操作系统 课件

1、计算机操作系统computer operating systems,主讲：,课程说明,一、自从世界上第一台计算机eniac于 1946年问世以来，计算机科学与软件工程正在蓬勃发展，其应用已深入社会生活的各个领域。操作系统 (operating system) 是系统软件的核心，无论是计算机的研制生产单位，还是用户，都十分重视o.s.的研究和开发。,举例：ms-dos 从1.0 6.0, 6.2, 6.6 版本windows 3.0 3.1 window 95,特别是对将来准备从事计算机应用开发、计算机软件和系统结构设计工作的科技人员，o.s. 是一门重要的必修专业课程。我们要加以重视，认真学好

2、。,【考查目标】 1. 了解操作系统在计算机系统中的作用、地位、发展和特点。 2. 理解操作系统的基本概念、原理，掌握操作系统设计方法与实现技术。 3. 能够运用所学的操作系统原理、方法与技术分析问题和解决问题。,第1章 操作系统引论introduction to operating system,计算机是由硬件和软件两部分组成，操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的第一次扩充。它在计算机系统中占据了特殊重要的地位，其他所有的软件如汇编程序、编译程序、数据库管理系统等系统软件以及大量的应用软件，都将依赖于操作系统的支持，取得它的服务。操作系统已成为从大型机直至微机都必须配置的

3、软件。,硬件：输入/出设备、运算器、控制器、存贮器,软件：,系统软件：管理计算机本身的操作，并为应用程序提供编程环境,应用软件：直接面向用户，为之解决各类问题,其中os 是计算机系统中重要的系统软件，它是整个系统的控制中心，它控制和管理计算机系统的各类资源，并为其它系统程序和应用程序提供基本的服务。,1.1 操作系统的目标和作用,1.1.1 操作系统的目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 推动操作系统发展的主要动力,1.1.1 操作系统的目标,1. 方便性 高级语言机器代码 ；易学易用 2. 有效性 提高并行程度；节省存储空间； 合理组织工作流程, 提高系统吞吐量。 3. 可扩充性 计

4、算机硬件、体系结构、计算机网络的发展 采用层次化结构 4. 开放性 单机环境网络环境 实现应用的可移植性和互操作性。 开放性遵循世界标准规范。,1.1.2 操作系统的作用,1.os作为用户与计算机硬件系统之间的接口 -一般用户的观点,1.1.2 操作系统的作用,2.os作为计算机系统资源的管理者 资源管理的角度 （1）处理机管理 processor management （2）存储器管理 memory management （3）i/o设备管理 i/o device management （4）文件管理 file management (information),3.os用作扩充机器 裸机+设

5、备管理 +文件管理+窗口软件,1.1.2 操作系统的作用,1.1.3 推动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 -批处理系统 2.方便用户 -允许人机交互的分时系统（多用户系统） 3.器件的不断更新换代 硬件性能迅速提高-os功能增强 4.计算机体系结构的不断发展 新型计算机体系结构-新型os(多处理机os,网络os),1.2 操作系统的发展过程,1.2.1 无操作系统的计算机系统 1.2.2 单道批处理系统 1.2.3 多道批处理系统 1.2.4 分时系统 1.2.5 实时系统,1.2.1 无操作系统的计算机系统,1. 人工操作方式(manual operation

6、mode) 人工操作方式的两个缺点： 1）用户独占全机。一台计算机的全部资源只 能由上机用户独占。 2）cpu等待人工操作。 可见，人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率，此即所谓的人工操作方式与机器利用率的矛盾，简称人机矛盾。,2. 脱机输入输出方式(off-line i/o),fig1-2 脱机i/o示意图,脱机输入输出方式的主要优点： (1) 减少了cpu的空闲时间。装带（卡）、卸带（卡）、以及将数据从低速i/o设备送到高速的磁带（或盘）上，都是在脱机情况下进行的，它们不占用主机时间，从而有效地减少了cpu的空闲时间，缓和了人机矛盾。 (2) 提高i/o速度。当cpu在运行中需要数据时

7、，是直接从高速的磁带或磁盘上将数据调入内存的，不再是从低速i/o设备上输入，从而大大缓和了cpu和i/o设备速度不匹配的矛盾，进一步减少了cpu的空闲时间。,1.2.2 单道批处理系统simple batch processing system,1. 处理过程 把一批作业以脱机方式输入到磁带机上,在系统中的监督程序控制下完成作业的调度.,2. 单道批处理系统的特征 单道批处理系统是最早出现的一种os，严格地说，它只能算作是os的前身而非是现在人们所理解的os。尽管如此，该系统比起人工操作方式已有很大的进步，在一定程度上提高了系统资源的利用率和系统吞吐量。该系统的主要特征如下： (1) 自动性。

8、 (2) 顺序性。 (3) 单道性。,1.2.3 多道批处理系统multi-programmed batch system,一、多道程序设计的基本概念,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和系统的各种资源。,(a)单道程序运行情况,图(b) 四道程序运行情况 fig 1-4 单道和多道程序运行情况,在os中引入多道程序设计技术的好处有: (1)提高cpu的利用率。在引入多道程序设计技术以后，由于可同时把若干程序装入内存，并可使它们交替地执行，这样，当正在运行的程序因i/o而暂停执行

9、时，系统可调度另一道程序运行，从而保持了cpu处于忙碌状态。 (2)提高内存和i/o设备利用率。 (3)增加系统吞吐量。,2. 多道批处理系统的特征,(1) 多道性。 (2) 无序性。 (3) 调度性。作业从提交给系统开始直至完成,需经过以下两次调度: 作业调度。 这是指按一定的作业调度算法，从外存的后备作业中，选择若干个作业调入内存。 进程调度。按一定的进程调度算法，从已在内存的作业中选择一个作业，将处理机分配给它，使之执行。,3.多道批处理系统的优缺点,(1)主要优点 资源利用率高。 系统吞吐量大。 (2)缺点 平均周转时间长。在批处理系统中，由于作业要排队，依次进行处理，因而作业的周转时

10、间较长，通常需要几个小时、甚至几天。 无交互能力。,4. 多道批处理系统需要解决的问题,处理机管理问题：既满足程序运行需要，又提高处理机的利用率。 内存管理问题： 为程序分配必要的内存空间，各得其所，防止某程序的异常而破坏其他程序。 i/o设备管理问题： 既方便用户使用，又能提高设备的利用率。 文件管理问题： 既方便用户使用，又保证数据的安全性和一致性。 作业管理问题：计算型、i/o型,操作系统的定义：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源,合理地对各类作业进行调度,以及方便用户使用的程序的集合。,1.2.4 分时系统(time-sharing system),1. 分时系统的产生 推动

11、分时系统的形成和发展的主要动力，是用户的需要。具体地说，用户需要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（ 便于用户向系统提交作业.）,1.2.4 分时系统,2.分时系统实现中的关键问题 如何使用户能与自己的作业进行交互，即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理，再将结果返回给用户。,(1) 及时接收 配置多路卡,使主机可以同时接受各终端的数据。 为每个终端配置一个缓冲区，暂存用户键入的命令。 (2) 及时处理 作业直接进入内存， 每个作业只运行很短的时间（如0.1秒，时间片）,1.2.4 分时系统,“ 时间片轮转法 ” 怎样分享

12、cpu？,cpu,t,一个时间t,prg1,prg2,prg1,prg2,未完,例如：若有n = 20个用户，时间片大小 ts = 10 毫秒，则每个用户在 n*ts=0.2秒内至少能用ts = 10ms 的cpu， 由于cpu的速度比人在终端上指令的时间快得多，则用户似乎感到cpu为自己独占。,系统规定一个称之为“ 时间片 ” 的时间单位，所有终端用户轮流享用一个时间片的cpu。,3. 分时系统的特征,(1)多路性 允许在一台主机上同时连接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。 (2)独立性 每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。 (3)及时性 用户的请求能在很短时间内获得响应

13、，此时间间隔是以人们能接受的等待时间来确定的，通常为23秒。 (4)交互性 用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。,1.2.5 实时系统(real-time system) 实时系统指系统能及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。,(1)实时控制 生产过程的控制 武器的控制 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,1.应用需求,2.实时任务,1) 按任务执行时是否呈现周期性来划分 (1) 周期性实时任务。 (2) 非周期性实时任务。 任务的执行无明显的周期性,但都必须联系着一

14、个截止时间(deadline),它又可分为: 开始截止时间 完成截止时间 2) 根据对截止时间的要求来划分 (1) 硬实时任务(hard real-time task) (2) 软实时任务(soft-real-time task),3.实时系统与分时系统的比较,(1) 多路性 实时系统也需要对多路现场信息进行采集并控制相应对象. (2) 独立性 实时系统中对各路的采集及控制同样相对独立. (3) 及时性 实时系统的及时性以控制对象所要求的截止时间来确定的。 (4) 交互性 实时系统仅限于访问系统中的某些专用服务程序，不提供数据处理服务、资源共享服务 (5) 可靠性 实时系统要求系统高度可靠,吞