第1章 操作系统概述课件

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1、操作系统,2,课程的性质、目的和任务 本课程是计算机专业的主要专业技术基础课程。通过对操作系统基本理论和实际操作系统的学习，使学生对操作系统的基本原理及其在操作系统中的体现有较完整和具体的掌握，提高系统维护和应用程序设计能力,为进一步学习打下基础。 教学要求 熟练掌握操作系统的基本概念、基本理论。 熟练掌握进程管理、存储管理、典型文件系统的工作原理和基本数据结构，理解操作系统理论在其中的应用。 初步掌握Linux操作系统的基本特点。,3,课程特点： 1. 内容庞杂、涉及面广 2. 实践性强，实现困难 学习方法： 1. 抓住一个基本点：OS的作用 面向系统提高资源利用率 面向用户提供良好的用户界

2、面，方便用户 2. 牢记一条准则：数据结构体现工作机制 学习要求： 理论教学为主，上机实习为辅 成绩分配： 期末考试占70%，平时与上机占30%,4,主要参考资料,1计算机操作系统教程 张尧学 清华大学出版社 2000年8月第2版 2操作系统原理技术与编程蒋敬，徐志伟机械工业出版社，2004年7月第一版 3操作系统教程与实验 胡明庆，高巍，钟梅清华大学出版社，2007年1月第一版 4计算机操作系统陈年武汉理工大学出版社，2004年8月第一版 5理工科研究生入学考试指导 操作系统 史湘宁 国防科技大学出版社 2005年6月,5,操作系统参考学时分配总计：上课60学时+ 复习4学时+上机32学时。

3、,第1章 操作系统概述,7,本章知识点,操作系统定义及其功能； 多道并发环境和多道程序设计技术； 批处理操作系统、实时操作系统与分时操作系统的主要特点与区别； 操作系统的主要特征和逻辑结构； 了解操作系统的发展过程。,8,1.1 操作系统的定义及其功能,操作系统的定义 （本质）是一个大型的软件系统； （对内）负责计算机的全部软件、硬件资源的管理，控制和协调并发活动，实现信息的存储和保护； （对外）为用户使用计算机系统提供方便的用户界面； （结果）使计算机系统实现高效率和高自动化。,9,操作系统的宗旨,操作系统在计算机系统中充当计算机硬件系统与应用程序之间的界面，所以，操作系统既面向系统资源又面

4、向用户。 面向系统资源，操作系统必须尽可能提高资源利用率； 面向用户，操作系统必须提供方便易用的用户界面。 这是操作系统追求的目标和宗旨，也是贯穿本书各章节各知识点展开讨论的一根红线，是问题得以提出和解决的唯一出发点。 方便性，有效性 ，可扩充性 ，开放性,10,1.2 操作系统的发展过程,计算机系统的概念，软、硬件的组成和关系 1.2.1 无操作系统阶段 手工操作阶段：从第一台计算机诞生(1945年)到50年代中期。 特点：独占和连机I/O 脱机I/O的出现：借助存储设备,11,1.2.2 批量处理阶段 特点：成批和脱机I/O，由监督程序完成作业依次处理 单道批处理系统(Simple Bat

5、ch Processing System)的处理过程 ，具有自动，顺序和单道的特点。单道批处理系统是最早出现的一种OS雏形。,12,1.2.3 执行系统阶段 特点：采用通道、中断技术和缓冲技术，I/O控制和管理在主机控制下进行，监督程序常驻内存成为执行系统。 通道：一种外围处理机，用于控制一个或多个I/O设备，具有专门的通道指令； 中断技术：中断机制的理解；中断响应与中断服务； 缓冲技术：低速的I/O设备与高速处理机匹配的技术。,13,1.2.4 操作系统形成阶段 特点：多道程序和分时系统 在通道技术和中断技术的支持下，产生了多道程序设计技术。 多道的概念： 内存中多个程序在同时运行；宏观并行

6、，微观串行； 引发存储管理、保护。 （见下图）,14,15,多道批处理系统 (Multiprogrammed Batch Processing System),多道批处理系统是针对作业单道执行进行的改进。用户可以将多个作业组织在一个批处理文件中，然后通过执行这个批处理文件，由操作系统按作业控制语言给定的控制流程进行作业选择，并将选中的若干作业调入内存以多道方式投入运行。 批处理文件中的每一个作业都是一个可以单独执行的可执行文件或命令。 批处理系统的优点是系统吞吐量大，资源利用率高。但是在批处理环境下，不具有交互性，这是其缺点。 现代的通用型计算机系统中一般都保留了批处理功能。常见的如DOS中的

7、.bat的文件 。,16,分时操作系统 (Time-Sharing System),分时操作系统采用“时间片”、动态优先数等方式使CPU轮流为多个用户终端或多个任务服务。 对于每个终端，CPU每轮转一次为它服务的时间间隔称为响应时间。由于分时系统面向的是分时用户，其响应时间以满足人的感觉为度，可以通过调整时间片的长度或调整优先数的值来调整响应时间，因而在分时系统中，各终端用户的请求总是能够得到快速的响应。,17,分时系统的主要特点是： 1同时性：指同时有多个程序并发执行，CPU以分时方式轮流地为它们服务。 2及时性：用户的命令可以得到系统的及时响应。 3. 独占性：站在终端用户的角度看，只要响

8、应速度满足要求，用户的感觉就像是独占了CPU一样。独占性是指逻辑上的。 4交互性：交互性是分时系统的一个重要特征，它指用户与系统之间可以通过操作系统提供的多种界面进行人机“会话”，进行交互。分时操作系统会以窗口菜单方式或键盘命令方式提供给用户使用系统资源。,18,操作系统的理论化阶段 20世纪60年代后期以来，现代操作系统的基础理论逐步成形。如操作系统的结构、进程间通信、死锁、可靠性等。 操作系统的标准化阶段 20世纪80年代以来，随着UNIX的标准化工作的推进，操作系统的发展有力地促进了计算机的应用。 随着用户需求的不断变化，图形用户界面、多线程技术、嵌入式系统等新的技术不断地应用，操作系统

9、在原有理论、技术和产品的基础上还在不断地发展中。,19,从资源管理的角度看操作系统的主要功能,处理机管理 存储管理 设备管理 文件管理,20,1. 处理机管理,在操作系统所管理的系统资源中，处理机是最紧俏的资源。操作系统要支持多用户、多任务对处理机的共享，因此对处理机的管理成为操作系统最重要的一个组成部分。 主要任务：确定对处理机的分配策略，实施对进程或线程的调度和管理。 调度单位：进程或线程（若系统支持） 操作系统所采用的处理机管理策略决定了操作系统的主要性能。,21,2. 存储管理,存储管理涉及系统另一个紧俏资源内存，其主要功能有： 内存分配 ：为并发的进程分配需要的存储空间并在适当的时候

10、回收内存； 内存保护：防止并发进程互相干扰； 内存扩充：使有限的物理内存满足程序逻辑空间的需要； 地址映射：将逻辑地址转换为物理地址。,22,内存的管理方式有很多种，不同的管理方式下，系统对内存的组织、分配、回收、保护、虚拟以及地址映射的方式存在着很大的差异。 操作系统对内存管理的实现在很大程度上依赖于硬件机制，操作系统必须针对不同CPU所提供的不同硬件机制提供统一的接口，做到在不同的硬件支持环境下得到相同的操作系统界面和系统功能，这就要求操作系统有很好的可移植性。,23,3. 设备管理,计算机系统所配置的外部设备是多种多样的，其工作原理、I/O传输速度、传输方式都有很大的差异。 为方便用户和

11、提高设备利用率，操作系统采用 “设备无关性”（设备独立性）的概念，即系统仅向用户提供逻辑设备名，而将物理设备的分配交由操作系统控制和管理。 系统采取统一的文件系统界面来管理外部设备，而将设备本身的物理特征交由设备驱动程序去解决，从而提高系统对多种设备的适应性。 操作系统采用缓冲技术和中断机制来确保设备和CPU并行。,24,4. 文件管理,操作系统的文件管理子系统是最接近用户的部分，它给用户提供一个方便、快捷、可以共享、同时又提供保护的对文件的使用环境。 操作系统给用户提供一个方便的“按名存取”的文件使用方式，用户只需要给出文件名即可实现对文件的存取，实现过程交由操作系统解决。 为了方便不同用户

12、对各自文件的自主管理，也为了实现对文件的快速查询，操作系统通常采用树型目录结构来实现对文件的管理和控制。,25,4. 文件管理,文件的存储介质是磁盘，文件在磁盘上以何种结构进行组织和存放涉及到文件的读盘次数和存取速度，不同的操作系统对文件的物理结构有不同的组织方式。对于空闲磁盘块的分配和回收也涉及系统的时空效率。 对于文件的共享和保护是当今操作系统都必须提供的，不同的操作系统有不同的解决方案。,26,5. 网络管理,随着计算机网络功能的不断加强，网络的应用不断深入社会的各个角落，操作系统必须提供计算机与网络进行数据传输和网络安全防护的功能。,6. 提供良好的用户界面,操作系统是计算机与用户之间

13、的接口，最终是用户在使用计算机，所以它必须为用户提供一个良好的用户界面。用户界面的好坏是直接关系到操作系统能否得到用户认可的一个不容忽略的关键问题。,27,(1) 命令级接口：由OS提供了一组联机命令(语言)， 键盘命令。 (2) 程序级接口： 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使用相应的系统调用来操纵计算机。 (3) 图形、窗口方式。,28,1.3 操作系统的分类,按用户数和并发特点分为： 单用户单任务 单用户多任务 多用户多任务 按功能可以分为： 批处理系统 分时操作系统 实时操作系统 网络操作系统 分布式操作系统,29,实时操作系统,“实时”是指能够及时地响应

14、随机发生的外部事件，并在规定的时间内完成对该事件的处理。实时操作系统可以分为两种： 实时控制系统：要求快速的响应时间，一般在毫秒、微秒级，主要特点是响应速度快，可靠性要求高。 实时信息处理系统：主要对用户通过终端提出的操作请求进行查询检索和处理。比如银行提供的连网通存通兑系统、民航订票系统等。实时信息处理系统在响应时间上与分时系统处于同一级别，区别在于实时信息处理系统更强调系统的安全性和可靠性，而不具备分时系统的强交互性。,30,实时操作系统,实时系统的主要特点是： 1对响应时间的实时要求（可高可低）。 2系统可靠性和安全性放在第一位，系统效率放在次要地位，交互性差或根本没有交互性。 3系统整

15、体性强。很多实时系统同时又是分布式系统，具有分布式系统整体性强的优点。,31,1.4 操作系统的特性,采用了多道程序设计技术的操作系统具有以下特性： 并发性 共享性 不确定性（异步性） 虚拟性,32,并发性,由于多道程序同时在内存中，可能分别占有CPU或I/O设备，在不同的硬件或设备上同时运行，这就是并发性。 并发执行的好处是能够使CPU与外设同时并行执行，提高了资源的利用率。弊端在于并发必然导致共享资源的矛盾，同时还带来诸如：多道程序执行过程的中断、同一程序在不同硬件上的调度转换、同一CPU上不同程序的现场切换、存储保护、以及合作进程如何同步等问题。这些都是导致操作系统变得复杂的原因。,33

16、,共享性,由于操作系统的并发性，使得系统资源不再由一个程序独占，而由多道程序共享。因而要求操作系统必须首先解决共享资源所带来的一系列问题，才有可能真正实现多道程序并发。 因此，并发与共享是一对矛盾，也是演绎出操作系统诸多算法和策略的两个最基本的特征。,34,不确定性（异步性）,在多道并发环境中，各程序之间存在着直接或间接的联系，程序的推进速度会受到运行环境的影响，若不能正确控制，则执行结果会因为运行环境不同而不同。 如程序执行过程中在何时何地由于时间片耗尽而被中断，其请求的I/O何时完成以及其继续执行所需的消息或信号何时到来等等，都具有随机性和不确定性。 另外，分时系统中用户随时从终端上发出的终止执行命令，也导致操作系统具有不确定性。 因此，操作系统必须具备处理随机事件的能力。,35,虚拟性,所谓虚拟是指物理上没有提供，但是逻辑上却具备的功能，在用户看来好象是物理上原来就具有的功能一样。 操作系统的虚拟性体现在两个方面： 操作系统虚拟机 操作系统运行在硬件提供的功能支持之下，为用户提供方便易用的功