操作系统1概要

《操作系统1概要》由会员分享，可在线阅读，更多相关《操作系统1概要（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,计算机操作系统,第1章 操作系统概述,2,目 录,1.1 什么是操作系统 1.2 操作系统发展历史 1.3 操作系统主要功能 1.4 操作系统结构 1.5 操作系统的特征 1.6 两大操作系统介绍,3,1.1 什么是操作系统,操作系统，是计算机系统中最基本、最重要的系统软件，是其它软件的支撑。控制和管理计算机系统的硬件和软件资源，合理的组织计算机工作流程，并为用户使用计算机提供公共和基本的服务。 两个主要目标： 1.高效性 操作系统允许以更加高效的方式使用计算机系统资源 2.方便性 操作系统使得用户使用计算机更加方便,4,1.1.1 计算机系统组成,目前，计算机采用的都是冯诺依曼体系结构，

2、一台计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出五大部件组成。 运算器（ALU，Arithmetic Logic Unit）：进行算术、逻辑运算，并能暂存运算结果的部件。 控制器（CU，Control Unit）：控制、指挥程序和数据的输入、运行及处理运算结果的部件。 存储器（Memory）：用于存放数据和程序。 输入/输出设备（I/O）：用于实现将人们熟悉的信息形式与机器能识别的信息形式之间的相互转换。 系统总线（System Bus）：连接计算机各模块并为其通信提供 服务。,5,1.1.1 计算机系统组成,6,1.1.1 计算机系统组成,运算器和控制器被合在一起统称为中央处理单元（CPU，C

3、entral Process Unit）。 存储器则由一系列存储单元组成，这些单元由顺序编号的地址定义。 CPU执行的程序是由一组保存在存储器中的指令组成。 指令的处理步骤：取指令和执行指令。,7,1.1.2 操作系统与计算机系统,早期的计算机上配置的操作系统是单用户操作系统，这样的操作系统只允许一个用户使用计算机，用户独占计算机系统的各种资源，整个系统为用户的程序运行提供服务。 为了解决这一问题，提高系统资源利用率，人们研究并实现了一系列新的软件技术，如多道程序设计技术、分时技术、多任务控制和协调、资源分配策略和处理机调度策略等。,8,1.1.2 操作系统与计算机系统,由于计算机系统的计算模

4、型仍然是顺序计算模型，其特点是集中顺序过程控制，而操作系统的并行计算模型需要支持多用户、多任务同时执行，这就产生了一对矛盾，即硬件结构的顺序计算模型和操作系统的并行计算模型之间的矛盾。 为了解决这一矛盾，人们开始研究与并行计算模型相一致的计算机系统结构，出现了多处理机系统、消息传递型多计算机、计算机网络等具有并行能力的计算机系统结构，其中最为常见的是多处理机系统中的多核计算模型。,9,1.1.2 操作系统与计算机系统,多核（multicore）是指将两个或多个处理器组装在同一块芯片上，故又名单芯片多处理器（chip multiprocessor）。 一个典型的多核系统的例子是Intel的酷睿i

5、7处理器。 四个x86处理器 每个处理器都有其专用的L2高速缓存 所有处理器共享一个L3高速缓存,10,1.1.2 操作系统与计算机系统,11,1.2 操作系统发展历史,操作系统是由客观的需要而产生的，随着计算机技术的发展、计算机体系结构的变化和计算机应用的日益广泛而不断的发展和完善。了解这些年来操作系统的发展历史，有助于理解操作系统的关键性设计需求，也有助于理解现代操作系统的基本特征。,12,1.2.1 无操作系统,早期的计算机，20世纪40年代后期到50年代中期，处于电子管时代，没有配备任何操作系统，程序员是直接与计算机硬件打交道。 程序员将事先已穿孔的纸带（卡片）装入纸带输入机（卡片输入

6、机），再启动输入机将程序和数据输入计算机，然后启动计算机进行运算。 容易出现CPU、内存等资源等待人工操作的现象，造成资源的浪费，严重降低了计算机资源的利用率，这就是所谓的“人机矛盾”。 为了缓和这些矛盾，提高系统资源的利用率，20世纪50年代末期出现了脱机输入/输出（Off-Line I/O）技术。,13,1.2.1 无操作系统,图 1.3 具有脱机I/O技术的计算机系统框图,14,1.2.2 单道批处理系统,20世纪50年代中期，人们开始用晶体管代替真空管来制造计算机。这使得计算机的体积大大减小，功耗显著降低，同时可靠性和运算速度也得到了提升，但造价仍十分昂贵。 为了能够充分发挥计算机的性

7、能，通常是把一批作业以脱机的方式输入到磁盘（磁带）上，并为其配上监控程序（Monitor），在它的控制下使得这批作业能够一个接一个的连续处理。,15,1.2.2 单道批处理系统,第一个批处理操作系统，同时也是第一个操作系统，是由GM（General Motors，通用）为IBM 701开发的。 用户不再直接和机器硬件打交道，而是把作业提交给计算机操作员，由操作员按顺序把作业组织成一批，并将整批作业放在输入设备上，供监控程序使用。 单道批处理系统具有自动性、顺序性和单道性的特点，对磁盘（磁带）上的作业能自动地逐个地依次执行，提高系统资源的利用率和系统吞吐量 。,16,1.2.2 单道批处理系统,

8、图 1.4 单道批处理系统处理流程,17,1.2.3 多道批处理系统,图 1.5 单道程序工作示意图,18,1.2.3 多道批处理系统,多道程序设计技术(IBM, Frances Allen) 主要思想在内存中同时存放若干道用户作业，并允许它们交替执行，共享系统中的各种软、硬件资源，当一道程序因I/O请求而暂停执行时，CPU便转而执行另外一道程序，由此形成了多道批处理系统(Multiprogrammed Batch Processing System)。,19,1.2.3 多道批处理系统,假设有A，B两个程序,图 1.6 多道程序工作示意图,20,1.2.3 多道批处理系统,多道批处理系统的特

9、点如下： 多道性：计算机的主存中同时存放有多道相互独立的程序。 宏观上的并行性：在同一时间段内，同时进入系统的多道程序都处于运行状态。 一个时间段内的并行 微观上的串行性：在某一时刻，CPU上只有一道程序在执行，多道程序轮流或分时占有CPU。,21,1.2.3 多道批处理系统,多道批处理系统需解决的问题： 处理机的管理和分配问题 内存的分配和保护问题 I/O设备的管理和分配问题 文件的组织和管理问题,22,1.2.4 分时系统,多个用户分享了CPU的时间，因而称为分时系统（Time Sharing System） 在分时系统中，多个用户可以通过终端同时访问系统，由操作系统控制每个用户程序以很短

10、的时间（称之为“时间片”）为单位交替运行。 最早的分时操作系统是由麻省理工学院（MIT）在1961年为IBM 709开发的兼容分时系统（Compatible Time-Sharing System， CTSS），后被移植到IBM 7094中。,23,1.2.4 分时系统,分时系统与多道批处理系统相比，具有明显不同的特点： 交互性：用户可以通过终端与系统直接进行对话。 及时性：用户的请求能在人们所能接受的等待时间内得到响应。 独立性：每个用户独占一个终端，彼此独立，互不干扰，因此用户感觉像是他一个人独占主机。 多路性：允许在一台主机上同时联接多台终端。宏观上，多个用户同时工作，共享系统资源；微观

11、上，每个用户程序轮流运行一个时间片。 批处理操作系统、分时操作系统的出现标志着操作系统的形成。,24,1.2.5 实时系统,所谓实时，是指“立刻”、“马上” 。 实时系统(real time system)则要求系统对特定输入做出反应的速度足以控制发出实时信号的对象，或者说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和设备协调一致的工作。 按照实时系统应用领域的不同，可以将其分为两大类： 实时控制系统 ：实时采集现场数据并据其进行控制、计算； 实时信息处理系统 ：实时信息查询、实时事务处理,25,1.2.5 实时系统,实时系统具有以下特点： 及时性 交互性

12、 独立性 多路性 高可靠性,26,1.2.6 操作系统的进一步发展,20世纪80年代以来，操作系统也得到了进一步的发展，出现了具有图形用户界面、功能强大的个人计算机操作系统；具有网络资源共享、远程通讯能力的网络操作系统；能使用多台计算机来共同完成某一工作的多处理机操作系统；具有单一系统镜像、分布处理能力的分布式操作系统以及分布式实时操作系统等。 随着计算机虚拟化技术的迅速发展和大数据时代的到来，出现了一种构架于服务器、存储、网络等基础硬件资源和单机操作系统、中间件、数据库等基础软件之上，用以管理海量的基础硬件、软件资源的云平台综合管理系统，称之为云操作系统。,27,1.3 操作系统主要功能,操

13、作系统的主要任务是为多道程序提供良好的运行环境，并能最大程度的提高系统中各种资源的利用率和方便用户使用。为实现上述任务，操作系统应具备： 处理器管理 存储管理 设备管理 文件管理 用户接口,28,1.3.1 处理机管理,进程控制 基本功能是创建和撤销进程、控制进程状态之间的转换 进程同步 进程同步是指系统对并发执行的进程进行协调，使它们能有条不紊的运行 进程通信 进程通信是指相关进程之间的信息交换 进程调度 指按照一定的调度算法在等待执行的进程中选出其中一个，并为其分配CPU、设置运行环境，使其投入运行,29,1.3.2 存储管理,内存分配 为每道程序分配必要的内存空间，提高存储器的利用率，减

14、少空间浪费，在实现内存分配时，可采取静态和动态两种方式 内存保护 内存保护的主要任务是确保每道程序都只在自己的内存空间里运行，防止因一道程序的错误而干扰其它程序，也绝不允许用户程序随意访问操作系统的程序和数据 地址映射 把目标程序中的逻辑地址转换成为内存空间中的物理地址 内存扩充 内存扩充是借助虚拟存储技术，在不增加物理内存空间的前提下，从逻辑上对内存进行扩充，使系统能够运行内存需求量比实际内存更大的作业，或是让更多的作业能够并发执行,30,1.3.3 设备管理,缓冲管理 缓冲是指在内存中划出来用作暂时存放信息的一部分区域。在CPU和I/O设备之间设置缓冲区，则可以有效缓解速度不匹配的矛盾，提

15、高CPU的利用率，从而提高系统吞吐量。 设备分配 根据用户所请求的设备类型、数量，按照一定分配算法对设备进行分配 设备处理 设备处理程序又称为设备驱动程序，其基本任务是由CPU向设备控制器发出I/O命令，启动指定的I/O设备、完成用户规定的I/O操作，并对设备发来的中断请求进行及时响应和处理。 虚拟设备管理 虚拟设备也称逻辑设备，是指操作系统通过设备虚拟技术，把每次仅供一个进程使用的独享设备改造成能被多个用户使用的设备,31,1.3.4 文件管理,文件存储空间管理 一些当前需要使用的系统文件和用户文件，都必须放在可随机存取的磁盘上。为此，必须由操作系统统一对文件的存储空间进行管理，提高存储空间

16、的利用率，同时也提高文件系统的存取速度。 目录管理 目录又称文件目录，是用来描述系统中所有文件基本情况的一个表。为了使用户能够方便的在外存上找到自己所需的文件，系统会为每个文件建立一个目录项。在不同的系统中，目录有着不同的组织方式 文件读写管理 对文件进行读写操作，是文件管理必须具备的最基本的操作。该功能可以根据用户的请求，从外存指定区域把指定数量的信息读入到内存指定的用户区或系统区，或将指定数量的信息从内存写入外存指定区域。 文件保护 为了防止系统中的文件被非法窃取和破坏，必须提供有效的存取控制机制 文件系统的安全性 是指文件系统避免因软件或硬件故障而造成信息破坏的能力,32,1.3.5 用户接口,命令接口 为了便于用户直接或间接控制自己的作业，操作系统向用户提供了命令接口。用户可以通过该接口向作业发出命令，以控制作业的运行。 程序接口 该接口是为用户程序在执行过程中访问系统资源而设定的，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径。程序接口是由一组系统调用组成，每当应用程序要求操作系统提供某种类型的服务时，便调用具有相应功能的系统调用。 图形接口 采用图形化的操作