第2章 计算机操作系统概述ppt课件.ppt

1 1存储程序式计算机1 2操作系统的发展历史1 3操作系统的基本概念1 4操作系统的逻辑模型1 5微机操作系统 第1章计算机操作系统概述 操作系统的作用操作系统的发展操作系统的特征与功能多道程序设计的概念操作系统的模型 本章学习目标 返回首页 1 1 1存储程序式计算机的结构与特点1 1 2作为扩展计算机功能的操作系统1 1 3作为资源管理的操作系统 1 1存储程序式计算机 返回首页 存储程序式计算机模型的基本方案是 如要使计算机能够自动地计算 必须有一个存储器用来存储程序和数据 同时要有一个运算器 用以执行指定的操作 有一个控制器 以便实现自动操作 另外 辅以输入 输出部件 以便输入原始数据和输出计算结果 于是形成了现代计算机的基本组成形式 如图1 1所示 1 1 1存储程序式计算机的结构与特点 返回本节 一台完全无软件的计算机系统称为裸机 即便其性能再强 相对于用户来讲 如果要面对计算机的指令集 存储组织 I O总线结构的编程则是十分困难的 对于一般程序员也并不想涉足硬件编程的种种具体细节 而希望针对数据结构抽象地使用硬件 如果我们在裸机上覆盖一层I O设备管理软件 用户便可以利用这层I O设备管理软件提供给用户的接口来进行数据的输入和输出 那么用户此时看到的计算机是一台功能强大 使用方便的计算机 但实际上 计算机的硬件丝毫没有变化 这样的计算机称为软件扩充的机器 或称软件虚拟机 1 1 2作为扩展计算机功能的操作系统 OS作为硬件系统和应用程序间的界面具有如下功能 程序创建 程序执行 I O设备的访问 控制对文件的访问 系统访问 查错和纠错 簿记 10 返回本节 从作为机器功能扩充的观点看 操作系统是为用户提供基本的方便的接口 这是一种自顶向下的观点或是自内向外的观点 但是从用户向机器的观点或自底向上的观点来看 操作系统则用来管理一个复杂计算机系统的各个部分 现代计算机包含处理器 存储器 时钟 磁盘 终端 网络接口 打印机以及许多其他设备 从这个角度来看 操作系统的任务是在相互竞争的程序之间有序地控制对处理器 存储器以及其他I O接口设备的分配 1 1 3作为资源管理的操作系统 作为资源管理器的操作系统 12 返回本节 1 2 1无操作系统的计算机1 2 2单道批处理系统与多道批处理系统及执行系统1 2 3分时系统1 2 4实时系统1 2 5网络操作系统与分布式操作系统 1 2操作系统的发展历史 返回首页 操作系统发展至今已有四十多年 设计操作系统主要有两个目的 第一 为程序的开发和执行提供一个方便的环境 第二 为保证计算机系统顺利执行 操作系统对各个计算活动进行调度 14 人工操作方式有以下两个缺点 1 用户独占全部计算机系统资源 2 CPU等待人工操作 用户进行装带 卡 卸带 卡 等人工操作时 CPU这个系统最重要的资源空闲 1 2 1无操作系统的计算机 图1 2手工操作计算机 16 运算速度 5000次 每秒 18000个真空管 占地182平方米 重量130吨 功耗140kW 最早的计算机 从20世纪40年代末到50年代中期 程序员直接与硬件接触 根本没有OS 计算机运行在一个集成了指示器 各种开关 一些输入设备以及一个打印机的控制台之上 早期的这种系统存在两个问题 1 上机安排 2 启动时间 返回本节 所谓批处理系统是指加载在计算机上的一个系统软件 在它的控制下 计算机能够自动地成批地处理一个或多个用户的作业 首先出现的是监督程序控制的联机批处理系统 如图1 3所示 脱机批处理系统控制作业的输入 输出过程是 利用一台或多台卫星机或微机进行输入输出程序和数据 把用户程序集中到一起 让它们从输入机上读取用户程序 并输出到磁带上 主机空闲时从输入磁带机上取作业运行 并把结果输出到高速输出磁带机上 当微机或卫星机空闲时 再控制向慢速外设上输出 1 2 2单道批处理系统与多道批处理系统及执行系统 图1 3联机处理系统 监督程序控制减少人工操作 20 卡片 早期批处理系统 IBM1401 IBM7094 IBM1401 输入磁带 磁带机 卡片阅读机 输出磁带 打印机 图1 4脱机批处理系统 批处理系统虽然实现了作业的自动选择 作业的缓输入与缓输出 但也有很多缺点 例如 为了实现主机与外设的并行操作 引入了卫星机或微机专门负责I O操作 当主机与高速外存通讯时 其过程仍由主机控制 所谓中断是指当主机接到外界硬件发来的中断信号时 停止原来的工作 转去处理中断的事件 在处理中断完成以后 主机又回到原来的工作点继续工作 这样可以使用户程序的I O申请完成后 主机能自动在原中断点之后继续运行 同时为多道程序并发执行打下了基础 用户将作业交到机房 操作员将一批作业输入到辅存 如磁盘 上 形成一个作业队列 当需要调入作业时 管理程序从这一批中选几道作业调入内存 让它们进入内存运行 当一些作业完成时 管理程序调入另一些程序 直到这一批作业全部完成 批处理系统的工作流程 在单道批处理系统中 内存中仅有一道作业 中断和通道技术出现以后 虽然可以实现输入 输出设备与中央处理机并行操作 但由于属于同一道作业的可并发执行的进程不多 大多数进程是有同步关系的 这使系统中仍有较多的空闲资源 致使系统的性能较差 为了进一步提高资源的利用率和系统对作业的吞吐量 在20世纪60年代中期 引入了多道程序设计技术 由此而形成了多道批处理系统 单道程序与多道程序的执行过程如图1 5和图1 6所示 图1 5单道程序工作过程示意 图1 6多道程序执行过程示意 多道程序设计和虚拟处理机 设在内存中有三道程序A B和C 并按A B C的优先次序执行 其内部计算和I O操作的时间如下表所示 要求 1 试画出按多道程序运行的时间关系图 调度程序的执行时间忽略不计 完成这三道程序共花多少时间 比单道程序运行节省多少时间 2 若处理调度程序每次进行程序状态转换的时间为1ms 试画出在处理机调度程序管理下各程序状态转换的时间关系图 若采用多道方式运行 多个通道 这三道程序 其程序运行时间关系如图1 3 c 所示 总运行时间为 30 40 10 20 20 40 20 180ms 比单道可节省260 180 80ms 2 若处理调度程序每次进行程序状态转换的时间为1ms 其程序运行时间关系如图1 3 d 所示 这三道程序的总运行时间为 30 1 40 1 10 1 20 1 20 1 40 1 20 186ms 多道程序设计的实现须解决的问题 存储保护与程序重定位处理机管理和调度系统资源的管理和调度 多道程序设计的特点 多道 宏观上并行 微观上串行 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 2 无序性 3 宏观上并行 微观上串行 4 调度性 返回本节 分时技术是把处理机的时间分成很短的时间片 这些时间片轮流地分配给各个联机的各作业使用 如果某作业在分配给它的时间片用完时仍未完成 则该作业就暂时中断 等待下一轮运行 并把处理机的控制权让给另一个作业使用 这样在一个相对较短的时间间隔内 每个用户作业都能得到快速响应 以实现人机交互 1 2 3分时系统 分时系统图示 分时系统的响应时间 是指终端用户发出一条命令到系统处理完这条命令并作出回答所需的时间 T NQ 分时系统与多道批处理系统相比 具有完全不同的特征 由上所述可以归纳成以下几点 1 多路性 允许在一台主机上同时联接多台联机终端 系统按分时原则为每个用户服务 2 独立性 每个用户各占一个终端 彼此独立操作 互不干扰 3 及时性 用户的请求能在很短时间内获得响应 4 交互性 用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话 操作系统的形成标志是多道程序和分时系统 多道程序设计 是指同时把若干个作业存放在内存中 并且同时处于执行过程中 分时系统 在一台计算机上 连接若干个终端 用户通过这些联机终端设备采用交互方式把他的程序和数据输入到计算机中 并控制程序的执行 操作系统的形成阶段 返回本节 1 实时操作系统的分类2 实时操作系统的主要目标 1 2 4实时系统 实时控制实时控制系统的主要特点是 与被控制过程的变化速度相比 其反应速度要足够快 工作安全可靠 即使系统硬件发生故障 系统也能安全运行 操作人员使用系统也简单 方便 实时信息处理典型的实时信息处理系统有 飞机订票系统 情报检索系统等 1 实时操作系统的分类 实时系统特点 专用性实时性在线性高可靠性 实时系统与分时系统的区别 系统的设计目标不同交互性的强弱不同响应时间长短不同 1 实时时钟管理 2 连续人机对话 3 过载防护 4 高可靠性 2 实时操作系统的主要目标 返回本节 到20世纪80年代 随着超大规模集成电路的发展产生了微型计算机 配置在微机上的操作系统称为微机操作系统 最早出现的微机操作系统是8位微机上的CP M 它是一个单用户单任务操作系统 即只允许一个用户上机 且只允许用户程序作为一个任务运行 1981年IBM公司推出16位的IBM PC个人计算机 并在其上采用了微软公司开发的MS DOS操作系统 1 2 5网络操作系统与分布式操作系统 1987年4月 IBM公司推出了OS 2 其最初的版本OS 21 X是针对80286开发的 仍属16位操作系统 但已能实现真正的多任务处理 1990年微软公司推出Windows3 0 其友好的图形用户界面及易学易用的特点使其很快占领了个人计算机操作系统的市场 1995年推出的Windows95及1998年推出的Windows98成为32位多任务操作系统的主流 WindowsXP Vista Windows7 网络操作系统 计算机网络操作系统的模式 客户 服务器模式 Client Server 网络中的各个站点可以分为两大类 服务器 为客户提供服务如文件服务 打印服务 数据库服务等客户机 用户通过客户机访问服务器对等模式 Peer to Peer 各个站点是对等的 它既可作为客户也可作为服务 分布式操作系统 在以往的系统中 其处理和控制功能都高度集中在一台主机上 所有的任务都由主机处理 这样的系统称为集中式处理系统 所谓分布式系统 是指由多个分散的处理单元经网络的连接而形成的系统 在分布式处理系统中 系统的处理和控制功能都分散在系统的各个处理单元上 系统中的所有任务可以动态地分配到各个处理单元中去 如果允许多个用户通过各自的终端 使用同一台主机共享主机系统中的各类资源 而每个用户程序又可进一步分为几个任务 使它们并发执行 从而进一步提高资源利用率和系统吞吐量 则这种操作系统称多为用户多任务操作系统 在大 中 小型计算机上都可以配置多用户多任务操作系统 在32位微机上也有很多配置多用户多任务操作系统 最有代表性的是UNIX操作系统 计算机技术和通讯技术的结合使得微机用户资源共享及相互通信的愿望成为可能 即在一台计算机上可以使用其他机器上的资源或进行通信 这样计算机网络的概念得以产生 一些独立自治的计算机利用通信线路相互连接形成的计算机的集合 称为计算机网络 大量的实际应用要求一个一体化的系统 用户希望以统一的界面 标准的接口去使用系统的各种资源 实现所需的各种操作 这就导致了分布式系统的出现 一个分布式系统是若干计算机的集合 它们都有自己的局部存储器和外部设备 但分布式系统是一个一体化的系统 在系统中有一个全局操作系统 即分布式操作系统 它负责整个系统的资源分配和调度 任务划分 信息传输 控制协调等工作 为用户提供一个统一的界面 标准的接口 用户通过这一界面实现所需的操作和使用系统的资源 但操作和计算是在哪一台计算机上执行或使用哪个计算机的资源则由操作系统自动完成 用户不用知道 即分布式操作系统是透明的 返回本节 1 3 1操作系统的定义1 3 2操作系统的基本功能1 3 3操作系统的特征 1 3操作系统的基本概念 返回首页 操作系统在计算机中的地位 操作系统的宗旨和特点 方便用户提高资源利用率 操作系统是一个大型的程序系统 它负责计算机的全部软 硬件资源的分配 调度工作 控制协调多个任务的活动 实现信息的存取保护 并提供用户接口 使用户获得良好的工作环境 操作系统使整个计算机系统实现了高效率和高度自动化 1 3 1操作系统的定义 计算机系统拥有丰富的硬件 软件资源 操作系统要对这些资源进行管理 在一般微机上配置单用户操作系统 管理CPU 内存 打印机 键盘 显示器 软盘及硬盘驱动器 程序和数据 其目的是让用户方便地使用系统资源解决计算任务 如让打印机打印计算结果 从键盘输入数据 在软盘上建立文件等 而在较大型机器上配置多用户操作系统其资源管理的功能就要复杂得多 因为多个用户共用一个系统 会产生资源共享的问题 即资源的竞争使用 返回本节 1 存储器管理的功能2 处理机管理的功能3 设备管理的功能4 文件管理的功能 1 3 2操作系统的基本功能 内存分配内存分配的主要任务是为每道程序分配内存空间 但要以存储器利用率最高 减少不可用的内存空间为准则 同时允许正在运行的程序申请附加的内存空间 以适应程序和数据动态增长的需要 内存保护内存保护的主要任务是确保每道用户程序在自己的内存空间中运行 互不干扰 也就是说绝不允许用户程序访问操作系统和其他用户的程序和数据 1 存储器管理的功能 地址映射一个应用程序经编译后 通常会形成若干个目标程序 这些目标程序再经过链接而形成可执行程序 内存扩充由于物理内存的容量有限 难以满足用户的需要 存储器管理的任务就是在不增加物理内存的条件下 借助于虚拟内存技术从逻辑上去扩充内存容量 使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多 处理机管理的主要任务是对处理机进行分配 并对其运行进行有效的控制和管理 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 所以对处理机的管理可理解为对进程的管理 进程控制进程同步进程通信调度 2 处理机管理的功能 缓冲管理为达到缓解CPU和I O设备速度不匹配的矛盾 达到提高CPU和I O设备利用率 提高系统吞吐量的目的 许多操作系统通过设置缓冲区的办法来实现 设备分配设备分配的基本任务是根据用户的I O请求 为他们分配所需的设备 如果在I O设备和CPU之间还存在设备控制器和通道 则还需为分配出去的设备分配相应的控制器和通道 3 设备管理的功能 设备处理设备处理程序又称设备驱动程序 其基本任务是实现CPU和设备控制器之间的通信 设备独立性和虚拟设备用户向系统申请和使用的设备与实际操作的设备无关 文件存储空间的管理目录管理文件的操作 4 文件管理的功能 返回本节 1 并发特征 Concurrence 2 共享特征 Sharing 3 虚拟特征 Virtual 4 不确定性 1 3 3操作系统的特征 1 并发特征 Concurrence 并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生 2 共享特征 Sharing 共享是指系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用 3 虚拟特征 Virtual 虚拟是指将一个物理的实体映射为若干个逻辑实体 4 不确定性第一 程序执行结果的不确定 程序执行结果的不可再现 第二 多道程序设计环境下 每道程序在何时执行 各自执行的程序以及每道程序所需的时间是不确定的 也是不可预知 返回本节 1 操作系统的对象2 操作系统对象操纵和管理的软件集合3 用户接口 1 4操作系统的逻辑模型 返回首页 图1 7操作系统的逻辑结构 1 命令接口 这是用户与操作系统直接的接口 用户可以直接从键盘等终端设备输入命令来取得操作系统的服务 2 程序接口 这是应用程序与操作系统的接口 用户通过在程序中安排系统调用 让程序取得操作系统的服务 3 图形用户接口 目前流行的操作系统普遍配置了更为直观的图形用户接口 将操作系统的各项功能及各种应用程序以图标的形式表示出来 利用鼠标进行操作 这样使用户对计算机的操作更为直观 简单方便 用户接口 返回本节 1 5 1DOS操作系统1 5 2MS Windows操作系统1 5 3UNIX操作系统 1 5微机操作系统 返回首页 1981年IBM公司首次推出IBM PC个人计算机 在微机中采用了微软公司开发的MS DOS操作系统 该操作系统在8位计算机操作系统CP M的基础上进行了较大的扩充 增加了许多内部和外部命令 使该操作系统具有较强的功能及性能优良的文件系统 随着IBM PC及其兼容机的普及和畅销 MS DOS操作系统也就成了事实上的16位微机单用户单任务操作系统的标准 1 5 1DOS操作系统 返回本节 1990年微软公司推出的Windows3 0以其易学易用 友好的图形用户界面 支持多任务的优点 很快占领了市场 1992年推出的Windows3 1版 提供386增强模式 提高了运行速度 功能也更强大 1993年推出WindowsNT是一个全新的32位多任务操作系统 成为Windows家族中功能最强并支持网络功能的操作系统 之后在Windows95的基础上又推出Windows97 98 提供了Internet浏缆器和网络功能 使它们成了当今个人计算机上最广泛使用的操作系统 商用NT系列 嵌入式OS 家用 商用 1 5 2MS Windows操作系统 返回本节 UNIX操作系统是美国电报电话公司的Bell实验室开发的 至今已有20多年的历史 它最初是配置在DEC公司的PDP小型机上 后来在微机亦可使用 UNIX操作系统是唯一能在微机工作站 小型机到大型机上都能运行的操作系统 也是当今世界最流行的多用户 多任务操作系统 1 5 3UNIX操作系统 返回本节 本章描述了操作系统的基本概貌 重点介绍操作系统的定义及操作系统对系统资源的管理功能和操作系统的特征 阐述了多道程序设计技术和分时技术 并说明了批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统 网络操作系统 分布式操作系统的特点及使用场合 本章小结 返回首页 1 计算机的操作系统是一种 b A 应用软件B 系统软件C 工具软件D 字表处理软件2 UNIX属于一种 a 操作系统 A 分时系统B 批处理系统C 实时系统D 分布式系统3 操作系统是一组 c 程序 A 文件管理B 中断处理C 资源管理D 设备管理 习题 4 下里四个操作系统中 是分时系统的为 c A CP MB MS DOSC UNIXD WINDOWSNT5 批处理系统的主要缺点是 b A CPU的利用率不高B 失去了交互性C 不具备并行性D 以上都不是6 DOS操作系统主要功能是 a A 文件管理程序B 中断处理程序C 作业管理程序D 打印管理程序7 计算机操作系统的功能是 d A 把源程序代码转换为标准代码B 实现计算机用户之间的相互交流C 完成计算机硬件与软件之间的转换D 控制 管理计算机系统的资源和程序的执行 8 在分时系统中 时间片一定时 b 响应时间越长 A 内存越