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1、操作系统原理 第1章 引论 第一章引论 1 1操作系统的概念 1 2操作系统的形成与发展 1 3研究操作系统的几种观点 1 4操作系统的功能与特征 1 5操作系统的硬件环境 1 1操作系统的概念 1 1 1 计算机系统 计算机系统由硬件 子 系统和软件 子 系统组成 硬件 子 系统 计算机硬件是指计算机系统中由电子 机械和光电元件等 组成的各种计算机部件和计算机设备 这些部件和设备依 据计算机系统结构的要求构成的有机整体 称为计算机硬 件系统 计算机硬件系统主要由运算器 主存储器 控制 器 输入输出控制系统 辅助存储设备等功能部件组成 软件 子 系统 软件是计算机系统中的程序和有关的文件 程序
2、是计算任 务的处理对象和处理规则的描述 文件是为了便于了解程 序所需的资料说明 1 1操作系统的概念 按照应用的观点 软件可分为系统软件 支撑软 件和应用软件三类 系统软件 位于计算机系统中最靠近硬件的一层 其他软件一般都 通过系统软件发挥作用 如编译程序和操作系统等 支撑软件 即支撑其他软件的编制和维护的软件 主要包括各种接 口软件和工具组 应用软件 特定应用领域专用的软件 例如字处理程序 1 1操作系统的概念 计算机系统的层次结构 最下面是硬件系统 最上面是使用计算机的人 即各种各 样的用户 人与硬件系统之间是软件系统 系统软件是最靠 近硬件的一层 其次是支撑软件和应用软件 1 1操作系统
3、的概念 1 1 2 什么是操作系统 操作系统的地位 操作系统实际上是一个计算机系统中硬 软件资源的总指挥部 操作系统定义 是计算机系统中的一个系统软件 是能有效地组织和管 理计算机系统中的硬件和软件资源 合理地组织计算机工 作流程 控制程序的执行 并向用户提供各种服务功能 使得用户能够灵活 方便 有效地使用计算机 并使整个 计算机系统能高效地运行的一组程序模块的集合 1 1操作系统的概念 操作系统主要有两方面的主要作用 管理系统中的各种资源 包括硬件资源和软件 资源 为用户提供良好的界面 1 1 3 操作系统的目标 方便性 有效性 可扩充性 开放性 1 2操作系统的形成与发展 1 2 1 操作
4、系统形成 无操作系统时的计算机系统 人工操作方式 由用户 即程序员 采用人工操作 方式直接使用计算机硬件系统缺 点 用户独占全机 CPU等待人 工操作 脱机输入输出方式 程序和数据的输入输出都是在 外围机的控制下完成 优点 减少了CPU的空闲时间 提高I O速度 1 2操作系统的形成与发展 q单道批处理系统 系统对作业的处理 都是成批地进行的 且在内存中始终只保 持一道作业 故称为 单道批处理系统 特征 自动性 顺序性 单道性 1 2操作系统的形成与发展 多道批处理系统 多道程序设计的基本概念 把一个以上的作业 程序 存放在主存中 并且同时 处于运行状态 共享处理机时间和外部设备等其他 资源的
5、方法 优点 提高了CPU的利用率 提高了内存和I O设备的利用率 增加系统吞吐量 1 2操作系统的形成与发展 多道批处理系统的特征 多道性 无序性 调度性 作业调度和进程调度 多道批处理系统的优缺点 优点 资源利用率高 系统吞吐量大 缺点 平均周转时间长 无交互能力 多道批处理系统需要解决的问题 处理机管理问题 内存管理问题 I O设备管理问题 文件管理问题 作业管理问题 1 2操作系统的形成与发展 分时系统 分时系统的产生 人 机交互 共享主机 便于用户上机 分时系统实现中的关键问题 及时接收 及时处理 分时系统的实现方法 作业直接进入内存 规定每个程序只运行一个时间片的时间 具体方法有以下
6、几种 单道分时系统 具有 前台 和 后台 的分时系统 多道分时系统 1 2操作系统的形成与发展 分时系统的特征 多路性 独立性 及时性 交互性 实时系统 实时系统的引入 实时控制 实时信息处理 实时系统定义 实时 所谓 实时 是表示 及时 即时 实时系统 实时系统是指系统能及时 或即时 响应外 部事件的请求 在规定的时间内完成该事件的处理 并控 制所有实时任务协调一致地运行 1 2操作系统的形成与发展 实时任务的类型 按任务执行时是否呈现周期性来划分 周期性实时任务 非周期性实时任务 根据对截止时间的要求来划分 强实时任务 弱实时任 务 实时系统与分时系统的比较 多路性 独立性 及时性 交互性
7、 可靠性 1 2操作系统的形成与发展 1 2 2 操作系统的进一步发展 微机操作系统 配置在微机上的操作系统称为微机操作系统 单用户单任务操作系统 只允许一个用户上机 且只允许用户程序作为一个任务运行 例如 CP M MS DOS 单用户多任务操作系统 只允许一个用户上机 但允许将一个用户程序分成若干个任 务 使它们并发执行 从而有效地改善系统的性能 例如 OS 2 MS Windows Linux 1 2操作系统的形成与发展 多用户多任务操作系统 允许多个用户通过各自的终端 使用同一台主机 共享主机 系统中的各类资源 而每个用户程序又可进一步分为几个任 务 使它们并发执行 例如 UNIX 多
8、处理机操作系统 多处理机系统的引入 增加系统的吞吐量 节省投资 提高系统的可靠性 多处理的类型 紧密耦合MPS 松散耦合MPS 多处理机操作系统的类型 非对称多处理机模式 主 从模式 对称多处理机模式 1 2操作系统的形成与发展 网络操作系统 计算机网络可以定义为一些互连的自主计算机系统的集合 计算机网络的类型 按网络拓扑结构分 星型网络 树型网络 总线型网络 环型网络 网状型网络 按网络地理范围分 广域网WAN 局域网LAN 网络操作系统模式 客户机 服务器 C S 模式 对等模式 网络操作系统的功能 网络通信 资源管理 网络服务 网络管理 互操作能力 1 2操作系统的形成与发展 分布式操作
9、系统 分布式系统 集中式处理系统 处理和控制功能都高度地集中在一台主 机上 所有的任务都有主机处理 分布式处理系统 由多个分散的处理单元经互连网络的连 接而形成的系统 每个处理单元既具有高度的自治性 又相 互协同 并行地运行分布式程序 分布式操作系统与网络操作系统的比较 分布性 并行性 透明性 共享性 健壮行 1 2操作系统的形成与发展 嵌入式操作系统 概念 嵌入式系统在用来控制设备的计算机中运行 这种设备不 是一般意义上的计算机 并且不允许用户安装软件 特点 可装卸性 强实时性 统一的接口 操作方便 简单 提供友好的图形GUI 图形界面 追求易学易用 提供强大的网络功能 强稳定性 弱交互性
10、固化代码 更好的硬件适应性 也就是良好的移植性 1 2操作系统的形成与发展 1 2 3 推动操作系统发展的主要动力 不断提高计算机资源利用率的需要 方便用户 器件的不断更新换代 计算机体系结构的不断发展 1 3研究操作系统的几种观点 1 3 1 软件的观点 从软件的观点来看 操作系统有其作为软件的外 在特性和内在特性 1 3 2 计算机系统资源管理的观点 操作系统的主要功能是针对处理机 存储器 I O 设备 文件这四类资源进行有效的管理 1 3 3 进程的观点 把操作系统看作由若干进程和一个对进程进行协 调的核心所组成 每个进程都完成某一特定任务 而操作系统的核心则控制和协调这些进程的运行 解
11、决进程之间的通信 1 3研究操作系统的几种观点 1 3 4 用户与计算机硬件系统之间接口的观点 操作系统处于用户与计算机硬件系统之间 用户 通过操作系统来使用计算机 用户可以通过以下两种方式来使用计算机 命令 方式 系统调用方式 1 3 5 虚机器观点 操作系统为用户使用计算机提供了许多服务功能 和良好的工作环境 把计算机扩充为功能更强 使 用更加方便的计算机系统 1 3研究操作系统的几种观点 1 3 5 服务提供者观点 操作系统提供了程序执行的环境 也为程序和用 户提供了一系列的操作系统服务 操作系统提供公共服务类型包括 程序执行 I O操作 文件系统操纵 通信 差错检测 1 4操作系统的功
12、能与特点 q通用操作系统 一个系统兼有批量处理 分时处理和实时处理三者或其中 两者的功能 而形成通用操作系统 1 4 1 操作系统的功能 处理机管理功能 进程控制 进程同步 进程通信 调度 存储器管理的功能 内存分配 内存保护 地址映射 内存扩充 设备管理功能 缓冲管理 设备分配 设备处理 设备独立性和虚拟设备 1 4操作系统的功能与特点 文件管理功能 文件存储空间的管理 目录管理 文件的读写管理和存取 控制 用户接口 命令接口 包括联机用户接口和脱机用户接口 程序接口 图形接口 1 4 2 操作系统的特征 并发 并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生 并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内
13、发生 共享 互斥共享方式 同时访问方式 1 4操作系统的功能与特点 虚拟 通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物 异步性 1 5 操作系统结构设计 1 5 1 传统的操作系统结构 模块化结构操作系统 采用模块化程序设计技术 模块化结构设计方法较之无结构的操作系统具有 以下明显的优点 提高了操作系统设计的正确性 可理解性和可维护 性 增强了操作系统的可适应性 加速了操作系统的开发过程 1 5 操作系统结构设计 结构化设计方法的仍存在着下述问题 对模块的划分及对接口的规定要精确描述很困难 从功能观点来划分模块时 未能将共享资源和独占 资源加以区别 操作系统 进程管理存储管理文件管理 进
14、程控制进程调度内存分配内存保护目录管理磁盘管理 1 5 操作系统结构设计 层次结构操作系统 方法 将操作系统分成若干层 每一层实现一组基本概念以 及与其相关的基本属性 层与层之间的相互关系要满 足 所有各层的实现不依赖其以上各层所提供的概念 及其属性 只依赖其直接下层所提供的概念及属性 每一层均对其上各层隐藏其下各层的存在 优点 易保证系统的正确性 易扩充性和易维护性 层次结构的主要缺点就是系统效率低 1 5 操作系统结构设计 1 5 2 现代操作系统结构 微内核 特点 足够小的内核 基于客户 服务器模式 应用机制和策略分离的技术 采用面向对象的技术 微内核虽然带来了诸多的优点 但不可否认微内
15、 核较早期的操作系统而言 运行效率有所降低 1 5 操作系统结构设计 文件服务器内存服务器网络服务器 硬件 微内核 SPI 核心态 用户态 1 5 操作系统结构设计 微内核 一个微内核思想的略微变体是将进程划分为两类 服务器 每个服务器提供某种服务 客户端 使用这些服务 这个模式就是所谓的客户机 服 务器模式 通常 在系统最底层是微内核 但并不是必须这 样的 这个模式的本质是存在客户端进程和服务器进程 1 6 操作系统的硬件环境 任何系统软件都是硬件功能的延伸 并且都是建立在硬件 基础上的 离不开硬件设施的支持 而操作系统更是直接依 赖于硬件条件 与硬件的关系尤为密切 1 6 1 中央处理机
16、CPU CPU的构成与基本工作方式 一般的处理机由运算器 控制器 一系列的寄存器以及高 速缓存构成 处理机中的寄存器 寄存器为处理机本身提供了一定的存储能力 它们的速度 比主存储器快得多 但是因为造价很高 存储容量一般都很 小 处理器一般包括两类寄存器 用户可见寄存器 控制和状态 寄存器 如PC IR PSW 1 6操作系统的硬件环境 指令执行的基本过程 特权指令和非特权指令 特权指令 在指令系统中那些只能由操作系统使用的指令 非特权指令 允许一般的用户使用的指令 1 6操作系统的硬件环境 处理机的状态 管态 特权态 特态 系统态 指操作系统管理程序运行的状态 可以执行全部指令 使 用所有资源 具有改变处理机状态的能力 目态 普通态 普态 用户态 指用户程序运行时的状态 只能执行非特权指令 有些系统分为核心状态 管理状态和用户程序状态 程序状态字PSW 用来指示处理器状态 通常包括以下状态代码 CPU的工作状态代码 条件码 中断屏蔽码 1 6操作系统的硬件环境 1 6 2 存储系统 存储器的类型 读写型存储器 随机访问存储器RAM 只读型存储器 只读存储器ROM 存储器的层次结构 计算
