处理 timeshare 又称会话型处理 是在多道程序设计基础上发展起来的一种处理方式 它把时间分隔技术应用到CPU的调度上 形成了一种新的操作系统 分时 指的是若干并发程序对CPU的使用是划分时段的 即 将多道用户程序装入内存 让它们轮流在CPU上运行 每一道程序使用CPU的时间长度都有限制 不能超过一个固定的时段 称为时间片 任何程序如果在分给的时间片内未能处理完时 应当放弃CPU 等到下一次分得CPU时再继续处理 一个典型的例子是一机多终端的实验管理系统 如图所示 1 2 3分时处理 基本特征 同时性 交互性 独立性 及时性主要优点 人机交互友好 应用方便 资源共享 1 2 4实时处理 实时处理突出了系统处理的即时性或响应性 它通常能对随机发生的事件进行随时处理 并立即送回处理结果 其响应时间绝对满足对象系统的业务要求 我们来看一个实时处理系统在飞机导航系统中应用的例子 比如飞机由A地出发向B地飞行 航线是连接A B之间的直线 计算机周期性地从设在飞机上的多卜勒导航雷达那里获得飞机的对地速度Vg和偏流角 从空速仪那里获得飞机相对于气流的速度V 从航向陀螺那里获得飞机的航向角 由此计算出飞机的位置 方向偏差及应取方向送给自动驾驶仪 自动驾驶仪操纵飞机偏转 在空气动力作用下改变飞行姿态 进入正常航线 如图1 7所示 实时处理 重要特征 对时间有严格限制和要求三种典型应用形式 过程控制系统 信息查询系统 事务处理系统实现方式 硬式实时系统对时间严格约束 软式实时系统对时间限制稍弱一些 1 4操作系统的组成 图1 8是用户与操作系统及计算机硬件的层次关系图 1 4 1作业管理 作业管理的主要任务有 提供用户的使用接口 进行作业执行前的各种准备和作业结束的清理工作 以及为确保作业运行 为它们申请所必要的各种资源等 1 4 2进程管理在单道系统中 处理机被一个作业所独占 其分配和使用不发生资源竞争 管理比较简单 但在多道系统中 要组织多个作业同时运行 不可避免地会产生对处理机的竞争 处理机管理就是要解决处理机的合理使用问题 1 4 3存储管理存贮器分为内存和外存 因为多道程序运行时所竞争的存储资源是内存 所以这里所说的存储管理仅仅是对内存而言的 主要包括 用某种数据结构记录内存的使用情况 按照一定的策略对内存储器进行分配 实现内存保护和容量扩充等 操作系统对存储器的管理有多种方式 如分区式 分页式 分段式等 1 4 4设备管理该部分管理各类外围设备 根据一定的分配策略 将设备分配给某一应用程序 并在适当时候将设备收回 以备分配给其它应用程序 另外 设备管理还包括输入输出程序Spooling 设备驱动程序及中断处理程序等 通常 外部设备的处理速度远远低于CPU 如何避免主机时间的浪费 尽可能地发挥外设和主机的并行工作能力 是设备管理中必须考虑的问题 1 4 5文件管理文件是计算机的软件资源 程序和数据都是以文件的形式存储在外存设备上的 文件管理功能主要包括外存空间的管理与回收 对文件进行存取 检索 更新 及有效地实现文件共享 1 4 6操作系统内核上面讲的 多道程序设计 技术 最初是针对多道用户程序的 后来 这一技术很快被应用于操作系统本身的设计中 一个通用操作系统应当分为两部分 基本部分和常规部分 其中 基本部分是操作系统的核心 又称作 内核 而常规部分是操作系统的核外部分 是内核的用户 常规部分通常以 进程 的形式与应用进程并发运行 为了将它们与应用进程相区别 通常称它们为 系统进程 时钟管理中断机制原语系统控制 1 5通用操作系统 通常 将操作系统分为两大类 通用操作系统专用操作系统通用操作系统具有较齐全的功能 是多处理方式的结合 目前大部分商业化的操作系统都是通用操作系统 近年来 嵌入式系统如雨后春笋般地快速发展起来 嵌入式系统是一种专用的微机应用系统 其处理方式单一 通过 量体裁衣 式的设计 将通用操作系统中的相关部分摘取出来 形成一种专用的操作系统 嵌入式系统不属于本书的讨论范围 感兴趣的读者可参考相关的教科书 1 5 1操作系统的基本特征 并发性 Concurrency 共享性 Sharing 不确定性 Nondeterminate 虚拟性 Virtual 1 5 2用户程序运行过程 下图是一个作业运