第1章 操作系统引论-1.ppt

1、操作系统，扬声器：刘亚辉，1。课程安排：课时：32小时上机：8小时考试方法：闭卷：80%；平时：20%，讲课：操作系统进程管理简介处理器调度与死锁，存储管理I/O系统文件管理，2，电子邮件：密码：20152016，6，8周，10-13，参考书：1，计算机操作系统余，清华大学出版社，2，计算机操作系统实验主任余，清华大学出版社，3，操作，3，第1章操作系统介绍， 1.1.1操作系统的目标1.1.2操作系统的功能1.3操作系统的基本特征1.4操作系统的主要功能，4，5，计算机系统，评论，人的头脑和思想的关系，操作系统的功能文化和思想反应，6，7，计算机硬件，内存插槽，总线插槽，接口卡，CPU，并行

2、端口，USB接口，串行端口，评论，插槽，内存库，8，冯诺伊曼提出了1)用于存储和处理存储在存储器中的程序和数据的计算机由五个基本组件(算术单元、控制器、存储器、输入和输出)组成。 图1计算机的硬件组成，回顾，9，每个组件的主要功能，存储器：用于存储各种信息的组件算术单元：用于执行算术运算和逻辑运算的组件控制器：用于控制和指导所有组件协同工作的组件命令：用于使计算机工作的命令，由操作码和操作数组成的程序：完成任务的指令集输入设备：向计算机输入信息，转换信息输出设备：计算机内部的输出信息，回顾，10，11，存储器， 微机存储器分为内部存储器和外部存储器，内部存储器和外部存储器，综述，12，1.1操

3、作系统的目标和功能，1。 什么是操作系统？操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理安排各种作业，方便用户使用的程序。以下哪个软件是操作系统？一个没有操作系统的计算机系统是极难使用的，因为计算机硬件只能识别机器代码如0和1。如果我们在计算机硬件上配置操作系统，用户可以通过操作系统提供的各种命令来使用计算机系统。有效性(1)资源繁忙，使用有效(2)数据有序，节省存储空间(3)计算机工作流程组织合理(14)可扩展性(1)适应硬件和网络的发展要求；(2)应采用层级结构。开放性意味着系统可以遵循世界标准和规范，尤其是开放系统互连的国际标准。20世纪90年代后计算机技术的核心问题。15，16，1

4、.1.2操作系统的作用，1。用户和硬件系统之间的接口。计算机系统资源经理。操作系统实现了对计算机资源的抽象(作为扩展机)，软件接口为用户提供了三种方式(用户通过三种方式使用计算机来操作硬件和运行自己的程序):(1)命令方式(2)系统调用方式。1.用户和硬件系统之间的接口，图2是作为接口18的操作系统的示意图。2.管理四种计算机资源，(1)处理器管理，(2)内存管理，(3)设备管理，(4)文件管理，19。操作系统实现了对计算机资源(用作扩展机)的抽象，裸机：没有任何软件的计算机系统，扩展机：覆盖有软件的机器，也称为虚拟机。图3输入输出软件隐藏了输入输出操作实现的细节，20，21，1.2操作系统的

5、开发过程，22，1.2.1无操作系统的计算机系统1.2.2单通道批处理系统(50年代)，1.2.3多通道批处理系统(60年代)，1.2.4分时系统(60年代)，1.2.5实时系统(60年代)，1.2.6微机操作系统的开发，1.2操作系统的开发过程，这时，计算机及其所有资源只能被计算机用户所垄断。(2)中央处理器等待手动操作。当用户执行手动操作(如加载和卸载磁带(卡)时，资源(如中央处理器和内存)处于空闲状态。23，图1-3离线输入/输出示意图，24，磁带，2，离线输入/输出技术，输入和输出机，25，1.2.2，单通道批处理系统，过程：一批作业以离线方式输入磁带，并在监控程序的控制下连续处理。特

6、点：(1)自动性；(2)测序，无需人工干预；(3)在单通道存储器中只保存一个作业。虽然系统分批处理作业，但总是在内存中只保留一个作业，所以该系统称为单通道批处理系统，图5单通道批处理系统的处理流程，26 . 1 . 2 . 3多通道批处理系统，多通道：多个独立的程序同时存储在内存中，多通道技术是共享的基础。多通道批处理功能内存中存在多通道程序，可以并发执行无序作业。计划的作业从提交到完成计划两次。(1)作业调度的外部存储器(选择多个)。(2)用于进程调度分配的处理器(选择一个)。在操作系统中引入多通道编程技术可以带来以下好处：(1)提高CPU利用率。当内存中只有一个程序时，程序发出输入输出请求

7、后，中央处理器处于空闲状态，输入输出完成后，中央处理器必须继续运行；特别是由于输入输出设备速度较低，CPU的利用率明显降低。图(a)显示了单通道程序的运行情况。从图中可以看出，在t2t3和t6t7的时间间隔内，CPU是空闲的。在引入多通道编程技术后，由于主程序同时安装在内存中(作业调度算法使用的是中央处理器)，并且它们交替运行，当运行的程序由于输入输出而暂停时，系统可以调度另一个程序运行，从而使中央处理器保持忙碌。图(b)显示了四个程序的操作。28，图6单通道和多通道程序操作，书p7，调度程序，程序a，程序b，程序c，程序D，(2)可以提高内存和I/O设备的利用率。为了运行大型作业，内存通常具

8、有很大的容量，但是由于80%以上的作业是中小型的，因此在单个程序环境中会浪费内存。同样，系统中配置的许多类型的输入/输出设备不能在单通道程序环境中得到充分利用。如果允许在内存中加载多个程序并同时执行，内存和输入/输出设备的利用率无疑会大大提高。(3)提高系统吞吐量。在保持中央处理器和输入/输出设备忙碌的同时，它必然会大大提高系统的吞吐量，从而降低作业处理的成本。30，31，多批处理的优点和缺点：资源利用率高，系统吞吐量大，单位时间内完成的总工作量，原因(1)资源繁忙，以及(2)仅在无法运行时切换，缺点：平均周转时间长，作业周转时间长，从作业进入系统到完成和退出系统的时间长。通常是几个小时，甚至

9、几天。没有交互能力的修改和调试非常不方便。32 . 1 . 2 . 4分时系统的定义是多个终端连接到一台主机上，允许多个用户通过自己的终端交互使用计算机，共享主机中的资源。发电：(1)人机交互。(运行时调试)(2)共享主机。(设备昂贵)(3)方便用户使用计算机(终端上的输入和控制)，33、分时系统的特点，多路复用允许多个在线终端同时连接到一台主机，系统根据分时原理为每个用户服务。宏观上，多个用户同时工作，共享系统资源；微观上，每个用户的工作依次运行一个时间段。独立性每个用户都觉得自己是主人的专属。及时性和短响应时间(2-3秒)交互式用户可以请求系统提供各种服务，如文件编辑、数据处理和资源共享。

10、时间片：每个作业只运行很短的时间(例如，0.1秒)，通常称为。，34，1.2.5实时系统，实时：及时响应外部事件。应用要求：(1)实时控制：工业生产、武器控制、飞机自动飞行(2)实时信息处理：订票系统，1.2.6微机操作系统的开发随着超大规模集成电路(VLSI)和计算机体系结构的发展，微机操作系统和网络操作相继形成(1)单用户单任务操作系统单用户单任务操作系统是指只有一个用户可以在计算机上运行，只有用户程序可以作为一个任务运行。这是最简单的微机操作系统，主要配置在8位和16位微机上。最具代表性的单用户和单任务微机操作系统是并行处理和多任务操作系统。35，Book p11，(2)单用户多任务操作

11、系统单用户多任务操作系统是指只允许一个用户运行计算机，但允许用户将程序分成几个任务，使它们可以同时执行，从而有效地提高了系统的性能。目前，32位微机上配置的操作系统基本上是单用户多任务操作系统，其中最具代表性的是微软公司推出的视窗系统。多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统是指允许多个用户通过他们的终端使用同一台机器，并在主机系统中共享各种资源，每个用户程序可以进一步划分为多个任务，以便它们可以同时执行，从而进一步提高资源利用率和系统吞吐量。大、中、小型计算机大多配置了多用户、多任务操作系统，其中许多配置了32位微机上的多用户、多任务操作系统，最具代表性的是UNIX操作系统。目前，可以在微型

12、计算机上运行的两种最有影响力的UNIX操作系统变体是Solaris操作系统和Linux操作系统。38，1.3操作系统的基本特征，39，1.3.1并发性(最重要的特征)1.3.2共享1.3.3虚拟性1.3.4异步性，操作系统的基本特征，40，1并发性，并行性：两个或多个事件同时发生；并发：指在同一时间间隔内发生两个或多个事件。单处理器系统：宏并发，微串行。多处理器系统：可能存在并行性。在多程序环境中，并发意味着在一段时间内有几个程序同时运行，但在单处理器系统中，一次只能执行一个程序，因此这些程序只能以分时方式交替执行。如果在一个计算机系统中有多个处理器，这些可以并发执行的程序可以被分配给多个处理

13、器以实现并行执行，也就是说，每个处理器被用来处理一个可以并发执行的程序，使得多个程序可以同时执行。33页、41页、(1)以互斥共享模式访问关键资源；2.共享资源的两种方式，关键资源：在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为关键资源或独占资源。打印机等硬件；堆栈、变量、表和其他软件，互斥访问：当一个进程A想要访问一个资源时，它必须首先发出一个请求。如果此时资源空闲，系统可以将其分配给请求进程A。之后，如果任何其他进程想要访问资源(只要进程A没有用完)，它必须等待。只有当一个进程完成访问并释放资源时，才允许另一个进程访问该资源。42，(2)同时访问允许多个进程在一段时间内“同时”访问它们，例如磁盘

14、和重新编码的文件。操作系统的两个基本特征：并发性和共享性；43，3，虚拟。通过某种技术，一个物理实体变成了几个逻辑对应物。如：虚拟处理器、虚拟内存等。4.异步允许多个进程在多通道程序环境中并发执行，但只有进程在获得所需资源后才能执行。在单处理器环境中，因为系统中只有一个处理器，所以一次只允许执行一个进程，其他进程只能等待。当正在执行的进程提出一些资源要求(如打印请求)时，当打印机正在为其他进程打印时，正在执行的进程必须等待并放弃处理器，直到打印机空闲并且处理器再次被分配给该进程。可以看出，由于资源和其他因素的限制，流程的执行通常不是一次性完成的，而是以“走走停停”的方式运行。44，当内存中的每

15、个进程可以让处理器运行时，当它由于某些资源请求而暂停时，进程前进的速度有多快，每个程序需要多长时间才能完成，等等。这些都是不可预测的。例如，由于每个用户程序的性能不同，有些程序侧重于计算，需要较少的输入/输出，而有些程序计算较少，输入/输出较多，因此很可能先完成进入内存的作业，然后再完成进入内存的作业。换句话说，过程以不可预测的速度前进，这被称为过程的异步。但是，只要操作系统配备了完善的进程同步机制，并且运行环境相同，那么在多次运行之后，作业就会得到相同的结果。因此，异步操作模式是允许的，并且是操作系统的一个重要特征。45，资源管理，5。用户界面，1。处理器管理(硬件)，2。内存管理(硬件)，

16、3。设备管理(硬件)，4。文件管理(软件)，命令界面，程序界面，图形界面，1.4操作系统的主要功能，在线用户界面，离线用户界面，操作系统的五大功能，1。组成：命令终端处理程序命令解释程序：用户在键盘上输入命令；终端处理程序接收命令并将其显示在屏幕上。命令解释器解释并执行命令。在线命令示例：UNIX:登录；注销；文件编号：副本；格式；命令解释器：最高级别的操作系统，如MS-DOS:COMMAND.COM的UNIX : shell，(2)离线用户界面，适用于批处理系统。也称为批处理用户界面合成：JCL作业描述命令解释器JCL:作业控制语言过程：用户用JCL在作业描述中写入作业的控制，命令解释器根据作业描述进行解释和执行。程序接口，目的：为用户程序设置访问系统资源。组成：一组系统调用：系统调用是一个可以完成特定功能的子程序。系统调用过程，系统调用命令，用户程序，系统功能，调用，返回，1.5操作系统结构设计，操作系统开发阶段：第一代：非结构化操作系统，第二代：模块化操作系统结构，第三代：分层操作系统结构，第四代：微内核操作系统结构(90年代)，传统操作系统结构，中断、实现平行工作；处理紧急情况；为了满足实时性要求，有必要中断处理器的正常运行。中断是指当程序执行过程中发生事件时，终止当前程序在中央处理器上的运