操作系统(01-02)

前言 本门课程的研究内容需要计算机完成指定任务的过程 用户向计算机发出指令将操作的结果返回给用户 操作系统按照用户的指令进行相应的工作 以完成规定的任务 前言 操作系统 课程主要研究操作系统是如何工作的 工作原理 而不是如何应用某一种操作系统 例如 执行某应用程序 发出指令 双击文件名 exe或从开始菜单选择操作系统按指令工作 原理 完成指定的功能 并将结果呈现给用户 操作系统 计划进度 总课时 86学时 理论教学68 上机18学时 第一章 操作系统5学时第二章 进程管理16学时第三章 处理机调度与死锁10学时第四章 存储器管理16学时第五章 设备管理8学时第六章 文件管理10学时第七章 操作系统接口2学时复习1学时 第一章操作系统引论 操作系统 OperatingSystem OS 计算机的组成 1 硬件子系统 主机 中央处理器CPU 内储器外设 外存 输入 输出设备 I O 第一章操作系统引论 2 软件子系统 系统软件 操作系统 编译系统支撑软件 数据库管理系统应用软件 根据用户需要而设计的软件 第一章操作系统引论 计算机系统的抽象视图 用户1 用户n 用户2 编译程序 编辑程序 数据库系统 操作系统 硬件 第一章操作系统引论 操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件 是对硬件的首次扩充 其他系统软件及应用软件都将依赖于操作系统的支持 操作系统在计算机系统中占据着重要地位 现代计算机系统 大 中 小及微型机 都必须配置操作系统 1 1操作系统的目标和作用 操作系统的目标方便性提供了一个计算机用户与计算机硬件系统之间的接口使计算机系统更易于使用 给用户提供一个方便的使用环境 1 1操作系统的目标和作用 有效性有效地控制和管理计算机系统中的各种硬件和软件 信息 数据 资源 使之得到更有效的利用合理地组织计算机的工作流程 从而进一步改善资源的利用率及提高系统的性能 1 1操作系统的目标和作用 方便性 有效性是设计操作系统时 最重要的两个目标 在过去 由于计算机系统昂贵 因而侧重于操作系统的有效性 而近年来由于硬件资源价格的下降 转而侧重于操作系统的方便性 1 1操作系统的目标和作用 可扩充性OS应采用层次化 模块化 结构便于增加新的功能层次和模块 并能修改老的功能层次和模块 操作系统具有良好的可扩充性 从而适应发展的要求 1 1操作系统的目标和作用 开放性操作系统的应用环境逐步由单机环境转向网络环境使来自不同厂家的计算机和设备能通过网络加以集成化 并能正确 有效地协同工作 实现应用的可移植性和互操作性必须有统一的开放环境 进而要求操作系统具有开放性 1 1操作系统的目标和作用 从不同的角度观操作系统的作用从一般用户的角度 OS作为用户与裸机之间接口 接口 计算机中能够起到承上启下作用的部件 可以是硬件 硬接口 也可以是软件 软接口 1 1操作系统的目标和作用 用户可通过三种方式使用计算机 1 命令方式 用户通过键盘输入由OS提供的一组联机命令 语言 来直接操纵计算机系统 UNIX系统 Dos系统 2 图形窗口方式 用户通过窗口上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序 如windows操作系统 1 1操作系统的目标和作用 3 系统调用方式 在程序中通过调用OS子功能请求操作系统服务 OS提供了一组定义好的 实现某功能的标准子过程 系统调用 例如 C语言中对文件操作 创建 打开 关闭等 的实现 都是通过系统调用实现的 1 1操作系统的目标和作用 图1 1OS作为接口的示意图 用户 应用程序 系统调用命令窗口图标 操作系统 计算机硬件 1 1操作系统的目标和作用 从资源管理角度 OS作为计算机系统资源的管理者计算机系统的资源 软件 处理机 内存 外存 I O设备硬件 数据和程序OS要对系统内的所有资源进行管理 目的是使资源得到充分利用 解决资源竞争 1 1操作系统的目标和作用 从OS本身 OS用作扩充机器裸机 未配置任何软件的计算机 用户无法使用 虚拟机 在裸机基础上 配备上系统软件构成的机器称为虚拟机 1 1操作系统的目标和作用 推动OS发展的主要动力不断提高计算机资源利用率 方便用户 器件的不断更新换代 计算机体系结构的不断发展 1 2操作系统的发展过程 操作系统的形成有40年的历史 20世纪50年代中期出现的第一个简单的单道批处理系统20世纪60年代中期的多道程序批处理系统不久出现了基于多道程序的分时系统 20世纪90年代则是微机OS 多处理机OS和网络OS的形成和大发展的年代 1 2操作系统的发展过程 无OS的计算机 从人工操作方式发展到脱机输入 出 off lineI O 方式 人工操作方式 工作步骤 将编写的程序和数据写在纸带上将纸带安装在纸带输入机上 1 2操作系统的发展过程 启动纸带输入机 低速设备 和计算机 将程序和数据送入内存CPU 高速设备 运行程序 计算后的结果写入内存将结果通过纸带输出机 低速设备 输出到纸带上取走纸带 1 2操作系统的发展过程 优点 用户独占主机资源用户可以方便的使用计算机的各种资源而不会出现因资源已被其他用户使用而等待的现象 缺点 CPU与I O设备之间速度不匹配 资源利用率低 CPU 人机矛盾 1 2操作系统的发展过程 脱 主 机输入 出 off lineI o 方式 示意图 输入机 外围机 输出机 主机 磁带 由专业人员将下一个程序装入主机内存 高速设备 工作步骤 脱 主 机输入 由机房人员将磁带上的作业装入内存脱 主 机输出 1 2操作系统的发展过程 特点 程序和数据的输入与输出都是在外围机的控制下完成的即脱离主机的情况下进行的 区别联机输入 输出方式 1 2操作系统的发展过程 优点 CPU从快速设备 磁带 上读取数据 因而缓解了CPU与I O速度不匹配问题 输入 输出是在脱离主机的情况下进行的 因而减少了CPU的空闲时间 在一定程度上缓和了人机矛盾 1 2操作系统的发展过程 单道批 量 处理系统 SimpleBatchProcessingSystem 基本概念 作业 用户要求OS一次完成的一项工作的集合 包括 程序 数据和作业说明书 一组命令 单道 在内存中存放的一个作业 批量 在磁带上存放的一批作业 系统吞吐量 系统在单位时间内所完成的总工作量 1 2操作系统的发展过程 输入机 外围机 输出机 主机 磁带 由监督程序按装入顺序将下一个程序装入主机内存 1 2操作系统的发展过程 系统配置监督程序 它的功能 将输入到磁带上的作业按顺序 每次调入内存一个 处理完再调下一个 形成自动处理 处理过程 将一批作业以脱机方式输入到磁带上 1 2操作系统的发展过程 在监督程序的控制下 先将磁带上的第一个作业装入内存把运行控制权交给装入的作业该作业处理完或出现错误时 把控制权交还给监督程序由监督程序把磁盘上的第二道作业调入内存 1 2操作系统的发展过程 单道批处理系统的特征 1 自动性 在顺利情况下 磁带上的一批作业能自动地逐个的执行 不需要人工干预 2 顺序性 正常情况下 作业进入内存的顺序与作业完成的顺序是一致的 3 单道性 内存中仅有一道程序在运行 该程序运行完后 才调入下一道程序 1 2操作系统的发展过程 单道批处理系统小结 引入批处理系统的目的 是为了提高资源的利用率 从而提高系统的吞吐量 单道批处理系统 只能有一个作业在内存中运行 因此 资源的利用率不是很高 1 2操作系统的发展过程 多道批处理系统 MultiprogrammedBatchProcessingSystem 产生的主要原因 提高资源的利用率 多道 在内存中可同时存放多个作业 它们共享系统中的软 硬件资源 1 2操作系统的发展过程 工作过程 将用户所提交的作业先存放在外存 磁带 上 形成后备队列 批量 由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存 1 2操作系统的发展过程 内存中的多道程序 交替执行 共享系统中的各种硬 软件资源 当一道程序因I O请求而暂停执行时 CPU便立即转去执行另一道程序 使CPU得到充分利用 同时还可以改善I O设备和内存的利用率 1 2操作系统的发展过程 多道程序设计提高了资源的利用率 举例说明 实质 宏观上 时间段 多个作业同时执行微观上 时间点 多个作业交替执行 1 当一道程序因I O请求而暂停执行时 CPU便立即转去执行另一道程序 使CPU得到充分利用 2 内存中可同时存放多个作业 因此提高了内存的利用率 3 若系统有多个执行打印的进程 则系统中的多台打印机能充分利用 1 2操作系统的发展过程 引入多道程序设计的好处 1 提高CPU的利用率 2 可改善内存利用率 3 提高输入 输出设备的利用率 4 增加系统吞吐量说明 引入多道程序设计虽然提高了资源的使用效率 但对具体一个程序的执