微机操作系统.ppt

1、第一章 绪论,1.1操作系统的概念 计算机系统： 计算机硬件 计算机软件 计算机硬件：运算器、控制器、存储器、输入设备和 输出设备,操作系统 编译程序 系统软件 语言处理系统 解释程序 汇编程序 库管理程序等 计算机软件 常用的例行程序 连接装配程序 诊断排错程序 应用软件 ：火车售票系统、超市管理系统 硬件和软件的关系 裸机：没有配置任何软件的计算机 软件是在硬件基础之上对硬件的性能加以扩充和完善,可以进行浮点运算,虚拟机：一个裸机在每加上一层软件后，就变成了一 个功能更强的机器，我们把这种“功能更强的机器”称之为“虚拟机” 如果是多用户的操作系统，那么经过扩充后，一个实际的处理器就可以扩充

2、成多个虚拟机，使得每一个用户都拥有一个处理机。,用户1,用户2,用户3,用户4,用户n,财务系统,航空订票,上网浏览,电子商务,科学计算,（应用程序）,编译程序,汇编程序,编辑程序,数据库,（系统程序）,操作系统,计算机 硬件,操作系统的层次模型,操作系统： 操作系统是计算机的第一个软件，管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源、合理地组织计算机工作流程，以便有效利用这个资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩充的工作环境，从而在计算机与用户之间起到接口作用。,1.2 操作系统的发展历史,1.2.1 推动操作系统发展的主要动力 1.2.2 手工操作 1.2.3 单道批处理系统(simple b

3、atch processing) 1.2.4 多道批处理系统(multiprogramming system) 1.2.5 分时系统(time-sharing system) 1.2.6 实时系统(real-time system),1.2.1 推动操作系统发展的主要动力,(1) 提高资源的利用率和系统性能：计算机发展的初期，计算机系统昂贵，用作集中计算 (2) 方便用户：用户上机、调试程序，分散计算时的事务处理和非专业用户（商业和办公、家庭） (3) 器件的发展：CPU的位宽度（指令和数据）、快速外存,1.2.2 手工操作,工作方式 用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员；

4、编程语言：为机器语言； 输入输出：纸带或卡片； 计算机的工作特点 用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率低； CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；,1946 50年代（电子管），集中计算（计算中心），计算机资源昂贵；,主要矛盾 计算机处理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪费）； 用户独占全机的所有资源； 提高效率的途径 专门的操作员，批处理,1.2.3 单道批处理系统(simple batch processingm),批处理中的作业的组成： 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

5、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）,50年代末 60年代中（晶体管）：利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个批作业由一个专门的监督程序（Monitor）自动依次处理。可使用汇编语言开发。,两种批处理方式(1)联机批处理,用户提交作业：以纸带或卡片为介质； 操作员合成批作业：结果为磁带介质； 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。 这时的问题：慢速的输入输出处理仍直接由主机来完成。输入输出时，CPU处于等待状态。,两种批处理方式(2)脱机批处理,卫星机：完成面向用户

6、的输入输出（纸带或卡片），中间结果暂存在磁带或磁盘上。 作业控制命令由监督程序(monitor)来执行，完成如装入程序、编译、运行等操作。 优点：同一批内各作业的自动依次更替，改善了主机CPU和I/O设备的使用效率，提高了吞吐量。 缺点：磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分类，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预才可恢复）。,利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并行工作。,监督程序 标准输入程序 编译程序 装配程序 标准输出和善后处理程序 输入用户作业程序 调用一些子程序 转 编译后的用户 到 作业程序 下 一 装配好的用户作业程序 作 业 执行 输 入 执行结果 输出结果,监督程

7、序 标准输入程序 编译程序 装配程序 标准输出和善后处理程序 输入用户作业程序 调用一些子程序 转 编译后的用户 到 作业程序 下 一 装配好的用户作业程序 作 业 执行 输 入 执行结果 输出结果 监督程序管理下的解题过程示意图,通道和中断技术,通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传输。启动后可独立于CPU运行，实现CPU与I/O的并行。 通道有专用的I/O处理器，可与CPU并行工作 可实现 I/O联机处理 中断是指CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。 中断处理过程：中断请求，中断响应，中断点（暂停当前任务并保存现场），中断处理例程，中

8、断返回（恢复中断点的现场并继续原有任务 可处理算术溢出和非法操作码，死循环（利用时钟中断进行超时限定） 监督程序发展为执行系统(executive system)，常驻内存,60年代初，发展了通道技术和中断技术，这些技术的出现使监督程序在负责作业运行的同时提供I/O控制功能。,单道批处理的主要问题,CPU和I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）。 对计算为主的作业，外设空闲； 对I/O为主的作业，CPU空闲；,1.2.4 多道批处理系统(multiprogramming system),多道批处理的运行特征 多道：内存中同时存放几个作业； 宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；

9、 微观上串行运行：各作业交替使用CPU；,60年代中 70年代中（集成电路），利用多道批处理提高资源的利用率。,在当前运行的作业需作I/O处理时，CPU转而执行另一个作业。（I/O完成后是否立刻恢复执行？要等到其他程序再次I/O时）,单道程序工作示例： 请求 用户程序 计算 输入 继续计算 启动 输入输出 监督程序 输入输出 完成 输入输出操作 结束中断,多道程序工作示例： 程序A 程序B 程序A 程序B CPU 请求输入 输入 请求 输入输出 输入输出设备 结束 其他 操作 输入输出设备 请求打 印输出 输出 等待 结束 CPU 运行处理 输入数据 运行处理 其他I/O操作 程序A 运行 打

10、印 等待 运行 程序B 处理 输出 CPU 处理,多道批处理系统的特点,优点： 资源利用率高：CPU和内存利用率较高； 作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大； 缺点： 用户交互性差：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；,多道程序系统中要解决这样一些技术问题： 1）同步与互斥 2）提高内存使用效率 3）内存保护 多道程序系统的出现标志着在操作系统渐趋成熟的阶段先后出现了作业调度管理、处理机管理、外部设备管理、文件管理等功能。,1.2.5 分时系统(time-sharing system),“分时”的含义:分时是指多个用户

11、分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。 多个用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。有用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停，等待下一次用户输入时走时停。 前台和后台程序(foreground & background)分时：后台程序不占用终端输入输出，不与用户交互现在的图形用户界面(GUI)，除当前交互的程序(输入焦点)之外，其他程序均作为后台。 通常按时间片(time slice)分配：各个程序在CPU上执行的轮换时间。,70年代中期至今,抢先式和非抢先式,抢先式和非抢先式(preemptive & non

12、-preemptive)：出让CPU是OS强迫或程序主动 抢先式：OS强迫出让CPU； 非抢先式：程序主动出让CPU；,1.2.6 实时系统(real-time system),要求：响应时间短，在一定范围之内；系统可靠性高 任务的类型： 周期性实时任务:外部设备周期性地发出激励信号给计算机，要求它按指定周期循环执行，以便周期性地控制某外部设备。 非周期性实时任务：外部设备所发出激励信号并无明显的周期性，但都必须联系着一个截止时间(deadline)。开始截止时间（最晚开始时间）和完成截止时间（最晚完成时间）。,用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域，包括实时控制、实时信息处理,1.3 操

13、作系统的分类,1.3 操作系统的分类 批处理操作系统（多道批处理） 分时系统 实时操作系统 个人计算机操作系统 多处理操作系统 网络操作系统 分布式操作系统 嵌入式操作系统,批处理操作系统,作业的处理流程 作业提交：作业的输入； 作业执行 作业完成：作业的输出；,批处理系统中作业处理及状态示意图,批处理操作系统特点,用户脱机使用计算机： 作业提交后直到获得结果之前，用户无需与作业交互。 多道程序运行： 按一定的调度原则，从后备作业中选择多道作业进入内存并组织它们运行，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

14、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。,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 并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,主机,终端,分时操作系统,时间片： 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),分时操作系统特点,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

15、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,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，“调进调出”方法,分时操作系统,追求目标： 及时响应 (所根据指标是响应时间) 响应时间： 从终端发出命令到系统给予回答所经历的时间,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）,实时操作

16、系统,实时操作系统主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域，其主要特征是实时性和可靠性。 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,设计实时操作系统要考虑的因素： 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。 连续的人-机对话。 过载保护：缓冲区排队，丢弃某些任务，动态调整任务周期； 过载是指进入系统的任务数目超出系统的处理能力。 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）。,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

17、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。 可与批处理系统结合成通用系统：实时处理前台作业，批处理为后台作业。,个人计算机操作系统(Personal Computer Operating System),个人计算机操作系统的特征 应用领域：事务处理、个人娱乐， 系统要求：使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信）、效率不必很高。 常用的个

18、人计算机操作系统 单用户单任务：MS DOS 单用户多任务：OS/2, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000 Professional 多用户多任务：UNIX(SCO UNIX, Solaris x86, Linux, FreeBSD),针对单用户使用的个人计算机进行优化的操作系统。,多处理机操作系统(Multi-processor Operating System),多处理机系统的特点 增加系统的吞吐量：N个处理器加速比达不到N倍（额外的调度开销，算法的并行化） 提高系统可靠性：故障时系统降级运行,多处理机操作系统的出现是为

19、了提高计算机系统性能和可靠性。提高性能有两条途径：提高各个组成部分的速度、增大处理的并行程度。1975年前后，出现多处理机系统(multi-processor)。,多处理机系统的类型,紧密耦合(tightly-coupled)：各处理机之间通过快速总线或开关阵列相连，共享内存，整体系统由一个统一的OS管理（一个OS核心）。 松散耦合(loosely-coupled)：各处理机带有各自的存储器、I/O设备和操作系统，通过通道或通信线路相连。每个处理机上独立运行OS。,非对称式多处理(Asymmetric Multiprocessing, ASMP)：又称主从模式(Master-slave mod

20、e)。 主处理器：只有一个，运行OS。管理整个系统的资源，为从处理器分配任务； 从处理器：可有多个，执行应用程序或I/O处理。 特点：不同性质任务的负载不均，可靠性不够高，不易移植（通常要求硬件也是非对称）。 对称式多处理(Symmetric Multiprocessing, SMP)：OS交替在各个处理器上执行。任务负载较为平均，性能调节容易傻瓜式,网络操作系统(NOS, Network Operating System),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,网络操作系统,通常

21、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；,分布式操作系统(Distributed Operating System),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,分

22、布式操作系统,特征: 1.是一个统一的操作系统 2.资源进一步共享 3.透明性: 资源共享，分布。用户并不知道，对用户 来讲是透明的 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,网络和分布式的区别,(1)分布式系统具有各个计算机间相互通讯，无主从关系；网络有主从关系 (2) 分布式系统资源为所有用户共享； 而网络有限制地共享 (3) 分布式系统中若干个计算机可相互协作共同完成一项任务,嵌入式操作系统,嵌入式计算机是那些用来实时地监控、管理某个设备的专用计算机，嵌入式操作系统就是运行在这样的嵌入式计算机上的操作系统。 嵌入式系统主要用

23、于工业过程控制、车载机载星载设备以及各类家用电器、各种手持的电子产品。,嵌入式操作系统的应用,智能卡操作系统,在读写器与智能卡之间通过“命令-响应对”方式进行通信和控制 读写器发出操作命令，智能卡接收命令 操作系统对命令加以解释，完成命令的解密与校验 操作系统调用相应程序来进行数据处理，产生应答信息，加密后送给读写器,嵌入式系统操作系统主要特点： 微型化 高质量、高可靠性 专业化 实时性 可剪裁性 嵌入式操作系统中，国外产品有VXWORKS、QNX、Windows CE等，国内产品有女娲（hopen)等。,1.4操作系统特征和功能,1.4.1 操作系统的四个基本特征 并发 共享 虚拟 异步性,

24、在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。 程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称作任务），并发指的是进程。,多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。并行(parallel)是指在同一时刻发生。,并发(concurrency),共享(sharing),互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用。 同时访问（如可重入代码，磁盘文件）,多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。资源在一个时间段内交替被多个进程所用。,虚拟(virt

25、ual),CPU每个用户（进程）的虚处理机 存储器每个进程都占有的地址空间（指令数据堆栈） 显示设备多窗口或虚拟终端(virtual terminal),一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体分时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。,异步性(asynchronism),进程的运行速度不可预知：分时系统中，多个进程并发执行，时走时停，不可预知每个进程的运行推进快慢 无论快慢，应该结果相同通过进程互斥和同步手段来保证 难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误） 性能保证：实时系统与分时系统相似，但通过资源预留以保证性能,也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时

26、间的不确定性；,1.4 .2操作系统的功能,处理机管理 存储管理 设备管理 文件管理 用户接口,处理机管理,主要任务：是对处理机进行分配，并对其运行进行有效控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位。 进程控制：多道程序环境下，要使作业运行，必须先为它创建一个或几个进程，并给它分配必要的资源。进程结束的时候要立即撤消这个进程，以便收回该进程所占用的各类资源，进程控制的主要任务就是为作业创建进程，撤销已结束的进程以及控制进程在运行中的状态转换 进程同步: 进程是以异步方式进行的，运行的速度不定。进程同步的主要任务是对诸进程的运行进行协调。 进程互斥方式 进程同步方式 进

27、程通信：多道程序环境下，可由系统为应用程序建立多个进程。这些进程相互合作共同完成同一任务，在这些相互合作的进程之间需要交换信息。例如：三个相互合作的进程：输入进程、计算进程、打印进程。 调度：从进程的就绪队列中，按照一定的算法选出一进程，把处理机分配给它。,主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，提高存储器的利用率 内存分配：为每道程序分配内存空间，减少不可用的内存空间。 内存保护：确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互不干扰。（设置两个界限寄存器。存放正在运行程序的上界和下界。） 地址映射：在多道环境下，地址空间中的逻辑地址和内存空间中的物理地址是不可能一致的。地址映射实现它们之间的

28、转换。 内存扩充：借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量。若内存中已没有足够的空间来装入调入程序的时候，系统能将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调到磁盘上，腾出更多的内存空间。,存储管理,设备管理,主要任务：完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备，提高CPU和I/O设备的利用率。 缓冲管理：管理好各类型的缓冲区，以缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾 设备分配：根据用户的I/O请求，为之分配其所需的设备。 设备处理：基本任务是实现CPU和设备之间的通信。 虚拟设备：把每次只允许一个进程使用的物理设备变换为多个对应的逻辑设备，提高了设备的利用率，使每个用户感觉自己在独占该设备。,文件管理,主要任务：是对用户文件和系统文件进行管理，方便用户的使用。 文件存储空间的管理：为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率。（一般以盘块为基本分配单位，通常512字节4K字节） 目录管理：系统为每个文件建立一个目录项，目录项包含文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置。用户只需要提供文件名，对文件进行存取。 文件的读、写管理：进行读写文件时，系统根据用户给出的文件名去检索文件目录，从中获得文件在外存中的位置，然后利用文件读写指针，对文件进行读写，一旦读写完成便