操作系统第1章操作系统引论

1、2022-3-12022-3-11 1操作系统操作系统2022-3-12022-3-12 2内容概述内容概述1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用 1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 1.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 1.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计 操作系统属于软件中的操作系统属于软件中的系统软件系统软件, ,起到对起到对系统资源系统资源进进行管理和分配行管理和分配, ,提高运行效率的作用。提高运行效率的作用。2022-3-12022-3-13 31.1.1 1.

2、1.1 操作系统的目标操作系统的目标1.1.2 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用1.1.3 1.1.3 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力2022-3-12022-3-14 4计算机系统计算机系统软件软件硬件及固件硬件及固件( (裸机裸机) )应用软件应用软件系统软件系统软件DBMS,DBMS,编译软件编译软件操作系统操作系统2022-3-12022-3-15 5计算机硬件操作系统系统工具应用软件应用用户应用开发人员操作系统开发人员紧贴系统硬件之上紧贴系统硬件之上, ,所有其他软件之下所有其他软件之下( (是其他软件的是其他软件的共同环境共同环境) )2022-3-1

3、2022-3-16 61.1.1 1.1.1 操作系统的目标操作系统的目标 目前存在着目前存在着多种类型多种类型的的OS,OS,不同类型的不同类型的OS,OS,其目标其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS,OS,其目标其目标有以下几点有以下几点: : 1. 1. 方便性方便性 2. 2. 有效性有效性 3. 3. 可扩充性可扩充性 4. 4. 开放性开放性2022-3-12022-3-17 71.1.方便性方便性( (用户的观点用户的观点) )操作系统最终是要为用户服务的。提供良好的、一致操作系统最终是要为用户服务的。提供良好的、一致的用户接口的用户

4、接口, ,弥补硬件系统的类型和数量差别弥补硬件系统的类型和数量差别, ,使计算机更使计算机更容易使用容易使用。2.2.有效性有效性( (系统管理人员的观点系统管理人员的观点) )操作系统要合理地组织计算机的工作流程操作系统要合理地组织计算机的工作流程, ,改善系统改善系统资源的资源的利用率利用率, ,提高系统的吞吐量从而使有限的资源完成提高系统的吞吐量从而使有限的资源完成更多的任务。更多的任务。 3.3.可扩充性可扩充性OSOS应采用应采用层次化层次化结构结构, ,以便于增加新的功能层次和以便于增加新的功能层次和模模块块, ,并能修改老的功能层次和模块。并能修改老的功能层次和模块。4.4.开放

5、性开放性遵循标准规范遵循标准规范, ,方便地实现互连方便地实现互连, ,实现应用程序的实现应用程序的可移可移植性植性和和互操作性互操作性。2022-3-12022-3-18 81.1.1 1.1.1 操作系统的目标操作系统的目标1.1.2 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用1.1.3 1.1.3 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力2022-3-12022-3-19 9OSOS处于用户与计算机硬件系统之间处于用户与计算机硬件系统之间, ,用户通过用户通过OSOS来来使用使用计算机系统。或者说计算机系统。或者说, ,用户在用户在OSOS帮助下帮助下, ,能够方便、快捷、能够

6、方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。注意：注意：OSOS是一个系统软件是一个系统软件, ,因而这种接口是软件接口。因而这种接口是软件接口。命令方式命令方式联机用户接口联机用户接口( (命令命令) )脱机用户接口脱机用户接口( (批处理批处理) )系统调用方式系统调用方式形式上类似于过程调用形式上类似于过程调用, ,在应用编程中使用在应用编程中使用(API)(API)图标图标-窗口方式窗口方式用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。运行自己的程序。1.1.2 1.1.2

7、 操作系统的作用操作系统的作用 Operating System2022-3-12022-3-11010图图1-1 OS1-1 OS作为接口的示意图作为接口的示意图 操操作作系系统统各各种种应应用用程程序序2022-3-12022-3-11111计算机的资源包括处理机、存储器、计算机的资源包括处理机、存储器、I/OI/O设备及设备及数据和程数据和程序序等等管理的内容管理的内容: :资源的当前状态资源的当前状态( (数量和使用情况数量和使用情况) )、资源的、资源的分配分配、回收回收和和访问访问操作操作, ,相应管理策略相应管理策略( (包括用户权限包括用户权限) )处理机管理处理机管理存储器管

8、理存储器管理I/OI/O设备管理设备管理文件管理文件管理2022-3-12022-3-11212OSOS是扩展机是扩展机(extended machine)/(extended machine)/虚拟机虚拟机(virtual machine)(virtual machine)将覆盖了软件的机器称为将覆盖了软件的机器称为扩充机器扩充机器或或虚拟机虚拟机在裸机上添加在裸机上添加: :设备管理、文件管理、存储管理设备管理、文件管理、存储管理( (针对内存针对内存和外存和外存) )、处理机管理、处理机管理( (针对针对CPU)CPU)。如果我们在裸机上覆盖。如果我们在裸机上覆盖一层一层I/OI/O设备

9、管理软件设备管理软件, ,用户便可以利用这层用户便可以利用这层I/OI/O设备管理软设备管理软件提供给用户的接口来进行数据的输入和输出件提供给用户的接口来进行数据的输入和输出, ,那么用户此那么用户此时看到的计算机是一台功能强大、使用方便的计算机时看到的计算机是一台功能强大、使用方便的计算机, ,但实但实际上际上, ,计算机的硬件丝毫没有变化计算机的硬件丝毫没有变化, ,这样的计算机称为这样的计算机称为软件软件扩充的机器扩充的机器, ,或称或称软件虚拟机软件虚拟机。 操作系统的非形式化定义操作系统的非形式化定义(关键点关键点):系统软件系统软件,程序程序模块的集合模块的集合,资源管理和用户接口

10、功能资源管理和用户接口功能2022-3-12022-3-113131.1.1 1.1.1 操作系统的目标操作系统的目标1.1.2 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用1.1.3 1.1.3 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力2022-3-12022-3-114141.1.3 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力 1. 1. 不断提高计算机资源利用率不断提高计算机资源利用率计算机发展的初期计算机发展的初期, ,计算机系统计算机系统昂贵昂贵, ,用作用作集中计算集中计算。2. 2. 方便用户方便用户在一定程序上也是它的界面在一定程序上也是它的界面, ,风格很方

11、便用户风格很方便用户, ,只需要只需要鼠标点击鼠标点击, ,很方便。很方便。 3. 3. 器件的不断更新换代器件的不断更新换代 CPUCPU的位宽度的位宽度( (指令和数据指令和数据) )、快速外存、快速外存( (摩尔定律摩尔定律) )4. 4. 计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展 从单处理机到多处理机从单处理机到多处理机; ;从单机从单机OSOS到网络到网络OSOS软件呢？软件呢？2022-3-12022-3-115151.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程1.3 1.3 操作系统的基本特征操作系统的基本特征

12、1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能1.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计2022-3-12022-3-116161.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统1.2.2 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统1.2.3 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统1.2.5 1.2.5 实时系统实时系统1.2.6 1.2.6 网络操作系统网络操作系统 1.2.7 1.2.7 分布式操作系统分布式操作系统2022-3-12022-3-117171.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算

13、机系统 1.1.人工操作方式人工操作方式194619465050年代年代( (电子管电子管),),集中计算集中计算( (计算中心计算中心),),计算机资源计算机资源昂贵用户在计算机上算题的所有工作都要用户人工干预昂贵用户在计算机上算题的所有工作都要用户人工干预, ,如程如程序的装入、运行、结果的输出等。随着计算机速度的加快序的装入、运行、结果的输出等。随着计算机速度的加快, ,人人机矛盾越来越大机矛盾越来越大, ,直至无法容忍。必须寻求新的办法。直至无法容忍。必须寻求新的办法。 工作方式工作方式用户用户: :用户既是程序员用户既是程序员, ,又是操作员又是操作员; ;用户是计算机专业人员用户是

14、计算机专业人员; ;编程语言编程语言: :机器语言机器语言输入输出输入输出: :纸带或卡片纸带或卡片 计算机的工作特点计算机的工作特点用户独占全机用户独占全机: :不出现资源被其他用户占用不出现资源被其他用户占用, ,资源利用率低资源利用率低CPUCPU等待用户等待用户: :计算前计算前, ,手工装入纸带或卡片手工装入纸带或卡片; ;计算完成后计算完成后, ,手手工卸取纸带或卡片工卸取纸带或卡片;CPU;CPU利用率低利用率低 用用户户 纸纸带带、卡卡片片 计计算算机机 2022-3-12022-3-118182. 2. 脱机输入脱机输入/ /输出输出(Off-Line I/O)(Off-Li

15、ne I/O)方式方式 事先将用户程序或数据的纸带或卡片事先将用户程序或数据的纸带或卡片放放入纸带输入入纸带输入机机, ,在在外围机外围机的控制下输入到的控制下输入到磁带磁带上上,CPU,CPU从从磁带磁带上读入数上读入数据据; ;输出过程正好相反。输出过程正好相反。这种脱机这种脱机I/OI/O方式的主要方式的主要优点优点如下如下: :减少了减少了CPUCPU的空闲时间。的空闲时间。 (1)(1)(2)(2)提高提高I/OI/O速度。速度。 图图1-2 1-2 脱机脱机I/OI/O示意图示意图2022-3-12022-3-11919主要矛盾主要矛盾计算机处理能力的提高计算机处理能力的提高, ,

16、手工操作的低效率手工操作的低效率( (造成浪费造成浪费););用户独占全机的所有资源用户独占全机的所有资源; ;提高效率的途径提高效率的途径批处理批处理2022-3-12022-3-120201.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统1.2.2 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统1.2.3 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统1.2.5 1.2.5 实时系统实时系统1.2.6 1.2.6 网络操作系统网络操作系统 1.2.7 1.2.7 分布式操作系统分布式操作系统2022-3-12022-3-12121批处理系统主要

17、是采用了批处理技术。批处理系统主要是采用了批处理技术。批处理技术批处理技术是指计是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。所谓所谓批处理系统批处理系统是指加载在计算机上的一个系统软件是指加载在计算机上的一个系统软件, ,在它在它的控制下的控制下, ,计算机能够自动地成批地处理一个或多个用户的计算机能够自动地成批地处理一个或多个用户的作业。作业。所谓所谓中断中断是指当主机接到外界硬件发来的中断信号时是指当主机接到外界硬件发来的中断信号时, ,停止停止原来的工作原来的工作, ,转去处理中断的事件。在处理中断完成以后转去处理中断的事件。在处理中断完成以

18、后, ,主机又回到原来的工作点继续工作。这样可以使用户程序主机又回到原来的工作点继续工作。这样可以使用户程序的的I/OI/O申请完成后申请完成后, ,主机能自动在原中断点之后继续运行主机能自动在原中断点之后继续运行, ,同同时为多道程序并发执行打下了基础。时为多道程序并发执行打下了基础。2022-3-12022-3-122221.1.单道批处理系统的处理过程单道批处理系统的处理过程 图图1-3 1-3 单道批处理系统的处理流程单道批处理系统的处理流程 2022-3-12022-3-123232.2.单道批处理系统的单道批处理系统的特征特征 单道批处理系统是最早出现的一种单道批处理系统是最早出现

19、的一种OS,OS,严格地说严格地说, ,它只它只能算作是能算作是OSOS的前身而并非是现在人们所理解的的前身而并非是现在人们所理解的OSOS。尽管如。尽管如此此, ,该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。该系该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。该系统的主要统的主要特征特征如下如下: :(1)(1)自动性自动性 在顺利的情况下在顺利的情况下, ,磁带上的一批作业能磁带上的一批作业能自动地自动地逐个逐个地依次运行地依次运行, ,而无需人工干预而无需人工干预(2)(2)顺序性顺序性 磁带上的各道作业是顺序地进入内存磁带上的各道作业是顺序地进入内存, ,完成顺序完成顺序与与进入内存顺序进入内

20、存顺序相同相同(3)(3)单道性单道性 内存中只有一道程序运行内存中只有一道程序运行 CPUCPU和和I/OI/O设备使用设备使用忙闲不均忙闲不均( (取决于当前作业的特性取决于当前作业的特性) ) 对对计算计算为主的作业为主的作业, ,外设空闲外设空闲 对对I/OI/O为主的作业为主的作业,CPU,CPU空闲空闲2022-3-12022-3-124241.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统1.2.2 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统1.2.3 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统1.2.5 1.2.5 实时系统

21、实时系统1.2.6 1.2.6 网络操作系统网络操作系统 1.2.7 1.2.7 分布式操作系统分布式操作系统2022-3-12022-3-125251. 1. 多道程序设计的基本概念多道程序设计的基本概念 在单道批处理系统中在单道批处理系统中, ,内存中内存中仅有一道仅有一道作业作业, ,它无法充它无法充分分利用利用系统中的所有资源系统中的所有资源, ,致使系统性能较差。为了进一致使系统性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量步提高资源的利用率和系统吞吐量, ,在在6060年代中期又引入年代中期又引入了多道程序设计技术了多道程序设计技术, ,由此而形成了多道批处理系统。在由此而形成了

22、多道批处理系统。在该系统中该系统中, ,用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列个队列, ,称为称为“后备队列后备队列”; ;然后然后, ,由由作业调度作业调度程序按一定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的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存, ,使它们共使它们共享享CPUCPU和系统中的各种资源。和系统中的各种资源。2022-3-12022-3-12626图图1-4 1-4 单道和多道程序运行情况单道和多道程序运行情况 |CPU|CPU空闲空闲 | |CPU|CPU空闲空闲| |t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O 完

23、成启动 I/OI/O 中断请求I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求用户程序监督程序I/O 操作(a) 单道程序运行情况程序A程序A I/O 请求程序A I/O 完成程序B程序B I/O 请求程序C程序C I/O 请求程序D程序D I/O 请求C I/O 完成C 再被调度程序B I/O 完成程序A再被调度程序A程序B程序C程序D调度程序(b) 四道程序运行情况A完成结束中断2022-3-12022-3-127272.2.多道批处理系统的特征多道批处理系统的特征 (1)(1)多道性多道性 内存中内存中同时同时存放几个作业存放几个作业, ,并允许并发执行并允许并发执行, ,从而有效地提高了资源利

24、用率和系统吞吐量。从而有效地提高了资源利用率和系统吞吐量。(2)(2)无序性无序性 多个作业完成的先后顺序与它们进入内存多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间无严格对应关系。的顺序之间无严格对应关系。(3)(3)调度性调度性 作业调度作业调度, ,从后备队列进入内存从后备队列进入内存; ;进程调度进程调度, ,分配处理机运行。分配处理机运行。(4)(4)宏观上并发、微观上串行宏观上并发、微观上串行2022-3-12022-3-128283.3.多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点 优点优点: :资源利用率高资源利用率高:CPU:CPU、内存和、内存和I/OI/O设备利用率较高设

25、备利用率较高; ; 系统吞吐量大系统吞吐量大: :单位时间内完成的工作总量大。单位时间内完成的工作总量大。缺点缺点: :用户交互性差用户交互性差: :整个作业完成后或中间出错时整个作业完成后或中间出错时, ,才与用才与用户交互户交互, ,不利于调试和修改不利于调试和修改; ;作业平均周转时间长作业平均周转时间长: :短作业的周转时间显著增长短作业的周转时间显著增长; ;2022-3-12022-3-129294.4.多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统需要解决的问题 (1)(1)处理机管理问题处理机管理问题( (第第3 3章章) ) 分配分配( (回收回收) )处理机共享资源处理机共享资

26、源, ,既满足程序需要既满足程序需要, ,又提高又提高利用率。利用率。(2)(2)内存管理问题内存管理问题( (第第4 4章章) ) 分配内存以分配内存以“各得其所各得其所”, ,且不因相互重迭而丢失信息。且不因相互重迭而丢失信息。(3)(3)I/OI/O设备管理问题设备管理问题( (第第5 5章章) ) 既方便用户使用既方便用户使用I/OI/O设备设备, ,又提高设备利用率。又提高设备利用率。(4)(4)文件管理问题文件管理问题( (第第6 6章章) ) 组织程序和数据组织程序和数据, ,便于用户使用便于用户使用, ,保证数据的安全性和保证数据的安全性和一致性。一致性。(5)(5)作业管理问

27、题作业管理问题( (第第3 3章章) ) 对各种应用程序进行组织。对各种应用程序进行组织。操作系统操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源是一组控制和管理计算机硬件和软件资源,合理地合理地对各类作业进行调度对各类作业进行调度,以及方便用户使用的程序集合。以及方便用户使用的程序集合。2022-3-12022-3-130302022-3-12022-3-131311.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统1.2.2 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统1.2.3 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统1.2.5 1.2.5

28、 实时系统实时系统1.2.6 1.2.6 网络操作系统网络操作系统 1.2.7 1.2.7 分布式操作系统分布式操作系统2022-3-12022-3-132321. 1. 分时系统的产生分时系统的产生 如果说如果说, ,推动多道批处理系统形成和发展的推动多道批处理系统形成和发展的主要动力主要动力, ,是是提高资源利用率提高资源利用率和和系统吞吐量系统吞吐量, ,那么那么, ,推动分时系统形成和发推动分时系统形成和发展的主要动力展的主要动力, ,则是则是用户的需求用户的需求。或者说。或者说, ,分时系统是为了满分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型足用户需求所形成的一种新型OSOS。它与多道

29、批处理系统之间。它与多道批处理系统之间, ,有着截然不同的性能差别。用户的需求具体表现在以下几个有着截然不同的性能差别。用户的需求具体表现在以下几个方面方面: : (1) (1)人机交互。人机交互。( (对程序进行调试、修改等直接控制对程序进行调试、修改等直接控制) ) (2) (2)共享主机。共享主机。( (主机贵主机贵, ,提高资源利用率提高资源利用率) ) (3) (3)便于用户上机。便于用户上机。( (作业直接从终端进入作业直接从终端进入, ,并能控制并能控制) )2022-3-12022-3-13333分时系统分时系统: :指在一台计算机上连接了多个带有显示器和键盘的指在一台计算机上

30、连接了多个带有显示器和键盘的终端终端, ,同时允许多个用户共享主机中的资源同时允许多个用户共享主机中的资源, ,每个用户都可每个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机。通过自己的终端以交互方式使用计算机。2022-3-12022-3-13434把计算机的系统资源把计算机的系统资源( (尤其是尤其是CPUCPU时间时间) )进行时间上的分割进行时间上的分割, ,每个时间段称为一个每个时间段称为一个时间片时间片(time slice),(time slice),每个用户依次轮每个用户依次轮流使用时间片。流使用时间片。“分时分时”的的含义含义是指多个用户分享使用同一台计算机是指多个用户分享使用同

31、一台计算机; ;多个多个程序分时共享硬件和软件资源程序分时共享硬件和软件资源; ;满足用户需要。满足用户需要。多个用户分时多个用户分时: :单个用户使用计算机的效率低单个用户使用计算机的效率低, ,因而允许因而允许多个应用程序同时在内存中多个应用程序同时在内存中, ,分别服务于不同的用户。有分别服务于不同的用户。有用户输入时由用户输入时由CPUCPU执行执行, ,处理完一次用户输入后程序暂停处理完一次用户输入后程序暂停, ,等待下一次用户输入等待下一次用户输入时走时停时走时停前台和后台程序前台和后台程序(foreground & background)(foreground &

32、 background)分时分时: :后台后台程序不占用终端输入输出程序不占用终端输入输出, ,不与用户交互现在的图形不与用户交互现在的图形用户界面用户界面(GUI),(GUI),除当前交互的程序除当前交互的程序( (输入焦点输入焦点) )之外之外, ,其他其他程序均作为后台。程序均作为后台。通常按时间片通常按时间片(time slice)(time slice)分配分配: :各个程序在各个程序在CPUCPU上执行上执行的轮换时间。的轮换时间。2022-3-12022-3-135352.2.分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题 为实现分时系统为实现分时系统, ,其中其中, ,最关键

33、的问题最关键的问题是如何使用户能是如何使用户能与自己的作业进行交互与自己的作业进行交互, ,即当用户在自己的终端上键入命即当用户在自己的终端上键入命令时令时, , 系统应能及时接收并及时处理该命令系统应能及时接收并及时处理该命令, ,再将结果返再将结果返回给用户。此后回给用户。此后, ,用户可继续键入下一条命令用户可继续键入下一条命令, ,此即人此即人机机交互。应强调指出交互。应强调指出, ,即使有多个用户同时通过自己的键盘即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令键入命令, ,系统也应能全部地系统也应能全部地及时接收及时接收并并及时处理及时处理。(1)(1)及时接收。及时接收。( (只需配置只

34、需配置多路卡多路卡, ,同时接收各终端数据同时接收各终端数据) )(2)(2)及时处理。及时处理。( (在不长的时间能响应用户命令在不长的时间能响应用户命令) ) 2022-3-12022-3-136363.3.分时系统的实现方法分时系统的实现方法(1)(1)单道分时系统单道分时系统(2)(2)具有具有“前台前台”和和“后台后台”的分时系统的分时系统“单道分时单道分时”+ +”单道批处理单道批处理”(3)(3)多道分时系统多道分时系统现在分时系统现在分时系统2022-3-12022-3-137374.4.分时系统的特征分时系统的特征 多路性多路性宏观上多个用户同时工作宏观上多个用户同时工作,

35、,微观上微观上多个终端多个终端轮转时间片。轮转时间片。 独立性独立性每个用户一台每个用户一台终端终端, ,互不干扰互不干扰, ,感觉像一个人感觉像一个人独占独占计算机计算机 及时性及时性用户请求应用户请求应尽快尽快得到响应得到响应(2-3(2-3秒秒) ) 交互性交互性用户可通过终端与系统进行广泛的用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话人机对话2022-3-12022-3-138381.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统1.2.2 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统1.2.3 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统1

36、.2.5 1.2.5 实时系统实时系统1.2.6 1.2.6 网络操作系统网络操作系统 1.2.7 1.2.7 分布式操作系统分布式操作系统2022-3-12022-3-139391.2.5 1.2.5 实时系统实时系统(Real-Time System)(Real-Time System) 所谓所谓“实时实时”, ,是表示是表示“及时及时”, ,而而实时系统实时系统是指系统能是指系统能及时及时( (或即时或即时) )响应外部事件的请求响应外部事件的请求, ,在规定的时间内完成对在规定的时间内完成对该事件的处理该事件的处理, ,并控制所有实时任务协调一致地运行。并控制所有实时任务协调一致地运行

37、。 要求要求: :响应时间短响应时间短, ,在一定范围之内在一定范围之内; ;系统可靠性高系统可靠性高1.1.应用需求应用需求 实时控制。包括实时控制。包括: :生产控制和武器控制。生产控制和武器控制。 (2)(2)实时信息处理。例实时信息处理。例: :信息采集和订票信息采集和订票2022-3-12022-3-140402.2.实时任务实时任务 (1)(1)按任务执行时是否呈现按任务执行时是否呈现周期性周期性来划分来划分周期性周期性实时任务。例实时任务。例: :信息采集。信息采集。 非周期性非周期性实时任务。实时任务。 外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性外部设备所发出的激励信号并无明显的

38、周期性, ,但但都必须联系着一个截止时间都必须联系着一个截止时间(Deadline)(Deadline)。它又可分为。它又可分为: :开始开始截止时间截止时间( (最晚开始最晚开始时间时间) )任务在某时间以前任务在某时间以前必须开始执行必须开始执行; ;完成完成截止时间截止时间( (最晚完成最晚完成时间时间) )任务在某时间以前任务在某时间以前必须完成。必须完成。 2022-3-12022-3-14141(2) (2) 根据对根据对截止时间的要求截止时间的要求来划分来划分 硬实时任务硬实时任务(hard real-time task)(hard real-time task)。 系统必须满足

39、任务对系统必须满足任务对截止时间截止时间的要求的要求, ,否则可能出否则可能出现难以预测的结果。现难以预测的结果。 软实时任务软实时任务(Soft real-time task)(Soft real-time task)。 它也联系着一个截止时间它也联系着一个截止时间, ,但并但并不严格不严格, ,若偶尔错过若偶尔错过了任务的截止时间了任务的截止时间, ,对系统产生的影响也不会太大。对系统产生的影响也不会太大。 2022-3-12022-3-142423.3.实时系统与分时系统特征的比较实时系统与分时系统特征的比较 (1)(1)多路性多路性实时系统实时系统: :表现为对表现为对多个对象多个对象

40、的信息采集和控制。的信息采集和控制。 分时系统分时系统: :为多个为多个终端终端服务。服务。(2)(2)独立性独立性 实时系统实时系统: :表现为对多个对象的表现为对多个对象的互不干扰互不干扰( (分别为温度、压力采集分别为温度、压力采集) )。 分时系统分时系统: :每个用户每个用户独占独占主机。主机。(3)(3)及时性及时性 实时系统实时系统: :在在规定的时间内规定的时间内对外部事件响应。对外部事件响应。 分时系统分时系统: :在在一定时间一定时间处理各个终端用户作业。处理各个终端用户作业。(4)(4)交互性交互性实时系统实时系统: :一般一般情况下情况下无无交互性。交互性。 分时系统分

41、时系统: :由由交互引入。交互引入。(5)(5)可靠性可靠性 实时系统实时系统: :要求要求高度高度可靠。可靠。 分时系统分时系统: :可靠性可靠性低低。2022-3-12022-3-143431.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统1.2.2 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统1.2.3 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统1.2.5 1.2.5 实时系统实时系统1.2.6 1.2.6 网络操作系统网络操作系统 1.2.7 1.2.7 分布式操作系统分布式操作系统2022-3-12022-3-14444计算任务由大

42、量独立而又相互联结的计算机共同完成。某计算任务由大量独立而又相互联结的计算机共同完成。某一台计算机上的用户可以使用其它计算机上的资源。这就一台计算机上的用户可以使用其它计算机上的资源。这就形成了计算机网络技术。形成了计算机网络技术。 网络操作系统网络操作系统是在操作系统之上是在操作系统之上增加网络功能增加网络功能实现的。网实现的。网络功能部分模块将网络中的各台计算设备通过各种络功能部分模块将网络中的各台计算设备通过各种网络协网络协议议, ,实现各台计算设备之间的通信及网络中各种实现各台计算设备之间的通信及网络中各种资源的共享资源的共享。(Network Operating System)(Ne

43、twork Operating System)2022-3-12022-3-145452022-3-12022-3-146461.1.计算机网络的类型计算机网络的类型2.2.网络网络OSOS的模式的模式3.3.网络网络OSOS的功能的功能2022-3-12022-3-14747(1)(1)按网络拓扑结构分类按网络拓扑结构分类星型、树型、总线型、环型、网状型星型、树型、总线型、环型、网状型(2)(2)按网络地理范围分类按网络地理范围分类广域网、局域网广域网、局域网2022-3-12022-3-14848(1)(1)客户客户/ /服务器服务器(C/S)(C/S)模式模式网络中各站点分两大类网络中各

44、站点分两大类: :服务器服务器客户客户(2)(2)对等模式对等模式各站点是对等的各站点是对等的, ,既是既是“客户客户”, ,又是又是“服务器服务器”2022-3-12022-3-14949(1)(1)网络通信网络通信建立建立/ /拆除通信链路拆除通信链路传输控制传输控制差错控制差错控制流量控制流量控制路由选择路由选择(2)(2)网络资源管理网络资源管理对共享资源对共享资源( (硬盘、打印机、文件和数据等硬盘、打印机、文件和数据等) )的管理和协的管理和协调使用。调使用。(3)(3)网络服务网络服务主要有电子邮件服务、文件传输存取、共享硬盘及打印主要有电子邮件服务、文件传输存取、共享硬盘及打印

45、机等。机等。2022-3-12022-3-15050(4)(4)网络管理网络管理最基本的是安全管理最基本的是安全管理(5)(5)互操作能力互操作能力客户能以客户能以透明透明方式访问网络中方式访问网络中( (或别的网络中或别的网络中) )的文件服的文件服务器上的文件系统。务器上的文件系统。2022-3-12022-3-151511.2.1 1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统1.2.2 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统1.2.3 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统1.2.5 1.2.5 实时系统实时系统1.2.6 1.2.

46、6 网络操作系统网络操作系统 1.2.7 1.2.7 分布式操作系统分布式操作系统2022-3-12022-3-15252概念概念: :分布式处理系统分布式处理系统是指由多个分散的处理单元经互是指由多个分散的处理单元经互联网络的连接而形成的系统。联网络的连接而形成的系统。将大量计算机通过网络连接在一起将大量计算机通过网络连接在一起, ,以获得极高以获得极高的运算能力和数据共享的系统称为的运算能力和数据共享的系统称为分布式系统分布式系统(Distributed System)(Distributed System)。能使分布式计算机系统。能使分布式计算机系统中若干台计算机相互协作完成一个共同任务

47、的系中若干台计算机相互协作完成一个共同任务的系统软件称为统软件称为分布式操作系统分布式操作系统。 2022-3-12022-3-15353(1)(1)分布性分布性分布式分布式OS:OS:控制是控制是分布式分布式的的, ,均匀分布在各处理均匀分布在各处理单元单元( (站点站点) )上。上。网络网络OS:OS:控制是控制是集中式集中式的的, ,在某个主机或服务器在某个主机或服务器中。中。(2)(2)并行性并行性分布式分布式OS:OS:分配分配多个任务到多个处理器上并行执多个任务到多个处理器上并行执行。行。网络网络OS:OS:无任务分配无任务分配功能功能, ,因为任务都在本地机因为任务都在本地机上处

48、理。上处理。2022-3-12022-3-15454(3)(3)透明性透明性分布式分布式OS:OS:具有具有物理位置物理位置上的透明性。上的透明性。网络网络OS:OS:具有具有操作实现操作实现上的透明性。上的透明性。(4)(4)共享性共享性分布式分布式OS:OS:共享各共享各站点站点资源。资源。网络网络OS:OS:共享共享主机服务器主机服务器资源。资源。(5)(5)健壮性健壮性分布式分布式OS:OS:任何站点的故障任何站点的故障, ,不影响不影响整个系统。整个系统。网络网络OS:OS:集中控制集中控制( (服务器服务器),),具有潜在的具有潜在的不可靠不可靠性性。2022-3-12022-3-

49、155551.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程1.3 1.3 操作系统的基本特征操作系统的基本特征1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能1.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计2022-3-12022-3-156561.3.1 并发（并发（Concurrence）1.3.2 共享（共享（Sharing）1.3.3 虚拟（虚拟（Virtual）1.3.4 异步性（异步性（Asynchronism）2022-3-12022-3-157571.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 1.3.1

50、 1.3.1 并发并发(Concurrence) (Concurrence) 并行性并行性是指两个或多个是指两个或多个事件在事件在同一时刻同一时刻发生发生; ;并发性并发性是指两个或多个事件是指两个或多个事件在在同一时间间隔内同一时间间隔内发生。发生。时间时间B BA A时间时间B BA A2022-3-12022-3-15858在在多道程序多道程序环境下环境下, ,并发性并发性是指在一段时间内是指在一段时间内, ,宏宏观上有多个程序在同时运行观上有多个程序在同时运行, ,但在但在单处理机单处理机系统中系统中, ,每每一时刻却仅能有一道程序执行一时刻却仅能有一道程序执行, ,故故微观微观上这些

51、程序只上这些程序只能是能是分时地交替分时地交替执行。倘若在计算机系统中有执行。倘若在计算机系统中有多个处多个处理机理机, ,则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上处理机上, ,实现实现并行执行并行执行, ,即利用每个处理机来处理一即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序个可并发执行的程序, ,这样这样, ,多个程序便可同时执行。多个程序便可同时执行。并发并发：即：即宏观宏观上在一段时间内有多道程序在上在一段时间内有多道程序在同时同时运行运行, ,在在微观微观上上, ,这些程序是在这些程序是在交替交替执行的。执行的。为使为使程序程序能并发执行能

52、并发执行, ,为每个程序建立为每个程序建立进程进程。进程进程是能独立运行并作为资源分配的基本单位是能独立运行并作为资源分配的基本单位, ,是活动实是活动实体。体。引入引入线程线程后后, ,进程是分配资源的基本单位进程是分配资源的基本单位, ,线程作为独立线程作为独立运行的基本单位。运行的基本单位。2022-3-12022-3-159591.3.1 并发（并发（Concurrence）1.3.2 共享（共享（Sharing）1.3.3 虚拟（虚拟（Virtual）1.3.4 异步性（异步性（Asynchronism）2022-3-12022-3-160601.3.2 1.3.2 共享共享(Sha

53、ring)(Sharing) 在操作系统环境下在操作系统环境下, ,所谓所谓共享共享是指系统中的资源可是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程供内存中多个并发执行的进程( (线程线程) )共同使用。共同使用。2022-3-12022-3-161611. 1. 互斥共享方式互斥共享方式 系统中的某些资源系统中的某些资源, ,如打印机、磁带机如打印机、磁带机, ,虽然它们可以提供给多个进程虽然它们可以提供给多个进程( (线程线程) )使用使用, ,但为使所打印或记录的结果不致造成混淆但为使所打印或记录的结果不致造成混淆, ,应规定在一段时间内只允许一个应规定在一段时间内只允许一个进程进程( (

54、线程线程) )访问该资源。为此访问该资源。为此, ,当一个进程当一个进程A A要访问某资源时要访问某资源时, ,必须先提出请求必须先提出请求, , 如果此时该资源空闲如果此时该资源空闲, ,系统便可将之分配给请求进程系统便可将之分配给请求进程A A使用使用, , 此后若再有其它进程此后若再有其它进程也要访问该资源时也要访问该资源时( (只要只要A A未用完未用完) )则必须等待。仅当则必须等待。仅当A A进程访问完并释放该资源后进程访问完并释放该资源后, , 才允许另一进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为才允许另一进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享互斥式共享

55、, ,而把而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为称为临界资源临界资源或或独占资源独占资源。计算机。计算机系统中的大多数物理设备系统中的大多数物理设备, ,以及以及栈栈、变量变量和和表格表格, ,都属于临界资源都属于临界资源, ,它们要求被互它们要求被互斥地共享。斥地共享。 由于资源属性的不同由于资源属性的不同, ,进程对进程对资源共享的方式资源共享的方式也也不同不同, ,目前主目前主要有以下要有以下两种两种资源共享方式。资源共享方式。2022-3-12022-3-16262 2. 2. 同时访问方式同时访问方式 系统中还有另一类资源系统中还有另一类资源

56、, ,允许在一段时间内由允许在一段时间内由多个进程多个进程“同时同时”对它们进行访问。这里对它们进行访问。这里所谓的所谓的“同时同时”往往是宏观上的往往是宏观上的, ,而在微观上而在微观上, ,这些进程可这些进程可能是交替地对该资源进行访问。能是交替地对该资源进行访问。典型的可供多个进典型的可供多个进程程“同时同时”访问的资源是访问的资源是磁盘磁盘设备。设备。 并发并发和和共享共享是操作系统的两个最基本的特征是操作系统的两个最基本的特征, ,它们又是互为存在的条件。它们又是互为存在的条件。一方面一方面, ,资源资源共享共享是以是以程序程序( (进程进程) )的的并发并发执行为执行为条件条件的的

57、, ,若系统不允许程若系统不允许程序并发执行序并发执行, ,自然不存在资源共享问题自然不存在资源共享问题; ;另一方面另一方面, ,若系统不能对资源若系统不能对资源共享共享实施实施有效管理有效管理, , 协调好诸进协调好诸进程对共享资源的访问程对共享资源的访问, ,也必然影响到程序并发执行也必然影响到程序并发执行的程度的程度, ,甚至根本甚至根本无法并发无法并发执行。执行。 2022-3-12022-3-163631.3.1 并发（并发（Concurrence）1.3.2 共享（共享（Sharing）1.3.3 虚拟（虚拟（Virtual）1.3.4 异步性（异步性（Asynchronism）

58、2022-3-12022-3-164641.3.3 1.3.3 虚拟虚拟(Virtual)(Virtual) 操作系统中的所谓操作系统中的所谓“虚拟虚拟”, ,是指通过某种技术把一是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体。物理实体( (前者前者) )是实的是实的, , 即实际存在的即实际存在的; ;而后者是虚的而后者是虚的, ,是用户感觉上的东是用户感觉上的东西。相应地西。相应地, ,用于实现虚拟的技术用于实现虚拟的技术, ,称为称为虚拟技术虚拟技术。在。在OSOS中中利用了多种虚拟技术利用了多种虚拟技术, ,分别用来实现虚拟处理机、虚

59、拟内分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、存、 虚拟外部设备和虚拟信道等。虚拟外部设备和虚拟信道等。例如例如进程管理的多道程序技术把一个物理进程管理的多道程序技术把一个物理CPUCPU虚拟为多个逻虚拟为多个逻辑上的辑上的CPUCPU。在设备管理上。在设备管理上, ,利用利用spoolingspooling技术技术, ,把一台物把一台物理上的理上的I/OI/O设备虚拟成多态逻辑上的设备虚拟成多态逻辑上的I/OI/O设备。设备。CPUCPU每个用户（进程）的每个用户（进程）的“虚处理机虚处理机“( (分时系统分时系统) )存储器存储器虚拟存储器虚拟存储器打印设备打印设备将临界资源变为同时访问资源将临界

60、资源变为同时访问资源2022-3-12022-3-165651.3.1 并发（并发（Concurrence）1.3.2 共享（共享（Sharing）1.3.3 虚拟（虚拟（Virtual）1.3.4 异步性（异步性（Asynchronism）2022-3-12022-3-166661.3.4 1.3.4 异步性异步性(Asynchronism) (Asynchronism) 在在多道程序环境多道程序环境下下, ,允许多个进程并发执行允许多个进程并发执行, , 但只有进但只有进程在获得所需的资源后方能执行。在单处理机环境下程在获得所需的资源后方能执行。在单处理机环境下, ,由于由于系统中只有一个处理机系统中只有