第1章——计算机操作系统概述

2020 4 17 1 第1章计算机操作系统概述 1 1操作系统概念1 2操作系统的发展过程1 3操作系统的特征与功能1 4操作系统的结构设计微机操作系统 自学 研究操作系统的几种观点 开始 2020 4 17 2 1 1操作系统概念 1 1 1系统概述1 1 2什么是操作系统 2020 4 17 3 1 1 1系统概述 计算机系统的组成 硬件和软件计算机硬件 2020 4 17 4 计算机软件系统软件操作系统语言处理程序DBMS支持软件应用软件程序库套装软件用户程序 2020 4 17 5 系统概述 硬件与软件及软件之间的关系关系 层次结构的关系 2020 4 17 6 系统概述 软件是在硬件基础之上用来扩充和完善硬件功能 一部分软件的运行要以另一部分软件的存在作为基础 并为其提供一定的运行条件 一个裸机在每加上去一层软件后 就变成了一个功能更强的机器 我们通常把这 新的更强功能的机器 称为 虚拟机 返回本节 2020 4 17 7 1 1 2什么是操作系统 操作系统的定义一个系统软件 程序模块的集合 有效管理和控制系统资源 合理地组织计算机工作流程 为用户提供一个友好的工作环境和方便的接口 2020 4 17 8 操作系统的目标 方便性使计算机系统使用方便 人机界面 有效性各类资源的利用率和系统吞吐量可扩充性便于修改和增加功能 如何设计 开放性系统能支持世界标准规范 2020 4 17 9 操作系统的作用 作为用户与计算机硬件系统之间的接口系统管理员 系统资源的管理者用户 提供使用计算机更好的接口和服务发展 给计算机系统的功能扩展提供支撑平台作为计算机资源的管理者用作扩充机器 返回本节 2020 4 17 10 作为用户与计算机硬件系统之间的接口 计算机硬件 操作系统 系统调用 命令 图标 窗口 应用程序及实用程序 系统设计者 程序员 用户 2020 4 17 11 1 2操作系统的发展过程 1 2 1无操作系统的计算机1 2 2单道批处理系统1 2 3多道批处理系统1 2 4分时系统1 2 5实时系统1 2 6其他操作系统 返回本章首页 2020 4 17 12 1 2 1无操作系统的计算机 人工操作方式如纸带输入机 特点是用户独占全机及CPU等待人工操作 过程 图1 2手工操作计算机 2020 4 17 13 脱机I O方式 图1 2 引入I O机的概念 解决前者的缺点 特点是减少了CPU的空闲时间且提高I O速度 1 2 1无操作系统的计算机 输入设备 外围机 磁盘 磁盘 磁盘 主机 磁盘 外围机 输出设备 2020 4 17 14 1 2 2单道批处理 20世纪50年代中期 GeneralMotors第一个操作系统 运行于IBM701机上 批处理系统的定义操作员把用户提交的作业分类 把一批作业编成一个作业执行序列 由专门编制的监督程序自动执行 处理过程图1 3特点 2020 4 17 15 1 2 3多道批处理系统 在单道批处理系统中 每次只调用一个用户作业程序进入内存并运行 多道程序 Multiprogramming 硬件要求中断通道单道程序与多道程序的执行过程如图1 5和图1 6所示 下一页 2020 4 17 16 用户程序 监督程序 I O操作 I O中断请求 启动I O I O完成 结束中断 I O中断请求 启动I O I O完成 结束中断 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 a 单道程序运行情况 2020 4 17 17 程序A 调度程序 I O请求 b 四道程序运行情况 程序B 程序C 程序D I O请求 I O请求 I O请求 I O完成 I O完成 I O完成 A完成 表示获得CPU C再运行 2020 4 17 18 多道批处理系统特征 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 2020 4 17 19 1 2 4分时系统 分时系统的产生用户需求人机交互共享主机方便用户使用概念 指一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端 同时允许多个用户共享主机中的资源 各个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机 2020 4 17 20 1 2 4分时系统 分时技术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 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 2020 4 17 21 分时系统 定义多个用户分享使用同一台计算机 时间将CPU整个工作时间分成一个个时间段 每个用户依次地轮流使用 特征 1 多路性 若干个终端用户可同时使用计算机 2 独立性 用户彼此独立 互不干扰 3 及时性 用户的请求能在较短时间内得到响应 4 交互性 进行人 机对话 2020 4 17 22 分时OS的目标 追求的目标交互性和及时响应衡量的指标响应时间 系统对一个输入的反应时间 返回本节 2020 4 17 23 1 2 5实时系统 引入要求及时处理的场合实时系统定义系统能及时响应外部事件的请求 在规定时间内完成对该事件的处理 类型实时控制实时信息处理 2020 4 17 24 实时任务的类型 对系统时间响应性能的要求硬实时系统 严格时间内完成 软实时系统 偶尔超时限完成 数字音频 视频 音频处理 2020 4 17 25 1 2 6其他操作系统 1 通用操作系统2 微机操作系统3 网络操作系统4 分布式操作系统嵌入式操作系统集群系统 2020 4 17 26 1 通用操作系统 定义同时兼有多道批处理 分时 实时处理的功能或其中两种以上的功能的操作系统 Example实时批处理系统 实时和批处理的结合 实时作为前台 批处理作为后台 分时批处理 2020 4 17 27 2 微机操作系统 定义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 ExmpleDOSWindowsLinux 2020 4 17 28 3 网络操作系统 定义是网络上各计算机能方便而有效地共享网络资源 为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关规程的集合 目的相互通信 资源共享 2020 4 17 29 分布式操作系统 定义通过通信网络将物理上分布的具有自治功能的数据处理或计算机系统互连起来 实现信息交换和资源共享 协作完成任务 与网络操作系统的区别分布式具有各个计算间相互通信 无主从关系 网络OS的计算机有主从关系 分布式资源为所有用户共享 而网络OS为有限共享 分布式中若干计算机可相互协调共同完成一项任务 返回本节 2020 4 17 30 1 3操作系统的功能与特征 1 3 1操作系统的特征1 3 2操作系统的功能 返回本章首页 2020 4 17 31 1 3 1操作系统的特征 并发 Concurrence 共享 Sharing 虚拟 Virtual 异步性 Asynchronism 返回本章首页 2020 4 17 32 1 并发 并行性指两个或多个事件在同一时刻发生 并发性指两个或多个事件在同一时间间隔内发生 2020 4 17 33 2 共享 互斥共享在一段时间内只允许一个作业访问资源 同时访问允许在一段时间内 由多个进程同时对它进访问 2020 4 17 34 3 虚拟 虚拟把一个物理上的实体 变为若干个逻辑上的对应物 虚拟处理机 采用分时的方式使每个终端用户都得到一个虚拟机 虚拟存储器 采用请调策略使有限的内存中能够运行比它大得多的程序 虚拟设备 采用磁盘共享设备上虚拟独占设备 提高设备利用率 2020 4 17 35 4 异步性 不确定性 每个程序在何时执行 多个程序间的执行以及完成每道程序所需要的时间都是不确定的 注 不论程序以何种顺序 速度向前推进 只要在相同的运行环境下给予相同的输入 其运行结果总是确定的 返回本节 2020 4 17 36 1 3 2操作系统的基本功能 1 存储器管理2 处理机管理3 设备管理4 文件管理5 用户接口 2020 4 17 37 1 存储器管理 l内存分配l内存保护l地址映射l内存扩充 2020 4 17 38 2 处理机管理 l进程控制l进程同步l进程通信l调度 2020 4 17 39 3 设备管理 缓冲管理设备分配设备处理设备独立性和虚拟设备 2020 4 17 40 4 文件管理 按名存取 检索文件共享和保护文件存储空间的管理 2020 4 17 41 5 用户接口 命令接口程序接口图形接口 返回本节 2020 4 17 42 1 4操作系统的逻辑模型 操作系统的运行环境操作系统的体系结构模型 返回本章首页 2020 4 17 43 1 操作系统的运行环境 操作系统的运行环境包括系统的硬件环境和由其他的系统软件形成的软件环境 特权指令在指令系统中只能由操作系统使用的指令 不允许一般用户使用 处理器的状态管态 操作系统管理程序运行的状态目态 用户程序运行时的状态 2020 4 17 44 程序状态字一个专门的寄存器来指示系统中当前的各种不同状态与信息 其他相关的知识CPU的构成与基本工作方式处理器的状态存储器的层次结构中断技术I O控制 程序控制 中断驱动 DMA技术等 返回本节 2020 4 17 45 2 操作系统的体系结构模型 大型系统软件分析方法层次法 将系统按层分解成若干部分 一般把需要直接和硬件通信的部分定义为最底层 其他各层依次建立在其底层基础之上 模块法 将整个系统分成若干个模块 每个模块具有一定的功能 模块之间通信只能通过预先定义的接口进行 对象法 是结构化使用模块的方法 2020 4 17 46 操作系统结构 第一代 无结构操作系统第二代 模块化OS结构第三代 分层式OS结构现代 微内核OS结构 2020 4 17 47 模块化OS结构 基本思想OS按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块规定各模块间的接口 使各模块之间能通过该接口实现交互进一步将各模块细分为若干个具有一定管理功能的子模块 若子模块较大时 再进一步将它细分 2020 4 17 48 模块化操作系统结构 2020 4 17 49 分层次OS结构 一 基本概念出发点 改进设计方式上说 应使我们的每一步设计都是建立在可靠的基础上从物理机器开始 在其上面先添加一层具有一定功能的软件A1 由于A1是建立在完全确定的物理机器上的 在经过精心设计和几乎是穷尽无遗的测试后 可以认为A1是正确的 然后再在A1上添加一层新软件A2一层一层地自底向上增添软件层 每一层都实现若干功能 最后总能构成一个能满足需要的OS 2020 4 17 50 分层次OS结构 二 基本原则每一层都仅使用其底层所提供的功能和服务 这样可使系统的调试和验证都变得容易层次的设置程序嵌套 OS的每个功能的实现 并非是只用一个程序便能完成的 而是要经由若干个软件层才有可能完成运行频率 A1层软件能直接在物理机器上运行 故它有最高的运行速度 随着层次的增高 其相应软件的运行速度就随之下降 2020 4 17 51 操作系统的层次逻辑模型 2020 4 17 52 MS DOS层次结构 ROM BIOS设备驱动程序 MS DOS设备驱动程序 系统驻留程序 应用程序 2020 4 17 53 微内核OS结构 CS结构 OS的划分一组服务器 进程 提供各种服务如用于提供进程管理的进程服务器 提供存储器管理的存储器服务器 提供文件管理的文件服务器等 所有这些服务器 进程 都运行在用户态 内核 用来处理客户和服务器之间的通信接收客户的请求 再将该请求送至相应的服务器 同时它也接收服务器的应答 并将此应答回送给请求客户 在内核中具有其它一些机构 用于实现与硬件紧密相关的和一些较基本的功能 2020 4 17 54 单机环境下的客户 服务器模式 2020 4 17 55 内核 Win32应用程序 Win32服务器 OS 2应用程序 OS 2服务器 WindowNT的客户 服务器模式 2020 4 17 56 面向对象程序设计技术OOP 基本概念基于 抽象 和 隐蔽 原则来控制大型软件的复杂度的 所谓对象 是指在现实世界中具有相同属性 服从相同规则的一系列事物的抽象 而把其中的具体事物称为对象的实例 2020 4 17 57 OOP的优点 可修改性和可扩充性继承性正确性和可靠性 2020 4 17 58 微内核技术 基本概念是指精心设计的 能实现现代OS核心功能的小型内核 它与一般的OS 程序 不同 它更小更精炼 它不仅运行在核心态 而且开机后常驻内存 它不会因内存紧张而被换出内存为构建通用OS提供一个重要基础 2020 4 17 59 微内核的功能 提供最基本的功能进程管理存储器管理进程通信管理I O设备管理 2020 4 17 60 虚拟机 引入操作系统能创建一种幻觉 以至于进程认为有自己的处理器和自己的 虚拟 内存每个进程都有一个与基本计算机一样的 虚拟 拷贝典型实例IBM系统的VM操作系统请同学查阅资料进一步了解了解有关Java虚拟机 JVM 的内容 返回本节 2020 4 17 61 1 5微机操作系统 1 5 1DOS操作系统1 5 2MS Windows操作系统1 5 3UNIX操作系统 返回本章首页 2020 4 17 62 1 5 1DOS操作系统 1981年IBM公司首次推出了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 返回本节 2020 4 17 63 1 5 2MS Windows操作系统 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 提供了386增强模式 提高了运行速度 功能也更强大 2020 4 17 64 1993年推出了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