第一章-操作系统概述 PPT课件

操作系统教程 Linux实例分析 面向21世纪高等学校计算机类专业系列教材 计算机科学与技术学院 1 信息技术已经成为当前世界经济发展的重要驱动力 其中 软件是人类知识的固化 是知识经济的基本表征 计算机操作系统正是一种技术含量大 附加值高的软件 是整个软件系统的核心 操作系统是计算机系统中各种资源管理者 指挥者 是电脑的核心和灵魂 使整个计算机系统协调一致工作 本课程主要解答下列问题 操作系统要做什么 怎么做 为什么要这么做 这门课程主要是讲什么的 2 第1章操作系统概述 1 1操作系统的概念1 2操作系统的主要功能1 3操作系统的发展历程1 4操作系统的类型1 5操作系统的特征1 6Linux概述 3 计算机系统由硬件和软件组成操作系统在硬件基础上的第一层软件是其他软件和硬件之间的接口 OS和软硬件的层次关系图 硬件 系统本身和应用程序的物质基础 裸机环境下要用机器语言编写程序 使用者自己驱动 控制和管理硬件 效率低 Windows Linux Unix 1 1操作系统的概念 P1图1 1 4 系统资源 操作系统是一组控制和管理计算机系统资源的程序集合 它合理地组织多道程序运行 是用户与计算机之间的接口 包括 计算机系统所具有的所有硬件设备及软件设施 中央处理机 存储器 I O设备 程序及数据 基本概念 5 从一般用户的观点从资源管理观点 可把操作系统看作是用户与计算机硬件之间的接口 可把操作系统视为计算机系统资源的管理者 操作系统的作用 6 方便性有效性可扩充性开放性 操作系统为用户提供良好的 一致的用户接口 用户按需要输入命令 操作系统按命令去控制程序的执行 用户也可以在程序中调用操作系统的功能模块完成相应服务 而不必了解硬件的物理特性 有效地管理和分配硬件 软件资源 合理地组织计算机的工作流程 提高系统工作效率 为满足计算机硬件与体系结构的发展以及应用不断扩大的要求 操作系统应能方便地扩展新的功能 指的是产品和技术之间相互连接和协作的能力 无论是硬件还是软件范筹 开放性接口都已成为一种明确的或实际的行业标准 设想让你设计一种操作系统 需要考虑的基本设计目标是什么 7 第一章操作系统概述 1 2操作系统的主要功能 8 操作系统是计算机系统的资源管理者 计算机系统中 分配给用户使用的各种硬件和软件设施总称为资源 资源管理的目的 实现资源共享提高资源利用率 9 操作系统的功能主要包括 处理机管理存储管理设备管理文件管理网络管理用户接口 10 1 处理机管理 1 进程控制 2 进程同步 3 进程调度 4 进程通信 5 进程死锁 包括处理机资源的分配 调度等功能 而处理机的调度单位为进程 对处理器的管理和调度最终归结为 对进程的管理和调度 第二章 第七章 11 2 存储管理 主要任务是为多道程序运行提供有力的支撑 便于用户使用存储资源 提高存储空间的利用率 1 存储分配 根据用户程序需要 分配存储资源 当程序运行结束时 回收存储资源 2 存储共享 让多个用户程序实现存储资源的共享 以提高存储器的利用率 3 地址转换与存储保护 把用户的逻辑地址转换成物理地址 同时保证各个用户程序相互隔离起来互不干扰 保护系统和用户程序在存储器中的信息不被破坏 4 存储扩充 从逻辑上扩充内存 把内存和外存混合起来使用 提供一个比内存实际容量大得多的逻辑编程空间 12 3 设备管理 管理各类外围设备 完成用户提出的I O请求 提高I O设备的利用率 以及提供每种设备的设备驱动程序和中断处理程序 为用户隐蔽硬件细节 提供方便 简单的设备使用方法 主要功能包括 1 提供I O设备的控制与处理 2 提供缓冲区的管理 3 提供设备独立性 4 外围设备的分配和分配策略 5 实现共享型I O设备的驱动调度 6 实现虚拟设备 13 4 文件管理 文件是一种软件资源 包括程序和数据 它们以文件的形式存放以长期保存 文件管理的主要功能包括 1 提供文件逻辑组织方法 2 提供文件物理组织方法 3 提供文件存取方法 4 提供文件使用方法 5 实现文件的目录管理 6 实现文件的共享和存取控制 7 实现文件的存储空间管理 14 5 网络管理 主要功能包括 1 网上资源管理功能 计算机网络的主要目的之一是共享资源 网络操作系统应实现网上资源的共享 管理用户对资源的访问 保证信息资源的安全性和完整性 2 数据通信管理功能 计算机联网后 结点之间可以互相传送数据 按照通信协议的规定 完成网络上计算机之间的信息传送 3 网络管理功能 包括 故障管理 安全管理 性能管理 配置管理等 15 6 用户接口 包括两大类 程序接口和操作接口 用户通过这些接口能方便地调用操作系统功能 有效地组织作业及其工作和处理流程 并使整个系统能高效地运行 16 第一章操作系统概述 1 3操作系统的发展历程 1 硬件的发展 2 操作系统的发展 17 1 硬件发展轨迹 18 19 1 手工操作阶段 诞生 20世纪50年代中期 无操作系统的计算机系统 程序员直接面对硬件 必须懂得机器语言 使用计算机需要提前预约 分配运行的时间内程序和机器若出现问题 则被强行停止 CPU被独占 等待人工的串行操作 20 2 早期批处理阶段 1955 1965 程序员无需直接面对硬件 开发了Fortran语言 汇编语言 20世纪50年代中期 人类历史上第一个操作系统 GeneralMotors开发了第一个简单的批处理操作系统 此后 不同的厂商对此版本不断完善 操作人员将用户的作业分为若干批次 拷贝并安装在输入设备磁带上 开机后运行一个常驻内存的监控程序 一次读入并执行每个作业 每个作业执行完后输出到磁带上 最后全部结束后 操作人员取出磁带打印结果 21 3 多道程序系统阶段 1965 1980 在通道技术和中断技术的支持下 产生了多道程序设计技术 多道程序设计是指允许多个程序同时进入内存 进行交替计算 22 单道程序 内存中仅有单个程序在运行 致使系统中仍有许多资源空闲 设备利用率低 系统性能较差 单道程序工作示例 23 多道程序 为提高CPU的利用率 提高系统的并行性 现代计算机系统都采用了多道程序设计技术 24 多道运行的特征是 1 内存中同时存放几道相互独立的程序 2 宏观上并行同时进入系统的几道程序都处于运行过程中 即它们先后开始了各自运行 但都未运行完毕 3 微观上串行 从微观上看 内存中的多道程序轮流地占用处理机 交替执行 25 多道程序系统使得程序运行更加自动化 在多道程序系统出现不久就出现了分时系统 多道程序和分时系统的出现 标志着操作系统的正式形成 随着计算机网络和多机系统的出现 近年来又发展了网络操作系统和分布式操作系统 26 1 4操作系统的类型 在不同的应用领域 人们对计算机的使用规模 性能等的需求不尽相同 因此 出现了不同类型的操作系统 如 功能强大 价格昂贵的大型计算机 功能集中 价格便宜的微机 根据操作系统使用的环境 以及对任务的处理方式 可以将其分为以下几种类型 27 将作业成批装入计算机 由操作系统将按某种调度算法选择一道或几道作业装入内存运行 目标主要是 提高资源利用率与系统的吞吐量 单位时间内完成作业的数量 分为单道批处理系统和多道批处理系统两种 1 4 1批处理系统 28 第一章操作系统概述 作业 批处理系统的特征 成批 计算机系统可同时接纳多个用户的作业 脱机工作 用户不需与计算机进行交流 为了使用户方便使用计算机完成工作 用户将要完成的任务以作业的形式提交给计算机 操作系统就会自动安排完成 29 1 单道批处理系统 作业是按批量顺序进入内存 每次只有一道作业在内存中运行 内存中 操作系统 一道用户作业 1 单道性 监督程序每次只从磁带上装入一道作业到内存中运行 程序运行结束或出现异常才装入其后的作业运行 2 顺序性 磁带上的一批作业按顺序装入内存执行 3 自动性 一批作业在监督程序的管理下自动执行 无须人工干预 30 2 多道批处理系统 内存中 操作系统 多道用户作业以及用户的控制命令 描述对作业每一步运行的具体安排 根据一定的调度策略 从磁盘中的作业队列中 选择若干个调入内存 用户不能直接干预作业的运行 即 脱机工作方式 31 多道批处理系统与单道批处理系统相比 具有以下三个特征 1 多道性 内存中同时装入多个作业并发执行 以充分利用系统资源 2 调度性 在外存后备队列中的多个作业 哪些装入内存 由作业调度程序按一定的策略来调度 作业装入内存并创建进程后 再由进程调度程序分配处理器 3 无序性 与单道批处理系统不同 在内存中的多个作业的执行次序 完成时间都与进入内存的先后顺序没有直接的对应关系 32 第一章操作系统概述 1 4 2分时系统 分时系统的特征 同时性 若干用户可同时上机使用计算机系统 交互性 用户能方便地与系统进行人机对话 及时性 用户能在很短时间内得到系统的响应 每个用户通过自己使用的终端 采用人机对话的方式控制自己的程序运行 一台计算机可同时为多个终端用户服务 系统将处理机分成时间片 为每个终端用户服务 P10图1 2 独立性 每个用户各自独立的工作 33 实时 是指对随机发生的外部事件作出及时的响应和处理 外部事件是指来自与计算机系统相连接的设备所提出的服务要求 而不是由人来启动和直接干预而引起的 主要特点是响应及时和可靠性高 设计目标是对特定的输入作出及时响应 并在规定的时间内完成对该事件的处理 1 4 3实时系统 34 实时系统通常包括实时过程控制和实时信息处理两种系统 1 实时过程控制系统 在这类应用中要求计算机系统实时采集被测量系统数据 并对其及时进行加工处理及输出 2 实时信息处理系统 在这类应用中要求计算机系统能对用户的服务请求及时作出回答 并能及时修改 处理系统中的数据 35 1 4 4通用操作系统 1 4 5网络操作系统 1 4 6分布式操作系统 36 第一章操作系统概述 1 5操作系统的特征 37 在计算机系统中同时存在多个程序 宏观上 这些程序是同时在执行的微观上 任何时刻只有一个程序在执行即微观上这些程序在CPU上轮流执行 1 并发性 并发执行的好处是 能够使CPU与外设同时并行执行 提高了资源的利用率 弊端在于 导致共享资源的矛盾 还带来诸如 程序执行过程的中断 同一程序在不同硬件上的调度转换 同一CPU上不同程序的现场切换 存储保护 以及合作进程如何同步等问题 并发性是指两个或两事件或活动在同一时间间隔内发生 38 并行 Parallel 同一时刻 两个事物均处于活动状态 并发 Concurrency 宏观上存在并行特征 微观上存在顺序性 同一时刻 只有一个事物处于活动状态 判断以下说法是否正确 程序A和程序B可以并发地运行 CPU和I O设备可以并行地运行 39 2 共享性 共享性和并发性是操作系统两个最基本的特性 它们互为依存 一方面 资源的共享是因为程序的并发执行而引起的 若系统不允许程序并发执行 自然也就不存在资源共享问题 另一方面 若系统不能对资源共享实施有效管理 必然会影响到程序的并发执行 甚至程序无法并发执行 操作系统也就失去了并发性 指计算机系统中的资源可被多个并发执行的程序共同使用 40 3 不确定性 为了实现并发与共享 操作系统必须有能力随时响应和正确处理各种随机事件 不是事先规定各种事件何时发生 而是事先安排好对各种可能事件的处理 不论这些事件何时 以何种次序以及何种组合方式发生 这就是操作系统的不确定性 不确定性是并发与共享的必然结果 系统事件 运行 I O等 的发生是具有随机性和不确定性 在多道程序并发执行的环境中 各程序之间存在直接或间接的联系 程序的推进速度会受到运行环境的影响 41 虚拟是指物理上没有提供 但是逻辑上却具备的功能 在用户看来好像是物理上原来就具有的功能一样 采用虚拟技术的目的是为了提高