第1章-操作系统概述资料.ppt

第一章操作系统概述,学习要点,计算机与操作系统操作系统的功能操作系统的分类操作系统的观点,计算机与操作系统,计算机系统实用操作系统,实用操作系统,个人机用户眼中的计算机：打开计算机的电源等待荧光屏上闪烁的文字图像逐渐的稳定下来Windows所展示的任务桌面,实用操作系统,自己的计算机里到底装了什么软件？我的电脑中的“本地磁盘”；设备如何设置？“开始设置控制面板”；系统在怎样运作？“开始控制面板管理工具性能系统监视器”,实用操作系统,IBMSystem/360操作系统MULTICS(MULTiplexedInformationandComputingService)操作系统Unix操作系统MSDOS操作系统MACOSWindows操作系统Linux操作系统其他操作系统,实用操作系统,IBMSystem/360操作系统1964年IBM推出，一个巨大的志在解决所有问题的通用操作系统。数千名程序员写的数百万行汇编语言代码，数百万行汇编代码中有成千上万处错误；IBM不断发行新的版本试图更正这些错误，如此往复直到发现错误的数量大致保持不变。,实用操作系统,MULTICS(MULTiplexedInformationandComputingService)操作系统1965年MIT、贝尔实验室和通用电气公司开始共同研究，但由于长期研制工作达不到预期目标，贝尔实验室和通用电气公司相继退出，只有MIT坚持下来，使之成功运行，成为商业产品，该系统在九十年代中陆续被关闭，2000年寿终正寝。,实用操作系统,Unix操作系统1969年美国电报电话公司的贝尔实验室开发成功，1973年用出C语言改写，1978年的Unix第7版，可以看作当今Unix的祖先，该版为Unix走进商界奠定了基础。Unix是目前唯一可以安装和运行在从微型机、工作站直到大型机和巨型机上的操作系统。目前Unix已不是指一个具体操作系统，许多公司和大学都推出了自己的Unix系统，如AT&T的SVR，SUN的Solaris，Berkeley的UnixBSD，DEC的DigitalUnix，HP的HPUX，SGI的Irix，CMU的Mach，SCO公司的SCOUnixWare，IBM的AIX等。UNIX用C语言编写，具有可移植的，是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时的操作系统。其运行时的安全性、可靠性以及强大的计算能力赢得广大用户的信赖,实用操作系统,MSDOS操作系统和它的名字一样（DiskOperatingSystem）,其特点在于优良的文件系统，是一个单用户单任务操作系统。MSDOS系统开销小，运行效率高，适用于微型机，但无法发挥硬件能力，缺乏对数据库、网络通信的支持，没有通用的应用程序接口，用户界面不友善，最后一个版本6.22在1994年推出后便不再后续。,实用操作系统,MACOS由美国Apple公司1984推出,运行在Macintosh计算机上的操作系统。MAC是全图形化界面和操作方式的鼻祖，拥有全新的窗口系统、强有力的多媒体开发工具和操作简便的网络结构而风光一时。正是Mac先进的图形界面操作系统技术，超前PC机若干年，造就了一批苹果的忠实追随者。,实用操作系统,Windows操作系统1985年Windows1.0正式上市。Windows操作系统发展至今，已成为普及最广的多任务操作系统，即插即用和电源管理，新的图形界面，更加高级的多媒体支持，不断更新的版本和功能，预示着强大的发展后劲。本书选Windowsxp作为讲解实例便是基于这些考虑。,实用操作系统,Linux操作系统由芬兰藉科学家LinusTorvalds于1991年编写完成的一个操作系统内核，当时他还是芬兰赫尔辛基大学计算机系的学生，在学习操作系统课程中，自己动手编写了一个操作系统原型，并把这个系统放在Internet上，允许自由下载；许多人对这个系统进行改进、扩充、完善，Linux由最初一个人写的原型变化成在Internet上由无数志同道合的程序高手参与的一场运动。Linux继承了Unix的优点，又有了许多更好的改进，由于其开放的源代码，有利于发展各种操作系统，它符合Unix的POSIX标准，各种应用可方便地移植。它是本书将要讲解的另一个操作系统实例。,Linux操作系统,许多计算机用户可以通过该系统连接在一起，共享计算机的资源，还能够进行相互交流与协作,用户之间可以相互发信息。一方要向另一方发送信息，只要使用指令writeusername,然后跟上要发送的内容就能将信息传给接收方。,Linux操作系统,采用广播的方式如果要将信息发给所有人，还可以采用广播的方式。你只要在指令wall的后面跟上要发的信息，就能使所有登陆主机的用户看到你的信息,实用操作系统,其他操作系统有线电视机顶盒领域PowerTV掌上计算机领域PalmOS数字影像领域Digita手机Symbian，SmartPhone，PalmOS嵌入式Linux：uClinux，MontaVistaLinux，LynxOS,操作系统的功能,操作系统的定义操作系统的功能操作系统的设计原则操作系统的发展,操作系统的定义,操作系统的特点：操作系统是程序的集合操作系统管理和控制系统资源操作系统提供了方便用户使用计算机的用户界面操作系统优化系统功能操作系统协调计算机的各种动作,操作系统定义：对计算机系统资源进行直接控制和管理，协调计算机的各种动作，为用户提供便于操作的人机界面，存在于计算机软件系统最底层核心位置的程序的集合。,操作系统的功能,主要功能：处理机管理存储器管理作业管理信息管理设备管理标准的技术处理：标准输入/输出中断处理错误处理,处理机管理,处理机是计算机中的核心资源，所有程序的运行都要靠它来实现。具体地说处理机管理要做如下事情：对处理机的时间进行分配对不同程序的运行进行记录和调度实现用户和程序之间的相互联系解决不同程序在运行时相互发生的冲突处理机管理是操作系统的最核心部分，它的管理方法决定了整个系统的运行能力和质量，代表着操作系统设计者的设计观念。,存储器管理,硬件制造者不断地扩大存储器的容量，还是无法跟上用户对存储器容量的需求；在众多用户或者程序共用一个存储器的时候，自然而然会带来许多管理上的要求，这就是存储器管理要做的。存储器管理要进行如下工作：以最合适的方案为不同的用户和不同的任务划分出分离的存储器区域，保障各存储器区域不受别的程序的干扰；在主存储器区域不够大的情况下，使用硬盘等其他辅助存储器来替代主存储器的空间，自行对存储器空间进行整理等。,作业管理,作业管理担负着两方面的工作：向计算机通知用户的到来，对用户要求计算机完成的任务进行记录和安排；向用户提供操作计算机的界面和对应的提示信息，接受用户输入的程序、数据及要求，同时将计算机运行的结果反馈给用户。作业管理要提供：安全的用户登录方法方便的用户使用界面直观的用户信息记录形式公平的作业调度策略等,信息管理,计算机中存放的、处理的、流动的都是信息。信息有不同的表现形态：可以是数据项、记录、文件、文件的集合等；有不同的存储方式：可以连续存放也可以分开存放；还有不同的存储位置：可以存放在主存储器上，也可以存放在辅助存储器上，甚至可以停留在某些设备上。信息管理要做的事情：对这些文件进行分类，如何保障不同信息之间的安全，如何将各种信息与用户进行联系，如何使信息不同的逻辑结构与辅助存储器上的存储结构进行对应。,设备管理,设备管理的任务：为用户提供设备的独立性，使用户不管是通过程序还是命令来操作设备时都不需要了解设备的具体参数和工作方式，用户只需要简单的使用一个设备名就可以了；在幕后实现对设备的具体操作，设备管理在接到用户的要求以后，将用户提供的设备名与具体的物理设备进行连接，再将用户要处理的数据送到物理设备上；对各种设备信息的记录、修改；对设备行为的控制。,标准输入/输出,如果不指定键盘为标准输入设备及显示器为标准输出设备，我们是无法直接通过这两种设备进行输入/输出的。当系统开始运行的时候，操作系统已指定了标准的输入/输出设备。操作系统提供了这种功能：它帮助用户将指定设备的名称与具体的设备进行连接，然后自动地从标准输入设备上读取信息再将结果输出到标准输出设备上。,中断处理,在系统的运行过程中可能发生各种各样的异常情况，这些异常一旦发生都会影响系统的运行，因此操作系统必须对这些异常先有所准备，这就是中断处理的任务。中断处理功能：针对可预见的异常配备好了中断处理程序及调用路径，当中断发生时暂停正在运行的程序而转去处理中断处理程序。对当前程序的现场进行保护执行中断处理程序在返回当前程序之前进行现场恢复直到当前程序再次运行。,错误处理,当用户程序在运行过程中发生错误的时候，操作系统的错误处理功能既要保证错误不影响整个系统的运行，又要向用户提示发现错误的信息。错误处理功能：首先将可能出现的错误进行分类，并配备对应的错误处理程序一旦错误发生，它就自动实现自己的纠错功能。错误处理一方面找出问题所在，另一方面又自动保障系统的安全，正是有了错误处理功能，系统才表现出一定的坚固性。,操作系统设计原则,尽可能高的系统效率尽可能大的系统吞吐能力尽可能快的系统响应时间,这里指的效率包括：处理机时间的最大利用，存储器空间的合理安排，输入/输出设备的均衡使用。,系统吞吐量是操作系统设计的一个质量标志。吞吐量的好坏直接影响系统的稳定性，大的吞吐量使系统能流畅地工作，小的吞吐量可导致系统在高负载下瘫痪。,响应时间指系统对用户的输入作出反应的时间。通常情况是，用户数目越多需要的响应时间越快，并且对每一个用户来说响应时间应该是平均的，因此，系统必须提供一个用户能够承受的系统响应时间的下限。,操作系统的发展,计算机系统发展初期多道批处理系统联机多道程序系统,计算机系统发展初期,世界上第一台计算机ENIAC于1946年问世，它的依据是JohnvonNeumann描述的计算机概念，包括主要的部件有：运算器、存储器、控制器、输入/输出设备和与之相关的操作员。,操作员通过控制台的各种开关来指挥各个部分的运行,问题：不管多么高级的操作员，其手动速度永远无法和机器速度相比较，机器的运行速度因此必然受到人工速度的极大制约。减少人的参与！,计算机系统发展初期,为了减少人的参与，操作员对要送到计算机上运行的程序进行组织。Step1:凡是运行步骤大致相同的程序组织成为一批，Step2:由操作员通过输入机输入到磁带机上，Step3:再将磁带机连接到计算机主机上准备运行，Step4:余下的控制工作交由称为监督程序的程序来控制完成。Step5:完成后操作员将存有输出结果的磁带机取下，Step6:再连接到输出设备上逐一地输出不同程序的输出结果，最后交给用户。,图1.7脱机批处理系统,操作员的一部分工作被监督程序替代，监督程序模拟操作员的工作：将磁带机上的程序调入存储器，安排程序运行，将运行结果输出到磁带机上，然后安排下一个程序的运行，如此周而复始直到这一批程序全部处理完毕。,新的问题：由于输入/输出设备是纯机械设备或者机械加磁设备，而计算机主机是电子器件，如何解决电子速度与机械速度严重不匹配的问题呢？增加主机工作量！,多道批处理系统,当主存储器中存放着不止一批的作业，处理机在调用一批作业运行时，如发现输入/输出所产生的等待，监督程序就引导处理机去执行另外的程序，这样就使处理机总是处于工作状态。,这时的监督程序变得更为复杂，它不但要管理某一批程序的运行与中断，还要对不同批次的程序进行处理机时间的分配。从理论上讲，存储器上存放的程序批次越多，处理机的利用率就越高。为了提高计算机的利用率，多道批处理系统不允许用户的干预。,问题：用户无法干预并不等于用户不想干预，这就给管理程序提出了更高的要求：既要尽可能高的提高主机的利用率，又要使用户能够方便地干预程序的运行。,联机多道程序系统,联机多道系统靠程序来控制计算机设备和用户终端，它要面对多个用户：要进行处理机时间的安排进行内存空间的划分安排用户分享能够共享的输入/输出设备协调用户在运行程序时发生的各种冲突等等这种程序有一个新的名字称为操作系统。,操作系统的分类,多道批处理系统分时系统实时系统几种操作系统的比较典型操作系统介绍,多道批处理系统,多道批处理系统按用户作业的类型不同分成若干批次，将不同批次的作业都存放于存储器中，每一批次作业顺序处理。如果需要输入/输出，就调用另一批次的作业运行，从而实现资源的充分利用。,多道批处理系统的一些具体概念,单道程序多道程序,在主存储器中只存放着一批程序（或者一个程序），当CPU运行该程序发生某种条件等待时，CPU暂停当前程序的运行，在等待的条件被满足以前，CPU将一直处于闲置状态。单道程序环境下，操作系统相对简单。,主存储器中存放着不止一批的程序（或者多个程序），当CPU运行某一个程序发生条件等待时，可以转向执行另外的程序。因此，多道程序方案可以减少CPU的闲置时间。由于多道程序分享CPU的时间和内存空间，多道系统就必须考虑CPU时间的分配、主存储器空间的分配、安全及共享、输入/输出设备中断系统的实现等管理多道程序比管理单道程序更为复杂。,多道批处理系统的一些具体概念,作业,是用户交给计算机执行的具有独立功能的任务。,作业的执行步骤往往代表着一个具体的子功能，它被称为作业步。,作业步的执行顺序是：前一个作业步的输出是后一个作业步的输入，后一个作业步必须在前一个是作业步执行完毕后执行。,作业的描述方法有多种，可以通过专用的作业控制语言、高级语言、键盘命令等来对作业进行说明。,将作业组织成批，并一次将该批作业的所有描述信息和作业内容输入计算机，计算机将按照作业和作业步进入的先后顺序依次自动执行，在一个批次范围内用户不得对程序的运行进行任何干预；批处理系统是一个脱机处理系统，由于没有用户的介入，它围绕着提高系统的效率而开展工作。,批处理,多道批处理系统的一些具体概念,批处理系统不足之处：由于批处理系统采用的是脱机工作方式，因此基本不考虑用户的联机要求；又由于系统的设计目标是尽可能提高系统的运行性能和效率，从作业委托到作业完成之间的时间可能比较长。,操作系统的分类,分时系统对于普通用户来说，更多的是希望参与计算机资源的使用，大大小小的团体和组织，也需要利用计算机来相互沟通，分时系统正是满足这种需要的系统。,分时系统的一些具体概念,分时时间片响应时间多用户分时系统安全性分时系统的特征分时系统设计目标及用途,分时是指将具有运行能力的资源的时间划分成很小的片段，称为时间片。这些时间片按照一定的规则被分配给需要它的程序，或者说是若干程序以时间片的方式共享资源的运行时间。一般涉及到分时概念的计算机部件有：处理机、输入/输出设备等。,分时系统的一些具体概念,时间片时间片是程序一次运行的最小时间单元。在划分时间片的时候，要根据系统的总体设计框架来考虑：通常说来，在一个时间片内，至少应该能够完成一次输入/输出中断处理和现场的保护和恢复过程，以及一个程序原子过程（原子过程在运行期间不可中断）的一次执行；用户要求的响应时间越短，系统一次容纳的用户数目越多，时间片就必然越短。,分时系统的一些具体概念,响应时间响应时间分为用户响应时间和系统响应时间系统响应时间是计算机对用户的输入作出的反应时间。用户响应时间是指单个用户所感受到的系统对他的响应。响应时间可以和时间片联合起来考虑，一般情况是：时间片越短，响应时间越快。,分时系统的一些具体概念,多用户分时系统是多用户同时使用的操作系统，用户通过不同的终端同时连接到主机，主机分时地对用户终端程序进行反应，要求产生的结果是：每一个用户都感觉自己在独立地在使用着计算机，用户的行为并不会相互影响。,分时系统的一些具体概念,分时系统安全性为了保证系统及各个用户程序的安全，系统必须采取一定的安全措施，并且必须能够区分不同的用户，分别完成不同用户的作业。最常见的安全方法是用户登录方式,分时系统的一些具体概念,当用户登录系统时，须提供用户名和用户密码。操作系统将从输入端获取的用户名和用户密码与系统库存的用户信息进行比较，只有在用户输入正确时才能够正常登录，否则用户将被拒绝对系统的使用。登录后操作系统将用户按其所属权限及类型引导至用户可以操作的目录下，以此来限定用户的工作区域。,分时系统的特征多路性独立性及时性交互性,分时系统的一些具体概念,系统同时支持多路终端的连接,多用户各自独立地使用计算机,每个终端都及时地得到系统的反应。,通过终端直接与计算机进行对话。,分时系统设计目标及用途设计目标：满足用户对联机交互和及时响应的需求。用途：众多的电脑工作终端和各种各样的普通用户在共用一个主机时，分时系统正在作用。,分时系统的一些具体概念,虽然分时系统具有及时性，但其响应时间只是在一个平常用户认可的范围内，可是有许多特殊的领域对计算机的响应要求更为严格。这已经超出了分时系统的服务范围，需要选择新的系统来对计算机进行管理。,实时系统,实时系统是为了满足特殊用户的需要，在响应时间上有着特殊要求、利用中断驱动、执行专门的处理程序、具有高可靠性的系统。实时系统广泛地应用于军事、工业控制、金融证券、交通及运输等领域。,实时系统的一些具体概念,专门系统立即响应事件驱动高可靠性,专门系统实时系统一般说来都是定制系统，它针对某一个特殊的需要，由设计者设计相应的硬件并配合编制出对应的管理系统。实时系统在各领域之间不能通用，甚至同一领域内由于用途的细微差别也不可能照搬同一个实时系统。因此，系统的设计费用无法均摊，专门系统比普通的分时系统价格要高得多。,实时系统的一些具体概念,立即响应立即响应要求从事件发生到计算机做出反应之间的时间非常短，通常在微秒数量级范围。不同的系统其反应时间的要求也不同，这种反应时间必须保证被控制设备能够做出正确的动作，任何时间延迟都会导致系统的错误。,实时系统的一些具体概念,事件驱动实时系统是针对某一种特殊需要而设计的，因此，它为每一种可能发生的情况都编制好了对应的处理程序，这些程序被称为事件处理程序或者中断处理程序，并且在系统启动时就被存放在主存储器上。只有当事件发生了，事件处理程序才会被运行，因此说事件处理程序是靠事件来驱动的。在事件没有发生的情况下，实时系统一般处于等待状态。,实时系统的一些具体概念,高可靠性保证系统高可靠性的方法多机系统多存储器系统或者存储器镜像系统多处理机系统多主机系统,可将同样的数据重复保存在不同的存储位置上，以保证存储的数据在意外情况发生时还能够被恢复。,可采用主处理机和后备处理机处理同样的事件，如果主处理机发生意外，则启用后备处理机的处理结果。,多套处理机及存储器组合，以此来避免任何意外所导致的不安全性。,实时系统的一些具体概念,操作系统的分类,几种操作系统的比较,综合其中任意两个系统功能的操作系统称为通用系统。又分为前台作业和后台作业。,操作系统的分类,典型操作系统介绍UNIX操作系统Linux操作系统DOS操作系统Windows操作系统网络操作系统,UNIX操作系统,是一个目前为止寿命最长的系统，它是在小型机上运行的、面向多用户的分时系统。它具有良好的安全性能，文件管理和设备管理独具特色，系统程序之间调用关系灵活，具有良好的可移植性，系统规模比较小。,Linux操作系统,是一个很成功的UNIX系统的改装系统，用于在个人计算机上运行。Linux最大的特点是其源代码完全公开，任何人都可以对该系统进行修改或添加功能，使其适应自己的需要。任何能在UNIX上运行的软件都能在Linux上运行，它具有UNIX系统的很多优点，同时在用户界面方面有很大的改善。对硬件的要求就不高，几乎可用于所有386以上的PC机。现在在许多实体中，它开始占据主导位置或者与其他系统并存。,DOS操作系统,DOS是一个个人机系统文件系统采用UNIX系统的文件结构，并曾经被广泛用于各种PC机上。通过键盘命令方式进行操作，用户需要熟记所有的命令代码及格式，普通用户要使用它还需经过一定的培训。虽然其磁盘格式依然被其他系统兼容，DOS系统逐渐被窗口操作系统所替代,Windows操作系统,是一个面向傻瓜用户的系统；发展方向是开发更亲切易用的界面，增加更多的用户功能，对用户的行为更宽容；其内部的设计与其他操作系统并没有什么两样；包含了用于个人机的的多任务分时操作系统WindowsProfessional和用于网络的网络操作系统WindowsServer。,网络操作系统,曾经流行了一段时间的Novell系统，由于它采用了对DOS系统的仿真，用户一度非常欢迎。WindowsNT采用和其他Windows系统一样的图形界面，网络功能方面与其他网络操作系统相差不多。Linux系统也是一个网络操作系统，用该系统来构建网络非常容易。网络操作系统是在普通操作系统的基础上增加了通信和共享功能，这种通信受协议的制约，而协议是大家共同遵守的规则。为了能够通信，人们必须遵守公认的标准。,用户与操作系统的关系,我们要提出一个问题：我们处在计算机系统的什么位置？我们和操作系统有什么关系？不同的人有不同的回答，关键看我们打算成为什么级别的计算机工作人员。,计算机系统的层次模型,普通用户使用操作系统界面，根据图标或命令的提示使用应用软件如游戏、管理程序、各种多媒体程序等；,一般程序爱好者用高级语言编写应用程序，在操作系统界面平台上通过高级语言和操作系统核心间接联系；,高级程序员设计大型支持软件，使用操