计算机操作系统ppt课件.ppt

1 操作系统原理PrincipleofOperatingSystem 2 课程类型 必修学时安排 64学时56学时授课8学时上机学分 3 5学分考试形式 闭卷考试成绩 卷面成绩70 平时成绩30 实验10 作业10 考勤10 课程安排 3 教材 计算机操作系统 第四版 汤小丹等编著2014年版西安电子科技大学出版社参考书目 1 计算机操作系统 学习指导与题解 第二版 梁红兵 汤小丹西安电子科技大学出版社 4 课程内容第一章 操作系统引论第二章 进程的描述与控制第三章 处理机死锁与调度第四章 存储器管理 内存管理 第五章 虚拟存储器 内存管理 第六章 输入输出系统 设备管理 第七章 文件管理第八章 磁盘存储器的管理第九章 操作系统接口 5 第一章操作系统引论 第一节操作系统的目标和作用第二节操作系统的发展过程第三节操作系统的基本特征第四节操作系统的主要功能第五节操作系统的结构设计 6 第一节操作系统的目标和作用 什么是操作系统操作系统的目标操作系统的作用推动操作系统发展的主要动力 7 什么是操作系统 1 回顾 计算机系统 2 对操作系统的描述 3 操作系统的定义 8 计算机系统 硬件 裸机 中央处理机 CPU 内存 外存 外部设备 软件 应用软件 为多种应用而编制的程序 如 办公自动化软件 财务管理软件 即时通信软件等 系统软件 操作系统 DOS WINDOWS UNIX LINUX 语言处理系统 命令解释器 窗口系统 编译 汇编程序 常用的例行程序 库连接程序 诊断排错程序 9 10 2 对操作系统的描述 是配置在计算机硬件上的第一层软件 是对硬件系统的首次扩充 用户 应用程序 与计算机硬件之间的接口 11 3 操作系统的定义 操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源 合理的对各类作业进行调度 以及方便用户使用的程序集合 操作系统是系统软硬资源的管理控制中心 它以尽量合理有效的方法组织多个用户 进程 共享计算机的各种资源并提供使用接口 本书定义 其他 12 1 1 1 操作系统的目标 OS的目标方便性 使计算机易学易用有效性 提高系统资源的利用率和吞吐量可扩充性 能适应硬件的发展 容易升级开放性 遵循世界标准规范所开发的软硬件 彼此兼容 方便互联 使应用程序具有可移植性和互操作性 13 1 1 2 操作系统的作用 1 OS作为用户与计算机硬件之间的接口 2 OS作为计算机四类资源的管理者 3 OS实现了对计算机资源的抽象 虚机器 14 1 OS作为用户与计算机硬件之间的接口 软件接口 给用户提供3种方式 15 2 OS作为计算机系统四类资源的管理者 处理机管理对处理机进行分配 进程管理和调度 存储器管理对内存进行分配 回收 I O设备管理负责I O设备的分配 回收 操控 如启动设备 文件管理文件的存取 共享 保护 16 3 OS实现了对计算机资源的抽象裸机 完全无软件的计算机系统扩充机器 覆盖了软件的机器 也称虚机器 17 1 1 3 推动操作系统发展的主要动力 1 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 5 不断提出新的应用需求 18 第二节操作系统的发展过程 1 2 1未配置操作系统的计算机系统1 2 2单道批处理系统1 2 3多道批处理系统1 2 4分时系统1 2 5实时系统1 2 6微机操作系统的发展 19 1945 ENIAC电子数字积分计算机 1945 50年代中期 1 2 1 为配置操作系统的计算机系统 20 人工操作方式 1945 50年代中期 1 工作方式 21 早期 纸带穿孔卡 机器语言 0000 0000 000000000001代表LOADA 10001 0001 000000001000代表STOREB 16 22 2 特点 用户独占全机 CPU等待人工操作 串行性 联机输入输出方式 输入输出都由主机控制 3 问题 人机矛盾 CPU和I O设备间不匹配 23 脱机输入输出 Off LineI O 方式关键设备 外围机 磁带优点 减少CPU的空闲时间 提高I O速度 24 脱机I O示意图 25 1 2 2 单道批处理系统 1 50年代中期出现第二代晶体管计算机2 过程 在监督程序 Monitor OS的雏形 的控制下 把一批作业脱机输入到磁带上 使这批作业能一个接一个的连续得到处理 26 磁带 内存 Monitor Job1 CPU 27 2 定义 系统对作业的处理是成批进行的 且在内存中始终只保持一道作业 故称为单道批处理系统 3 特征 1 自动性无人工干预 2 顺序性按进入内存的先后执行 3 单道性内存中只保持一道作业 28 单道程序的工作情况 29 1 2 3多道批处理系统 1 多道 内存中同时存在多个相互独立程序 多道技术是共享的基础 60年代中期 磁带 内存 OS Job1 CPU Job2 30 t1 t2 t3 t4 t5 程序A 计算 输入 计算 输出 程序B 计算 输入 计算 输出 31 2 多道批处理系统的特征 1 多道性 内存中有多道程序 可并发执行 2 无序性 完成时间与进入内存先后无关 3 调度性 作业从提交到完成经两次调度 作业调度 外存 内存 选多个 进程调度 分配处理机 选1个 32 问 多道程序需要什么技术作为支持 必须有中断和通道技术支持 通道是一种控制一台或多台外设的硬件机构 能做到输入输出操作与CPU并行工作 中断是输入输出结束时 向CPU发出中断信号 CPU响应中断请求 处理完后继续原来工作 33 3 优点 1 资源利用率高 2 系统吞吐量大原因 1 资源忙 2 完成或运行不下去时才切换缺点 1 无交互能力 修改和调试极不方便 2 作业平均周转时间较长 34 操作系统的定义 操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源 合理的对各类作业进行调度 以及方便用户使用的程序集合 多道批处理系统需要解决的问题 1 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 35 1 2 4分时系统 1 分时系统的引入 1 人机交互能力的需求 边运行边调试 2 共享主机 设备昂贵 3 方便用户上机 在终端上输入 控制 2 定义 一台主机上连接了多个终端 显示器和键盘 组成的系统 同时允许多个用户通过自己的终端 以交互方式使用计算机 共享主机中的资源 36 3 分时系统实现中的关键问题及时接收 多路卡 多个I O端口 及时处理 作业直接进内存时间片轮转 分时技术 37 5 分时系统的特征 1 多路性即同时性 宏观上同时 微观上轮流 2 独占性每个用户感觉独占主机 3 及时性较短时间响应 1 3秒 4 交互性 4 分时技术 把处理机时间划分成很短的时间片 如30毫秒 轮流地分配给各个联机作业使用 如果未完成 则中断 等待下一轮继续计算 38 FernandoJ Corbato 费尔南多 考巴脱 分时操作系统CTSS和Multics系统的领导者 Corbato是第一个分时操作系统CTSS和Multics系统的领导者 其贡献直接导致和影响了后来的UNIX操作系统的诞生 1990年被授予图灵奖 MITCTSS CompatibleTime SharingSystem 是第一个分时系统 CTSS是在1961年完成开发的 CTSS的后续项目就是著名的Multics项目 Multics项目直接导致和影响了KenThompson和DennisRitchie 他俩是1983年图灵奖得主 开发了UNIX操作系统 39 1 2 5实时系统 1 实时 及时响应外部事件请求 在规定的时间完成对该事件的处理 控制所有实时任务协调一致运行 2 最主要的特征 将时间作为关键参数3 应用需求 1 工业武器控制系统 生产过程控制 作战指挥 2 信息查询系统 订购机票 情报检索 3 多媒体系统 数字电影播放 音频视频文字 4 嵌入式系统 40 1 2 5实时系统 4 实时系统的特点 多路性 独占性 及时性 交互性 可靠性5 实时任务的类型 周期性实时任务 非周期性实时任务开始截至时间 完成截至时间硬实时任务 软实时任务硬实时任务 系统必须满足任务对截至时间的要求软实时任务 对截至时间的要求不太严格 41 4 几种操作系统的比较 42 批处理 分时系统 实时系统是三种基本的操作系统 OS的进一步发展 微机OS 嵌入式OS 网络OS 分布式OS 移动OS 智能化OS 43 1 2 6 微机操作系统的发展 单用户单任务OS1 CP M2 MS DOS单用户多任务OSWindows多用户多任务OSSolaris Linux UNIX 44 CP M操作系统界面 CP M系统由DigitalResearch公司 1991年被Novell兼并 在1974年开发 在70年代 它成为被广泛应用的操作系统 通过它的命令行选项 人们开始了解操作系统 微软20年后推出的DOS系统便是在它的基础上开发的 45 MS DOS界面 DOS又称磁盘操作系统 DOS命令行模式足足统治了系统市场15年 1981到1995 若是把部分以DOS为基础的微软Windows版本 如Windows95 98和Me等都算进去的话 那么其商业寿命可以算到2000年 46 Windows95操作系统界面 Windows95是微软1995年推出的操作系统 它第一次抛弃了对16位x86的支持 同时 Windows95首次加入了开始菜单和任务栏两项功能对于微软而言 Windows95具有划时代的意义 Windows95以强大的攻势进行发布 包括了商业性质的滚石乐队的歌曲 StartMeUp 很多没有电脑的顾客受到宣传的影响而排队购买软件 但他们甚至根本不知道Windows95是什么 47 48 49 Linux操作系统的构成 内核 kernel 外壳 Shell X Window 应用程序 文件系统 50 Linux操作系统的发展 Linux的原型 Minix Minix的名称取自英语MiniUNIX 约300MB AndrewS Tanenbaum全部的程序码共约12 000行全套Minix除了启动的部分以汇编语言编写以外 其他大部份都是纯粹用C语言编写 分为 内核 内存管理及档案管理三部分 AndrewS Tanenbaum 51 Linux的诞生 Minix最有名的学生用户是LinusTorvalds 他在芬兰的赫尔辛基大学用Minix操作平台建立了一个新的操作系统的内核 他把它叫做Linux1990年秋天 Linus开发了第一个程序 包括两个进程 向屏幕上写字母A和B 定时器切换 此外 从modem上接发信息的程序以及显示器 键盘 modem的驱动程序 文件系统有了进程切换 文件系统 驱动程序 OS原型出现了 52 Linux内核的发展1991年10月 芬兰赫尔辛基大学的学生LinusTorvalds为改进MINIX操作系统开发了一种类似Unix的操作系统 叫linux 最初发布的版本是0 02版1994年 发布正式的1 0版本 linux开始成为一个比较完善的操作系统 并逐渐为世人所知一些软件公司相继开发出自己的linux系统 如RedHatlinux RedFlaglinux等大量的软件专家和linux爱好者不断地提高和改进linux内核功能应用软件厂商开发出大量基于Linux的应用软件目前最新内核稳定版本是2 6 x 如2 6 29 53 LinusTorvalds Linux创始人 今天 许多基于LinusTorvalds 李纳斯 托沃兹 开发的Linux内核的GNU系统的变种被广泛使用 据估计现今由一千万的用户在使用GNU Linux系统 Linux已经得到了IBM HP Compaq Sun SGI Dell Oracle Informix SAP Sybase CA Intel SCO等除微软之外的几乎所有计算机大公司的支持 一台邮件服务器成年累月运行 却从不需要重新启动 一台网络服务器面对海量访问 却从不崩溃 一个操作系统还带源代码 可以自由地无限制地修改 这一切 听起来可望不可及 但实际上 数以千百计的公司真的找到了实现了网络零故障的秘诀 而且它不是Windows 而是Linux 54 UNIX的诞生 1965年Multics项目启动 MIT 贝尔实验室 通用电气公司参与 1969年贝尔实验室退出 Dennis与KenThompson在PDP 7机上运行为Multics设计的 空间旅行 游戏 开发了浮点运算软件包 显示驱动 文件系统 实用程序 shell 汇编程序1970年Unix诞生 Dennis用C重写 Dennis KenThompson 55 Dennis于1967年加入贝尔实验室 加入贝尔实验室不久 Dennis参与了Multics项目 Multics项目为后来UNIX的产生打下了许多技术基础 Dennis除了与KenThompson发明与实现了UNIX操作系统之外 还是著名C语言的发明人 C语言来源于Thompson实现的B语言 C语言发明后 UNIX被用C来重写 从而使得UNIX的可移植性极大的提高 1983年DennisRitchie和KenThompson一同被授予图灵奖 DennisM Ritchie Unix之父 56 第三节操作系统的特征 并发 Concurrence 共享 Sharing 虚拟 Virtual 异步性 Asynchronism 57 1 并发 Concurrence 并行与并发 并行性 多个事件在同一时刻同时发生并发性 宏观上在同一时间段内同时运行微观上交替执行单处理机系统 宏观上并发 微观上交替执行 多处理机系统 可能有并行 58 2 共享 Sharing 共享 是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用 互斥共享方式互斥就是排他性临界资源 独占资源 在一段时间内只允许一个进程访问的资源 如打印机等硬件 栈 变量 表格等 同时访问方式宏观上在一段时间内允许多个进程 同时 访问某些资源微观上 轮流 交替访问 处理机 内存 磁盘 可重入代码 59 3 虚拟 Virtual 虚拟 是指通过某种技术把一个物理设备实体变为若干个逻辑上的对应物 虚拟对象类型 虚拟处理机技术虚拟设备技术虚拟存储器技术虚拟磁盘技术 60 4 异步性 Asynchronism 异步性 进程是以人们不可预知的速度向前推进的 导致的原因 多道环境的复杂性进程的动态性每个进程的运行过程是不可预测的 61 第四节操作系统的主要功能 从资源管理和用户接口两方面说明OS的功能 资源管理硬件资源 处理机 内存 外设 软件资源 信息 数据 用户接口 62 处理机管理对处理机进行分配 进程管理和调度存储器管理对内存进行分配 保护和扩充设备管理缓冲管理 设备分配 设备处理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 63 OS与用户之间的接口1 用户接口联机用户接口脱机用户接口图形用户接口2 程序接口应用程序与OS的接口 在应用程序中使用系统调用 命令接口 64 联机用户接口1 适用 几乎所有计算机的操作系统中 2 组成 命令 终端处理程序 命令解释程序3 过程 用户在键盘上输入命令 终端处理程序接收命令并显示在屏幕上 命令解释程序解释并执行该命令 4 联机命令举例 UNIX login logout DOS copy format 5 命令解释程序 操作系统的最高层MS DOS COMMAND COMUNIX Shell 65 脱机用户接口1 适用 批处理系统 2 组成 JCL 作业说明书 命令解释程序3 过程 用户把对作业的控制用JCL写在作业说明书上 命令解释程序按照作业说明书解释并执行 作业控制语言 66 程序接口1 目的 为用户程序访问系统资源而设置 2 组成 一组系统调用3 系统调用 一个系统调用是一个能完成特定功能的子程序 对截至时间的要求 67 1 4 6现代操作系统的心功能1 系统安全认证技术 密码技术 访问控制技术 反病毒技术2 网络的功能和服务网络通信 资源管理 应用互操作3 支持多媒体接纳控制功能 实时调度 多媒体文件的存储 68 第五节操作系统的结构设计 无结构OS模块化OS结构分层式OS结构C S模式及微内核OS结构 69 1 无结构OS 无结构OS设计重点 功能的实现和高效率缺点 缺乏清晰的程序结构错误多 难以维护 70 2 模块化OS结构 原理 功能分解 模块划分 71 优点 提高了设计的正确性 可维护性 增强了OS的可适应性 加速了OS的开发过程 缺点 对模块的划分不精确 易存在错误 未将资源加以区别 模块间存在着复杂的依赖关系 使OS结构不清 72 3 分层式OS结构 原理 从资源管理观点出发 划分层次 各层模块间只能是单向调用关系 使模块间的调用变为有序性 用户接口 命令 程序 图形 对对象操纵和管理的软件 各类操纵对象的管理软件 操纵对象 CPU RAM I OD Files 73 硬件 左图是荷兰科学家Dijkstra于1968年建造的第一个层次结构 SUEOS 层次的设置大致原则 74 分层结构的特点 优点 功能明确 调用关系清晰 高层对低层单向依赖 有利于保证设计和实现的正确性低层和高层可分别实现 便于扩充 高层错误不会影响到低层 避免递归调用缺点 各系统对具体划分多少层次有不同的看法 75 4 C S模式及微内核OS结构 2 客户 服务器模式的组成 1 客户机 2 服务器 3 网络系统3 客户 服务器之间的交互 1 客户发送请求消息 2 服务器接收消息 3 服务器回送消息 4 客户机接收消息 1 设计基础 把操作系统分成若干分别完成一组特定功能的服务进程 等待客户提出请求 而系统内核只实现操作系统的基本功能 如 虚拟存储 消息传递 76 微内核 micro kernel 解释一 把操作系统结构中的内存管理 设备管理 文件系统等高级服务功能尽可能的从内核中分离出来 变成几个独立的非内核模块 内核中只保留少量最基本的功能 使内核简洁可靠 解释二 将更多操作系统功能放在核心之外 作为独立的服务进程运行 服务进程 或称作 保护子系统 客户进程 系统客户和应用客户 需支持多进程 77 微内核 C S模式 裸机 硬件 微内核 发起调用 送出请求消息 请求消息到达并进行处理 送出回答消息 整理回答消息 返回结果 本地过程调用 LPC LocalProcedureCall 一种进程之间请求 应答式的消息 Message 传递机制 消息 是一定格式的数据结构 78 优点 充分模块化 减少系统的内存需求 高可移植性缺点 各模块与微内核间通过通信机制交互 系统运行效率较低 Windows采用改进的微内核机制 79 WindowsServer2003体系结构图 80 处理机也具有两种状态 核心态 系统态 管态 OS的管理程序执行时处理机所处状态 用户态 用户程序执行时处理机所处状态 1 运行在核心态的内核它提供所有OS基本都具有的那些操作 如线程调度 虚拟存储 设备驱动 中断处理等 这部分通常采用层次结构并构成基本OS 2 运行在用户态的并以客户 服务器方式活动的进程层除内核外 OS所有其它部分被分成若干个相对独立的进程 每个进程实现一组服务 成为服务进程 服务器 81 补充 Linux内核结构 Linux采用单内核机制 单内核 也叫集中式操作系统 整个系统是一个大模块 可被分为几个逻辑模块 处理器管理 存储器管理 设备管理 文件管理等 模块间的交互式通过直接调用其他模块中的函数实现的 优点 内部调用效率很高缺点 牵一发而动全身 难于维护 82 Linux内核在整个系统中的位置 用户进程 83 第一章总结 操作系统定义 设计目标 3个作用 3种基本类型 操作系统的4个特征 84 本章作业 1 操作系统的作用是什么 2 早期监督程序 Monitor 的功能是什么 3 什么是作业控制语言 什么是系统调用 4 试述多道程序设计技术的基本思想 为什么采用多道程序设计技术可以提高资源利用率 5 什么是分时系统 其主要特征是什么 适用于哪些应用 85 补充 常用的操作系统 MSDOSMSWindows3 x Windows95 WindowsNT Windows2000UNIX 86 MSDOS 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 1987年 DOS3 3 提供对IBMPS 2的支持 如3 5 软驱 提供了更多的应用 1988年 DOS4 0 支持大于32M的硬盘 1991年 DOS5 0 改进对扩展内存的支持 IBMPC CPU8088 8086 BIOS单用户单任务 简单分层结构 16位 MSDOS的历史 87 MSDOS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 88 MSDOS的特点 字符用户界面 作业管理 命令行 批处理程序 BAT文件 菜单式 编程时通过软中断调用 int21h 来使用系统功能 不区分用户 准多任务 通过内存驻留程序TSR TerminatedandStayResident 来实现 通过时钟中断或键盘中断 热键hotkey 来激活其他任务 不支持虚拟存储 没有存储保护 采用段式分配 内存块 可直接访问的最大地址空间为1MB 其余的内存只能通过作为扩展内存 XMS 或扩充内存 EMS 来使用 XMS是段式分配 通过内存数据搬移来使用XMS区域EMS是页式分配 通过页面的映射来使用EMS区域或者用支持保护方式的编程工具文件系统为FAT FileAllocationTable 格式 磁盘卷 多级目录 文件名8 3个字符 分区容量最大为2GB 有文件属性 没有区分用户的访问权限保护 设备驱动程序在系统起动时加载 分为字符设备和块设备 89 MSWindows3 x Windows95 WindowsNT Windows2000 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 CPU80386