第一章操作系统引论ppt课件.ppt

操作系统 许静E Mail 引言 课程特点 概念多 原理性强 较抽象学习目的 有利于对计算机系统的理解和软件开发学习方法 以问题驱动学习 理论联系实际课程学习难点 概念 原理 算法 参考书籍 计算机操作系统 汤子瀛等 西安电子科技大学出版社 第3版 操作系统原理 孟庆昌等 机械工业出版社OperatingSystemInternalsandDesignprinciples WilliamStallings TsingHuaUniversityPressAppliedOperatingSystemConcepts AbrahamSilberschatzetc HigherEducationPress 课程内容安排 第一章操作系统引论第二章进程管理第三章处理机调度与死锁第四章存储管理第五章设备管理第六章文件管理 考试 理论考试 平时成绩30 考勤 书面作业 课堂测验等 期末考试70 闭卷 第一章操作系统引论 内容提要什么是操作系统操作系统的形成与进一步发展现代操作系统的特征 功能 类型基本概念 批处理 多道程序设计 作业 任务 接口 计算机系统资源 计算机系统的组成 计算机系统 软件 硬件 计算机执行的程序 如 Word Windows98 Oracle VisualC 软件可分成两大类 应用软件系统软件 计算机物理装置本身 如 CPU 内存 外部I O设备 显示器 键盘 鼠标 打印机 磁盘 磁带 扫描仪等 以及系统总线 计算机系统结构 应用软件 系统软件 操作系统 计算机硬件 终端用户 程序员 操作系统设计者 什么是操作系统 关于现代操作系统的四种基本观点 从外部看操作系统计算机用户观点 用户环境应用程序观点 虚拟机器从内部看操作系统os开发者观点之一 资源管理观点os开发者观点之二 作业管理观点 基于用户环境观点 该观点认为 操作系统是计算机用户使用计算机系统的接口 它为计算机用户提供了方便的工作环境 计算机用户 终端用户 程序员和系统设计者操作系统提供的接口用户接口 也称为命令接口 程序接口 也称为系统调用 即应用编程接口API 用户接口 用户命令 指计算机用户要求计算机系统为其工作的指示 命令的表示形式字符形式菜单形式图形形式命令的使用方式脱机使用方式联机使用方式 基于虚拟机器观点 该观点认为 操作系统是建立在计算机硬件平台上的虚拟机器 它为应用软件提供了许多比计算机硬件功能更强或计算机硬件所没有的功能 操作系统在虚拟机中充当管理员和协调员的角色 管理计算机的软硬件资源 并协调多任务 多进程的运行 扩充 功能 计算机数量 基于资源管理观点 该观点认为 操作系统是计算机系统中各类资源的管理者 它负责分配 回收以及控制系统中的各种软硬件资源 跟踪资源的使用状况 满足资源请求 提高资源利用率 以及协调各程序和用户对资源使用的冲突 监视资源分配 回收资源保护资源 基于作业组织观点 该观点认为 操作系统是计算机系统工作流程的组织者 它负责协调在系统中运行的各个应用软件的运行次序 用于巨型机和大型服务器上 以批文件方式提交作业 请求主机逐个运行 主机操作系统负责组织 协调各个作业的运行 报告执行结果或错误信息 减少了人工干预 提高了系统的效率 这种方式有利于有效利用造价高且性能强大的主机 操作系统的定义 操作系统是计算机系统中的一个系统软件 管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源 合理地组织计算机的工作流程 以便有效利用这些资源为用户提供一个功能强 使用方便的工作环境 从而在计算机与用户之间起到接口的作用 操作系统的形成与发展 操作系统发展简史 50年代中期 第一个简单批处理操作系统60年代中期 多道程序批处理系统不久 分时系统 实时系统80年代 微机及网络操作系统 推动着操作系统发展的因素 计算机硬件升级和新硬件的出现提供新的服务 方便使用提高计算机资源利用率更正软件错误计算机体系结构的发展 单处理机系统 多处理机系统 分布式系统 计算机网络 手工操作时期 没有操作系统 早期的电子数字计算机是由成千上万个电子管组成操作和编程完全由手工进行 且编程只能用机器语言 二进制代码 程序员同时也是操作员 在上机期间独占整台计算机及其它相关设备 效率非常低 单道批处理系统 程序员首先将命令 程序和数据用汇编语言或FORTRAN语言写在纸上 然后用穿孔机制成卡片 最后将这些卡片交给操作员 批处理程序 又称监督程序 管理应用程序的运行 监督程序就是最早的操作系统的雏形 单道批处理系统 操作步骤 收集一批作业 用专用I O计算机将作业逐个读到磁带上保存起来批处理程序将磁带上的第一个作业读入计算机 运算结束后将结果输出到输出磁带上自动读入下一个作业 并运行当一批作业全部执行结束后 取下输入磁带和输出磁带 用输入磁带录入下一批作业 将输出磁带送到专用输出计算机 进行脱机打印 单道批处理系统 评价 解决了作业间的自动转接问题 减少了机器时间的浪费不管作业大小 只要它一旦占用处理机开始执行 则它必须一直占据处理机 直到运行完毕 资源利用率低对短作业不公平 因为他们等待执行的时间可能远远超过他们实际执行的时间交互性差 作业由批处理程序控制运行 用户无法实时控制 如果运行中途出现故障 也只能停下来 重新运行 多道批处理系统 单道批处理系统中 任意时刻只允许一道作业在内存中运行 资源利用率低 为了提高系统资源利用率和系统吞吐量 形成了多道批处理系统 多道批处理系统 多道是指 允许多个程序同时存在于主存中 按照某种原则分派处理机 逐个执行这些程序 批处理 用户提交的作业首先存放在外存 并排成一个队列 然后 由作业调度程序按照一定的算法从该队列中一次选取一个或若干个作业装入内存执行 处理机自动切换 当某个程序占用处理机执行过程中遇到了输入 输出语句 可以启动专门负责输入 输出的系统服务程序完成输入 输出操作 而处理机切换到另一个程序执行 多道程序设计技术示例 程序A 程序B 磁盘操作 磁带操作 T 请求盘输入 请求带输入 启动盘 调度B 启动带 结束中断 调度A 中断处理 调度B 结束中断 中断处理 多道 两道 程序运行情况 多道程序工作示例 多道程序设计技术 为了提高系统吞吐量和资源利用率 允许多个程序同时驻留内存 使处理机在这些程序之间切换 在一段时间内 执行完多个程序的处理技术称为多道程序设计技术 multiprogramming 现代操作系统大多都采用了多道程序设计技术 多道程序设计引发的问题 处理机的分配与回收内存的分配与保护I O设备的共享与效率文件的有效管理作业的组织 分时系统 多道批处理系统 提高了资源利用率和吞吐量 但是 批处理系统交互性很差 为了改进响应时间和性能 提供交互式操作环境 出现了分时系统分时系统的实质是 在多道程序技术的基础之上 为多个用户配置一个联机终端 分时系统 分时 指若干并发程序对CPU时间的共享 分时系统工作示意图 分时系统实例 第一个分时系统 麻省理工学院 MIT 的兼容分时系统 CTSS 它是一个单道分时系统 在该系统中 每次只能将一道程序装入并驻留内存时间片原则为了减少磁盘I O 只将新装入的程序需要覆盖的那部分用户数据写出到磁盘假设有4个交互用户 其存储需求如下 JOB1 15000 JOB2 20000 JOB3 5000 JOB4 10000 内存的0 5000区域被监控程序占用 CTSS操作示例 前台 和 后台 分时系统 分时 批处理内存 前台区 和 后台区 前台区 存放按时间片 调入 和 调出 的作业流 后台区 存放批处理作业仅当前台作业调入 调出后 前台无作业可运行时 方才运行 后台区 中的作业 提供交互式快速的服务 同时在处理机空闲时运行后台较大的批作业 多道分时系统 允许在内存中同时存放多道作业 并把具备运行条件的所有作业排成一个队列 让它们依次轮流地获得一个时间片来运行 与单道分时系统相比较 由于作业数据都在内存 不需要调入 调出开销 所以多道分时系统具有较好的系统性能现代分时系统都属于多道分时系统 实时系统 分时系统为交互式作业提供了快速的响应服务 但还不能满足某些对响应时间要求非常严格的任务需要例如 炼钢 炼油控制系统 航空网络售票系统等 对任务的响应时间有更严格的要求 操作系统的进一步发展 个人机 微机 操作系统 UNIX OS 2 Windows系列 WindowsNT LINUX等网络操作系统 网络接口控制器及一些用于驱动的低层软件 远程登录软件和远程文件访问软件分布式操作系统 将用户的应用程序分布在多台处理机上同时运行 合理地调度各处理机 使整个系统获得更大的并行度嵌入式操作系统 操作系统的功能 操作系统的五大功能 处理机管理存储器管理设备管理文件管理用户接口 处理机管理功能 进程控制 创建和撤销进程以及控制进程的状态转换 进程同步 协调 互斥访问临界资源 协调执行进度进程通信 进程间的信息交换进程调度 按照一定算法从进程就绪队列中选出一个进程 把处理机分配给它 使之运行 存储器管理任务 为多道程序的并发执行提供良好的环境便于用户使用存储器提高存储器的利用率为尽量多的用户提供足够大的存储空间 存储器管理功能 内存分配 静态分配 动态分配 连续分配 非连续分配内存保护 系统内存空间 用户内存空间地址映射 逻辑地址 物理地址内存扩充 虚拟存储技术 设备管理任务 为用户程序分配I O设备完成用户程序请求的I O操作提高处理机和I O设备的利用率改善人机界面 设备管理功能 缓冲管理设备分配设备处理 启动设备 中断处理虚拟设备功能磁盘调度 文件管理任务 管理用户文件和系统文件管理文件的存储空间保证文件数据的安全方便用户使用文件 文件管理功能 文件目录管理文件的逻辑组织与访问方式文件存储空间管理文件共享与安全 用户接口 接口 指操作系统为用户提供的人机交互界面命令接口 以命令方式供用户通过键盘终端与计算机交互 如UNIX DOS图形界面接口 Windows系列操作系统提供了形象 生动的图形化界面 用户只需拖动并点击鼠标 便可轻松操作计算机程序接口 系统调用接口 以系统调用的形式供用户编程时使用 几乎各种操作系统都提供了系统调用 供程序设计使用 现代操作系统的特征 现代操作系统的特征 任务 并发指两个或多个活动在同一给定时间间隔中进行 即多个任务在单处理机上的交替运行 注意 并发与并行的区别并行是指两个或多个活动在同一时刻发生 即多个任务在多个处理机上的同时运行 现代操作系统的特征 用户程序A 用户程序B 磁盘操作 磁带操作 T 请求盘输入 请求带输入 启动盘 调度B 启动带 结束中断 调度A 中断处理 调度B 结束中断 中断处理 多道 两道 程序并发运行情况 现代操作系统的特征 资源 共享指计算机系统中的资源被多个任务所共用宏观上 多个任务可以同时使用系统资源微观上 多个任务可以交替互斥的使用系统中的某类资源 现代操作系统的特征 虚拟 通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应体 操作系统中用到的虚拟技术 多道程序设计技术 虚拟处理机 虚拟存储器技术 虚拟内存 虚拟设备技术 虚拟外部设备 虚拟信道 等 虚拟的实现 通过分时使用的方法 异步性指进程在计算机中以不可预知的速度向前推进 操作系统的类型 操作系统的类型 按照硬件平台系统结构不同单机操作系统嵌入式操作系统多机操作系统 并行操作系统 分布式操作系统 网络操作系统等 根据操作系统在用户界面的使用环境和功能特征的不同批处理系统分时系统实时系统现代操作系统通常兼有分时和批处理功能 作业和作业步 作业 指用户在一次计算过程中或一个事务处理中要求计算机系统所要完成工作的集合 它是用户向计算机提交一项工作的基本单位 用户提交的任务 包括作业步以及每一作业步要求的程序和数据例如 用户要运行程序 第一步 编辑文件第二步 编译第三步 连接第四步 运行 作业与作业步概念 作业的类型 作业的基本类型脱机作业 就是用户先用系统提供的作业控制语言或控制命令 把要求系统进行的工作 包括发生故障时的处理方法写成作业说明书 不用用户干预 仅由系统根据作业说明书控制其运行的作业 联机作业 采用人 机对话的形式控制运行的作业 批处理操作系统 一批作业首先在外存上排成一个队列然后由作业调度程序负责从该队列中选取一个或多个作业进入内存 并分别为它们建立进程 使若干进程共享包括处理机 内存空间在内的系统资源 以提高资源利用率和系统吞吐量 批处理操作系统 评价 优点 多道程序由操作系统自动调度执行 大大降低了人工干预对系统性能的影响 资源利用率高 系统的吞吐量大 缺点 1 交互性很差 修改和调试程序极其困难 2 增加了作业的平均周转时间 作业在外存排队 等待调度进入内存 进程在内存排队 等待获取所需的系统资源 分时操作系统 提供了一个多用户工作环境 一台主机连接若干台终端 每台终端供一个用户使用用户交互式地向系统提出联机命令请求 系统接受所有用户的命令 采用分时原则处理服务请求 再通过交互式终端显示执行结果 分时操作系统特征 多路性 一台主机上同时连接多台终端独立性 每个用户各自通过自己的终端进行输入 输出 互不干扰 用户感觉自己独占终端和主机资源交互性 实时操作系统 能及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的操作系统设计目标 对外部请求必须及时响应 在严格规定的时间内完成某事件 要求系统具有极高的可靠性和完整性 网络操作系统 在计算机网络环境中提供网络管理 通信 安全 资源共享和各种网络应用等功能的操作系统 目标 为了实现网络中个计算机之间的通信和网络资源共享 提高网络资源的利用率和网络的吞吐量 分布式操作系统 分布式计算机系统 分布式计算机系统是由多个分散的计算机经互联网络连结而成的统一的计算机系统 其中的各个计算机既高度自治又相互配合 能在整个系统范围内实现资源管理 资源共享 信息交换和协同执行任务 配置在分布式系统上的操作系统称为分布式操作系统 它负责分布式系统中的任务分配 资源管理等功能服务 分布式系统与计算机网络 分布式系统中的所有资源都是共享的 由分布式操作系统进行集中 统一管理 整个系统对用户透明 计算机网络中允许每台计算机配置自己的操作系统 通过网络协议实现网络资源的统一管理 网络操作系统可以架构于不同的操作系统之上 范围很广 网络操作系统也不要求对网络资源进行透明访问 用户可以清楚地知道提交的任务在哪台计算机上完成的 嵌入式操作系统 运行在嵌入式系统环境中 对整个嵌入式系统以及它所操作 控制的各种部件装置等资源进行协调 调度 指挥和控制的系统软件 嵌入式操作系统在工业控制 军事及民用设施中有着广泛的应用前景 现代主流操作系统简介