自考-操作系统概论-第1章 引论

1、第1章 引论,操作系统概论,2,本章主要内容,1.1 计算机系统 1.2 操作系统 1.3 操作系统的形成与基本类型 1.4 操作系统的发展 1.5 处理器的工作状态 1.6 操作系统与用户的接口,3,1.1 计算机系统,1.1.1 计算机硬件 1.1.2 计算机软件,4,1.1.1 计算机硬件,概念 计算机硬件是指组成计算机系统的设备或机器，是“看得见，摸得着”的物理部件，它是组成计算机系统的基础 组成 计算机硬件一般包括中央处理器（CPU）、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备、系统总线，其中CPU与内存储器合称为主机，外存储器、输入设备和输出设备合称为外部设备 硬件的关系,5,硬件的关

2、系：,1.1.1 计算机硬件,6,1.1.1 计算机硬件,7,1.1.1 计算机硬件,8,1.1.2 计算机软件,概念 计算机软件是指组成计算机系统的程序、数据和文档。程序是指令的有序集合；数据是信息在计算机中的表示，是计算机处理的对象；文档是各种说明文本，是软件操作的辅助性资源 组成 系统软件：是支持和管理计算机硬件的软件，是服务于硬件的，它创立的是一个平台。系统软件包括操作系统、数据库管理系统、计算机编译语言和各种系统服务性程序 支撑软件：是支撑其他软件的开发和维护的软件 应用软件 ：应用软件是完成用户某项要求的软件，是服务于特定用户的，它满足某一个应用领域。应用软件包括计算机源程序和应用

3、软件包,9,1.2 操作系统,1.2.1 什么是操作系统 1.2.2 操作系统的作用 1.2.3 操作系统的功能,10,1.2.1 什么是操作系统,操作系统(OS)：是管理计算机系统资源、控制程序执行、改善人机界面和为应用软件提供支持的一种系统软件,11,1.2.2 操作系统的作用,管理计算机系统的资源 为用户提供方便的使用接口 具有扩充硬件的功能,12,操作系统的目标,1方便性 操作系统最终是要为用户服务的。给计算机配置操作系统后必须使计算机系统方便使用。 2有效性 操作系统要合理地组织计算机的工作流程，改善系统资源的利用率，提高系统的吞吐量从而使有限的资源完成更多的任务。 3可扩充性 操作

4、系统也是为应用服务的，随着应用环境的变化，操作系统自身的功能也必须不断增加和完善。 4开放性 操作系统主要功能是管理计算机硬件的，必须适应和能够管理不同的硬件。,13,1.2.3 操作系统的功能,1 操作系统的特征 2 操作系统的功能,14,1 操作系统的特征,1并发性 在多道程序环境下，并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，即宏观上有多道程序同时执行，而微观上，在单处理机系统中每一个时刻仅能执行一道程序。 2共享性 共享是指系统中的资源可供多个并发执行的进程使用。 3虚拟性 是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。 4异步性 也称不确定性，是指在多道程序环境下，允许多

5、个进程并发执行，由于资源的限制，进程的执行不是“一气呵成”的，是“走走停停”的。,15,2 操作系统的功能,操作系统是用户与硬件之间的桥梁，它主要负责管理计算机系统中的所有资源，并负责它们的调度和使用，充分发挥这些资源的作用和方便用户使用计算机。 从资源管理的角度来看，操作系统的功能主要有： 处理机管理 存储管理 文件管理 设备管理 用户接口,16,1.3 操作系统的形成与基本类型,1 推动操作系统发展的动力 2 操作系统的基本类型,17,1 推动操作系统发展的动力,1不断提高资源利用率的需要 2方便用户操作 3硬件的不断更新换代 4计算机体系结构的不断发展,18,2 操作系统的基本类型,批处

6、理操作系统 工作方式： 1、用户将作业交给系统操作员； 2、系统操作员将许多用户的作业组成一批作业，输入到计算机系统中，在系统中形成一个自动转接的连续的作业流； 3、启动操作系统； 4、系统自动、依次执行每个作业； 5、由操作员将作业结果交给用户,19,批处理操作系统,批处理系统中的作业的组成： 用户程序 数据 作业说明书（作业控制语言） 批： 供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软件 （系统带） 批作业处理： 对批作业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,20,批处理操作系

7、统,问题： 慢速的输入输出处理直接由主机来完成，输入输出时，CPU处于等待状态 解决： 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 单道批处理系统（simple batch processing, uni-programming ） 多道批处理系统（multiprogramming system）,21,批处理操作系统的特点,多道： 内存中同时存放几个作业 某个作业占用CPU，若由于某种原因暂时不用CPU，则系统让第二个作业占用CPU。 成批处理： 用户自己不能干预自己作业的运行，一旦发现作业错误不能及时改正，并延长开发软件时间，所以适用于成熟的程序。,22,批处理操作系

8、统优缺点,优点：作业流程自动化资源利用率高 吞吐量大单位时间内完成的工作总量大 缺点：用户交互性差，调试程序困难 （无交互手段：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 短作业的周转时间显著增长,23,分时操作系统,工作方式： 一台主机连接了若干个终端 每个终端有一个用户在使用 交互式的向系统提出命令请求 系统接受每个用户的命令 采用时间片轮转方式处理服务请求 通过交互方式在终端上向用户显示结果 用户根据上步结果发出下道命令,24,分时操作系统,25,分时操作系统,时间片（time slice） 操作系统将CPU的时间划分成若干个片段,称为时间片 操作系

9、统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务 每次服务一个时间片 (其特点是利用人的错觉，使人感觉不到),26,分时操作系统的特点,多路性 交互性 “独占”性 及时性,同时有多个用户使用一台计算机 宏观上：是多个人同时使用一个CPU 微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU,用户根据系统响应结果进一步 提出新请求(用户直接干预每一步),用户感觉不到计算机为其他人服务 （OS提供虚机器，各个用户的虚 机器互不干扰）,系统对用户提出的请求及时响应,27,分时操作系统,实现（条件）： 终端设备 轮转算法 会话语言 一般资源独占，“滚进滚出”方法,28,分时操作系统,追求目标： 及时响应(依据是响应时间)

10、响应时间： 从终端发出命令到系统给予回答所经历的时间,29,分时操作系统,影响响应时间的因素： - 机器处理能力 - 请求服务的时间长短 - 系统中连接的终端数目 - 服务请求的分布 - 调度算法（时间片的选取）,30,实时操作系统,实时操作系统：是指使计算机能及时响应外部事件的请求，在规定的严格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 分类： 第一类：实时过程控制 工业控制，军事控制，. 第二类：实时通信（信息）处理 电讯（自动交换），银行，飞机订票 股市行情,31,实时操作系统,追求目标： 对外部请求在严格时间范围内作出反应 高可靠性,32,实时操作系

11、统,特征： 关键参数 是 时间 硬实时系统 某个动作绝对必须在规定的时刻或时间范围完成（例子:P5 ） 软实时系统 接受偶尔违反最终时限,33,实时操作系统,实时系统的主要功能 实时时钟管理：提供系统日期和时间、定时和延时等时钟管理功能 过载保护：缓冲区排队，丢弃某些任务，动态调整任务周期 高度可靠性和安全性：容错能力（如故障自动复位）和冗余备份（双机，关键部件）,34,实时操作系统,实时系统与批处理系统和分时系统的区别 专用系统：许多实时系统是专用系统，而批处理与分时系统通常是通用系统 实时控制：实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的迅速响应，具有较强的中断处理机构 高可靠性：实时系统用

12、于控制重要过程，要求高度可靠，具有较高冗余（如双机系统） 事件驱动和队列驱动：实时系统的工作方式，接受外部消息，分析消息，调用相应处理程序进行处理。,35,1.4 操作系统的发展,1微机操作系统 2网络操作系统 3分布式操作系统 4嵌入式操作系统,36,1.微机操作系统,主要功能：实现文件管理、输入/输出控制和命令的解释 早期的卫星计算机上运行的操作系统每次只允许一个用户使用计算机，被称为单用户微机操作系统 计算机在某一时间内为单用户服务，其追求目标是界面友好，使用方便，丰富的应用软件,37,2.网络操作系统,基于计算机网络 在各种计算机操作系统上 按网络体系结构协议标准开发的软件 包括网络管

13、理、通信、安全、资源共享和各种网络应用 目标：是相互通信及资源共享,38,网络操作系统的功能,通常操作系统的功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等 网络操作系统的功能： 网络通信功能：通过网络协议进行高效、可靠的数据传输 网络资源管理：协调各用户使用 网络服务：文件和设备共享，信息发布 网络管理：安全管理、故障管理、性能管理等 互操作：直接控制对方比交换数据更为困难,39,3.分布式操作系统,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

14、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,40,分布式操作系统的特征,1.是一个统一的操作系统 若干个计算机可相互协作共同完成一项任务 2.资源进一步共享 3.透明性: 资源共享，分布对用户来讲是不知道的 4.自治性: 处于分布式系统的多个主机处于平等地 位，无主从关系 5.处理能力增强、速度更快、可靠性增强,41,网络和分布式的比较,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，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，各机上各种服务程序需按不同网络协议互操作 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

15、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 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 健壮性 分布式系统要求更强的容错能力（工作时系统重构）,42,嵌入式操作系统,什么是嵌入式系统？ 在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统 它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机” 通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中 由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统,43,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统（Embedded Operating

16、System）：是运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统以及它所操作、控制的各种部件装置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件,44,嵌入式操作系统的应用,45,嵌入式操作系统的特点,实时性：具有某些实时系统的特征 微型化：但有限制条件 大小、内存、能源,46,当前流行操作系统简介windows,1983开始在DOS基础上研制多用户的图形用户界面； 1990Windows 3.0 Windows 3.1 窗口控制能力、虚拟存储方式、一定程度的网络支持 1995windows 95 摆脱了DOS、全新的桌面方式、即插即用、长文件名、网络功能有所提高 Windows 98扩大了网络功能

17、，局域网、远程网 1993-Windows NT-网络操作系统 Windows 2003Windows XPVista,47,UNIX,1969年，在贝尔退出MULTICS研制项目后，Ken Thompson和Dennis M. Ritchie 想申请经费买计算机从事操作系统研究，但多次申请得不到批准 项目无着落，他们在一台无人用的PDP-7上，重新摆弄原先在MULTICS项目上设计的“空间旅行”游戏 为了使游戏能够在PDP-7上顺利运行，他们陆续开发了浮点运算软件包、显示驱动软件，设计了文件系统、实用程序、shell 和汇编程序 到了1970年，在一切完成后，给新系统起了个同MULTICS发

18、音相近的名字UNIX 随后，UNIX用C语言全部重写，自此，UNIX诞生了,48,UNIX,UNIX是现代操作系统的代表。Unix运行时的安全性、可靠性以及强大的计算能力赢得广大用户的信赖 促使UNIX系统成功的因素： 首先，由于UNIX是用C语言编写，因此它是可移植的，UNIX 是世界上唯一能在笔记本计算机、PC机、工作站直至巨型机上运行的操作系统 第二，系统源代码非常有效，系统容易适应特殊的需求 最后，也是最重要的一点，它是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统,49,UNIX,通用的交互式分时操作系统 源代码公开 System v 和BSD UNIX 主要特点： 短小精悍 具有

19、可拆卸的多层次文件系统 可移植性好 网络通信功能强,50,Linux,1990年秋天，Linus在芬兰首都赫尔辛基大学学习操作系统课程，因为上机需要排队等待，Linus买了台PC机，开发了第一个程序，程序包括两个进程，向屏幕上写字母，然后用定时器来切换进程 Linus需要终端仿真程序来存取Usenet新闻组的内容，于是他编写了从调制解调器上接发信息的程序以及显示器、键盘和调制解调器的驱动程序 然后编写了磁盘驱动程序、文件系统，一旦有了进程切换、文件系统和设备驱动程序，当然就拥有了一个操作系统原型，或者至少是它的一个内核 Linux就以这样方式问世,51,Linux,多用户多任务的通用操作系统

20、自由软件 继承了UINX的优点,52,1.5 处理器的工作状态,在资源共享的计算机系统中，只有有了必要的保护措施，才能使个别的错误不致影响其他程序,53,1.5.1 特权指令,特权指令: 为保护输入输出的完整性，把启动I/O、设置时钟，设置控制寄存器等的一类可能影响系统安全的指令定义为特权指令。 特权指令只允许操作系统使用，用户程序不能使用特权指令。(非特权指令) 用户程序若要启动I/O，必须请求操作系统代为启动，这种方式不但可以保证安全地使用外围设备，正确地传送信息，而且可减少用户为启动设备而必须了解外围设备特性以及启动等工作，大大方便了用户。,54,1.5.2 管态和目态,背景：为了避免用

21、户程序错误的使用特权指令 中央处理器有两种工作方式：管态和目态。 管态：中央处理器可执行包含特权指令在内的一切指令；操作系统管理程序运行的状态，较高的特权级别，又称为特权态（特态）、核心态、系统态 目态：中央处理器不准执行特权指令;用户程序运行时的状态，较低的特权级别，又称为普通态（普态）、用户态 操作系统在管态下工作，用户程序在目态下工作,55,实例：x86系列处理器,386、486、Pentium系列都支持4个处理器特权级别（特权环：R0、R1、R2和R3） 从R0到R3特权能力依次降低 R0相当于双状态系统的管态 R3相当于目态 R1和R2则介于两者之间，它们能够运行的指令集合具有包含关

22、系：,56,实例：x86系列处理器,四个级别运行不同类别的程序： R0-运行操作系统核心代码 R1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程 R2-运行其他受保护共享代码，如语言系统运行环境 R3-运行各种用户程序 现有基于x86处理器的操作系统，多数UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别,57,1.5.3 程序状态字(PSW),CPU如何确定是目态执行指令还是管态执行指令; 程序的交错执行不出差错 程序状态字(PSW)：用来控制指令执行顺序并且保留和指示与程序有关的系统状态 一般包括三部分内容： 程序基本状态（指令地址、条件码、管/目态、等待/计算） 中断码 中断屏蔽位 每个