操作系统-第一章引论PPT课件.ppt

操作系统 2020 3 18 1 教学概要 课程性质 全国自考 考试时间课程难度 较难课程学时分布 周课时6节 结束新课时间 考试之前集中复习 2020 3 18 2 引言 课程特点 概念多 原理性强 较抽象课程学习目的 基础核心课 有利于对计算机系统的理解和软件开发课程学习方法 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 数据结构 2020 3 18 3 学习要求 学习要求 认真听讲认真阅读教材 多做习题课后认真复习多分析历年考试题知识点 不懂的知识 一定要多问根据考试大纲进行学习及复习 2020 3 18 4 考核知识分析 第一章引论 一般考核 分值5分左右 第二章计算机系统结构 一般考核 分值10分 第三章处理器管理 一般考核 分值10分 第四章存储管理 重点考核 分值20分 第五章文件管理 重点考核 分值20分 第六章设备管理 重点考核 分值15分 第七章进程同步进程通信 重点考核 分值20分 2020 3 18 5 参考书籍 OperatingSystemInternalsandDesignprinciples WilliamStallings TsingHuaUniversityPressAppliedOperatingSystemConcepts AbrahamSilberschatzetc HigherEducationPress计算机操作系统 汤子瀛etc 西安电子科技大学出版社 第3版 2020 3 18 6 第一章引论 一 什么是操作系统二 操作系统的形成三 操作系统的基本类型四 操作系统的发展五 UNIX操作系统简介六 操作系统的功能 2020 3 18 7 本章要点 计算机系统结构 了解操作系统的地位什么是操作系统 四种基本观点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 进程与线程 接口 虚拟存储 文件 2020 3 18 8 计算机系统资源分类 软件 系统软件 操作系统及实用程序 应用软件硬件 处理机 CPU 内存 条 外部I O设备 显示器 键盘 鼠标 打印机 磁盘 磁带 扫描仪 以及系统总线 2020 3 18 9 计算机系统结构 应用软件 操作系统 计算机硬件 系统软件 终端用户 程序员 操作系统设计者 2020 3 18 10 关于现代操作系统的四种基本观点 从外部看操作系统 计算机用户的观点 用户环境观点 应用程序员的观点 虚拟机器观点从内部看操作系统 OS开发者观点之一 资源管理观点 OS开发者观点之二 作业组织观点 2020 3 18 11 关于现代OS的四种基本观点之一 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 UserInterface 也称为命令接口 程序接口 系统调用 也称为应用编程接口 ApplicationProgrammingInterface 简称API 2020 3 18 12 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 字符形式 较灵活但因繁琐而难记命令的表示形式 菜单形式图形形式 因直观而易记但不灵活脱机使用方式 off line bat命令的使用方式 联机使用方式 on line 2020 3 18 13 关于现代OS的四种基本观点之二 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 2020 3 18 14 关于现代OS的四种基本观点之三 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的使用冲突 监视资源 分配 回收资源 保护资源 2020 3 18 15 关于现代OS的四种基本观点之四 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 这种工作方式有利于有效利用造价高且性能强大的主机资源 2020 3 18 16 一 什么是操作系统 操作系统 operatingsystem OS 是计算机系统中必不可少的系统软件 它是计算机系统中各种资源的管理者和各种活动的组织者 指挥者 它使整个计算机系统协调一致且有效地工作 通过本课程的学习 我们将知道操作系统要做什么 怎么做和为什么要这样做 一 计算机系统计算机系统由硬件系统和软件系统组成 2020 3 18 17 二 操作系统 操作系统是计算机系统中不可缺少的组成部分 不同的人从不同角度看到的操作系统不尽相同操作使用者认为操作系统是一组命令的集合 程序设计人员认为操作系统是一组功能调用程序的集合 操作系统 OperatingSystemOS 是一种管理计算机系统资源 控制程序执行 改善人机界面和为其他软件提供支持的系统软件操作设计原则 第一 能使得计算机系统使用方便第二 能使得计算机系统高效工作 2020 3 18 18 二 操作系统的形成 发展过程 早期没有操作系统 原始汇编系统 管理程序 操作系统 早期由程序员直接使用机器指令 通过控制台的开关实现 不需要专门的操作员 原始汇编系统 用汇编语言书写原程序 通过汇编语言解释程序转换成机器指令来执行 但汇编语言解释程序和源程序都记录在卡片上 为使对相关的硬件进行管理 编写了专门的例行子程序 称为设备驱动程序 在计算机进入第二代以后 出现了高级语言 为了对硬件和软件进行管理 出现了管理程序 计算机进入第三代以后 出现了操作系统 2020 3 18 19 可以看到操作系统是随着计算机硬件的发展和应用需求的推动而形成的 计算机进入第三代以后 硬件技术方面出现了大容量的磁盘与主存储器 管理程序发展成了一个重要的分支 操作系统 SPOOLING技术 2020 3 18 20 操作系统的简历 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 2020 3 18 21 什么推动着操作系统的发展 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效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 2020 3 18 22 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 2020 3 18 23 单道批处理系统 早期操作系统 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 2020 3 18 24 批处理程序 又称为监督程序 或管理程序 管理应用程序的运行 操作步骤 1 收集一批作业 卡 用专用I O计算机将作业逐个读到磁带上保存起来 2 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 3 自动读入下一个作业 并运行 4 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 2020 3 18 25 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 因为它们等待执行的时间可能远远超过它们实际执行的时间 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 2020 3 18 26 多道批处理系统现代意义的操作系统 引入 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 2020 3 18 27 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 2020 3 18 28 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 2020 3 18 29 时间 运行 运行 程序A 等待 等待 运行 等待 等待 程序D 运行 等待 等待 程序C 运行 运行 等待 等待 等待 程序B 从处理机看 运行A 运行B 运行C 运行D 等待 运行A 运行B 等待 图1 3多道程序设计示例 2020 3 18 30 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 2020 3 18 31 多道程序设计技术引发的问题 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 2020 3 18 32 分时系统与实时系统 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 导致了分时系统的出现 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 2020 3 18 33 分时系统 联机系统 服务器 2020 3 18 34 分时系统实例 第一个分时系统 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 作业 装入并驻留内存 时间片为了减少磁盘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 2020 3 18 35 监控程序JOB1 空闲 0 5000 20000 32000 a 监控程序JOB2 空闲 0 5000 25000 32000 b 监控程序JOB3 JOB2 空闲 0 5000 25000 32000 10000 c 监控程序JOB1 JOB2 空闲 0 5000 25000 32000 20000 d 监控程序JOB4 JOB1 JOB2 空闲 0 5000 25000 32000 1500020000 e 监控程序JOB2 空闲 0 5000 25000 32000 f 其中 JOB1 15000 JOB2 20000 JOB3 5000 JOB4 10000 图1 4CTSS操作示例 2020 3 18 36 前台 和 后台 分时系统 分时 批处理功能内存 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 或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 2020 3 18 37 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 2020 3 18 38 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 2020 3 18 39 操作系统的进一步发展 个人计算机操作系统 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 使整个系统获得最大的并行度 嵌入式操作系统 2020 3 18 40 三 操作系统的基本类型 按照操作系统提供的服务 大致可以把操作系统分为以下几类 批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统 网络操作系统和分布式操作系统 其中批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统是基本的操作系统 一 批处理操作系统1 什么是批处理操作系统 用户为作业准备好程序和数据后 再写一份作业控制说明书 然后一起提交给操作系统 由系统自动运行 无须人工干预 2020 3 18 41 2 操作系统的分类 批处理单道系统批处理多道系统3 批处理多道系统的运行控制过程 1 过程 2 特点 允许多个作业同时装入主存储器 中央处理器轮流地执行各个作业 各个作业可以同时使用各自所需要的外围设备 2020 3 18 42 4 多道批处理系统为什么能提高计算机系统工作效率 多道作业并行工作减少处理器的空闲时间作业可按一定的组合装入主存储器 充分利用计算机资源作业执行过程中 缩短了作业执行时间减少人工操作时间和作业交接时间 2020 3 18 43 二 分时操作系统用户通过与计算机相连的终端来使用计算机系统 允许多个用户同时与计算机系统进行一系列交互 使每个用户感到自己独占一台支持自己请求服务的计算机系统 称为分时操作系统分时操作系统使用的技术 分时技术 分时操作系统的主要特点 同时性 独立性 及时性 交互性批处理兼分时的操作系统中 由分时系统控制的作业称为前台作业 由批处理系统控制的作业称为后台作业 2020 3 18 44 三 实时操作系统1 什么是实时操作系统实时操作系统能使计算机系统接收到外部信号后及时进行处理 并在严格的规定时间内完成处理 且给出反馈信号 实时操作系统应用 实时操作系统的设计注意两点 第一要求及时响应 快速处理第二要求高可靠性和安全性 不强求系统资源的利用率 2020 3 18 45 四 操作系统的发展 单用户微机操作系统CP M MS DOS分布式操作系统 使系统中若干台计算机相互协作完成一个共同的任务 或者说把一个计算问题分成若干个子计算 每个子计算可以在计算机系统中的各计算机上并行执行 多处理器系统 两种类型 松散耦合多处理器系统 紧密耦合多处理器系统 嵌入式操作系统主要特点 微型化和实时性 2020 3 18 46 五 UNIX操作系统简介 Unix是一个交互式的分时操作系统Unix第一个版本Version1是AT T公司下属的Bell实验室里的两位程序员于1969的在一台闲置的PDP 7上开发的 1978年发布了unix的第七个版本version7并且在1978年发布了4BSDUNIX 它的最大特点是以一种通用的方式提供了对Internet网络协议TCP IP的支持 2020 3 18 47 六 操作系统的功能 从资源管理的观点出发 操作系统功能可分为五大部分 处理器管理 存储管理 文件管理 设备管理和作业管理 此外 操作系统还为用户提供了两类接口 一是程序员接口 用户通过系统调用使用操作系统的功能 二是操作员接口 用户通过操作控制命令提出控制要求 2020 3