《操作系统概论》PPT课件.ppt

操作系统 1 操作系统 主讲人 xxx 操作系统 2 第1章操作系统概论 本章学习目标本章主要讲解操作系统的基本知识 通过本章学习 我们应该掌握以下内容 操作系统的功能和地位操作系统的发展过程 分类 操作系统的特征操作系统的结构 操作系统 3 1 1计算机系统 1 1 1硬件与软件一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成 计算机硬件是各种物理设备的总称 是完成工作任务的物质基础 如图1 1所示 操作系统 4 图1 1计算机硬件的组成 操作系统 5 计算机软件计算机软件是指程序和与程序相关的文档的集合 按功能划分 软件可分为系统软件和应用软件 软件通过对硬件基本功能的控制与组合实现人们所需的高级功能 如学习 游戏 娱乐 办公等 人们在高层通过软件来使用计算机系统完成各种功能 软件是计算机系统的灵魂 操作系统 6 1 1 2操作系统的形成通常 把未配置任何软件的计算机称为 裸机 第一代计算机 1946 1958 电子管计算机 无操作系统 操作系统 7 电子体管计算机使用方式 全手工方式 程序首先从纸带或卡片输入机上装入输入机然后输入机把程序和数据输入计算机存储器 用户利用控制台开关启动程序开始执行 计算结束 用户取走打印结果 特点 使用计算的全过程需要人工装卸纸带 人工控制运行 手工操作时间长 计算机运行时间所占比例较小 资源利用率很低 操作系统 8 第二代计算机 晶体管计算机 1958 1964年 特点 仍然没有操作系统 由于计算机的运算速度不断提高 因此加剧了 人 机矛盾 严重制约了计算机系统的工作效率 改进办法 减少手工操作 让计算机自动控制用户作业的启动 运行 废除上 下机手工交接 具体实现 让计算系统一次集中处理一批用户作业 故被称为 批处理系统 其管理程序就是现今操作系统的雏形 如图1 2所示 操作系统 9 图1 2批处理系统示意图 操作系统 10 第三代计算机 集成电路和大规模集成电路 1964年以后 人们开始把CPU 存储器 外部设备以及各种软件都视为计算机系统的 资源 在软件设计上提出了 多道程序设计 的技术 在计算机内存中同时存放几个相互独立的程序 让它们去 共享 去 竞争 系统中的这些资源 具有这种功能的软件就是 操作系统 操作系统 11 1 1 3操作系统的基本观点操作系统是在裸机上加载的第一层软件 是对计算机硬件系统功能的首次扩充 它直接控制 管理各种硬件资源 操作系统为用户提供作业控制接口 使用户能够通过终端输入一定命令来控制作业流程 操作系统为应用开发人员提供系统功能调用 提高应用开发效率 统一管理系统资源 使并发进程能够按照一定原则合理共享系统资源 提高资源利用率 操作系统 12 1 1 3操作系统的观点操作系统为用户提供了一台功能经过扩展了的机器或 虚拟机 因为现实生活中并不存在具有这种功能的真实机器 它只是用户的一种感觉而已 如图1 3操作系统提供了一台虚拟机 操作系统 13 图1 3操作系统提供了一台虚拟机 操作系统 14 1 1 4OperatingSystem OS定义操作系统 是计算机系统中的核心系统软件 负责管理和控制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和有效利用资源 在计算机与用户之间起接口的作用 以方便用户使用计算机的大型系统程序 操作系统 15 1 1 5操作系统地位计算机系统是分层次的 最低层是未配置任何软件的硬件裸机 硬件之上是软件 软件又分为若干层次 最低层是操作系统 操作系统是覆盖在裸机之上的第一层软件 它直接控制 管理各种硬件资源 所以操作系统是整个计算机系统的控制管理中心 操作系统 16 图1 4操作系统与软件硬件之间的关系 操作系统 17 裸机 操作系统 系统工具 应用软件 应用用户 应用开发人员 操作系统开发人员 计算机系统 图1 5计算机系统层次结构 操作系统 18 1 2操作系统的功能 操作系统的目的 方便用户使用计算机系统提高计算机系统资源利用率操作系统的功能可以从三个方面来考虑资源管理 管理计算机系统的软硬件资源虚拟计算实现 实现计算机软件方面的功能提供人机接口 用户通过人机接口来使用计算机 操作系统 19 处理机管理存储管理设备管理文件管理作业管理 1 2 1从资源管理的角度来理解操作系统的功能 操作系统 20 多用户 计算机系统中有多个用户同时联机使用 多任务 同一用户可能同时运行多道程序和多个任务 如我们在进行数据处理的同时可以上网聊天 听音乐 并发执行 由于有多道程序处于运行状态 使得计算机资源不是由一个程序在运行时独占使用 而是由多个并发运行的程序共享使用 现代计算机系统面临的系统环境 操作系统 21 由于多用户 多任务 并发执行使得资源管理与分配与程序能否正确执行以及系统资源利用率紧密相关 因此 操作系统的目标之一就是统一管理分配计算机系统资源 在保证并发执行的应用程序顺利运行的前提下提高资源利用率 多用户 多任务 并发执行带来的问题 操作系统 22 一 管理计算机资源 1 2 1 1处理机管理处理机的任务是运行的程序 程序在某个数据对象上的一次运行过程称为进程 所以处理机管理又叫进程管理 单处理机系统中的程序运行方式 单道程序顺序执行多道程序并发运行 操作系统 23 单处理机系统 单道程序顺序执行 要执行的多道程序顺序依次执行 一个程序运行完毕才能运行下一个程序 即在一个程序运行期间不插入运行其他程序 优点 实现简单 不需要在多个进程之间进行转换 缺点 资源利用率低 因为在系统运行的整个过程中 始终是一道程序独占系统全部资源 一般一道程序不会同时进行计算和输入输出操作 使得处理机与外部设备不能并行工作 操作系统 24 单处理机系统 多道程序并发执行 在内存中同时存放多道程序 按一定调度策略多道程序交叉运行 形成 微观上串行 宏观上并行 的情况 使得处理机和外部设备可以并行工作 优点 1 多道程序并发执行资源利用率高 2 多道程序可以提供多个用户同时联机操作 一台主机可以同时连接若干用户终端 同时若干用户可以分别通过自己的终端使用主机 操作系统 25 单处理机系统中多道程序并发执行的处理机管理 处理机调度 单处理机系统中并发运行多道程序 必须按照一定策略对处理机进行调度 决定在某个时刻把处理机分配给哪个进程进行计算操作 这是处理机管理的核心任务 进程控制 操作系统提供了一些原语对进程状态的转换进行控制 原语在运行过程中不可中断 进程通信 操作系统提供了一系列的通信原语供应用程序调用 进程同步 操作系统采取一定的策略来处理并发进程之间的制约关系 即进程同步协调运行 操作系统 26 1 2 1 2存储器管理 计算机系统采用了冯 诺依曼提出的存储程序原理 即把要运行的程序先一次性存放在存储器中 然后由处理机自动从存储器中依次取出程序指令运行 处理机的运行过程就是不断地取指令 执行指令循环往复的过程 每次取一条指令 执行一条指令 存储器是计算机系统中的重要资源 与处理机称为计算机系统中的主机多道程序环境中 要在内存中同时存放多道程序 必须对内存进行合理的管理 以保证程序顺利运行 并提高内存的利用率 约翰 冯 诺依曼 JohnVonNouma 1903 1957 美藉匈牙利人 20世纪最杰出的数学家之一 计算机之父 博弈论之父 犹太人 与同为犹太人的哈耶克一样 是上世纪最伟大的全才之一 操作系统 27 存储管理功能 1 内存分配 内存分配的任务是为每道程序分配一定的存储空间 在内存分配过程中会出现内存需求总和超过实际内存空间 因此 制定分配策略时应以提高内存利用率为目标 2 地址转换 编写程序时使用的是逻辑地址空间 程序调入内存运行时使用的是物理地址空间 为了确保能正确访问数据和指令 必须在程序装入内存时把逻辑地址转换成物理地址 这一操作称为地址转换 也称重定位 操作系统 28 3 内存保护 内存保护的任务是确保每道程序都在自己的内存空间中运行 互不干扰 即不允许访问 存取 其他程序的存储空间 用户程序访问操作系统只能通过系统调用才能实现 操作系统提供的内存保护机制 当进程访问内存越界时能及时发现并进行处理 4 内存扩充 采用扩充技术为多道程序提供充足的内存空间 物理上并不增加内存 逻辑上扩充内存 扩充内存方法 1 进程整体交换 2 部分装入内存 边装入边运行 存储管理功能 操作系统 29 1 2 1 3设备管理 设备管理的任务是 接受用户程序提出的I O请求 为用户程序分配I O设备使CPU和I O设备并行操作 提高CPU和I O设备的利用率提高I O速度方便用户程序使用I O设备完成以上任务操作系统应具备 设备分配 缓冲管理 设备驱动 设备无关性等功能 操作系统 30 1 设备分配 根据用户程序的I O请求 分配所需设备 2 缓冲管理 主要是因为进程数据存储区与I O设备控制器之间直接传输数据速度不匹配与效率很低的问题 缓冲管理的任务是解决CPU和外设速度不匹配的矛盾 使他们能够充分并行工作 从而提高CPU和I O设备的利用率 最提高系统吞吐量 3 设备驱动 设备驱动程序实现CPU与设备控制器之间的通信 设备管理 操作系统 31 4 设备无关性 设备无关性又称设备独立性 即用户编写的应用程序与实际使用的物理设备无关 用户编写的应用程序中不直接指定使用哪台具体的物理设备 而是使用操作系统提供的逻辑设备 然后由操作系统把用户程序中使用的逻辑设备映射到具体的物理设备 实施具体的I O操作 优点 是用户应用进程的运行与某台具体物理设备的状态无关 而由操作系统为其分配一台合适的设备完成I O操作 这样会避免出现有设备可用但进程却无法运行的情况 设备管理 操作系统 32 1 2 1 4文件管理 操作系统中引入文件管理的动因 由于计算机中的程序和数据需要长期保存和反复使用 促成了文件管理的发展 例如 银行中的存贷款数据 学校的学籍管理软件 学籍数据等 操作系统等软件资源也都需要以文件的形式存放在外部存储介质中 供用户反复使用 操作系统 33 文件系统 操作系统中对文件进行管理的子系统称为文件系统 任务 为用户提供一种简便的 统一的存取和管理文件的方法 对用户而言 按名存取是一种简便的存取文件的手段实现文件的共享维护文件的秘密和安全 文件的存取控制 1 2 1 4文件管理 操作系统 34 文件管理功能 1 文件存储空间的管理 为新文件分配所需的外部存储空间 回收释放的文件存储空间 分配与回收时应该考虑到提高外存空间的利用率以及文件存取速度 2 目录管理 为方便在外存中找到所需文件 应该在外存中建立目录 每一个文件对应一个目录项 任务 建立外存中文件的目录结构 实现用户程序对文件的 按名存取 3 文件操作 如 创建 删除 打开 关闭等 4 文件的存取权限控制 为防止文件被非授权使用 操作系统提供了文件存取权限控制 操作系统 35 1 2 2提供人机接口 用户是通过操作系统提供的人机接口来使用计算 操作系统为用户提供了两种接口 作业控制级接口程序级接口1 2 2 1作业控制级接口作业是用户在机器上所作的一系列相关的工作 一道作业由若干顺序相关的作业步构成 操作系统 36 作业步骤 编辑 编译 连接 运行作业步骤之间的关系 1 每个作业步运行的结果是产生下一个作业步所需的文件 2 一个作业步能否开始执行依赖于前一个作业步是否顺利完成 3 各作业步之间的关系不一定是单向的 而可以从当前作业返回上一作业步 用户作业实例 TurboC编程实例 操作系统 37 编辑 编译 连接 运行 源程序 目标程序 可执行程序 图1 5作业示例 操作系统 38 主要是指操作系统应该向用户提供作业工作流程控制的手段 作业级接口的构成 命令和命令解释器 例如 在DOS系统中有内部命令 外部命令 命令解释器 作业控制级接口分为 联机用户接口和脱机用户接口 什么是作业控制级接口 操作系统 39 1 联机用户接口由一组键盘字符命令 或鼠标命令 和命令解释器组成 使用户可以联机交互方式使用计算机 用户每次键入一个合法命令 解释器能执行的命令 启动一个作业步 一个作业步运行完毕后 再键入下一个命令名 启动下一个作业步 在一个作业步结束后 若发现错误 可以由用户修正错误 然后重新启动该作业步 用户可根据作业运行情况随时进行作业步的调整 操作系统 40 联机用户接口 键盘字符命令接口和图形接口 A 键盘命令 要求用户能熟记命令名字和格式 并严格按照规定的格式输入命令 B 图形接口 采用图形化的操作界面 GUI 常见操作系统有 IBM公司OS 2 Apple公司的Macintosh Microsoft公司的Windows 操作系统 41 2 脱机用户接口操作命令的形式为作业控制语言 用户以脱机批处理方式使用计算机 用户对作业流程的控制意图是利用作业控制语言书写成一份作业说明书来表达的 用户将作业控制说明书交给系统 系统逐条解释执行说明书中的命令 用户一旦提交了作业 作业流程就由操作系统根据作业控制说明书自动控制 用户无法干预该作业的运行 用户必须事先设计好作业流程 还要预测作业运行过程中可能出现的错误 并给出发生错误时的处理方法 操作系统 42 联机用户接口与脱机用户接口比较联机用户接口可以灵活方便地控制作业流程 及时处理作业运行过程中出现的错误 系统运行效率比较低 作业运行过程中作业步衔接依靠人工干预控制 操作速度比较慢 脱机用户接口使作业自动运行 没有人工干预 提高高了系统运行效率 缺点是用户不能灵活地控制作业流程 操作系统 43 1 2 2 2程序级接口操作系统提供的程序级接口由一组系统功能调用命令以及完成这些命令的程序模块组成 例如 DOS系统的功能调用 INT21HWindows系统的API ApplicationProgrammingInterface 操作系统 44 1 3操作系统的发展过程1 3 1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的需要 发展初期 计算机系统特别昂贵 人们迫切需要提高计算机系统中的资源利用率 2 方便用户 提供友好的界面 提供丰富实用的系统功能调用 提供人机交互操作方式 操作系统 45 1 3 1推动操作系统发展的主要动力 3 计算机硬件不断更新换代 操作系统是基于硬件系统的 直接对硬件进行管理和控制 所以计算机系统硬件的发展必然推动系统的发展 4 计算体系结构不断发展硬件体系结构的发展必然推动操作系统的发展 例如 单处理机系统发展为多处理机系统时 操作系统由单处理机系统发展为多处理机系统 有计算网络 就有网络操作系统 操作系统 46 1 3 2单道批处理系统 操作系统 47 1 3 2单道批处理系统 单道批处理系统也称监督程序 是操作系统的雏形 监督程序常驻内存 在它的控制下 实现了作业的自动过渡 从而减少了手工操作 这一时期出现了汇编语言 高级语言编程工具 每一种语言编译程序 如汇编语言或某种高级语言的编译程序 实用程序 如连接程序 都作为监督程序的子例程 当需要用到它们时由监督程序进行调用 操作系统 48 1 3 2单道批处理系统 批处理系统分类 单道批处理和多道批处理1 3 2 1联机批处理 P10 图示 操作员把一批作业装到输入设备上 纸带输入机 卡片阅读机 然后由监督程序控制把这批作业输入到磁带上 然后在监督程序的控制下 使这批作业一个接一个的连续执行 直至磁带上的所有作业运行完毕 特点 作业从输入机到磁带 从磁带调入内存 输出打印结果 都是在中央处理机直接控制下完成 缺点 CUP参与输入输出 CPU与I O设备不能并行运行 处理机利用率比较低 操作系统 49 1 3 2单道批处理系统 图1 6脱机批处理 1 3 2 2脱机批处理 操作系统 50 1 3 2 2脱机批处理 脱机批处理系统构成 主机和卫星机卫星机也称外围处理机 不与主机直接连接 只与外部设备打交道 脱机批处理工作方式 卫星机把纸带 卡片上的作业输入到磁带上 当主机需要执行作业时把输入带连接到主机上 主机从输入带上把作业调入内存执行 作业完成后主机把计算结果送到输出磁带上 然后由卫星机负责把输出磁带上的数据输出打印 操作系统 51 1 3 2 2脱机批处理 脱机批处理优点 主机不直接对慢速设备 纸带 卡片输入机 打印机 进行控制 可以用更多的时间进行有效的计算工作 能更充分发挥高速计算能力 脱机批处理系统处理能力大大提高 资源利用率和系统吞吐量明显改善 操作系统 52 1 3 3多道批处理系统 1 3 3 1引入多道批处理的动因 在单道批处理系统中内存中只有一道作业 作业运行过程中 输入 输出和计算操作是串行工作 系统始终存在空闲资源 为了进一步提高资源利用率和系统的吞吐量 在20世纪60年代中期引入了多道程序并发执行技术 从而形成了多道批处理系统 1 3 3 2多道程序并发执行基本思想 内存中同时存放多道程序 在操作系统的控制下交替执行 操作系统 53 1 3 3 2多道程序并发执行基本思想 在多道批处理系统中 用户提交的作业放在外存中 并排成一个队列 称为后备作业 作业调度程序按一定策略从后备队列中选择若干作业调入内存 使他们并发运行 从而共享系统中的资源 提高资源利用率和系统吞吐量 虽然产生于上个世纪60年代 但目前许多大 中型机器上都配置了这种操作系统 操作系统 54 1 3 3 3多道程序并发执行系统的特征 1 多道性 在内存中同时驻留多道程序 分别为它们创建进程 2 调度性 单处理机系统中 每个时刻只能运行一道程序指令 所以同时在内存中的多道程序不能同时在一个CPU上运行 必须进行调度 所谓调度 即采用合理的调度策略使多道程序并发执行 3 宏观上并行 微观上串行 在单处理机系统中 同时处于内存中的多道程序在微观上交替占用CPU运行 是串行的 而在操作系统的调度下 用户感觉多道程序在并行运行 操作系统 55 1 3 3 3多道程序并发执行系统的特征 4 异步性 内存中的多道程序各自开始执行的时间 结束时间不由其进入内存的次序决定 在操作系统的统一调度下 多道程序以不可预知的时间开始运行 并以不可预知的速度运行 不可预知其结束时间 5 多道批处理的优缺点 优点 缩短作业之间的交接时间 减少处理机的空闲等待时间 提高系统的吞吐量 缺点 用户响应时间较长 用户既不能了解自己程序的运行情况 也不能控制计算机 操作系统 56 1 3 3 3单道程序与多道程序并发执行比较 操作系统 57 1 3 3 3单道程序与多道程序并发执行比较 操作系统 58 1 3 3分时系统 分时系统发展的动因 多道批处理系统充分地提高了计算机资源利用率和系统吞吐量 但缺少人机交互能力 用户把作业提交给计算机后 就完全脱离了自己的作业 不能干预作业的运行 因此希望能够进行人机交互以便控制用户作业运行流程 1 3 3 1分时系统在分时系统中 一台主机可以连接若干终端 每个用户可以通过终端与主机交互 操作系统 59 1 3 3分时系统 图1 7分时系统示意图 操作系统 60 1 3 3分时系统 图1 7分时系统示意图 操作系统 61 1 3 3分时系统 1 3 3 1分时系统分时技术 CPU速度不断提高和中断技术的使用 使得一台计算机可同时连接多个用户终端 而每个用户可在自己的终端上联机使用计算机 好像自己独占机器一样 分时处理 用户与应用程序随时可以交互 控制程序运行 适于商业和办公事务处理 时间片 把处理机的响应时间 CPU周期 100毫秒 分成若于个大小相等 或不相等 的时间单位 称为时间片 如20毫秒 每个终端用户获得规定时间单位CPU 就可以运行 否则等待 工作原理 高速的主机按一定次序轮流为各终端用户服务 每一个用户一次仅使用主机很短的一段时间 称为时间片 在分得的时间片内没有完成工作则暂时中断 将处理机分配给下一个用户 操作系统 62 1 3 3分时系统 分时系统工作示意图 操作系统 63 1 3 3分时系统 1 3 3 1分时系统具有的特征多个用户同时联机操作 即多路性 同一台主机同时连接多个终端 各用户独占一个终端 通过终端使用主机 各用户独立 一台主机同时为若干用户服务 而各用户独立操作 互不干涉 对每个用户而言好像独占主机 交互性 各用户通过终端联机以交互方式使用主机 即用户可以通过操作系统提供一组人机交互命令 如UNIX Linux中的Shell命令来随意干预和控制作业的运行流程 操作系统 64 1 3 3时实系统 Real TimeOS 1引入实时操作系统的动因 1 计算计算机应用技术的发展早期计算机系统主要用于科学与工程方面的数值计算 如第一台计算机 1946年 产生的原因就是解决大口径火炮设计中的计算问题 弹道轨迹 弹着点和材料的各种应力分布的计算 还有原子弹设计和实验中大量的计算问题 用当时的计算工具已经解决不了 60年代初 计算机开始应用到生产过程控制 工业控制 防空系统 信息处理等 在这些应用中不但要解决计算间题 还要求在规定的时间内完成计算 即实时处理 在实时处理中的一个核心的问题就是响应时间问题 操作系统 65 2 特殊领域应用的需要由于计算机在生产过程领域的应用 需要计算机能及时采集 比如工作现场的温度 压力 方位等数据 并需要对所采集的数据进行及时的处理 进而实现自动化控制 因此需要实时操作系统 1 3 3时实系统 操作系统 66 1 3 3时实系统 化学生产反应堆的控制系统 操作系统 67 1 3 3时实系统 3 什么是响应时间 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 毫秒级 一般情况 实时操作系统 微秒级 甚至更小 经典说法 系统要满足用户时限 deadline 的要求 现代 操作系统 68 1 3 3时实系统 4 实时操作系统实时操作系统是又一种类型的操作系统 对外部的请求 实时操作系统能够在规定的时间内处理完毕 实时是指计算机对于用户请求能足够快地进行处理 并做出反应 要求毫秒 微秒级 实时操作系统的应用 1 实时控制 工业过程控制 防空系统等 2 实时信息处理 情报检索和查询 飞机订票系统 银行信用卡系统 操作系统 69 1 3 3时实系统 2实时操作系统的特征 1 及时性 系统要能及时响应外部实时信号 响应时间间隔要足以能够控制发出实时信号的环境 一般都有规定的时限 称为deadline 即死限 2 要求高可靠性和安全性 效率则放在第二位 由于实时系统的应用环境比较特殊 任何软硬件故障都可能带来严重的后果 因此 必须采取相应的软硬件措施 以保证系统高度可靠性 比如双工制 准备两台功能相同的计算机 其中一台为主机 另一台为后备机器 主机与后备机器并行工作 但不产生控制输出 若主机发生故障 后备机器立即替代主机继续工作 保证系统不间断运行 操作系统 70 1 3 4微机操作系统 在微型计算机上配置操作系统的主要任务是方便用户使用计算机 而不太需要考虑资源利用率的问题 常见的微型计算机操作系统有 DOS Windows UNIX Linux等 1 单用户单任务操作系统单用户单任务是指 只允许一个用户上机 要运行的多个任务必须按照一定的顺序依次执行 不能交替执行 代表 CP M ControlProgramMonitor 属于8位微型计算操作系统 和DOS 操作系统 71 1 3 4微机操作系统 2单用户多任务操作系统单用户多任务是指只允许一个用户上机 但可以并发执行多道程序 从而充分利用系统资源 满足用户同时执行多个任务的需求 典型代表 IBMOS 2 Windows3多用户多任务操作系统在微型计算机上配置多用户操作系统就可以使微型计算机同时为多个用户服务 Unix由美国AT T公司的Bell实验室开发 可应用于各种机型还有LINUX 操作系统 72 1 3 5网络操作系统 一 计算机网络概念a 计算机网络的概念计算机网络技术是计算机技术与通信技术相结合的产物 是互连计算机实现计算机之间通信和资源共享的一种技术 所谓计算机网络 是指把地理上分散的 具有独立功能的多个计算机 通过通信线路加以连接 以达到数据通信和资源共享为目的的计算机系统 b 计算机网络产生的背景微电子技术的发展与进步计算机的应用社会化通信技术的进步和普及 操作系统 73 1 3 5网络操作系统 c 特征资源共享性独立自主性计算机通信d 微机网络微型机技术的巨大进展 微机网络也随之崛起 并获得高速的发展 巳成为计算机网络中最活跃的一个分支 操作系统 74 1 3 5网络操作系统 传统局域网络结构图 操作系统 75 1 3 5网络操作系统 二 计算机网络构成主机主机是组成网络的独立自主的计算机系统 用于运行用户程序 即应用程序 也有些文献把它称为末端系统ES EndSystem 操作系统 76 1 3 5网络操作系统 通信子网 CommunicationSubnet 是将入网主机连接起来的实体 子网的任务是在入网主机之间传递信息 以提供通信服务 IMP InterfaceMessageProcessor 信息处理机接口 属于通信子网的一部分 操作系统 77 1 3 5网络操作系统 三 计算机网络的发展历程主机和通信子网的概念及其网络结构最早来自ARPAnet网 ARPAnet是最早出现的重要网络之一 也是产生TCP IP技术和最早应用TCP IP技术的网络 1 1969年 在美国国防部高级研究计划署 DARPA DefenceAdvanceResearchProjectAgency 的资助下 建立起ARPANET网络 2 由于硬件网络技术的不断进步 促使人们产生了对不同网络结构的网络系统之间互连的需要 这促进了DARPA重视网络互连问题 并导致TCP IP的出现 3 1979年 DARPA组织成立 Internet控制与分配委员会 InternetControlandConfigurationBoard ICCB 以协调TCP IP研究中的各项问题 4 1980年 DARPA开始将ARPANET上使用的机器全部采用TCP IP 操作系统 78 1 3 5网络操作系统 三 计算机网络的发展历程 5 1983年 美国国防通信局 DefenceCommunicationAgency DCA 将ARPANet分成两部分 一部分仍叫ARPANet 用于研究工作 另一部分称为著名的MILNET 用于军方的非机密通信 6 1985年 美国国家科学基金会NSF NationalScientificFoundation 加入TCP IP研究开发 并成为主角 6 1986年 NSF开始在全美国资助地区网 RegionalNetwork 建设 使全美国的科研机构加入NSFNET 并使NSFNET逐渐取代ARPANET称为Internet的新主干 7 1991年的海湾战争 使得TCP IP为美军迅速 准确地完成数据通信任务立下汗马功劳 因此使得互谅网络声名远扬 8 1997年 我国上网人数27万人到2007年1 3亿人 操作系统 79 1 3 5网络操作系统 典型现代局域网络结构图 操作系统 80 操作系统 81 1 3 5网络操作系统 四 网络操作系统在计算机技术和通信技术的基础上发展起来的计算机网络技术 其主要目的是为实现计算机之间的数据通信和资源共享 因此需要一个网络操作系统来对整个网络实施管理 并为用户提供统一 方便的网络接口 1 重要概念 网络协议网络协议是网络中各主机 HOST 之间传递信息的规则的集合 如国际标准化组织ISO OSI七层网络结构协议 TCP IP协议等 操作系统 82 1 3 5网络操作系统 ISO OSI七层网络协议 操作系统 83 1 3 5网络操作系统 TCP IP协议层次图 操作系统 84 1 3 5网络操作系统 OSI与TCP IP对照图 操作系统 85 1 3 5网络操作系统 2 重要概念 网络拓扑结构 操作系统 86 3 网络操作系统存在形式网络操作系统是在普通操作系统的基础上增加了实现网络底层协议 一般到传送层 功能和网络设备管理功能的系统软件 可以是专门的网络操作系统 如Novell公司的Netware局域网络操作系统 可以是具有网络管理与服务功能的操作系统 如WindowsNT UNIX LINUX等都是网络操作系统 现在上网使用的IE Netscape MailServer等属于网络应用程序 不属网络操作系统的范畴 1 3 5网络操作系统 操作系统 87 1 3 5网络操作系统 4 网络操作系统的四个基本功能 4 1 网络通信 为通信双方建立和拆除通信通路 实施数据传输 对传输过程中的数据进行检查和校正 4 2 资源管理 采用统一 有效的策略 协调诸用户对共享资源的使用 用户使用远地资源如同使用本地资源一样 4 3 提供网络服务 向用户提供多项网络服务 比如电子邮件服务 比如远程登录服务 再比如文件传输服务等 4 4 提供网络接口 向网络用户提供统一的网络使用接口 以方便用户上网 使用共享资源 获得网络提供的各种服务 操作系统 88 1 3 6分布式操作系统 1分布式操作系统 DistributedSystem 分布式系统是70年代和80年代发展起来的一种多处理机 或多计算机 系统 分布式系统与集中式处理系统比较而言 计算或处理功能分散在构成分布式系统的各处理单元上 在分布式系统中需要一个全局分布式操作系统来负责整个网络系统资源分配与调度 任务划分 数据传输 控制协调等工作 并为用户提供统一的界面 操作系统 89 1 3 6分布式操作系统 2分布式系统构成分布式系统是指由多个处理单元构成的系统 每个处理单元都包含有处理机和局部存储器 它们独立承担分配给他们的任务 各处理单元通过互连网络连接在一起 在统一的分布式操作系统的控制和管理下 实现各处理单元间的通信 资源共享 动态地分配任务和对任务进行并行计算 操作系统 90 1 3 6分布式操作系统 3分布式操作系统与网络操作系统的区别 网络操作系统主要目的是进行数据通信和资源共享 不具备网络系统资源分配与调度 计算任务划分功能分布式操作系统在硬件连接方面与网络系统并无区别 最根本的特征是分布式计算与存储 分布式计算就是把大型计算任务分解成多个子任务 并分配给不同计算机 处理单元 进行并行运算处理 操作系统 91 1 3 6分布式操作系统 4分布式系统的基本特征 1 分布性 功能分布性 任务分布性 地理分布性 分布系统较计算机网络而言更着重于任务分布性以及完整的任务分配功能 2 自治性 分布式系统中的处理单元有独立的处理机和存储器 具有独立执行任务的能力 每个处理机具有自己独立的操作系统 3 并行性 一个作业的各子任务被分配到多个处理单元上并行处理 使分布式系统表现出并行性 操作系统 92 1 4操作系统的特征 1并发 Concurrence 并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生 并发性是指两个或多个事件在一定时间间隔内发生 在单处理机系统中 并发性是指宏观上有多道程序同时运行 但微观上是交替执行的 多道程序并发执行能提高资源利用率和系统的吞吐量 多道程序并发执行由操作系统统一控制 并保证并发程序顺利运行 操作系统 93 1 4操作系统的特征 2共享资源共享是指系统中硬件和软件资源不再为某个程序所独占 而是供多个用户共同使用 1 互斥共享 系统中的资源很多 虽能提供给多个作业使用 但在一段时间内却只能允许一个作业访问该资源 临界资源 当一个进程在访问一个资源时 其他进程则必须等待 仅当该资源访问完成并释放后 才允许另外的进程对该资源进行访问 则称这种资源为临界资源 常见的临界资源有字符设备 磁带 变量等 操作系统 94 1 4操作系统的特征 2共享 2 同时访问 系统中的资源允许在一段时间内 由多个进程同时对它进行访问 同时 是指宏观 微观仍然是交替进行访问 典型资源 磁盘并发与共享互为存在条件 资源共享是以程序的并发执行为条件 若不允许程序并发执行 自然不存在资源共享问题 若系统不能对资源共享实施有效的管理 也必将影响到程序并发执行 甚至根本无法并发执行 操作系统 95 1 4操作系统的特征 3虚拟 Virtual 所谓虚拟 是指通过多路技术把一个物理上的实体 从软件实现的角度来映射成为若干个逻辑实体 用户程序使用逻辑实体 物理实体是实际存在的 逻辑对应物是虚拟的 只是用户的一种感觉 如图1 8所示虚拟计算 1 多路技术 操作系统使多个应用程序共享物理资源的技术称为多路技术 2 多路技术分为 时分多路技术和空分多路技术 2 1 时分多路技术 资源在不同的时刻为不同的虚拟计算机服务 也称为分时共享 操作系统 96 1 4操作系统的特征 图1 8一个操作系统上的多个虚拟计算 操作系统 97 1 4操作系统的特征 操作系统 98 1 4操作系统的特征 2 1 1 利用时分多路技术实现虚拟打印机如果计算机上运行两个或多个应用程序 虚拟计算机 操作系统要为每个虚拟计算机分配一台虚拟打印机 保证每个应用程序使用打印机时不至于相互混淆 实现方法 创建多重打印机映射 操作系统为每个虚拟的计算机 应用程序 分配一个磁盘文件 存放打印文件 从而实现虚拟打印机分配 该方法也称SPOOLING技术 2 1 2 时分多路技术实现时分复用CPU 图1 9 操作系统 99 1 4操作系统的特征 图1 9时分复用CPU 操作系统 100 1 4操作系统的特征 2 1 2 时分多路技术实现时分复用CPU 图1 9多路技术可以把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU在多道程序系统中 虽然只有一CPU 每次只能执行一道程序 通过分时使用 在一段时间间隔内 宏观上这台处理机能同时运行多道程序 给用户的感觉是每道程序都有一个CPU在服务 2 2 空分多路技术 资源被分成更小的单位 每一个虚拟的计算机拥有一部分资源 空分多路技术常用于主存和辅助存储器 从空间上分享资源 如图1 10 操作系统 101 1 4操作系统的特征 图1 10内存空分多路技术 操作系统 102 1 4操作系统的特征 4不确定性 即异步 操作系统中有两种不确定性 1 程序执行结果是不确定的 即对同一程序使用相同的输入 在相同的环境下运行 但经过多次运行 却可能获得完全不同的结果 也即程序是不可以再现的 2 多道程序环境下 程序的执行是以异步方式运行的 在多道程序并发运行环境中 每道程序在什么时候开始执行 何时暂停 以怎样的速度向前推进 何时发生中断 都具有不确定性 操作系统 103 1 5操作系统的体系结构 操作系统作为一种大型的系统软件 构成操作系统的各个独立功能模块之间存在的结构关系即是操作系统的体系结构 操作系统有两种结构 层次结构和微内核结构 1 5 1层次结构层次结构的操作系统设计思想 操作系统的各功能模块依照相互关系 把系统中的模块分为若干层 除底层模块外 其它模块都建立在下一层的基础上 每一层仅能使用其下一层提供的服务 接近用户应用的模块在上层 贴近硬件的模块在下层 操作系统