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1、第一章操作系统引论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操作系统的基本特性1.4操作系统的主要功能1.5操作系统的结构设计第一章操作系统引论计算机系统结构一、计算机系统组成n中央处理机（CPU）n内存nIO设备（键盘、显示器、打字机、鼠标）n外部设备存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带）n其它设备（MODEM、通信口）n系统软件（操作系统、语言编译器、数据库管理系统）n应用软件（CAD、MIS、用户自己开发的系统等）n工具软件（软、硬件检测疹断程序）第一章操作系统引论n硬件是计算机系统的基础，n软件是提高计算机系统效率和方便用户使用计算机的程序，n它们二者相互依
2、赖、相互促进、共同发展。n裸机（硬件）是僵尸，软件是灵魂裸机（硬件）是僵尸，软件是灵魂.计算机系统结构二、软件与硬件的关系第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用1.1.1操作系统的目标目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点：1.方便性2.有效性3.可扩充性4.开放性:人们可以通过自己编写软件来扩充系统的功能，实现复杂的计算，第一章操作系统引论操作系统概念操作系统定义n1、科普的观点操作系统是计算机系统的管理和控制中心，它依照设计者制定的各种调度策略组织和管理计算机系统资源，使之能高效地运行。n第一章操作系统引论操作系统概
3、念操作系统定义n2、操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动，实现信息的存取和保护。它提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。操作系统使整个计算机系统实现了高效率和高度自动化。第一章操作系统引论n目前流行的操作系统：nDOSnUNIXLINUXMINIXnWINDOWSNTWINDOWS200020032007XPn并行UNIX等第一章操作系统引论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用户通过OS来使用计算机系统，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。注意，OS是一个系统软件，这种接口是软
4、件接口。第一章操作系统引论图1-1OS作为接口的示意图第一章操作系统引论(1)命令方式。由OS提供一组联机命令(语言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。(2)系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机。(3)图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。第一章操作系统引论2.OS作为计算机系统资源的管理者资源分为四类：处理器(处理器:是解释并执行指令的功能部件)、存储器、IO设备以及信息(数据和程序)。相应地，OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理:处理机管理，用于分配和控制处理机；存
5、储器管理，主要负责内存的分配与回收；IO设备管理，负责IO设备的分配与操纵；文件管理，负责文件的存取、共享和保护。第一章操作系统引论3.OS用作扩充机器在裸机上覆盖上一层IO设备管理软件，用户来进行数据输入和打印输出。再覆盖一层文件管理软件，则用户可来进行文件的存取。再覆盖一层面向用户的窗口软件，则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。第一章操作系统引论一、操作系统作为虚拟机第一章操作系统引论1.1.3推动操作系统发展的主要动力1.不断提高计算机资源利用率2.2.方便用户3.3.器件的不断更新换代4.4.计算机体系结构的不断发展第一章操作系统引论1.
6、2操作系统的发展过程1.2.1无操作系统的计算机系统1.人工操作方式程序员将事先已穿孔的纸带(或卡片)装入纸带输入机，再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：(1)用户独占全机。(2)CPU等待人工操作。第一章操作系统引论n在手工阶段用户在计算机上算题的所有工作都要用户人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等。n随着计算机速度的加快，人机矛盾越来越大，直至无法容忍。必须寻求新的办法。n例如：n上机操作要1分钟，运行时间20分钟（10万次sec）n上机操作要1分钟，运行时间0.2分钟（1000
7、万次sec）第一章操作系统引论2.脱机输入输出(Off-LineIO)方式这种脱机IO方式的主要优点如下：(1)减少了CPU的空闲时间。(2)提高IO速度。图1-2脱机IO示意图第一章操作系统引论批处理n批处理是指系统中有一个监控程序，它负责完成用户程序的调入、启动运行、输出运行结果等工作。n（1）联机批处理n（2）脱机批处理n（3）执行系统第一章操作系统引论执行系统n执行系统：n执行系统不仅负责调度作业自动地运行，而且还要控制IO。n虽然批处理系统能调度作业自动地运行，n但存在如下缺点：n系统没有任何保护自己的措施；n程序进入死循环必须要程序员干预。第一章操作系统引论1.2.2单道批处理系统
8、1.单道批处理系统(SimpleBatchProcessingSystem)的处理过程图1-3单道批处理系统的处理流程第一章操作系统引论2.单道批处理系统的特征(1)自动性。(2)顺序性。(3)单道性。第一章操作系统引论多道程序设计技术和多道成批系统n60年代计算机硬件获得两个重大的进展：n通道技术和中断技术n通道:n是一种专用部件，负责外部设备与内存之间信息的传输。n中断：n指主机接到外界的信号（来自CPU外部或内部）时，立即中止原来的工作，转去处理这一外来事件，处理完后，主机又回到原来工作点继续工作。第一章操作系统引论1.2.3多道批处理系统1.多道程序设计的基本概念在该系统中，用户所提交
9、的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。第一章操作系统引论n多道程序设计技术n定义n多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。n特征:n多道宏观上并行微观上串行第一章操作系统引论在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处：(1)提高CPU的利用率。(2)可提高内存和IO设备利用率.(3)增加系统吞吐量。第一章操作系统引论图1-4单道和多道程序运行情况第一章操作系统引论2.多道批处理系统的特征(1)多道性。(2)无序性。(
10、3)调度性。第一章操作系统引论3.多道批处理系统的优缺点(1)资源利用率高。(2)系统吞吐量大。(3)平均周转时间长。(4)无交互能力。第一章操作系统引论n多道成批系统n在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了批量操作系统。n该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作业调度程序自动地选择作业运行。n优点：缩短作业之间的交接时间，减少处理机的空闲等待时间，提高系统的吞吐量。n缺点：用户响应时间较长。用户既不能了解自己程序的运行情况，也不能控制计算机。第一章操作系统引论4.多道批处理系统需要解决的问题(1)处理机管理问题。(2)内存管理问题。(3)IO设备管理问题。(4)文件管理问题
11、。(5)作业管理问题。第一章操作系统引论1.2.4分时系统1.分时系统(Time-SharingSystem)的产生分时计算机系统：由于中断技术的使用，使得一台计算机能连接多个用户终端，用户可通过各自的终端使用和控制计算机，我们把一台计算机连接多个终端的计算机系统称为分时计算机系统，或称分时系统。分时技术：把处理机的响应时间分成若于个大小相等（或不相等）的时间单位，称为时间片（如100毫秒），每个终端用户获得CPU，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运行，当时间片到（用完），用户程序暂停运行，等待下一次运行。例如：我们上课。第一章操作系统引论分时系统是指，多个用户通过自己的终端，共享一台主机
12、中的资源。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。用户的需求具体表现在以下几个方面：(1)人机交互。(2)共享主机。(3)便于用户上机。第一章操作系统引论分时操作系统(TimeSharingOS)第一章操作系统引论4.分时系统n二、分时操作系统n分时操作系统利用分时技术实现多道程序设计的一种操作系统，它一般采用时间片轮转的办法，使一台计算机同时为多个终端用户服务，对每个用户都能保证足够快的响应时间，并提供交互会话功能。第一章操作系统引论2.分时系统实现中的关键问题为实现分时系统，其中，最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互.(1)及时接收。(2)及时处理。第一章操作系统引论3.
13、分时系统的特征(1)多路性:即众多联机用户可以同时使用同一台计算机；(2)独立性或独占性:各终端用户感觉到自己独占了计算机；(3)及时性。(4)交互性:用户与计算机之间可进行“会话”。第一章操作系统引论1.2.5实时系统n早期计算机系统是用于科学与工程的数值计算，如第一台计算机（1944年）产生的原因就是解决大口径火炮设计中的计算问题：弹道轨迹、弹着点和材料的各种应力分布的计算。还有原子弹设计和实验中大量的计算问题，用当时的计算工具已经解决不了。n到了60年代初，计算机开始应用到生产过程控制、工业控制、防空系统、信息处理等，在这些应用中不但要解决计算间题，还要求在规定的时间内完成计算，即实时处
14、理。在实时处理中的一个核心的问题就是响应时间问题。第一章操作系统引论n响应时间：n指用户发出命令，到系统完成用户命令所需的时间。n批处理操作系统没有n分时操作系统秒级(一般情况）n实时操作系统微秒级甚至更小（经典说法）系统满足用户时限（deadline)n的要求(现代）第一章操作系统引论n实时操作系统：n实时操作系统是又一种类型的操作系统，对外部的请求，实时操作系统能够在规定的时间内处理完毕。n实时：n指计算机对于用户请求能足够快地进行处理，并做出反映。要求毫秒、微秒级。n实时操作系统的应用：n实时控制：工业过程控制、防空系统等n实时信息处理：情报检索和查询、飞机订票系统、银行信用卡系统。第一
15、章操作系统引论n实时操作系统特点：n1、系统对外部的信号必须能及时响应，(在规定的时间内（deadline）；n2、要求高可靠性和安全性，效率则放在第二位；n3、系统整体性强；n4、不要求很强的“会话”能力。第一章操作系统引论2.实时任务1)按任务执行时是否呈现周期性来划分(1)周期性实时任务。(2)非周期性实时任务。外部设备所发出的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)。它又可分为:开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行完成截止时间任务在某时间以前必须完成第一章操作系统引论2)根据对截止时间的要求来划分(1)硬实时任务(hardreal-timetask)
16、。系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。(2)软实时任务(Softreal-timetask)。它也联系着一个截止时间，但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响也不会太大。第一章操作系统引论3.实时系统与分时系统特征的比较(1)多路性。(2)独立性。(3)及时性。(4)交互性。(5)可靠性。第一章操作系统引论1.3操作系统的基本特性操作系统的特性：并发concurrency（parallel)共享不确定性第一章操作系统引论1.3.1并发(Concurrence)并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；并发性是指能处理多个同时性活动的能力。如CPU与IO设备同时工作、显示器与打印机同时工作、鼠标与扬声器同时工作可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并行执行。第一章操作系统引论并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行。但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这
