计算机操作系统引论.ppt

10.06.2020,1,计算机操作系统,授课教师：李金广,10.06.2020,2,教材及参考书,10.06.2020,3,第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用,一操作系统的目标.有效性提高计算机系统资源的利用率及系统的吞吐量；.方便性方便用户执行用户程序并使用户问题更易解决；.可扩充性OS应采用模块化结构，以便于增加新的功能模块和修改老的功能模块；.开放性以便使得出自不同厂家的计算机及其设备能有效的协同工作，实现应用程序的可移植性和互操作性。,10.06.2020,4,1.1操作系统的目标和作用二操作系统的作用,从一般用户的观点，OS是用户和计算机硬件系统之间的接口；从资源管理的观点，OS是计算机系统资源的管理者。OS的主要功能是针对以下四类资源进行有效的管理，即处理机管理：用于分配和控制处理机。存储器管理：主要负责内存的分配与回收。I/O设备管理：负责I/O设备的分配与操纵。文件管理：负责文件的组织、存取、共享与保护。OS用作扩充机器在计算机系统上覆盖上一层软件后，系统功能便增强一级。在裸机上覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。,10.06.2020,5,1.1操作系统的目标和作用三操作系统发展的主要动力,1、不断提高计算机资源利用率的需要2、方便用户3、器件的不断更新换代微机从8位16位32位促使os从8位16位32位4、计算机体系结构的不断发展单处理机多处理机网络,10.06.2020,6,1.2操作系统的形成和发展ENIAC计算机,运算速度：1000次/每秒,数万个真空管,占地100平方米1.没有程序设计语言（甚至没有汇编），更谈不上操作系统.2.程序员提前预约一段时间，然后到机房将他的插件板插到计算机里.3.期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断，从而可以计算自己的题目.,10.06.2020,7,1.2操作系统的形成和发展1、人工操作方式,用户在计算机上算题的所有工作都要用户人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等。这种操作方式有以下两个缺点：a.用户独占全机。一台计算机的全部资源只能有一个用户独占；b.CPU等待人工操作。当用户进行装带(卡)、卸带(卡)等人工操作时，CPU是空闲的。随着计算机速度的加快，人机矛盾、CPU与I/O速度不匹配的矛盾越来越大，直至无法容忍。必须寻求新的办法。,10.06.2020,8,1.2操作系统的形成和发展2、脱机输入输出方式,该技术是指事先将装有用户程序和数据的纸带(或卡片)装入纸带(或卡片)输入机，在一台外围机的控制下把纸带(卡片)上的数据(程序)输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时再从磁带上高速地调入内存。类似的，当CPU需要输出时可由CPU直接高速地把数据从内存送到磁带上。然后再在另一台外围机地控制下，将磁带上的结果通过相应的输出设备输出。,为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，50年代末出现了脱机输入输出技术。,10.06.2020,9,1.2操作系统的形成和发展2、脱机输入输出方式,由于程序和数据的输入输出都是在外围机的作用下完成的，即是在脱离主机的情况下完成的。故称脱机输入输出方式。这种方式的主要优点如下：a.减少了CPU的空闲时间。缓和了人机矛盾。b.提高I/O速度。大大缓和了CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾,10.06.2020,10,1.2操作系统的形成和发展3、批处理阶段,批处理是指把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上，并在系统中配上监控程序，它负责完成这批作业的调入、启动运行、输出运行结果等工作。（1）单道批处理系统：是指系统对作业的处理都是成批进行的、且在内存中始终只保持一道作业。它是最早出现的一种OS。但这种单道批处理系统仍然不能很好地利用系统资源，故现在已很少使用。其特征为：自动性、顺序性、单道性。（2）多道批处理系统：它与分时操作系统和实时操作系统是操作系统的三种基本类型。,10.06.2020,11,1.2操作系统的形成和发展4、多道程序设计技术和多道批处理系统,一、多道程序设计技术定义：多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。特征:多道性无序性调度性（作业调度及进程调度）宏观上并行微观上串行,10.06.2020,12,1.2操作系统的形成和发展4、多道程序设计技术和多道批处理系统,二、多道批处理系统在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了多道批处理操作系统。该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作业调度程序自动地选择作业运行。三、多道批处理系统的优缺点优点：缩短作业之间的交接时间，减少处理机的空闲等待时间，提高资源的利用率及系统的吞吐量（指系统在单位时间内所完成的总工作量）。缺点：平均周转时间长、用户响应时间较长。无交互能力（用户既不能了解自己程序的运行情况，也不能控制计算机。）。,10.06.2020,13,1.2操作系统的形成和发展4、多道程序设计技术和多道批处理系统,四、多道批处理系统需解决的问题1、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、作业管理问题因此，需增加一组软件来处理以上问题，这组软件就构成了操作系统。定义：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理的对各类作业进行调度，以及方便用户的程序的集合。,10.06.2020,14,1.2操作系统的形成和发展5.分时操作系统(TimeSharingOS),一、分时计算机系统由于中断技术的使用，使得一台计算机能连接多个用户终端，用户可通过各自的终端使用和控制计算机，我们把一台计算机连接多个终端的计算机系统称为分时计算机系统，或称分时系统。分时技术：把处理机的响应时间分成若干个大小相等（或不相等）的时间单位，称为时间片（如100毫秒），每个终端用户获得CPU，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运行，当时间片到（用完），用户程序暂停运行，等待下一次运行。例如：我们上课。,10.06.2020,15,1.2操作系统的形成和发展5.分时操作系统(TimeSharingOS),10.06.2020,16,1.2操作系统的形成和发展5.分时操作系统(TimeSharingOS),二、分时操作系统分时操作系统利用分时技术实现多道程序设计的一种操作系统，它一般采用时间片轮转的办法，使一台计算机同时为多个终端用户服务，对每个用户都能保证足够快的响应时间，并提供交互会话功能。分时操作系统的特点：1.多路性：即众多联机用户可以同时使用同一台计算机；2.独占性：各终端用户感觉到自己独占了计算机；3.交互性：用户与计算机之间可进行“会话”。4.及时性：用户的请求能在很短时间内获得响应。,10.06.2020,17,1.2操作系统的形成和发展6.实时操作系统(real-timeOS),一、实时系统的引入1、实时控制的需要实时采集数据及处理，如生产过程的控制、火炮的自动控制系统、飞机的自动驾驶系统、导弹的制导系统。2、实时信息处理飞机订票系统、情报检索系统在实时处理中的一个核心的问题就是响应时间问题定义：实时系统是指系统能及时（或即时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理并控制所有实时任务协调一致的运行。,10.06.2020,18,1.2操作系统的形成和发展6.实时操作系统(real-timeOS),二、响应时间：指用户发出命令，到系统完成用户命令所需的时间。批处理操作系统没有分时操作系统秒级(一般情况）实时操作系统微秒级甚至更小（经典说法）,10.06.2020,19,1.2操作系统的形成和发展6.实时操作系统(real-timeOS),三、实时操作系统实时操作系统是又一种类型的操作系统，对外部的请求，实时操作系统能够在规定的时间内处理完毕。实时：指计算机对于用户请求能足够快地进行处理，并做出反映。要求毫秒、微秒级。实时操作系统的应用：实时控制：工业过程控制、防空系统等实时信息处理：情报检索和查询、飞机订票系统、银行信用卡系统。,10.06.2020,20,1.2操作系统的形成和发展6.实时操作系统(real-timeOS),四、实时操作系统特点：1、系统对外部的信号必须能及时响应(在规定的时间内（deadline）)；2、要求高可靠性和安全性，效率则放在第二位；3、交互性，但不要求很强的“会话”能力，仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。,10.06.2020,21,1.3操作系统的特征和服务1.操作系统的特征,并发、共享、虚拟、异步性构成了操作系统的特征。一、并发（Concurrence)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。进程：指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是一个活动实体。而通常所说的程序是静态实体，是不能并发执行的。二、共享（Sharing)指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。资源的共享方式：互斥共享方式和同时访问方式。临界资源：指在一段时间内只允许一个进程访问的资源。并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。他们又是互为存在条件的。,10.06.2020,22,1.3操作系统的特征和服务1.操作系统的特征,三、虚拟（Virtual)“虚拟”指通过某种技术把一个物理设备变成若干个逻辑上的对应物。其实现通过分时使用的方法。四、异步性（Asyschronism)进程的运行是“走走停停”，以不可预知的速度向前推进。,10.06.2020,23,1.3操作系统的特征和服务2.操作系统提供的服务,一、公共服务类型1、程序执行2、I/O操作3、文件系统操纵文件的创建、修改、删除等4、通信提供实现进程间通信的服务。5、差错检测硬件故障及软件异常,10.06.2020,24,1.3操作系统的特征和服务2.操作系统提供的服务,二、系统调用类型1、进程控制类系统调用creatprocess,terminateprocess,getprocessattributes,setprocessattributes.2、文件操纵系统调用creatfile,deletefile,read,write,setfileattributes,getfileattributes.3、设备管理系统调用requestdevice,releasedevice,read,write4、通信用系统调用openconnection,acceptconnection,readmessage,writemessage,closeconnection5、信息维护用户程序和OS之间传递信息。如OS版本号，空闲内存和磁盘空间等。,10.06.2020,25,1.4操作系统的功能1.存储器管理的功能,一、内存分配1、静态分配方式2、动态分配方式二、内存保护确保每道用户程序都在自己的内存空间运行，互不干扰。实现方法：设置两个界限寄存器。三、地址映射将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间的物理地址。四、内存扩充采用虚拟技术，从逻辑上扩充内存容量。实现方法：请求调入功能、置换功能。,10.06.2020,26,1.4操作系统的功能2.处理机的管理功能,对处理机的分配和运行都是以进程为基本单位的。一、进程控制为作业创建进程，撤销已结束的进程及控制进程运行中的状态转换。实现方法：进程控制原语或系统调用。二、进程同步对诸进程的运行进行协调。方式：进程互斥方式，进程同步方式。三、进程通信直接通信和间接通信（邮箱）四、调度作业调度，进程调度。调度算法：先来先服务（FCFS),优先权高者优先。,10.06.2020,27,1.4操作系统的功能3.设备管理的功能,任务：为用户的I/O请求分配I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。为此，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理，及虚拟设备等功能。,10.06.2020,28,1.4操作系统的功能4.文件管理的功能,一、文件存储空间的管理任务：为文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，提高文件系统的工作速度。二、目录管理任务：建立文件的目录项；实现文件共享；提供快速的目录查询手段。三、文件的读、写管理和存储控制,10.06.2020,29,1.4操作系统的功能5.用户接口的功能,目的：方便用户使用操作系统。一、命令接口用命令的方式请求操作系统服务二、程序接口为用户程序访问系统资源而设，是用户程序获得操作系统服务的唯一途径。三、图形接口为用户提供友好的操作界面。如：windows98,OS/22.1MacintoshOS,10.06.2020,30,1.5操作系统实例1.微机操作系统,一、单用户单任务OS1、CP/M1975年DigitalResearch公司推出的8位微机操作系统2、MS-DOSMicrosoft公司开发，16位微机操作系统。二、单用户多任务OS1、OS/219877年IBM的PS/2上安装。OS/21.X是16位微机操作系统，OS/22.X是32位微机操作系统.2、MSWINDOWSMicrosoft公司开发，Windows3.xwindowsNTwindows9xwindows2k三、多用户多任务OS1、小型机及大型机上配置运行的OS2、Bell实验室开发的UNIXOS是唯一能在微机、工作站、小型机及大型机上运行的OS,10.06.2020,31,1.5操作系统实例2.多处理机操作系统,提高性能的途径：提高元器件的速度；体系结构的改进一、多处理机系统（MutiprocessorSystem)的引入a.增加系