计算机软件技术基础-课件 09ch5-OS

软件技术基础第二部分操作系统OperatingSystem第二部分操作系统第5章操作系统概述第6章处理器管理第7章存储器管理第8章设备管理第9章文件管理课程要求和目的掌握操作系统的基本概念和原理熟悉操作系统进行资源管理时常使用的技术和方法了解操作系统设计思想与结构为高级程序设计和操作系统使用、管理、开发奠定基础第5章操作系统概述学习目标:

1.掌握操作系统的定义、五大类型、五大功能。

2.熟悉操作系统的特征。

3.了解操作系统的发展历程学习要点：

操作系统的定义、五大类型、五大功能、特征学习内容：5.1操作系统的形成和发展5.2操作系统的类型5.3操作系统的功能和特性第5章操作系统概述5.1操作系统的定义5.1.1什么是操作系统5.1.2操作系统的发展历程Whatisoperatingsystem?什么是操作系统？用户观点—用户使用计算机的界面。（用户与计算机硬件之间的接口）用户及其应用程序是通过操作系统与计算机的硬件相联系的。如果没有操作系统作为中介，用户对计算机的操作和使用将变得非常低效和困难。命令方式、系统调用、图形界面。系统观点—计算机资源管理者操作系统是一种软件，属于系统软件。合理有效地使用（管理和分配）计算机软硬件资源。操作系统的概念操作系统是计算机技术和管理技术的结合操作系统相当于计算机系统的“管理机构”；是为计算机用户服务的；★定义：操作系统是计算机系统中，控制和管理计算机硬件和软件资源、合理组织计算机工作流程，以方便用户充分而有效使用这些资源的系统软件。计算机系统的层次结构

计算机系统由硬件和软件两部分组成，操作系统（OperatingSystem）是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件的首次扩充。计算机系统软硬件层次学好操作系统的目的对现有的系统进行改造，如各种嵌入式系统。用户为了完成特殊的软件设计任务，必须与操作系统内核作深层次的交互。是学习和提高编写大型系统控制、处理软件程序能力的必经之路。操作系统中的很多概念、管理思想和技巧可以用到各行各业中。做好工作、找好工作的需要。操作系统不仅是一门科学，还充满了艺术的魅力。为了专门的用途，科研人员不得不设计自己的操作系统，如特定的监视控制系统。1945—1955（VacuumTubes）第一代，电子管时代，无操作系统。“史前文明”当时计算机处于电子管时代，根本没有操作系统。人们把这个时期称为“手工操作阶段”。顾名思义人们当时使用的计算机大量需要人工控制，还没有“管家”来为他们服务。程序员预约使用计算机；编程采用机器语言，需要将上千根线缆接到插线板上形成连接电路，以控制机器的基本功能。20世纪50年代早期，穿孔卡片（PunchedCards）出现，取代了插线板。5.2操作系统的发展历程

操作系统发展的历程：第一代手工操作纸带/卡片（经输入机输入程序和数据）按动计算机控制台上的开关启动程序(运行)输出结果(打印)用户取走纸带和计算结果下一用户上机有错修改特点：①用户独占系统资源，直至作业完成；②

CPU等待人工操作，利用率低。操作系统的发展历程：第二代1955-1965:TransistorsandBatchSystems第二代，晶体管和批处理系统。“初具雏形”此时计算机进入了第二代——晶体管时代。大公司/政府部门/大学开始购买计算机（Mainframe,几百万美元）穿孔卡片广泛使用为了解决人机矛盾，提高自动化程度，人们研制了监督程序，由该程序自动依次处理一系列任务。联机批处理系统脱机批处理系统执行系统FMS(theFortranMonitorSystem)和IBSYS(IBM7094配备的操作系统)

操作系统发展的历程：单道批处理系统批处理一批作业由专门编制的监督程序自动依次处理

两种形式：1)早期联机批处理：外设——主机串行优点：解决了作业自动转接，减少作业建立和手工操作时间问题：CPU等待I/O，空闲时间多，效率低

操作系统发展的历程：单道批处理系统2)早期脱机批处理：外设——主机并行优点：实现了作业自动过渡，改善了I/O设备的利用率，提高了计算机的处理能力。问题：磁带需要手工拆装，系统的保护不够。

操作系统发展的历程：单道批处理系统执行系统：（主机可以借助于通道、中断技术、输入输出完成批处理。）通道(I/Ochannel)技术:DMA技术的先驱，是一种专门的处理部件，又称为Ｉ/Ｏ处理机，它能够控制一台或者多台输入输出设备工作，负责它们与主机之间的通信。它具有自己的指令系统和运控部件，与处理机共享内存资源。通道可以受处理机的委托执行通道程序以完成输入输出操作。启动后能与CPU并行操作，完成时向处理机发出中断请求。实现读卡机—磁带机、磁带机—打印机的传输。中断(Interrupt)技术监督程序功能扩大。除了调度作业自动运行，还要提供输入输出控制功能。由中断处理程序和I/O控制程序来协调I/O通道、CPU的并行工作。特点：①CPU与I/O通道并行工作；②但CPU中的作业仍是串行的，且只允许一道程序存在。操作系统的发展历程：第三代1965-1980:ICsandMultiprogramming第三代，集成电路芯片和多道程序系统。在这一时期操作系统初步形成并完善。出现了三种最基本的操作系统类型。多道批处理操作系统OS/360等分时操作系统(Timesharing)兼容分时系统CTSS(CompatibleTimeSharingSystem)多元信息和计算服务系统MULTICS(MULTiplexedInformationandComputingService)实时操作系统操作系统的发展历程：第三代多道批处理操作系统IBMSystem/360。软件兼容的计算机系列。首先采用（小规模）集成电路的主流机型。既有与1401相当的低档机,又有比7094功能更强的高档机；这些计算机在性能价格上有差异，但具有相同的体系结构和指令集；OS/360操作系统要能够在所有机器上运行；设计者之一FredBrooks庞大复杂，规模比FMS大2-3个数量级，数千程序员、数百万行汇编代码、很多错误。不断更新版本，修正老错误、引入新错误。操作系统的发展历程：第三代多道批处理操作系统第二代操作系统中的问题7094上，若当前作业因等待磁带或其他I/O操作而暂停时，CPU只能处于空闲状态，直至该I/O结束。解决办法：将内存划分为几个区，每个区存放不同作业。引入问题：如何保护内存中的各个作业相互不会妨碍和危害。特殊的硬件机制。内存中有三个作业的多道批处理系统操作系统的发展历程：第三代多道批处理操作系统SPOOLing技术（SimultaneousPeripheralOperationOnLine），外部设备同时联机操作技术，又称为假脱机技术。指在多道程序的环境下，利用多道程序中的一道或两道程序来模拟外围控制机，从而在联机的条件下实现脱机I/O的功能。作业能很快地从卡片（被拿到机房后）读入磁盘；一个作业结束后，操作系统能将作业从磁盘载入内存空闲区并运行。批处理系统实质：不具备交互性（程序一旦出现错误，程序员几小时后才能获知）。解决方案：分时系统操作系统的发展历程：第三代分时操作系统(Timesharing)兼容分时系统CTSS(CompatibleTimeSharingSystem)1962年于MIT（麻省理工学院）一台改装过的7094机器上开发成功。多路信息和计算服务系统MULTICS(MULTiplexedInformationandComputingService)MIT、贝尔实验室、通用电气公司（当时的主要计算机制造厂商）。参考供电系统。最终由MIT坚持完成。现代操作系统之父。商业上没有成功，但却对其他操作系统带来深远的影响。操作系统的发展历程:第四代1980至今第四代；大规模/超大规模集成电路；个人计算机大规模集成电路工艺技术飞速发展。操作系统也有了进一步发展：出现了个人计算机上的操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。操作系统的发展历程:第四代1980至今第一个微型计算机Intel8080CPU（1974年）和8英寸软盘第一个基于磁盘的操作系统CP/M(ControlProgramforMicrocomputers)；顾问GaryKildall；创建DigitalResearch公司20世纪80年代早期，IBM设计了IBMPC,联系BillGates关于BASIC解释器的许可事宜，并询问操作系统IBM回头找Gates，寻求提供一个操作系统操作系统的发展历程:第四代1980至今MS-DOS早期版本很原始，后来加入不少源自UNIX系统中的优秀功能DougEngelbartfromSRI发明了图形用户界面，包括窗口、图标、菜单、鼠标SteveJobs意识到GUI在PC机中的潜在价值，在车库里与其他人发明了Apple计算机(AppleMacintosh)微软开始开发名为Windows的基于GUI的操作系统早期（1985-1995），Windows只是在DOS上层的一个图形环境1995年，独立的Windows95…1977CP/M系统(ControlProgramforMicrocomputer)：GaryKildall,8080,DigitalResearch1980s初,MS-DOS系统(MicroSoftDiskOperatingSystem)1984,苹果Macintosh1992,Windows3.11993,WindowsNT3.11995,Windows951996,WindowsNT4.01998,Windows982000,Windows2000(NT5.0)/WindowsMe2001,WindowsXP(NT5.1)2003,Windows2003server(NT5.2)2007,WindowsVista(NT6.0)面向各种用户群的通用操作系统2008,Windows2008server(NT6.0.6002)2009,Windows7(NT6.1.7601)2009,Windows2008serverR2(NT6.1.7601)2011,WindowsHomeServer2011(NT6.1.8400)2012,Windows8/Server2012(NT6.2)2013,Windows8.1/Server2012R2(NT6.3)2015,Windows10(NT6.4,NT10.0,1511,…,22H2)2021,Windows11(21H2,22H2)…面向各种用户群的通用操作系统5.3操作系统的类型五大类型：批处理操作系统（单道批处理系统、多道批处理操作系统）分时操作系统实时操作系统网络操作系统分布式操作系统一、多道批处理系统单道运行： 每次只调一个用户程序进入内存让它运行。多道程序设计： 即在系统内（内存）同时存放并运行几道相互独立的程序。多道程序设计的基础： 是将运行过程进一步细化成几个小的步骤，从而实现宏观上的并行。但从微观上看，内存中的多道程序轮流地或分时地占用处理机，交替执行。单道批处理系统单道运行：每次只调用一个用户作业程序进入内存并运行

特征：

(1)自动性。

(2)顺序性。

(3)单道性。多道批处理系统多道程序的思想：在内存中允许同时存放若干道相互独立的程序，并允许它们交替执行，共享系统软硬件资源。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。多道批处理系统多道批处理系统特点：1)多道

2)

宏观上并行运行

3)微观上串行运行多道批处理系统多道批处理系统优缺点：(1)资源利用率高。（CPU、内存和I/O设备）(2)系统吞吐量大。(3)平均周转时间长。(4)无交互能力。技术问题：(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。二、分时系统分时系统(Time-SharingSystem)的产生推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，是提高资源利用率和系统吞吐量。推动分时系统形成和发展的主要动力，则是用户的需求。分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型OS。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方面：(1)人—机交互。 (2)共享主机。(3)便于用户上机。二、分时系统分时技术：把CPU时间分成若干个片段（时间片）轮流分配给各个联机用户使用。时钟系统：利用时钟系统划分CPU时间片，每道程序一次只运行一个时间片。中断系统：当时间片计数到时后，时钟中断实现。较短的时间片使得用户认为整个系统只为他服务。分时系统的特征(1)同时性。若干用户同时使用(2)交互性。用户与系统的交互(3)独立性。各用户彼此独立性(4)及时性。用户短时内得到系统响应三、实时系统实时操作系统（RTOS:RealTimeOperatingSystem）：计算机能及时响应外部事件的请求，在严格规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统。实时控制实时采集现场数据，完成自动化控制特点：响应速度足够快可靠性高例：导弹导航实时信息处理根据用户要求进行信息检索和处理特点：强大的数据库操作简便、查询快速例：远程订票系统三、实时系统根据对截止时间的要求来划分实时任务(1)硬实时任务(hardreal-timetask)。系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。(2)软实时任务(Softreal-timetask)。它也联系着一个截止时间，但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响也不会太大。二/三分时系统和实时系统分时系统特点计算机掌握主动权，按时间片轮流执行提交的任务。实时系统特点用户规定计算机的任务执行。四、网络操作系统计算机网络：通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互联起来的，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。网络操作系统(NetworkOperatingSystem)：为计算机网络配置的操作系统。基于计算机网络的，在各种计算机操作系统之上按网络体系结构协议标准开发的软件。实现网络通信、资源共享和保护，提供网络服务和网络接口集中模式/分布式模式五、分布式操作系统分布式系统(DistributedSystem)：多计算机系统。把多个的计算机（不同物理位置、不同软硬件资源）通过网络连结起来，以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。分布式处理；模块化结构；利用信息通信；实施整体控制分布式操作系统(DistributedOperatingSystem)：为分布式系统配置的操作系统。实现任务划分，资源的统一管理。透明性；灵活性；可靠性；高性能；可扩充性。四/五、网络操作系统vs.分布式操作系统网络操作系统/分布式操作系统区别：

分布式操作系统是网络系统的更高级形式，它保持网络操作系统所拥有的全部功能，并具备以下特征：统一的操作系统：对于网络操作系统，不要求NOS相同；在分布式操作系统中，要求NOS统一。资源的进一步共享：分布式操作系统可以实现计算任务的迁移，即处理器资源的共享，从而达到整体负载平衡。网络操作系统则不能。可靠性：分布式系统中各个节点处于相同地位，任何一个失效不会影响整个系统。透明性：网络系统中，用户能感觉到本地和非本地的差异；分布式系统中，所有节点构成一个完整的、功能更强大的计算机系统，操作系统掩盖了差异。六、个人机系统1、单用户操作系统个人使用；界面友好；管理方便；适于普及。2、多用户操作系统UNIX系统、Linux系统、WindowsServer200x等界面友好，管理方便，适于普及，多用户使用，可移植性良好，功能强大，通信能力强。

5.4操作系统的功能5.5操作系统的特性5.4操作系统的功能(五大)处理器管理存储管理设备管理文件管理用户接口5.4操作系统的功能★1处理器管理实质上是对处理机执行“时间”的管理，即如何将CPU真正合理地分配给每个任务。进程管理

进程控制、进程同步、进程通信、进程调度。作业管理

作业（job）：用户向计算机提交的一个任务作业包括几个程序的相继执行；用户在键盘上输入一个完整的命令就是一个作业。一条命令可以同时调用几个程序，相互配合来完成一个复杂任务。

作业控制、作业调度等5.4操作系统的功能★2存储管理实质是对存储“空间”的管理，主要指对内存的管理。内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充。★3设备管理对计算机中除了CPU和内存以外的所有输入设备、输出设备的管理。除了进行I/O操作的设备外，还包括诸如控制器、通道等支持设备。包括对设备的分配、启动和故障处理等。用户不必详细了解设备及接口的技术细节，就可以方便地对设备进行操作。缓冲区管理、虚拟设备5.4