操作系统概述.ppt

为什么学习操作系统?,设计或者修改操作系统加深对使用的OS的理解，有利于深入编程用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道编程时借鉴操作系统的设计思想和算法选择购买操作系统,考研大纲：操作系统的概念、特征、功能和提供的服务操作系统的发展与分类操作系统的运行环境,第一章概述,第一章概述,1.1什么是操作系统1.2操作系统的发展历史1.3操作系统的分类1.4操作系统的特征1.5操作系统的功能1.6常用操作系统,1.1什么是操作系统,1.1.1操作系统的地位和目标1.1.2操作系统的作用和组成,OperatingSystemDefinitions操作系统定义,ResourceallocatorControlprogramKernel定义：操作系统是一种管理计算机系统资源、控制系统工作流程，方便用户使用计算机的系统软件,管理和分配资源,控制用户程序的运行和I/O设备的操作,常驻内存运行的一个程序,1.1.1操作系统的地位和目标,操作系统在计算机系统中的地位,操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下是其他软件的共同环境）,操作系统的作用(1)OS是计算机硬件、软件资源的管理者。,资源包括：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）；管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作。,1.1.2操作系统的作用,操作系统的作用(2)OS是用户使用系统硬件、软件的接口。,系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口GUI）；系统调用（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）。,改造硬件设施，屏蔽使用细节，方便用户使用提供原语或广义指令，扩展机器的指令系统,操作系统的作用(3)OS提供了虚拟机(virtualmachine)。,在硬件层（裸机）上添加：设备管理、文件管理、存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对CPU）；为合理组织工作流程，又加入：作业管理、进程管理。因此，便为用户提供了一台功能显著增强，使用更加方便，效率明显提高的虚拟计算机,1.2操作系统的发展历史,1.2.2手工操作1.2.3单道批处理系统(50年代)1.2.4多道批处理系统(60年代初)1.2.5分时系统(60年代初)1.2.6实时系统(60年代初)1.2.7多方式系统时代(60-70年代)1.2.8分布式系统,多机系统时代(70年代中期后),SimpleBatchSystems简单批处理系统MultiprogrammingBatchedSystemsTime-SharingSystemsPersonal-ComputerSystemsParallelSystemsReal-TimeSystemsDistributedSystems,Whatisanoperatingsystem?,操作系统的史前文明-手工操作,工作方式用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员；编程语言：机器语言；输入输出：穿孔纸带或卡片；计算机的工作特点用户独占全机：资源利用率低；CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；,19461950年（电子管），集中计算（计算中心），计算机资源昂贵；,运算速度：5000次/每秒,18000个真空管,占地182平方米，重量130吨，功耗140kW程序员提前预约一段时间,然后到机房运行程序，期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断从而可以计算完自己的题目,50年代早期出现了穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机,主要矛盾计算机处理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪费）；用户独占全机的所有资源；提高效率的途径配备专门的操作员，批处理,1.2.3单道批处理系统,批处理中的作业的组成：用户程序数据作业说明书（作业控制语言）,50年代末60年代中（晶体管）雇一个操作员（来操纵计算机），利用磁带分批存放若干个作业，每个批由一个专门的监督程序（Monitor）自动依次处理，可使用汇编语言开发。,两种批处理方式(1)联机批处理,用户提交作业：以纸带或卡片为介质；操作员合成批作业：结果为磁带介质；批作业处理：对批中的每个作业进行相同的处理：从磁带读入用户作业和编译链接程序，编译链接用户作业，生成可执行程序；启动执行；执行结果输出。这时的问题：慢速的输入输出处理仍直接由主机来完成。输入输出时，CPU处于等待状态。,(2)脱机批处理,卫星机：完成面向用户的输入输出（纸带或卡片），中间结果暂存在磁带或磁盘上。作业控制命令由监督程序(monitor)来执行，完成如装入程序、编译、运行等操作。相当于单道批处理系统。,利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并行工作。,卡片,脱机批处理系统,IBM1401,IBM7094,IBM1401,输入磁带,磁带机,卡片阅读机,输出磁带,打印机,单道算题工作,处理器利用率：52/15035%,单道批处理的优缺点,优点：同一批内各作业的自动依次更替，改善了主机CPU和I/O设备的使用效率，提高了吞吐量。缺点：磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分类，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预才可恢复）。,1.2.4多道批处理系统（源于中断,通道,磁盘的引入）(multiprogrammingsystem),多道程序设计的特点：多道：内存中同时存放几个作业；宏观上：都处于运行中，但都未运行完；微观上,某一时刻处理机只运行某道作业。,60年代中70年代中（集成电路），利用多道批处理提高资源的利用率。,多道程序设计,两道算题并行工作,处理器利用率：(52+42)/(78+52+20)63%,课堂练习1.1,操作系统是一种A，在操作系统中采用多道程序设计方式能提高CPU和外部设备的B。一般来说，为了实现多道程序设计，计算机需要有C。A:(1)通用软件；(2)系统软件；(3)应用软件；(4)软件包。B:(1)利用效率；(2)可靠性；(3)稳定性；(4)兼容性。C：(1)更大的内存；(2)更快的外部设(3)更快的CPU；(4)更先进的终端；,答案：A(2),B(1),C(1),多道批处理系统的优点：资源利用率高：CPU和内存利用率较高；作业吞吐量大：单位时间内完成工作总量大；缺点：用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；作业平均周转时间长：短作业的周转时间（从作业提交到完成的这段时间）显著增长；这是批处理本身带来的问题。,1.2.5分时系统(time-sharingsystem),“分时”的含义：分时是指多个用户分时共享硬件和软件资源分时系统是交互式系统与多道程序设计结合的产物,（70年代中期至今）,把计算机的系统资源（尤其是CPU时间）进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片（timeslice），每个用户依次轮流使用时间片。,分时系统的特征,多路性：多个用户同时工作。独立性：对每个用户而言好象独占主机及时性：用户的请求能在短时间内获得响应（2，3秒）交互性：系统能及时对用户的操作进行响应,分时OS,分时系统的响应时间响应时间为用户发出一条指令到系统处理完这条指令并做出回答所需要的时间。是衡量分时系统性能好坏的一条重要标志，具体的响应时间与系统的用户个数及时间片大小有关。响应时间T与时间片q和用户个数n之间的关系为T=nq。,课堂练习1.2,分时系统中，当用户数目为100时，为保证响应不超过2秒；此时的时间片最大应为。(1)10ms；(2)20ms；(3)50ms；(4)100ms；(5)200ms。,答案：(2),批处理系统的主要缺点是()A.CPU的利用率不高B失去了交互性C.不具备并行性D.以上都不是在批处理系统中，周转时间是()A.作业运行时间B.作业等待时间和运行时间之和C.作业的相对等待时间D.作业被调度进入内存到运行完毕的时间,1.2.6实时系统(real-timesystem),实时操作系统主要用于过程控制、信息查询和事务处理等，比如军事、金融等领域。主要特征：实时性和可靠性要求：响应时间短（毫秒级，即时），在一定范围之内；系统可靠性高,1.2.7多方式系统时代(60-70年代)多种方式操作系统:同时具有批处理,分时,实时功能的系统,1.2.8并行与分布式操作系统及发展分布式操作系统:支持网络和分布处理的系统多机操作系统:支持共享内存多处理机的系统,1.3操作系统的分类,1.3.1批处理操作系统1.3.2分时操作系统1.3.3实时操作系统1.3.4多处理机操作系统1.3.5网络操作系统1.3.6分布式操作系统1.3.7微机操作系统1.3.8嵌入式操作系统,1.3.4多处理机操作系统(Multi-processorOperatingSystem),多处理机系统的特点:增加系统的吞吐量：节省投资：与用N台独立的计算机系统相比，可以节省费用提高系统可靠性：系统故障时降级运行,1975年前后，出现多处理机系统(multi-processor)。多处理机操作系统的出现是为了提高计算机系统性能和可靠性。提高性能有两条途径：提高各个组成部分的速度、增大处理的并行程度。,多处理机系统的类型,紧密耦合(tightly-coupled)：各处理机之间通过快速总线或开关阵列相连，共享内存，整体系统由一个统一的OS管理（一个OS核心）。松散耦合(loosely-coupled)：各处理机带有各自的存储器、I/O设备和操作系统，通过通道或通信线路相连。每个处理机上独立运行OS。,存储器,I/O设备,I/O设备,处理器,缓存,处理器,缓存,以处理器为核心,多机系统的结构,1.3.5网络操作系统(NOS,NetworkOperatingSystem),网络操作系统是在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的网络资源共享，提供网络用户所需各种服务的软件和相关规程的集合。,网络功能成为操作系统的有机组成部分。,1.3.6分布式操作系统(DistributedOperatingSystem),分布式系统：处理和控制的分散（相对于集中式系统）分布式系统是以计算机网络为基础的，它的基本特征是处理上的分布，即功能和任务的分布。分布式操作系统的所有系统任务可在系统中任何处理机上运行，自动实现全系统范围内的任务分配并自动调度各处理机的工作负载。,分布式操作系统与网络操作系统的比较,耦合程度：分布式系统是紧密耦合系统：分布式OS是在各机上统一建立的OS同质，直接管理CPU、存储器和外设；统一进行全系统的管理；网络通常容许异种OS互连。并行性：分布式OS可以将一个进程分散在各机上并行执行进程迁移；网络则各机上的进程独立。,透明性：用户是否知道或指定资源在哪个机器上（如CPU、内存或外设）。分布式系统的网络资源调度对用户透明，用户不了解所占有资源的位置；网络操作系统中对网络资源的使用要由用户明确指定；,1.3.7个人计算机操作系统(PersonalComputerOperatingSystem),个人计算机操作系统的特征应用领域：事务处理、个人娱乐。系统要求：使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信）、效率不必很高。,操作系统的发展趋势：嵌入式操作系统：伴随着个人数字助理PAD,掌上电脑，电视机顶盒，智能家电等设备的发展，对操作系统在功能和所占空间大小权衡上提出了新的要求。强实时操作系统：针对通用操作系统的实时性研究，还在不断发展当中。并行操作系统的研究：建立在基于共享主存的多处理机系统(MP)及用上千个微处理器实现基于分布式存储的大规模并行处理机系统(MPP)的操作系统。网络操作系统和分布式操作系统的研究：基于ClientServer模型的分布式系统也已不断走向应用，完全分布式的系统还未成型，仍将是研究的热点问题。,常用的个人计算机操作系统,单用户单任务：MSDOS单用户多任务：OS/2,MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows2000Professional多用户多任务：UNIX(SCOUNIX,Solarisx86,Linux,FreeBSD),课堂练习1.3,在设计分时操作系统时，首先要考虑的是A；在设计实时操作系统时，首先要考虑的是B；A、B：(1)灵活性和可适应性；(2)交互性和响应时间；(3)周转时间和系统吞吐量；(4)实时性和可靠性。,答案：A(2),B(4),课堂练习1.4,为了提高计算机的处理机和外部设备的利用率，把多个程序同时放入主存，在宏观上并行运行是A；把一个程序划分成若干个同时执行的程序模块的设计方法是B；多个用户在终端设备上的交互方式输入、排错和控制其程序的运行是C；由多个计算机组成的一个系统，这些计算机之间可以通信来交换信息，互相之间无主次之分，它们共享系统资源，程序由系统中的全部或部分计算机协同执行，管理上述计算机系统的操作系统是D；有一类操作系统的系统响应时间的重要性超过系统资源的利用率，它被广泛地应用于卫星控制、飞机订票业务等领域是E。AE：分时OS实时OS批处理系统网络OS分布式OS单用户OS多重程序设计多道程序设计并发程序设计,答案：A(8),B(9),C(1),D(5),E(2),1.4操作系统的特征,1.4.1操作系统的特征1.4.2操作系统的服务,1.4.1操作系统的特征,并发(concurrency)共享(sharing)虚拟(virtual)异步性(asynchronism),并发(concurrency),在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称作任务），并发指的是进程。,多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。并行(parallel)是指在同一时刻发生。,共享(sharing),互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用。同时访问：允许在一段时间内有多个进程“同时”对它们进行访问。（如可重入代码，磁盘文件）,多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。资源在一个时间段内交替被多个进程所用。,虚拟(virtual),CPU每个用户（进程）的虚处理机存储器每个进程都占有的地址空间（指令数据堆栈）显示设备多窗口或虚拟终端(virtualterminal),一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体分时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。,异步性(asynchronism),也称随机性，指内存中的多个进程均按照各自独立的、不可预知的速度向前推进。,程序执行结果不确定，不可再现。相同输入与环境下多次运行结果不同。多道程序设计环境下，程序按异步方式运行。多个进程并发执行，“时走时停”，不可预知每个进程的运行推进快慢，引发执行顺序与时间的不确定。,1.4.2操作系统的服务,服务类型程序的执行和终止（包括分配和回收资源）I/O操作文件系统操作通信：本机内，计算机之间配置管理：硬件、OS本身、其他软件差错检测,1.5操作系统的功能,1.5.1处理机管理1.5.2存储管理1.5.3设备管理1.5.4信息管理1.5.5网络与通讯管理1.5.6用户接口,1.5.1处理机管理,进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等进程同步：协调并发进程之间的推进步骤，以协调资源共享；进程通信：进程之间传送数据，以协调进程间的协作；进程调度：作业和进程的运行切换，以充分利用处理机资源和提高系统性能；,完成处理机资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为进程或线程。,1.5.2存储管理,存储分配与回收：为每道程序分配内存空间；存储保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如：访问合法性检查、甚至要防止从垃圾中窃取其他进程的信息；地址映射：进程逻辑地址到内存物理地址的映射；内存扩充：提高内存利用率、扩大进程的内存空间；,1.5.3设备管理,设备操作：利用设备驱动程序（通常在内核中）完成对设备的操作。还需处理外设的IRQ。设备独立性：提供统一的independenceI/O设备接口，使应用程序独立于物理设备，提高可适应性。设备分配与回收：在多用户间共享I/O设备资源。缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率,1.5.4信息管理,文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能。目录管理：解决信息检索问题。文件的属性，文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。口令、用户分类、文件权限软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和拆除等,解决软件资源的存储、共享、保密和保护。,1.5.5用户接口,操作接口（系统命令）：供用户用于组织和控制自己的作业运行。命令行、菜单式或GUI联机命令编程接口：供用户程序和系统程序调用操作系统功能。包含系统调用和高级语言库函数；,给用户提供一个友好的访问操作系统的接口。,两种接口：,操作系统提供的用户接口,用户和操作系统间的两种接口,UNIX/Linux提供的用户接口系统程序、库函数、系统调用的分层关系,Win32API和UNIX/Linux系统调用粗略对应关系,系统调用与过程(函数)调用的区别,调用形式：过程(函数)使用一般调用指令，其转向地址是固定不变的，包含在跳转语句中系统调用中不包含处理程序入口，而仅仅提供功能号，按功能号调用被调用代码的位置：过程(函数)调用是一种静态调用，程序和被调代码在同一程序内，经过连接后作为目标代码的一部份；当过程(函数)升级或修改时，必须重新编译连接系统调用是一种动态调用，系统调用的处理代码在调用程序之外(在操作系统中)，系统调用处理代码升级或修改时，与调用程序无关,系统调用与过程(函数)调用的区别,提供方式：过程(函数)往往由编程语言提供系统调用由操作系统提供，一旦操作系统设计好，系统调用的功能、种类与数量便固定不变了调用的实现：程序调用过程(函数)，是在用户态运行的系统调用是通过中断机构来实现，需要从用户态转变到核心态，在管理状态下运行,Linux系统调用,Linux有170个系统调用，其系统调用的组成：核心函数：是实现系统调用功能的(内核)代码，作为操作系统的核心驻留在内存中，是一种共享代码，用C语言书写。它运行在核心态，数据也存放在内核空间接口函数：是提供给应用程序的API，以库函数形式存在Linux的lib.a中,该库中存放了所有系统调用的接口函数的目标代码，用汇编语言书写。其主要功能是把：系统调用号、入口参数地址传送给相应的核心函数，并使用户态下运行的应用程序陷入核心态,Linux系统调用,Linux的系统调用号就是系统调用入口表中位置的序号，所有系统调用通过接口函数将系统调用号传给内核，内核转入系统调用控制程序再通过调用号位置来定位核心函数,Linux内核的陷入由0 x80(int80h)中断实现系统调用控制程序的主要功能为：取系统调用号根据系统调用号定位核心函数地址根据通用寄存器内容，从用户栈中取入口参数核心函数执行,把结果返回应用程序,Linux系统调用入口程序entry.s,是用汇编写的，它包含了系统调用入口地址表，给出了所有系统调用核心函数的名字：ENTRY(sys-call-table).longSYMBOL-NAME(sys-ni-syscall)0.longSYMBOL-NAME(sys-exit)1.longSYMBOL-NAME(sys-fork)2.longSYMBOL-NAME(sys-read)3.longSYMBOL-NAME(sys-write)4.longSYMBOL-NAME(sys-open)5.longSYMBOL-NAME(sys-close)6.longSYMBOL-NAME(sys-vfork)190,1.7常用操作系统,微软DOS操作系统,1975年4月4日Microsoft成立1981年8月12日，IBM推出内含Microsoft的16位元作业系统MS-DOS1.0的个人电脑。MS-DOS是MicrosoftDiskOperatingSystem的简称。在Windows95以前，DOS是PC兼容电脑的最基本配备，而MS-DOS则是最普遍使用的PC兼容DOS。,最基本的MS-DOS系统由一个引导程序和三个文件模块组成：IO.SYS、文件管理模块MSDOS.SYS及命令解释模块(COMMAND.COM)。,MS-DOS发展历程,DOS1.0(1981)DOS2.0(1983)DOS3.0(1984)DOS3.3(1987)DOS4.0(1988)DOS5.0(1991)DOS6.X(1992)DOS7.0(1995)DOS7.1,Windows操作系统,系统特点界面图形化（GUI）多任务网络支持良好出色的多媒体功能硬件支持良好众多的应用程序NT、2000、XP、VISTA支持多处理器,Windows的发展史,Windows1.0(1985),Windows2.0(1987),Windows3.0(1990),WindowsforWorkgroups3.1(1992),Windows3.2简体中文版(1994),Windows95(1995),Windows98(1998),WindowsMe(2000),Windows98se(1999),16位Windows,Windows1.0(1985),16位windows,Windows2.0(1987),模拟32位Windows,Windows3.0(1990)WindowsforWorkgroups3.1(1992)WindowsNT3.1(1993)Windows3.2中文版(1994),CompanyLogo,Windows3.2,准32位Windows,Windows95(1995)Windows98(1998)Windows98se(1999)WindowsMe(2000)Windows9X的系统基层主要是16位的DOS源代码，它是一种16位/32位混合源代码的准32位操作系统，故不稳定。主要面向桌面电脑的系列。,32位Windows,WindowsNT4.0(1996)Windows2000(2000)WindowsXP(2001)Windowsserver2003(2003)WindowsVista(2006)Windowsserver2008纯32位操作系统，使用先进的NT核心技术，非常稳定。分为面向工作站和高级笔记本的Workstation版本(以及后来的Professional版)，以及面向服务器的Server版。,CompanyLogo,WindowsNT,Windows2000,AdvancedServerDatacenterServerProfessionalServerSP1SP2SP3SP4,WindowsXP,家庭版(Home)专业版(Professional)媒体中心版(MediaCenterEdition)入门版(StarterEdition)SP1SP2,WindowsServer2003,Web版标准版企业版数据中心版,WindowsVista,家庭/消费类用户版包含四种版本：WindowsVistaStarterWindowsVistaHomeBasicWindowsVistaHomePremiumWindowsVistaUltimate企业用户版包含三种版本：WindowsVistaUltimateWindowsVistaBusinessWindowsVistaEnterprise,WindowsVista的最低配置,系统分区20G以上，512M内存,CompanyLogo,64位Windows,WindowsXPWindowsserver2003WindowsVistaWindowsserver200864位操作系统下必须使用64位应用程序，如使用32位应用程序，可能会出现错误。,CompanyLogo,LINUX发展史,在1991年的八月，网络上出现了一篇以此为开篇话语的帖子这是一个芬兰的名为LinusTorvalds的大学生为自己开始写作一个类似minix，可运行在386上的操作系统寻找志同道合的合作伙伴。1991年10月5日，LinusTorvalds在新闻组comp.os.minix发布了大约有一万行代码的Linuxv0.01版本。