第1章 操作系统概论PPT参考课件.ppt

现在 人们越来越多地与计算机打交道 人与计算机之间如何交往 如何让计算机按照人的意愿去工作 这些问题都密切关系到操作系统 人们要用好计算机 学好计算机都必须学好操作系统 操作系统是计算机系统中一个最重要的软件 它由一组程序组成 这组程序能够有效的组织和管理计算机系统中的资源 合理的组织计算机工作流程和控制程序的执行 使计算机高效地运行 并向用户提供各种服务功能 使用户能够方便地使用计算机 操作系统的目标是管理好资源 方便用户和提高效率 本章作为操作系统概论 总体介绍了操作系统的发展 操作系统基本概念 操作系统的结构 操作系统的类型 操作系统的特征和功能及其运行环境 最后介绍四种当前主流的操作系统 第1章操作系统概论教学提示 1 本章总体要求是 了解操作系统的发展过程 掌握并理解操作系统基本概念 结构 类型 特征和功能及其运行环境 教学目标 2 第1章操作系统概论 1 1操作系统的形成与发展1 2操作系统的基本概念1 3操作系统的结构1 4操作系统的硬件1 5当前操作系统简介 3 操作系统的定义掌握操作系统的特征操作系统的功能操作系统的类型操作系统结构 本章要点 4 1 1操作系统的形成与发展 1 1 1人工操作方式计算机诞生初期并没有操作系统 人们采用手工操作方式使用计算机 信息的输入 输出由人工在联机状态下进行 首先程序员将事先穿孔的纸带 或卡片 装入纸带输入机 或卡片输入机 把程序和数据输入给计算机 然后启动计算机运行 当程序运行完毕并取走计算结果后 才让下一个用户上机 这种方式有两个缺点 1 资源独占 每次只能一个用户使用计算机 一切资源全部由该用户所占有 资源利用率低 2 CPU等待人工操作 当用户进行装纸带 卡片 卸纸带 卡片 等人工操作时 CPU处于等待人工操作的空闲状态 5 1 1 2脱机输入输出技术该技术是指事先将装有用户程序和数据的纸带 或卡片 装入纸带 或卡片 输入机等输入设备 在一台外围机的控制下把纸带 卡片 上的数据 程序 输入到磁带上 当CPU需要这些程序和数据时再从磁带机高速输入到内存 类似地 当CPU需要输出时 把数据从内存送到磁带上 然后再在另一台外围机的控制下 将结果通过相应的输出设备输出 主要特点 1 减少了CPU的空闲时间 将数据从低速I O设备送到高速的磁带 或磁盘 上时 都是在脱机情况下进行的 它们不占用主机时间 6 2 提高了I O速度 当CPU在运行中需要数据时 是直接从高速而不是低速的磁带或磁盘上将数据调入内存的 脱机输入输出过程 7 1 1 3批处理技术把一批作业以脱机输入方式输入到磁带 高速设备 上 并在系统中配上监督程序 在它的控制下一个个装入内存 一个个执行磁带上的作业 使这批作业能一个接一个地连续处理 直到把磁带上的所有作业全部处理完毕 优点 是解决了作业间的自动转换问题 提高CPU利用率 8 1 1 4多道程序设计技术多道程序设计技术指在主存中同时存放多个作业 并允许它们交替执行 多道程序程序设计系统的出现标志着操作系统渐趋成熟的阶段 在操作系统中引入多道程序设计技术以后 会使系统具有以下特征 1 多道性 在内存中可同时驻留多道程序 并允许他们并发执行 从而有效提高了资源的利用率和系统的吞吐量 2 无序性 多个作业完成的先后顺序与他们进入内存的顺序之间无严格的对应关系 3 宏观上并行 微观上串行 从宏观上看同时存在于内存中的多道作业都处于运行状态 但从微观上看 由于我们讨论的是单CPU系统 内存中的多道作业轮流 交替地使用CPU系统 各作业仍是串行的 9 CPU AI O A BI O AI O A B BI O t1t3t4t5 t 单道程序工作过程 CPU AI O BI O A B A B t t1t2t3t4t5 多道程序执行过程 10 1 2操作系统的基本概念 计算机系统中的各种程序 数据和各种硬件设备统称为计算机系统中的资源 由谁来管理计算机系统中的资源呢 承担这一任务的就是操作系统 1 2 1操作系统的定义操作系统 OperatingSystem 简称OS 就是有效的管理计算机系统中的各种资源 合理的组织计算机的工作流程 以方便用户的一组软件构成的集合 11 操作系统是现代计算机系统的重要组成部分 它是计算机系统运行和工作必不可少的软件 各种类型的计算机系统都离不开操作系统 用户应用软件或应用系统其它的系统软件操作系统计算机硬件 计算机系统的抽象层次结构 1 2 2操作系统的地位 操作系统是在计算机硬件的基础上对硬件进行的第一层扩充 它是计算机系统中最核心的系统软件 其它的系统软件和应用软件都是在操作系统的基础上构建起来的 12 以多道程序设计为基础的现代操作系统具有以下主要特征 1 并发性 Concurrence 在操作系统中 并发性是指多个事件在同一时间间隔内发生 对计算机而言 并发是指在一段时间内 多道程序 在宏观上同时运行 现代操作系统是并发系统的管理机构 其本身就是与用户程序一起并发执行的 程序的并发执行带来了程序串行执行所没有的新问题 并导致操作系统对程序管理的复杂化 以及操作系统本身的复杂化 1 2 3操作系统的特征 13 2 虚拟性 Virtual 虚拟的含义是把一个物理实体映射为多个逻辑意义上的实体 前者是客观存在的 后者是虚构的 是一种感觉性的存在 即主观上的一种假象 例如 在多道程序系统中 虽然只有一个CPU 每次只能执行一道程序 但采用多道程序技术后 在一段时间间隔内 宏观上有多个程序在运行 在用户看来 就好象有多个CPU在各自运行自己的程序 这种情况就是将一个物理的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU 逻辑上的CPU称为虚拟处理机 类似的还有虚拟存储器 虚拟设备等 14 3 共享性 Sharing 操作系统是多道程序的管理机构 它使多个用户作业共享有限的计算机系统资源 从概念上讲 计算机系统的所有资源都是共享的 但共享又分成两种不同的类型 互斥共享和同时共享 所谓互斥共享是指资源的分配以作业 或进程 为单位 当一个作业未使用完这个资源前 别的作业就不能同时使用 而同时共享 则是指多个作业都能 同时 使用资源 即当一个作业已开始使用某个资源但又尚未使用完毕 另一个作业也能使用 15 4 不确定性 Nondeterministic 所谓操作系统的不确定性 是指在操作系统控制下多道作业的执行顺序和每个作业的执行时间是不确定的 例如 有三个作业 两次或多次运行的执行序列可能不相同 每一个作业占有计算机的时间也可能不相同 16 1处理机管理在多道程序或多用户的环境下 要组织多个作业同时运行 就要解决处理机的管理问题 在多道程序环境下 处理机的分配和运行都是以进程为单位的 因而对处理机的管理可归结为对进程的管理 包括 进程控制 进程调度 进程同步和进程通信 2存储管理存储管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境 方便用户使用存储器 并提高主存的利用率 存储管理包括 地址重定位 存储分配 存储保护 存储扩充 1 2 4操作系统的功能 17 3设备管理设备管理包括 缓冲管理 设备分配 设备处理和设备独立性和虚拟设备 4文件管理文件管理主要对系统中的软件资源进行管理 即对用户文件和系统文件进行管理 文件管理包括 目录管理 文件读写管理 文件存取控制和文件存储空间管理 18 5用户接口 1 命令接口 命令接口也称作业级接口 分为联机命令接口和脱机命令接口 联机命令接口是为联机用户提供的 它由一组键盘命令及其解释程序组成的 当用户在终端或控制台输入一条命令后 系统便自动转入命令解释程序 对该命令进行解释并执行 脱机命令接口是为批处理系统的用户提供的 在批处理系统中 用户不直接与自己的作业进行交互 而是使用作业控制语言的语句 写成作业说明书 然后将作业说明书连同作业一起 以卡片的形式提交给系统 当系统调度该作业时 通过解释程序对作业说明书进行逐条解释并执行 操作系统的功能 用户接口 19 2 程序接口 程序接口是用户获取操作系统服务的唯一途径 程序接口由一组系统调用组成 每一个系统调用都是一个完成特定功能的子程序 3 图形接口 图形接口不需要记忆命令 图形接口的目标是对出现在屏幕上的对象直接进行操作 以控制和操纵程序的运行 这种图形用户接口大大减免用户记忆的工作量 受到用户的欢迎 图形用户接口的主要构件是 窗口 菜单和对话框 20 1 2 5 1批处理系统批处理系统也称为作业流处理系统 主要用在科学计算的大中型机上 它的特点是采用脱机技术将众多的作业送入计算机系统 然后由批处理系统按批选择作业进行处理 所追求的目标是系统吞吐量大 作业周转时间短 资源使用效率高等 批处理系统可以分为单道批处理 多道批处理 1 2 5操作系统的基本类型 21 1 2 5 2分时系统分时系统是多用户共享系统 一般使用一台计算机连接多个终端 各用户通过相应的终端使用计算机 其特点是人 机交互性 即用户通过终端控制台向计算机主机提出处理请求 在主机上运行的操作系统检查用户提出请求的合法性 检查通过后对该请求进行处理 然后将处理结果反馈给终端上的用户 22 1 2 5 3实时系统实时控制系统和实时信息处理系统统称为实时系统 所谓 实时 是表示 及时 即时 而实时系统是指系统能及时 或即时 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 23 分时工作方式 24 1 2 5 4网络操作系统简单的说 网络操作系统就是在计算机网络环境下具有网络功能的操作系统 作为网络操作系统 它还具有以下功能 1 实现网络中各节点机之间的通信 2 实现网络中硬 软件资源的共享 3 提供多种网络服务软件 4 提供网络用户的应用程序接口 25 1 2 5 5分布式操作系统分布式系统的主要特点是 各节点的自治性 资源共享的透明性 各节点间的协同性 系统的坚定性 在分布式系统中使用的操作系统是分布式操作系统 分布式操作系统的主要特点是 系统状态的不精确性 控制结构的复杂性 通信开销引起性能下降 26 1 3操作系统的结构 1 3 1无序模块式操作系统是由很多相关模块组成的一组程序 在无序模块式机构中 系统中每个模块都有定义良好的接口 相互间的调用不受约束 这种方法的主要优点是结构紧密 组合方便 灵活性大 主要缺点是模块独立性差 系统结构不清晰 难以保证可靠性 27 1 3 2分层式分层结构法将操作系统的模块分成多个层次 各层次之间是单向依赖关系 单向依赖是指只允许上层的模块调用下层的模块 不能反向调用 层次结构的中心是裸机本身所提供的各种功能 向外扩展的每一层都提供一种功能 这种功能只依赖该层以内的各个层次 这种结构的各层依次组成了一系列虚拟机 紧挨裸机的是操作系统内核 而最外层就是具备用户所需要功能的虚拟机 28 操作系统分层结构 29 1 3 3客户 服务器模型采用客户 服务器模式构造的操作系统的基本思想是 把操作系统划分为若干进程 其中每个进程实现单独的一套服务 功能 每一个服务对应一个服务器 客户可以是一个应用程序 也可以是另一操作系统成分 它通过发送一条消息给服务器请求一项服务 运行在核心态下的操作系统内核把消息传送给服务器 由服务器执行具体操作 其结果经由内核用一消息返回给用户 采用客户 服务器模型的好处是 简化操作系统核心 改进可靠性和独立性 完全适宜于分布式计算模型 30 1 3 3客户 服务器模型 发送 接受 用户态 核心态 客户 服务器操作系统 31 1 4操作系统的硬件环境 1 4 1CPU与外设并行工作通道又称I O处理机 它能完成主存和外设间的信息传输 并与中央处理器并行操作 采用通道技术实现了I O操作的独立性和各部件工作的并行性 通道把CPU从繁琐的输入输出操作中解放出来 采用通道技术后 不仅能够实现CPU与通道的并行操作 而且通道与通道之间也能实现并行操作 各通道的上的外设也能实现并行操作 从而可达到提高计算机系统工作效率的目的 32 操作系统的硬件环境 I O中断 1 4 2I O中断中断指的是 对异步或例外事件的一种响应 这一响应自动保存CPU状态以便将来重新启动自动转入中断处理程序 中断的引进 最初是为了实现外部设备和CPU的并行工作 但这一概念到后来被扩展了 现在 在系统中发生的需要处理机暂停正在执行的程序转而进行所要干预的所有事件 都要通过中断机构进行处理 33 1 4 3管态与目态管态也称核态或系统态 机器处于管态时程序可执行硬件所提供的全部指令 包括特权指令和非特全指令 通常操作系统程序在管态下运行 目态也称常态或用户态 机器处于目态时程序只能执行硬件机器指令系统的一个子集 即非特全指令集合 通常 用户程序在目态下运行 如果用户程序在目态执行特权指令 硬件将产生中断 由操作系统获得控制 特权指令的执行被制止 设置管态和目态的目的是赋予操作系统执行某些特殊指令的特权 以保证计算机系统的安全工作 1 4操作系统的硬件环境 管态和目态 34 1 4 4存储保护 1 界限寄存器界限寄存器方法是在CPU中设置一对界限寄存器 分别存放现行程序在内存中的下限地址和上限地址 每当执行访内操作时 硬件将自动检查被访问的内存地址是否处于寄存器所限定的地址范围内 若越出范围便产生地址越界中断 表示这是非法访问 只有操作系统可以访问全内存 操作系统的硬件环境 存储保护 35 2 存储保护键一些计算机系统将内存划分成若干定长的存储块 并赋予每个存储块一个附加的不在编址范围内的存储保护键 当有作业进入内存时 操作系统赋予它一个唯一的保护键码 并将分配给该作业的各存储块也置成同样的保护键码 当该作业被调度到CPU上执行时 操作系统同样将其保护键码置入现行PSW中 键 字段中 此后每当执行访内操作时 硬件将先检查该存储块的保护键码与现行PSW中键值是否匹配 若匹配才允许访问 36 1 5当前主流操作系统简介 1 5 1Windows操作系统Windows操作系统特点如下 1 具有丰富多彩的图形用户界面 以全新的图标 菜单和对话方式支持用户操作 使计算机的操作使用更加方便 容易 2 支持多任务运行 多任务之间可方便地切换和交换信息 3 充分利用了硬件的潜在功能 提供了虚拟存储功能等内存管理能力 4 提供了方便可靠的用户操作管理 如程序管理器 文件管理器 打印管理器 控制面板等操作 可完成文件 任务和设备的并行管理 37 1 5 2WindowsNT操作系统WindowsNT是Microsoft推出的可在个人机和其他各种CISC RISC芯片上运行的真正32位 多进程 多道作业的操作系统 并配置了廉价的网络和组网软件 应用程序阵容强大 NT即NewTechnology之意 WinNT主要是为客户机 服务器而设计的操作系统 它采用了抢占式多任务调度机制 preemptivemultitasking 每一应用系统能够访问2GB的虚拟存储器空间 建立在通用计算机代码Unicode UCS的子集 的基础上 38 1 5 3Linux操作系统UNIX操作系统是全球闻名的强功能的分时多用户多任务操作系统 UNIX系统是一种开放式的操作系统 它具有以下特点 1 它是一个真正的多用户 多任务的操作系统 也是一种著名的分时操作系统 2 具有短小精悍的系统内核和功能强大的核外程序 3 具有典型的树型结构的文件系统 并可建立可拆卸的文件子系统 4 具有良好的可移植性 便于系统开发和应用程序开发 5 虽然用户操作界面多采用命令行方式 但其强有力的SHELL编程环境 既成为命令解释工具 又成为一种编程语言 并具有X Window等强大的图形显示环境 39 1 5 4Linux操作系统Linux操作系统是UNIX操作系统在微机上的实现 它最早于1991年开发出来并在网上免费发行 Linux的开发得到了Internet上许多UNIX程序员和爱好者的帮助 可以说它是由一群自愿人员开发出来的操作系统 整个操作系统的设计是开放式的和功能式 它具有如下特点 Linux是一个完全多任务多用户操作系统 同时融合了网络操作系统的功能 2 Linux可支持各种类型的文件系统 Ext2文件系统已被设计为Linux专用 3 Linu