软件技术与基础课件11.ppt

1、软件技术基础,制作 主讲,段景山,段景山,操作系统概述,2,操作系统概述和基本原理 定义、功能、特征、分类等 几大基本的操作系统的管理功能 处理机管理 存储器管理 设备管理 文件管理 作业管理,制作 主讲,段景山,段景山,操作系统,3,几个问题,1、你使用过哪些操作系统 ？DOS、WINDOWS、UNIX（LINUX）VMS ？ 2、你知道什么是操作系统吗？如果有一天你的朋友向你问起，你如何回答？ 3、你知道为什么人们总是对Windows系统褒贬不一，而微软公司却长期称霸微机软件市场吗？ 4、普遍被专业人士看好的Linux系统能走进千家万户，与Windows一较高下吗？,4,操作系统概述,第一

2、章 操作系统概述,操作系统的定义,操作系统的发展,操作系统的功能,操作系统的特征,操作系统的分类,第二篇 操作系统,5,操作系统概述（各小节标题）,1.1、什么是操作系统（OS） 1.2、OS的目标和作用 1.3、OS的发展历史和已有类型 1.4、OS的分类 1.5、OS的特征 1.6、OS的评价及性能指标 1.7、OS的功能 1.8、OS的服务和系统调用,6,操作系统概述,1.1 什么是操作系统,7,操作系统概述,1.1.1计算机硬件系统的组成,显示器,键盘,CPU（处理机）,内存,计算机一般由：处理机（CPU）、存储器、 通道及I/O设备组成,8,（补充）计算机工作原理,1、CPU从内存中

3、读取指令 2、指令一般由指令体和操作数组成 3、内存按照地址大小，线性存放数据、指令 4、CPU执行完一条指令后，不遇到 下，自动执行 。 5、CPU寄存器不是内存，是CPU的一部分。,CPU,内存,I/O设备,MOV 1234， 1234,AX BX CX ,指令体,ADD ax，1,下一地址单元中存放的指令,跳转指令或结束指令,特殊情况,下一条指令,9,（补充）计算机工作原理,CPU，内存和I/O设备都通过总线交换数据,CPU,存储器,I/O设备,I/O设备,总线,高速,低速,基于总线的微机硬件体系,10,（补充）计算机工作原理,CPU不直接与设备交换数据。主存处于数据交换的中心位置共享主

4、存,非总线型结构,CPU,主存,通道,通道,通道,通道,I/O 设备,磁 盘,磁带,通信 设备,主存,可同时进行,控制,11,操作系统的定义,1.1.2操作系统的定义,操作系统是计算机系统中 直接控制和管理 各种软硬件资源， 以方便用户 充分而有效地利用这些资源的 程序的集合,实体,对象,目标,手段,12,操作系统的定义(课堂练习),操作系统的实体： 程序的集合 管理对象： 各种软硬件资源 管理目标： 方便用户使用充分而有效的使用 管理手段： 直接控制和管理,操作系统是：紧靠硬件的第一层软件,13,操作系统的地位,1.1.3操作系统的地位,1、裸机的使用 是不方便的,裸机,操作系统,2、在裸机

5、之上装配一些基本的控制软件，让这些软件自动完成基本功能,应用程序,3、在这些软件的基础之上进行扩充和完善，提供给用户所要求的功能,14,操作系统的目标、作用,1.2、操作系统的目标,为什么要研究操作系统？,15,操作系统的目标,操作系统的目标,方便性,有效性,可扩充性,开放性,16,操作系统的目标,1）方便性： 提供给用户易用统一的手段 2）有效性： 有效地控制各种软硬件资源，使之得到充分利用 保持忙碌和有序占用 合理组织系统工作流程，改善系统性能 提高系统效率 为用户方便的使用计算机提供良好的环境 提高用户使用效率,17,操作系统的目标,3）可扩充性 模块化，易添加和修改 4）开放性 对应用

6、程序最大可能的提供开放统一的环境， 应用程序能方便地移植和互操作。 例：网络时代的操作系统,18,操作系统的作用,对操作系统的要求,提供使用接口,管理系统资源,裸机能力的扩充,19,操作系统的作用,操作系统是用户和计算机系统之间的接口 接口位置： 位于用户与计算机硬件系统之间 接口作用： 从用户角度： 用户可以通过各种接口，获得访问、使用系统资源的能力。 从系统角度： 系统在有序管理计算机硬件系统前提下，向用户提供调用接口,20,操作系统的作用,操作系统是系统资源管理者 系统资源： 处理机（CPU）、存储器、I/O设备及信息（软件程序和数据） 处理机管理：纪录处理机状态，按策略分配处理机 存储

7、器管理：纪录存储器使用情况，按策略分配，保护信息不受破坏。 I/O管理：按要求和策略分配设备，优化设备调度，提高设备使用效率 信息管理：以文件方式组织信息。方便的查询和保护。,21,操作系统的发展,1.3 操作系统的发展历史,22,操作系统的发展,1.3操作系统的发展历史 发展历史经历三个变化 从人工操作 到 机器自动处理 人工操作缓慢 机器按照事先编辑好的过程完成任务的转换 从联机I/O 到 脱机I/O CPU速度迅速提高而I/O设备依然缓慢， CPU化大量时间等待设备 输入输出在外围机控制下进行 从单道程序处理 到 多道程序同时处理,23,操作系统的发展,1）从人工操作到机器自动处理 减少

8、两个作业之间的人工干预，由系统自动调度作业逐个投入运行,人工干预,需要作业,作业完成,输出作业,需要作业,作业完成,输出作业,需要作业,人工操作缓慢,机器按照事先编辑好的过程完成任务的转换,成批处理,24,操作系统的发展,2）从联机I/O到脱机I/O CPU速度迅速提高而I/O设备依然缓慢 CPU等待设备 脱机I/O环境中，输入输出在外围机控制下进行,外围机,输入井,低速,高速,25,操作系统的发展,3）从单道程序处理到多道程序同时处理,1,2,3,3,6,9,26,操作系统的分类,1.4、操作系统的分类,27,操作系统的分类,早期的计算机系统 1、人工将程序用打卡机打在卡片上 2、计算机逐条

9、读取卡片上的指令,28,操作系统的分类,1.4.1 单道批处理系统 作业成批进入系统后备队列 按照一定的策略调度一个作业在系统中运行 背景： 系统资源十分昂贵 输入速度与CPU的速度不匹配 联机单道批处理没有解决I/O与CPU速度不匹配问题 脱机单道批处理可以使CPU与I/O并行工作，提高效率,29,单道批处理,其它,作业 成批进入,输入井,输出井,其它,传统方式,单道批处理系统,低速,高速,30,单道批处理系统特点： 内存中只保持一道作业运行 作业完成顺序与其进入内存的顺序直接相关,单道批处理,单道程序系统,用户程序,监督程序,I/O操作,I/O中断请求,I/O完成,t1,t2,中断处理,I

10、/O启动,31,多道批处理,1.4.2 多道批处理系统 作业成批进入系统后备队列 按照一定的策略调度多个作业在系统中运行 进一步提高系统吞吐量和利用率,单道程序系统,用户程序,监督程序,I/O操作,I/O中断请求,I/O完成,多道程序系统,程序A,程序B,OS调度,I/O A,I/O B,t1,t1,t2,t2,33,多道批处理,其它,作业 成批进入,输入井,输出井,单道批处理系统,高速,其它,作业 成批进入,输出井,多道批处理系统,多道并发执行,输入井,34,多道批处理,多道批处理对资源利用率的提高： 提高CPU的利用率 提高内存利用率 提高I/O设备的利用率 多道批处理系统的特点： 多道性

11、 无序性 需要进行两级调度 高级调度: 低级调度:,作业进入内存的顺序与作业完成的顺序不直接相关。,选取多个作业进入内存,在内存中的多个作业之间完成处理机使用权的切换,35,批处理系统,小结：批处理系统的特点： 资源利用率高，吞吐量大 能根据作业对系统资源的需求和系统当前状态，充分调度资源。 无交互能力 作业进入系统后，系统自动调度，管理员或用户不干预系统的调度情况,不便不能,36,分时系统,1.4.3 分时系统 分时系统的提出： 解决人机交互，进行及时响应，共享主机 分时系统实现： 按时间片轮转 时间片：作业使用CPU的时间 时间片中断处理,t,作业1,2,3,1,2,3,37,分时系统,将

12、时间片划分很小，从一个较长时间看，每一个用户都似乎独享主机 例：电影胶片每秒播放25帧图象。即每幅图象占用0.04秒 若将帧速率提高一倍，就可以在屏幕的上下两方同时播放两部电影 时间片的选择： 太大：及时交互性效果不明显 太小：作业频繁切换，增加系统开销 几十到几百毫秒之间。,38,分时系统,按时间片轮转,39,分时系统,每个用户都获得了满意的响应速度，感觉系统是为其独享的,40,分时系统,用户数量、时间片大小及响应速度是相互关联的,41,分时系统,分时系统的特点： 多路性 同时连接多台终端 独立性 终端间互不影响 及时性 在人们能接受的时间内响应 交互性 方便的人机对话,42,关于交互性,多

13、道程序批处理系统,程序A,程序B,OS调度,I/O A,I/O B,t1,t2,A输入数据,A给出响应,不确定时间,作业1,2,3,1,2,3,1输入数据,1给出响应,分时系统,控制轮转周期在人机交互忍受范围内,43,实时系统,1.4.4 实时系统 实时系统的提出： 分时系统的响应往往要等待一个循环周期。 实时系统必须在规定的时间内对用户请求或外部事件及时响应,44,实时系统,由优先级控制响应顺序,45,实时系统,实时系统特点： 多路性： 多路信息采集，多对象控制 独立性： 信息采集和对象控制是相互独立的 及时性： 有较严格的时间限制，相应时间短 交互性： 主要与管理员进行简单的交互 可靠性：

14、 多级容错,46,操作系统分类,作业处理 系统,批处理系统,分时系统,单道批处理系统,多道批处理系统,简单分时系统,具“前、后台”的 分时系统,多道分时系统,实时系统,实时控制,实时信息查询,47,操作系统分类,微机系统,多处理机系统,网络系统,分布式系统,单用户、单任务,多用户、多任务,单用户、多任务,网络通信，网络资源管理、网络服务，客户/服务器模式的互操作,48,操作系统的特征,1.5、操作系统的特征,49,操作系统的特征,1.5 操作系统的特征 并发性、共享性、虚拟性和异步性 1.5.1程序执行的并发性 并行与并发 并行：在某一时刻同时发生 并发：在一段时间内同时发生 程序并发执行可以

15、大大提高资源利用率 在一段时间内多个程序都同时推进完毕,50,操作系统的特征,1.5.2资源的共享性 含义：系统中的资源可供多个并发执行的程序共同使用 互斥共享 某些资源只能互斥访问，如打印机。 系统在一段时间内让多个程序分别访问了互斥资源是为共享 同时访问 某些资源允许多个程序同时访问，如屏幕。 系统并发调度多个程序共享资源,51,操作系统的特征,共享性与并发性的关系互为条件 （共享）对资源进行有效的管理，使得一个作业在访问I/O设备而不使用CPU时，其他作业可以使用CPU并发执行 （并发）程序并发执行，系统资源在一段时间内为多个程序共同访问，资源得到了共享资源的共享,52,操作系统的特征,

16、1.5.3对象的虚拟性 虚拟：把一个物理实体通过一定的技术变成若干个逻辑上的对应物。,虚拟,53,操作系统的特征,1.5.4、程序执行的异步性（不确定性） 程序之间是以异步的方式推进的。 异步、不确定 可能程序完成的顺序与程序进入内存（系统）的顺序不同 不可预知：程序何时执行、何时暂停、推进进度、完成时间等,54,操作系统的评价,1.6、操作系统的评价,55,操作系统的评价,1.6、操作系统的评价及性能指标 MTBF：平均故障时间 MTRF：平均故障修复时间 1.6.1、系统的RAS R：可靠性 用MTBF度量（平均故障时间） A：可用性 用 S：可维修性 用MTRF度量,56,操作系统的评价

17、,1.6.2、系统吞吐量 单位时间内处理的信息量（作业量） 1.6.3、系统响应时间 从指定的系统输入到开始输出的时间间隔 1.6.4、系统的资源利用率 系统中某个资源在给定时间内被使用的比例 1.6.5、可维护性 在系统运行过程中不断排除隐患 对系统功能做某些修改或补充 1.6.6、可移植性 把一个操作系统从一种机器移植到另一种机器所花费时间,57,操作系统的功能,1.7、操作系统的功能,58,1.7、操作系统功能 四大管理功能与用户接口功能，或五大管理功能 处理机管理 存储器管理 设备管理 文件管理功能 作业管理功能（用户接口）,操作系统的功能,系统基本硬件组成,系统软件组织,59,操作系

18、统的功能,1.7.1处理机管理功能 进程控制 进程同步 进程通信 进程调度 1.7.2存储器管理功能 内存分配 内存保护 地址映射 内存的虚拟扩充,60,操作系统的功能,1.7.3设备管理功能 设备分配 设备处理 缓冲区管理 1.7.4文件管理功能 文件存储空间管理 文件目录管理 文件控制权管理,61,操作系统的功能,1.7.5 作业管理 作业调度 接纳用户提交的作业（任务） 用户接口,命令方式,命令行接口,图形化界面接口,系统调用方式：在程序中使用系统资源时调用,进程控制类：t_creat( ) t_close( ).,文件操纵类：f_open( ) f_close( ) f_read( ) .,内存使用类：malloc( ) calloc( ) free( ).,设备管理类：device_init( ) printf( ) scanf( ).,62,操作系统的服务,1.8、操作系统的服务,63,操作系统的服务,1.8、操作系统的服务和系统调用 1.8.1服务类型 执行用户程序 完成