第一章 操作系统引论(第1、2、3讲).ppt

1、2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,1,计算机操作系统,计算机与信息学院 晁 妍,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,2,成绩评定 作业+实验报告：20% 期末考试：70% 上课出勤率及回答问题：10%,学习建议 要牢记概念 要理解功能 要联系实际 要前后贯通,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,3,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统的目标和作用 1.2 操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特征 1.4 操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,4,1.1 操作系统的目标和作用,管理信息

2、系统、飞机订票系统、 银行系统、地理信息系统、CAD 系统、数字计算机软件包等,测试工具、编程工具、项目 管理工具、DFD编辑器、语言 转换工具、界面测试工具等,语言编译程序、连续装配程序、 数据库管理系统、网络软件,操作系统,计算机硬件,应用软件,支撑软件,用户,用户,用户,用户,系统软件,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,5,1.1 操作系统的目标和作用,1.1.1 操作系统的目标 有效性(系统管理人员的观点)：合理地组织计算机的工作流程，管理和分配硬件、软件资源，提高资源的利用率;提高系统的吞吐量。 方便性(用户的观点)：使计算机系统更易于使用。 可扩充性(开放的观点)：

3、给计算机系统的功能的扩展提供开放式的支撑平台。 开放性：可移植性和互操作性 其中有效性和方便性是设计OS时最重要的两个目标，设计现代OS的主要目标也是对提高资源利用率和方便用户。,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,6,1.1.2 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,使用方式 命令方式 系统调用方式 图形、窗口方式,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,7,2. OS作为计算机系统资源的管理者 CPU 处理器管理 内存+外存 存储器管理 设备 I/O设备管理 信息(数据和程序) 文件管理,1.1.2 操作系统的作用,资 源,主要功能,2020

4、/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,8,OS实现了对计算机资源的抽象 OS是铺设在裸机上的多层软件，它不仅增强了系统的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，从而实现了对计算机资源的抽象。,1.1.2 操作系统的作用,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,9,1. 人工操作方式 工作方式： 用户：既是程序员又是操作员；是计算机专业人员 编程语言：机器语言 输入输出：纸带或卡片,计算机的工作特点： 用户独占全机和CPU等待用户 主要矛盾： 人机矛盾、CPU与I/O设备速度不匹配 提高效率的途径： 脱机输入/输出技术,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,2

5、020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,10,2. 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式,磁带,磁带,磁带,主要优点： 减少了CPU的空闲时间 缓和了人机矛盾,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,11,单道批处理系统的处理过程 单道批处理系统：作业成批处理 内存中只有一道。,1.2.2 单道批处理系统,2. 单道批处理系统的特征 自动性、顺序性、单道性 不足：无法充分利用系统中的所有的资源,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,12,多道批处理系统 是采用多道程序设计技术的批处理系统。为了使系统中的多道程序能协调地运行，必须配置一组软件，来解决多道程

6、序对系统资源的共享和争用问题，并对作业进行合理的组织和调度。就形成了现代意义上的OS,1.2.3 多道批处理系统,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,13,单道程序工作示例：,多道程序工作示例：,1.2.3 多道批处理系统,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,14,2. 多道批处理系统的特征： 调度性： 作业调度、进程调度 在该系统中，作业在外存的“后备队列”，由作业调度程序选择若干调入内存，共享CPU和系统中的各种资源。 无序性 多道性：内存中可同时存放多个作业,1.2.3 多道批处理系统,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,15,优点： 资源利用率

7、高； 系统吞吐量大；,缺点： 平均周转时间长； 无交互能力；,3. 多道批处理系统的优缺点：,1.2.3 多道批处理系统,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,16,4. 多道批处理系统需解决的问题 处理机管理问题 内存管理问题 设备管理问题 文件管理问题 作业管理问题,1.2.3 多道批处理系统,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,17,例题,有两个程序A和B，A程序执行时所做的工作按次序需要的时间为：cpu计10s，设备1计5s，cpu计5s,设备2计10s，cpu计10s。 B程序执行时所做的工作按次序需要的时间为：设备1计10s， cpu计10s，设备2计5s

8、， cpu计5s，设备2计10s。问在单道方式下和多道并发环境下执行A和B两程序，CPU的利用率各为多少？,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,18,活动列表 A:10s B:10s A:5s B:5s A:10s CPU B:10s A:5s 设1 B:5s A:10s B:10s 设2 0 10 15 20 25 30 35 45 时间（单位s）,A和B程序运行的甘特图,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,19,分时系统是指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。,1.2.4 分时系统

9、,1. 分时系统的产生,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,20,分时系统的设计思想 （1）采用分时技术 （2）设计目标：系统能及时响应用户的终端命令 （3）实现中的最关键问题：使用户能与自己的作业进行交互。（及时接收、及时处理）,3. 改变批处理系统的运行方式： 作业直接进入内存 系统采用时间片轮转方式处理服务请求,1.2.4 分时系统,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,21,4. 分时系统的特征： 多路性：一台主机上连有多个终端，能同时为多个用户服务。 独立性：各用户独立操作，互不干扰。 及时性：通过时间片技术和轮转调度算法保证及时响应。 交互性：能进行广泛的

10、人机交互。,1.2.4 分时系统,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,22,1.2.5 实时系统,实时系统及其类型 （1）实时系统 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地运行 （2）分类 实时控制系统 实时信息处理系统,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,23,2. 实时任务的类型 按任务执行时是否呈现周期性来划分 周期性实时任务 非周期性实时任务截止时间 根据对截止时间的要求来划分 硬实时任务 软实时任务,1.2.5 实时系统,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,24,3. 三种基本操

11、作系统的比较：,1.2.5 实时系统,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,25,1.3 操作系统的特征,四个基本特征：并发、共享、虚拟、异步 1并发 并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生(最重要的特征) 并行性：两个或多个事件在同一时刻发生 程序不能并发执行，为使多个程序并发执行，引入进程。 进程在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,26,2共享 共享方式： 互斥共享方式：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用 临界资源(独占资源)：一段时间内只允许一个进程访问的资源 同时访问方式：如可重入代码，磁盘文件. 并发和共享

12、是OS的两个最基本的特征，又互为存在的条件,1.3 操作系统的特征,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,27,虚拟 虚拟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。 用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术 时分复用技术： 虚拟处理机、虚拟设备技术 空分复用技术： 虚拟内存、虚拟磁盘技术,1.3 操作系统的特征,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,28,异步性 指进程以人们不可预知的速度向前推进。 进程的运行速度不可预知 无论快慢，结果应该相同。 难以重现系统在某个时刻的状态,1.3 操作系统的特征,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,29,练习题：,

13、设内存中有三道程序A、B、C，它们按A、B、C的优先次序执行，它们的计算和I/O操作时间如表所示（单位：ms）。,假设三道程序使用相同的设备进行I/O操作，即程序以串行方式使用设备，试画出单道运行和多道运行的时间关系图（调度程序的执行时间忽略不计）。在两种情况下，完成这三道程序各要花多长时间？,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,30,1.4 操作系统的主要功能,包括： 处理机管理功能 存储器管理功能 设备管理功能 文件管理功能 用户接口,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,31,1.4 操作系统的主要功能,1.4.1 处理机管理功能 主要是对处理机的分配和运行进行

14、管理。 主要功能有： 进程控制：创建、撤销进程，以及进程状态间转换 进程同步：对进程的执行次序进行协调 进程通信：实现在相互合作的进程之间的信息交换； 调度：作业和进程的状态切换，包括作业调度和进程调度,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,32,1.4.2 存储器管理功能,存储器管理功能有： 内存分配：为每道程序分配内存空间 内存保护：确保每道用户程序都只在自己的内存空间中运行，彼此互不干扰 地址映射：程序的逻辑地址到内存物理地址的映射 内存扩充：用虚拟存储技术解决内存容量不足的问题,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,33,1.4.3 设备管理功能,设备管理的功能

15、有： 缓冲管理：匹配CPU和外设的速度 设备分配：为用户分配完成I/O所需的设备、设备控制器或通道 设备处理：设备驱动程序用于实现CPU和设备控制器之间的通信,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,34,1.4.4 文件管理功能,文件管理的功能有： 文件存储空间的管理：为每个文件分配必要的外存空间 目录管理: 通过目录的方式来组织文件，以实现文件的按名存取 文件的读/写管理和保护：实现文件的读写操作，并提供有效的存取控制功能，保护文件的安全性。,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,35,用户接口 （1）命令接口： 联机用户接口、脱机用户接口 （2）图形接口 2. 程序

16、接口 为用户程序在执行中访问系统资源而设置，由一组系统调用组成。,1.4.5 OS与用户之间的接口,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,36,操作系统的结构： 整体式（无）结构 模块化结构 层次式结构 微内核结构,1.5 操作系统的结构设计,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,37,1. 整体式OS结构,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,38,操作系统,模块,子模块,2. 模块化OS结构,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,39,2. 模块化OS结构,优点： 提高设计的正确性、可理解性和可维护性 增强可适应性 加速开发过程 存在的问题：

17、 模块的划分和接口的规定较困难 模块间还存在着复杂的依赖关系，是os结构变得不够清晰 在模块化结构设计中，各模块的设计齐头并进，无法寻找到一个可靠的决定顺序，造成各种决定的“无序性”,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,40,3. 层次式结构,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,41,层次结构的优点:,正确性有保证 便于系统维护、扩充,层次结构的优缺点,层次结构的缺点:,层次之间单向依赖 模块间需要通信机制 系统开销大、效率低,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,42,微内核结构是建立在模块化、层次化结构的基础上，并采用了客户/服务器模式和面向对象的程

18、序设计技术。 微内核的主要思想：在内核中只留下一些基本的功能，而将其他服务尽可能地从内核中分离出去。 内核的基本组成：中断处理、进程调度、同步机制,4. 微内核 OS 结构,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,43,微内核的基本功能,微内核所提供的功能，通常都是一些最基本的功能，如进程管理、存储器管理、进程间通信、 低级I/O功能。 进程管理 存储器管理 进程通信管理 I/O设备管理,2020/7/18,阜阳师范学院计算机与信息学院,44,核心,客户向服务器进程发送 消息，以获得服务,客户服务器模型,将OS分为两个部分： 用于提供各种服务的服务器 是用于实现OS最基本功能的内核（