第1章操作系统概论.ppt

网络操作系统,授课教师:Email:chenwei_1976电话:5786623单位:,2,课程性质：网络工程专业核心课程教学时数：50理论学时+30实验学时+1周课程设计教学内容：主要讲述计算机操作系统的基本概念、操作系统的五大功能、虚拟机技术的基本原理和概念、并且以linux操作系统为例讲述网络操作系统的功能及提供的服务。课程要求：理解概念,多上机实习。其它要求：,第1章操作系统概论,1.1.1操作系统和网络操作系统计算机系统=计算机硬件+计算机软件计算机硬件组成=运算器+控制器+存储器+输入/输出设备计算机软件分类=系统软件+应用软件裸机：没有任何软件支持的计算机（计算机硬件）虚拟机：经过软件扩充后，把裸机改造成功能更强、使用更为方便的机器，这种机器被称为虚拟机,1.1操作系统的概念,4,引入操作系统的目的：提高系统资源使用效率；方便用户工作；方便系统扩充;操作系统的定义：它是计算机系统中控制和管理计算机系统资源、合理组织计算机工作流程、提高资源利用率和方便用户使用计算机系统的计算机程序的集合。它是计算机系统中的一个系统软件。网络操作系统的定义：就是具有网络功能的操作系统，用于管理网络通信和共享网络资源，协调各主机上任务的运行，并向用户提供统一的、有效的网络接口的软件集合。,1.1.2操作系统的目标(了解),方便性有效性可扩充性开放性、标准化可靠性可移植性,1.1.3操作系统的地位和作用,图1-1操作系统的供求关系,1.操作系统是用户与计算机系统之间的接口,命令行接口图形用户接口程序接口,2.操作系统是计算机系统资源的管理者和竞争资源的仲裁者,在一个计算机系统中，归纳起来可以将资源分为四类：处理机、存储器、设备及文件（程序和数据）。相应地，操作系统的主要管理功能也正是针对这4类资源进行的。处理机管理；存储管理；设备管理；文件系统。,3.操作系统是计算机系统功能的扩充,每当人们在计算机系统上覆盖一层软件后，系统功能便增强一级。由于操作系统自身包含了若干层软件，因此当裸机上覆盖了操作系统后，便可获得一台功能显著增强，使用极为方便的多层虚拟机器。虚拟机的观点也是我们分析操作系统的基本出发点。,图1-2虚拟机器,1.1.4操作系统的层次模型,操作系统对象（处理机、存储器、设备、文件）对对象操纵和管理的软件集合（处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理）用户接口（命令行接口，图形用户接口，程序接口）,图1-3操作系统层次模型,1.2操作系统的分类与形成,1.2.1操作系统的分类(了解)按计算机体系结构的角度分类：单机操作系统、主从式多终端操作系统、多机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统。按资源共享的级别分类：单任务操作系统、多任务操作系统、单用户操作系统、多用户操作系统、单道操作系统、多道操作系统。按操作系统工作的方式分类：批处理系统、分时系统、实时系统。(4)按处理机调度的基本单位分类：以进程为单位的操作系统和以线程为单位的操作系统。,11,1.2.2操作系统的产生,手工阶段（46年-50年代末）(1)人工操作方式没有系统软件、用户直接用机器语言编程。在上机时独占全部资源。用户既是程序员又是操作员。缺点：CPU工作时间大量被浪费编程困难、操作困难,(2).脱机输入/输出(Off-LineI/O)方式,这种脱机I/O方式的主要优点如下：减少了CPU的空闲时间。(2)提高I/O速度。,图1-4脱机I/O的示意图,13,2单道批处理阶段,(1).单道批处理系统(SimpleBatchProcessingSystem)的处理过程,图1-5单道批处理系统的处理流程,(2).单道批处理系统的特征单道批处理系统是最早出现的一种OS，严格地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。该系统的主要特征如下：(1)自动性。(2)顺序性。(3)单道性。,15,1.2.3操作系统的形成,1.多道程序设计技术在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，它无法充分利用系统中的所有资源，致使系统性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统(MultiprogrammedBatchProcessingSystem)。在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，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，使它们共享CPU和系统中的各种资源。,16,图1-6多道程序设计技术示意图,17,在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处：提高CPU的利用率。,当内存中仅有一道程序时，每逢该程序在运行中发出I/O请求后，CPU空闲，必须在其I/O完成后才继续运行；尤其因I/O设备的低速性，更使CPU的利用率显著降低。图1-7(a)示出了单道程序的运行情况，从图可以看出：在t2t3、t6t7时间间隔内CPU空闲。在引入多道程序设计技术后，由于同时在内存中装有若干道程序，并使它们交替地运行，这样，当正在运行的程序因I/O而暂停执行时，系统可调度另一道程序运行，从而保持了CPU处于忙碌状态。,18,图1-7单道和多道程序运行情况,19,(2)可提高内存和I/O设备利用率。为了能运行较大的作业，通常内存都具有较大容量，但由于80%以上的作业都属于中小型，因此在单道程序环境下，也必定造成内存的浪费。类似地，对于系统中所配置的多种类型的I/O设备，在单道程序环境下也不能充分利用。如果允许在内存中装入多道程序，并允许它们并发执行，则无疑会大大提高内存和I/O设备的利用率。(3)增加系统吞吐量。在保持CPU、I/O设备不断忙碌的同时，也必然会大幅度地提高系统的吞吐量，从而降低作业加工所需的费用。,20,2.多道批处理系统,读卡机,后备作业,完成作业,打印机,提交状态,后备状态,运行状态,完成状态,图1-8多道批处理系统示意图,21,3.多道批处理系统的特征,多道性。(2)无序性。(3)调度性。,4.多道批处理系统的优缺点,资源利用率高。(2)系统吞吐量大。(3)平均周转时间长。(4)无交互能力。,22,5.多道批处理系统需要解决的问题,处理机管理问题。(2)内存管理问题。(3)I/O设备管理问题。(4)文件管理问题。(5)作业管理问题。,5.分时系统,图1-9分时系统示意图,分时技术:把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机用户作业使用。若在其分配的时间片内不能完成计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一作业使用，等待下一轮继续其运行。分时操作系统：采用分时技术进行处理机分配，在一台计算机上连接多个用户终端，多个用户可同时在自己的终端上使用计算机，好像自己独占机器一样。时间片和响应时间t=nq1)时间片长短的确定2）主计算机的系统配置直接影响分时系统的性能,特征同时性。多个用户同时在自己的终端上上机，共享计算机的CPU和其他资源。独立性。系统内每个用户程序独立工作，让用户有自己一个人在使用计算机的感觉。及时性。计算机系统应该在用户能够忍受的等待时间内对用户的请求予以响应。交互性。计算机系统和用户用会话方式工作。设计分时系统优先考虑的目标是：交互性和响应的及时性,6.实时系统,定义：指对外部事件能在允许的时间范围内做出响应的操作系统。特征：（设计实时系统优先考虑的目标）响应的及时性（对特定事件）系统的高可靠性实时操作系统一般是专用系统，而其他操作系统一般是通用系统。实时系统一般采用设备冗余的办法解决系统的高可靠性问题。,实时系统具有如下的特征,及时性实时系统的及时性是非常关键的，主要反映在对用户的响应时间的要求上。交互性实时系统的交互性根据应用对象的不同和应用要求的不同，对交互操作的方便性和交互操作的权限性有特殊的要求。安全可靠性这是实时系统最重要的设计目标之一。多路性实时系统也具有多路性。,实时系统和分时系统比较：分时系统中以进程作为调度和分配资源的基本单位，而实时系统中以一个事件处理程序为调度基本单位，没有进程概念；分时系统中各用户进程地位是平等的，而实时系统中系统对不同事件的响应优先级不一样；分时系统是通用系统，而实时系统是专用系统分时系统响应及时性是以人能忍受的等待时间来衡量（以秒为单位），而实时系统响应时间是以该事件能忍受的等待时间来衡量（通常以毫秒。微秒为单位）,29,1.3操作系统的发展,1.3.1微机操作系统的发展1.单用户单任务操作系统2.单用户多任务操作系统3.多用户多任务操作系统1.3.2多机操作系统1.多处理机系统的类型2.多处理机操作系统的类型,1.3.3网络操作系统定义：用于控制管理网络通信和资源共享，协调各主机上任务的执行，并向用户提供统一的网络接口的软件的集合。计算机网络操作系统的模式：1）客户/服务器模式（client-server)2)对等模式（peer-to-peer),1.3.4、分布式操作系统,分布式操作系统定义：能够通过通信网络将物理分布的具有自治功能的数据处理系统和计算机系统连接起来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务的操作系统。特征：1）、统一性：系统内只有一个全局操作系统，采用分布式控制的方法，负责全系统的资源管理和运行控制；2）、共享性：资源共享；3）、分布性；4）、系统的透明性5）、自治性6）、模块化7）、处理能力强、速度更快、可靠性增强,32,分布式操作系统与网络操作系统的比较1）、分布性：2）、并行性：3）、透明性：4）、共享性：5）、健壮性：,33,1.3.5、嵌入式操作系统,嵌入式操作系统定义：在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的微型计算机软硬件系统。特征：1）、完成某项或有限项功能，不是通用操作系统；2）、在性能和适时性方面有严格的限制；3）、能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要因素；4）、占有资源少，易于连接；5）、系统功能可针对需求进行调整和生成。,1.5操作系统的功能,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系统网络功能用户接口等六大功能。,35,1、处理机管理功能：根据选定的处理机的分配调度策略实施处理机分配和资源回收功能。作业调度进程调度进程控制进程通信2、存储管理内存分配和回收地址映射内存保护和共享内存扩充,36,3、设备管理功能：（1）、根据选定的设备分配策略，实施对通道、控制器、输入/输出设备的分配回收；（2）、启动并控制设备完成实际的I/O操作；（3）、实现设备的独立性功能。缓冲区管理设备分配设备驱动设备无关性,37,4、文件管理功能：外存资源的分配回收、文件的按名存取、文件的共享、保护、保密。文件存储空间管理文件操作目录管理读写管理和存取控制5、网络功能6、用户接口命令界面程序界面图形界面,1.5.3操作系统的特征,1.并发性并发（Concurrence）是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。2.共享性共享（Sharing）是指多个用户或进程共享系统的软硬件资源。同时访问互斥访问3.虚拟性4.不确定性,1.5.4研究操作系统的几种观点,1、操作系统是资源管理者主要讨论各种资源的情况记录、分配策略、分配和回收问题2、用户界面的观点主要讨论操作系统的用户界面问题3、进程管理的观点主要讨论进程的运行过程（程序的并发执行）,40,1.6操作系统的用户接口,1、操作系统为用户提供的接口有两种：操作接口：用户利用它操作管理计算机和组织、控制作业执行。系统调用：为编程人员提供的用来在程序中请求系统服务。2、操作系统的操作接口联机命令接口。脱机命令接口。,41,使用计算机也就有两种方式：联机和脱机（1）脱机控制方式的用户接口：作业说明书作业说明书是用作业控制语言来编写的，反映用户对作业控制要求的作业控制文档。(2)联机控制方式的用户接口：命令、图形用户接口操作命令有很多类：1、环境设置：比如DOS中的PATH2、执行权限管理：比如UNIX中的chmod3、系统管理：比如linux中的reboot4、文件管理：比如DOS中的copy5、编译、编辑：如cc、DOS中的EDIT6、通信：比如UNIX中的talk7、资源要求：申请资源,42,图形用户接口,图形用户接口是通过鼠标对屏幕上的对象进行点击，以控制和操纵程序的运行或管理计算机系统。图形用户接口是当前流行的用户接口，是命令接口的图形化。典型的图形用户接口是Windows和XWindow等，Linux可以选择两种桌面环境(KDE或者Gnome)。,43,程序的状态,用户态(目态）：用户程序执行时的状态核心态（管态）:操作系统程序执行时的状态程序状态字（PSW）：M68000的程序状态字C进位V溢出Z零标志N负标志I0-I2中断屏蔽T陷阱S处理机状态：0-用户态，1-核心态,44,特权指令处理机指令分类：普通指令：任何程序都能执行的指令特权指令：只能在操作系统中执行的指令。比如：停机指令、清内存指令、设备访问指令等，特权指令一般用户程序不能使用，库函数和用户自定义函数中也不能使用。,45,系统调用的实现,访管指令是目态下执行的指令。编译程序在把源程序翻译成目标程序时把源程序中需调用操作系统功能的逻辑要求转换成一条访管指令，并设置一些参数。实现过程:(1)当用户程序执行到访管指令产生一次中断后，中断装置把操作系统程序的PSW送入程序状态字寄存器，使机器在原来目态下执行用户程序变成在管态下执行操作系统的系统调用程序。（2）一次系统调用功能完成后，操作系统又把用户程序的PSW重新送入程序状态字寄存器，使机器又返回到目态下执行用户程序。,46,用陷阱机构执行的系统调用与普通函数调用是不同的：现场保护工作不完全相同，普通函数调用只需保护返回地址即可，而系统调用除了保护返回地址外，还要保护PSW。普通函数调用不会改变PSW，它执行时的处理机状态为用户态不能执行特权指令。而利用陷阱机构调用中断处理程序会自动调换PSW。从而使系统调用运行于核心态，也就可以执行特权指令。在返回时，陷阱机构又会自动把PSW进行切换，使返回用户程序执行时，处理机状态又回到用户态，当然，在返回前也会恢复现场。,系统调用总结,47,系统调用举例,voidmain()inti;while(i=fork()=-1);printf(“i=%dn”,i);if(i)printf(“itisaparentprogressn”);elseprintf(“itisaparentprogressn”);,48,操作系统用户接口的发展,第一阶段提供给用户的命令行接口和编程人员在程序中的系统调用的一维空间。第二阶段提供给用户图形接口，是一个二维界面的环境。以图形、窗口和菜单为主要显示界面的图形用户接口，鼠标作为主要的输入方式受到了广大计算机用户的欢迎，并对计算机的普及起到了关键性的作用，图形用户接口是命令接口的发展。第三阶段将提供给用户立体空间操作环境和语言接口，三维图像显示立体效果，屏幕上显示出家电或其他控制仪器，利用鼠标去触摸、去感受。未来操作系统智能化、傻瓜化，在计算机功能内，用户要求计算机做什么，计算机就做什么，至于怎么做用户就不用操心了。,49,本章重点和难点分析通过本章的学习使读者建立操作系统的基本轮廓。要求了解操作系统的形成与发展，理解多道程序设计技术和分时技术，掌握操作系统和网络操作系统的定义，操作系统的功能和特征，掌握操作系统的用户接口。读者应对以下几个重点和难点问题作认真的学习，切实掌握操作系统的基本概念。1.操作系统的形成早期无操作系统的计算机系统中，人使用计算机非常不方便，其他对计算机资源的利用率有何影响？单道批处理系统中引入了哪些技术，单道批处理系统还存在哪些不足之处，而多道批处理系统又是通过哪些技术措施来解决这些不足的？在什么样的需求推动下，由多道批处理系统发展为分时系统的？实现分时系统的关键技术是什么？实时系统。在学习时还应注意分析和比较分时系统与实时系统的特征。2.操作系统的发展操作系统到80年代趋于成熟，沿着两个方向继续向前发展，一个是随着计算机系统结构的发展，形成多处理机操作系统、网络操作系统和分布式操作系统；另一个则是把操作系统应用于微机和智能设备，形成微机操作系统和嵌入式操作系统。,50,个人计算机的兴起，Internet普及，极大地推动了当代操作系统的研究发展活动。一批批的程序设计员们自愿通过互联网组织成为研究小组，从事着各类操作系统的研究开发工作。在Internet时代，新概念、新思想、新原理和新技术层出不穷。让我们预测一下未来的操作系统是什么模样？3.操作系统的基本特征和功能在多道程序的环境下，操作系统具有四大特征和五大功能。在学习该问题时，应对下述四个方面的内容有较深入的理解：操作系统的特征。操作系统具有并发性、共享性、虚拟性和不确定性四大特征，在学习时注意每种特征的具体含义和形成的原因。操作系统四大特征之间的关系。这四大特征之中，最重要的是并发性，其他三个特征都是以并发为前提的。在学习时必须弄清楚并发和资源共享之间的关系，并理解他们是如何导致虚拟和不确定性特征的产生。操作系统的功能。操作系统具有处理机管理、存储器管理、设备管理、文件系统和提供友好的用户接口等五大功能。在学习时应了解各个功能的主要任务，结合操作系统的功能深入理解的并发和共享特征之间的关系。操作系统五大功能的必要性。为了保证多道程序能有条不紊地、高效地运行，并能方便用户对计算机系统的使用，操作系统必须具备上述五大功能。在学习时请思考：如果缺少了其中的某个功能（如处理机管理或内存管理功能），将会对系统的运行产生什么样的影响。4.操作系统的用户接口用户是通过操作系统的用户接口来使用计算机。现代操作系统的一个很重要功能就是提供方便用户的用户接口，操作系统一般都提供命令接口和程序接口，命令接口又包括命令行接口和图形用户接口。结合上机操作掌握常用的操作系统的命令接口，理解和掌握系统调用的实现过程。,51,复习思考题,一选择题操作系统负责为用户和用户程序完成所有的工作；A.硬件无关和应用有直接关系B.硬件无关和应用无直接关系C.硬件有关和应用无直接关系D.硬件有关和应用有直接关系从用户的观点看，操作系统是。A.用户与计算机之间的接口B.合理地组织计算机工作流程的软件C.控制和管理计算机资源的软件D.由若干层次的程序按一定的结构组成的下列选择中，不是操作系统关心的主要问题。A.管理计算机