操作系统引论PPT课件

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1、 操作系统 主讲人 张学敏agnes 2003 13972655660 OperatingSystem 你用过什么操作系统 Linux MacOSX 最新的操作系统 目前应用在手机上的操作系统主要有PalmOS Symbian WindowsCE Linux和Android等 操作系统是什么 操作系统 人们为了最大限度地榨取CPU的工作能力而想出的一整套 剥削 方法 它的基本原则只有一条 又要马儿跑得快 又要马儿少吃草 一 为什么学习操作系统 OS 加深对使用的操作系统的理解 有利于深入编程 用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法 比如插件开发 微内核 操

2、作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他领域 存在人们意识不到的大量 操作系统 如 嵌入式系统 家电 手机 设计操作系统或者修改现有的系统 一 为什么学习操作系统 OS 现在的视窗系统 Windows 存在种种问题木马问题流氓软件计算机病毒系统稳定性计算机性能打算考研的部分同学的必修课程中国需要自己的计算机操作系统目前操作系统种类繁多 但是基本设计方式是一致的不同的平台需要不同的操作系统掌上电脑网络服务器个人电脑电器中的控制芯片手机等移动设备 三大操作系统都不能满足我们的需要 二 操作系统涉及到计算机科学很多领域计算机体系结构 硬件软件设计程序设计语言数据结构算法网络学技术并能在其他地方

3、应用 操作系统是目前最复杂的软件系统 操作系统的重要性 掌握核心系统软件掌握并行处理的思想方法为后继课程打好基础 三 课程的地位及特点本课程地位专业核心课程 学位课 考研核心课程技术开发的理论基础课程的特点实践性强 从实践总结出原理 概念多 较抽象 涉及面广 并行程序 性能问题 结构问题 程序方法论 软件工程等等 灵活 错综复杂 纵横交错 真的那么难吗 四 课程的学习目的使学生掌握操作系统的基本概念 基本原理 设计方法和实现技术 具有初步分析实际操作系统的能力 为其今后在相关领域开展工作打下坚实的基础 在学习每一部分内容时 不仅要记住给出的结论 还要认真思考所讨论问题的由来 环境 意义 理论依

4、据和应用背景 并结合实例操作系统加深理解 做到举一反三 如何学习操作系统 掌握操作系统的基本概念 基本原理 实现技术 操作系统实例分析 学会思考 活着就意味着思考 西塞罗我思故我存 笛卡尔学而不思则惘 孔子缺乏知识就无法思考 缺乏思考也就得不到知识 日本你可以从别人那里汲取某些思想 但必须用你自己的方式加以思考 在你的模子里铸成你思想的砂型 兰姆 五 教材及参考资料 1 教材谭耀铭 操作系统 2007年 比较简单易学 2 参考用书1 计算机操作系统 汤子瀛等编著 经典教材2 操作系统原理 第三版 庞丽萍著 华中科技大学出版社 20003 现代操作系统 AndrewS Tanenbaum著 陈向

5、群等译 机械工业出版社4 操作系统 习题与解析 曾平 李春葆著 清华大学出版社5 深入分析LINUX内核源代码 陈莉君著 人民邮电出版社http 218 64 216 247 ec2006 C295 Course Index htm 4学时 周 共18周 实验1学时 周考核方式和方法 考试 闭卷20 作业平时 20 期中 60 期末教学要求 按时上课 认真听讲 不做和课堂无关的事情 课外阅读参考书认真记笔记 整理笔记思考 讨论 提问作业一章上交一次 六 教学安排 教学目的 掌握操作系统的定义及其基本特性 主要功能了解操作系统的发展历史和类型教学难重点 操作系统的定义操作系统的类型及特点 第1章

6、引论 操作系统 operatingsystem OS 是计算机系统中必不可少的系统软件 它是计算机系统中各种资源的管理者和各种活动的组织者 指挥者 它使整个计算机系统协调一致且有效地工作 通过本课程的学习 我们将知道操作系统要做什么 怎么做和为什么要这样做 1 1什么是操作系统1 1 1计算机系统计算机系统是按用户的要求接收和存储信息 自动进行数据处理并输出结果信息的系统 计算机系统由硬件系统和软件系统组成 软硬件系统的组成部分就是计算机系统的资源 当不同的用户使用计算机时都要占用系统资源并且有不同的控制需求 硬件系统包括 计算机系统资源包括 1 1 2操作系统 操作系统就是计算机系统的一种系

7、统软件 由它统一管理计算机系统的资源和控制程序的执行 操作系统概念 P4一种管理计算机系统资源 控制程序执行 改善人机界面和为其他软件提供支持的系统软件 资源管理者 OS向用户提供了 用户与操作系统的接口 操作系统的设计目标 使计算机系统使用方便 使得计算机系统能高效地工作 二者冲突 如何折中 1 2操作系统的形成早期没有操作系统 原始汇编系统 管理程序 操作系统可以看到 操作系统是随着计算机硬件的发展和应用需求的推动而形成的 1 2操作系统的形成 1 2 1无操作系统的计算机系统 第一代计算机 1 人工操作方式1946 50年代 电子管 集中计算 计算中心 计算机资源昂贵用户独占全机 App

8、liedOperatingSystemConcepts 没有程序设计语言 甚至没有汇编 更谈不上操作系统 程序员提前预约一段时间 然后到机房将他的插件板插到计算机里 期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断 从而可以计算自己的题目 ENIAC计算机 运算速度 1000次 每秒 数万个真空管 占地100平方米 1 2操作系统的形成 1 2 1无操作系统的计算机系统 第一代计算机 1 人工操作方式工作方式 人工操作方式 用户是计算机专业人员 编程语言 机器语言 I O 纸带或卡片 特点 无任何软件 独占性 串行性缺点 1 用户独占全机 2 CPU等待人工操作 手工装入 卸取纸带或卡片 发展动力

9、需求推动发展 主要矛盾 人机矛盾 CPU和I O设备速度不匹配 怎么解决 机器作业在机器上人工操操作时间与机器速度计算所需时间作时间有效运行时间之比1万次 秒1小时3分钟1 2060万次 秒1分钟3分钟3 1 人工操作方式缺点 1 2 1无操作系统的计算机系统 提高效率的途径 批处理 脱机I O 2 脱机输入 输出 Off LineI O 方式 引入I O机的概念 解决CPU和I O设备速度不匹配的矛盾 主要优点 减少了CPU的空闲时间 2 提高I O速度 1 2 2单道批处理系统 SimpleBatchProcessingSystem 第二代计算机 50年代末 60年代中 晶体管 把一批作业

10、以脱机输入方式输入到磁带 磁鼓利用磁带或磁盘把任务分类编成作业顺序执行每个批作业由专门监督程序 Monitor 自动依次处理处理过程 下页图1 4 图1 4单道批处理系统的处理流程 一批作业输入磁带 AppliedOperatingSystemConcepts 卡片 早期批处理系统 IBM1401 IBM7094 IBM1401 输入磁带 磁带机 卡片阅读机 输出磁带 打印机 1 2 2单道批处理系统 SimpleBatchProcessingSystem 第二代计算机 概念监督程序 monitor 在其控制下使一批作业能一个接一个的连续处理 单道批处理系统 系统对作业的处理都是成批进行的 且

11、内存中始终只保持一道作业 称为单道批处理系统 SimpleBatchProcessingSystem 解决人机矛盾 即提高系统资源的利用率和吞吐量 特征 自动性顺序性单道性 单道程序的工作情况例1 某作业运行时 不断从输入机输入数据 有CPU处理1000个字符需300ms 输入机输入1000个字符需1000ms 问CPU是否需要等待 CPU CPU 1 2 3多道批处理系统 MultiprogrammedBatchProcessingSystem 第三代计算机 60年代中 70年代中 集成电路 多道 内存中同时存放几个作业多个作业共享CPU 内存 外设等资源利用多道批处理提高资源的利用率 OS

12、 36060年代通道和中断技术的出现解决了输入输出等待计算的问题 IBMS 360 1964年4月7日 IBM推出世界上首个采用集成电路的通用计算机系列IBMS 360 它兼顾了科学计算和事务处理两方面的应用 各种机器能相互兼容 并能满足每个用户的需要 具有全能手的特点 正如罗盘有360度刻度一样 所以取名为360 其中最著名的当属S 36085型和S 36091型 多道程序设计优点提高CPU利用率 下图 提高内存和I O设备利用率增加了系统吞吐量特征多道性 宏观上并行 微观上串行多道批处理优点资源利用率高 系统吞吐率大缺点平均周转时间长 无交互能力 怎么办 用户程序 监督程序 a 单道程序运

13、行情况 I O操作 I O请求 启动I O I O完成 中断 I O请求 启动I O I O完成 中断 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 表示获得CPU 程序A 调度程序 I O请求 b 四道程序运行情况 程序B 程序C 程序D I O请求 I O请求 I O请求 I O完成 I O完成 I O完成 A完成 表示获得CPU C再运行 例 程序A运行100ms 输入数据100ms 运行100ms 打印100ms 程序B运行50ms 打印100ms 运行50ms 在多道批处理系统中 假设A先运行 画图说明两个程序运行情况 CPU有无空闲 作业有无等待情况 CPU利用率 单道系统中 C

14、PU利用率 小问题 现有两道作业 其中一道可能存在的操作有 计算19分钟 打印2分钟 另一道可能存在的操作有 计算3分钟 打印16分钟 那么在单道程序系统中 两道作业的执行总时间至少为多少分钟 而在多道程序系统中 这一时间至少为多少分钟 4024 小问题 设在内存中有P1 P2两道程序 并按照P1 P2的次序运行 其内部计算和I O操作的时间分别如下 P1 计算60ms 打印80ms 计算20msP2 计算120ms 打印40ms 计算40ms调度程序的执行时间不计 在多道批处理系统中 完成这两道程序比单道批处理系统节约的时间是 A 100msB 120msC 160msD 200ms A 多

15、道批处理系统需要解决的问题 多道批处理系统所用技术 作业调度 作业的现场保存和恢复 上下文切换资源共享 资源的竞争和同步 互斥 exclusion 和同步 synchronization 机制 内存使用 提高内存使用效率 为当前由CPU执行的程序提供足够的内存 覆盖 overlap 交换 swap 和虚拟存储 virtualmemory 内存保护 系统存储区和各应用程序存储区不可冲突 文件非顺序存放 随机存取 AppliedOperatingSystemConcepts 操作系统的重大进步1 多任务处理 多用户 2 交互服务 操作系统的发展过程 1 3 操作系统的类型按照操作系统提供的服务 大

16、致可以把操作系统分为以下几类 批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统 网络操作系统和分布式操作系统 其中批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统是基本的操作系统 1 批处理操作系统按照用户预先规定好的步骤控制作业的执行 实现计算机操作的自动化 又可分为批处理单道系统和批处理多道系统 单道系统每次只有一个作业装入计算机系统的主存储器运行 多个作业可自动 顺序地被装入运行 批处理多道系统则允许多个作业同时装入主存储器 中央处理器轮流地执行各个作业 各个作业可以同时使用各自所需的外围设备 这样可以充分利用计算机系统的资源 缩短作业时间 提高系统的吞吐率 2 分时操作系统 这种系统中 一个计算机系统与许多终端设备连接 分时系统支持多个终端用户 同时以交互方式使用计算机系统 为用户在测试 修改和控制程序执行方面提供了灵活性 分时系统的主要特点是同时性 独立性 及时性和交互性 分时系统实现中的关键问题 及时接收 多路卡 输入缓冲区及时处理 交互作业应在内存 响应时间应短采用时间片轮转 分时技术工作原理 把处理机的运行时间分成很短的时间片 timeslice 如0 1s 按时间片轮流把处