操作系统的主要功能课件

《操作系统的主要功能课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《操作系统的主要功能课件（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,第一章 操作系统概论,1.1 什么是操作系统 1.2 操作系统的发展过程 1.3 现代操作系统类型 1.4 操作系统的概念、特征和功能 1.5 UNIX操作系统概述,2,计算机系统资源包括硬件资源和软件资源两大类，二者缺一不可。 计算机硬件是各种物理设备的总称，是完成工作任务的物质基础。由处理器、内存、输入/输出设备和系统总线4个部分组成。,3,软件是指程序和与程序相关的文档的集合。 软件可分为：系统软件（系统软件、支援软件）、应用软件。,操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）,4,引入操作系统的目标,有效性（系统管理人员的观点）：管理和分配硬件、软件资

2、源，合理地组织计算机的工作流程 方便性（用户的观点）：提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别 可扩充性（开放的观点）：硬件的类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间的资源共享和互操作.,5,1.1 什么是操作系统,系统观点计算机资源管理 用户观点用户使用计算机的界面 软件的观点程序和数据结构的集合,用以控制和管理计算机资源，方便用户使用的程序和数据结构的集合。,6,1. 系统的观点计算机资源管理 在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和软件资源。归纳起来可将资源分为四类：处理器、存储器、 I/O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

3、四类资源进行有效的管理，即： 处理机管理:：用于分配和控制处理机； 存储器管理：主要负责内存的分配与回收； I/O设备管理：负责I/O设备的分配与操纵； 文件管理：负责文件的存取、共享和保护。,7,2.用户观点用户使用计算机的界面 OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。或者说，用户在OS帮助下，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。应注意，OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。,8,9,(1) 命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(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。

4、 (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。,10,3.软件的观点程序和数据结构的集合 操作系统是直接与硬件相邻的第一层软件，它是由大量极其复杂的系统程序和众多的数据结构集成的。在计算机中的所有软件中，它起到了核心和控制的作用，其他软件的运行都要依赖它的支持。操作系统是在系统中永久运行的超级程序。,11,1.2 操作系统的发展历史,1.2.1 早期的计算机和人工操作方式,1.人工方式：1946 50年代，电子管时代，集中计算（计算中心），计算机资源

5、昂贵；,工作方式 用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员； 编程语言：为机器语言； 输入输出：纸带或卡片； 计算机的工作特点 用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率低； CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；,12,人工操作阶段,主要矛盾 计算机处理能力的提高与手工操作的低效率（造成浪费）； 用户独占全机的所有资源； 任何一个作业步出现故障强将导致该作业需从头开始执行。 CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾。,13,1.2.2. 脱机输入/输出(Off-Line I/O)和批处理系统,这种脱机I/O方式的主要优

6、点如下： 减少了CPU的空闲时间。 (2) 提高I/O速度。,1. 脱机输入/输出,14,2. 批处理系统,基本思想：操作员取来一批作业，将它们输入到磁带中；操作系统先从磁带上将第一个作业读入内存，启动它运行，并将运行结果输出到另一条磁带上；当第一个程序运行完毕，操作系统能自动地从输入磁带上读入下一个作业，并予以运行和输出，如此直到整批作业全部处理完毕。 由于系统作业是成批地进行处理，但在内存中只能保持一个运行作业，故该类系统又称为单道批处理系统。批处理系统解决了高速计算机的运算、处理能力与人工干预之间的速度矛盾，实现了作业自动过渡。,15,2. 批处理系统,批处理中的作业的组成： 用户程序、

7、数据、作业说明书 批：供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软件（系统带）,目的：解决CPU的利用率问题 措施：1. 设立专门的计算机操作员，用户不直接参与，操作员将作业分批 2. 开发监督程序（Monitor），自动依次处理每批作业,16,单道批处理系统,单道批处理系统(Simple Batch Processing System)的处理过程,17,单道批处理系统的特征 单道批处理系统是最早出现的一种OS，严格地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。 该系统的主要特征如下： (1) 自动

8、性。 (2) 顺序性。 (3) 单道性。,18,单道批处理的主要问题,只有一道作业在运行。 CPU和I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）。 对计算为主的作业，外设空闲； 对I/O为主的作业，CPU空闲；,19,1.2.3 缓冲、中断和DMA技术,1. 缓冲技术,缓冲技术的原理是将数据存放到一个特定的缓冲区中，当 CPU 从缓冲区中取得了数据，在对它进行运算之前，再启动输入设备以输入下一个数据至缓冲区。这样在 CPU 进行运算时，外部设备的输入工作也在同时进行。 同样，输出也可采用缓冲技术。采用了带缓冲的输入输出技术后，CPU 与外部设备就能做到并行操作，减少了互相等待的时间，极大地提

9、高了CPU 与各种外部设备的使用效率。,20,2. 中断技术,具有缓冲的输入输出也带来了新的问题。一个问题是处理机要知道 I/O 设备什么时候已完成了输入操作，以便处理输入数据并启动下一个 I/O。如果要靠 CPU 反复地查询输入设备的状态，就会浪费很多 CPU 的时间。中断技术的出现解决了这个难题。 只要 I/O 设备一旦完成了输入输出操作，它会自动地向 CPU 发出中断信号。CPU 收到中断信号后，就暂停当前的处理工作，在做了一些必要的现场保护、中断处理工作后，转入中断服务程序。中断服务程序读出缓冲区数据，然后启动下一个 I/O 操作。从中断服务程序返回后，操作系统恢复被中断的运算过程。,

10、21,3. DMA技术,直接存储器存取（DMA）技术。一旦收到了 DMA 发来的中断请求后，CPU 在设置了缓冲区、指针和计数器后，DMA 就可以不需要 CPU 干预，在内存和设备之间传送整块数据。这样，通过 DMA 每传送一个数据块仅需要一次中断处理，而不是像低速设备那样每传送一个数据都需要一次中断处理。,22,1.2.4 SPOOLING,当作业要将输出送至打印机时，该输出实际上是通过系统缓冲区写到磁盘中的，在该作业运行结束后，才由操作系统自动打印存储在磁盘中的输出结果。 这种由操作系统将磁盘模拟为输入输出设备的处理方式称为 SPOOLING（Simultaneous Peripheral

11、 Operating On Line），即“并行的外部设备操作联机”，也称“假脱机”。 SPOOLING 系统是以磁盘为几乎无限巨大的缓冲区来解决低速的I/O设备与高速的CPU之间的速度匹配问题。,23,1.2.5 多道程序设计,1. 多道程序设计的基本概念 为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统(Multiprogrammed Batch Processing System)。在该系统中， 用户所提交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

12、它们共享CPU和系统中的各种资源。,24,在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处： 提高CPU的利用率。,在引入多道程序设计技术后， 由于同时在内存中装有若干道程序，并使它们交替地运行， 这样，当正在运行的程序因I/O而暂停执行时，系统可调度另一道程序运行，从而保持了CPU处于忙碌状态。,25,26,(2) 可提高内存和I/O设备利用率。为了能运行较大的作业，通常内存都具有较大容量，但由于80%以上的作业都属于中小型，因此在单道程序环境下，也必定造成内存的浪费。类似地，对于系统中所配置的多种类型的I/O设备， 在单道程序环境下也不能充分利用。如果允许在内存中装入多道程序， 并允许它们并发执

13、行，则无疑会大大提高内存和I/O设备的利用率。 (3) 增加系统吞吐量。在保持CPU、I/O设备不断忙碌的同时，也必然会大幅度地提高系统的吞吐量，从而降低作业加工所需的费用。,27,多道批处理系统的特征,（1）多道性。在内存中可同时驻留多道程序。 （2）无序性。多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间，并无严格的对应关系。 （3）调度性。作业从提交给系统开始直至完成，需要经过以下两次调度：首先是作业调度；其次是进程调度。,28,多道批处理系统的优缺点,优点： 资源利用率高：CPU和内存利用率较高； 系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大； 缺点： 作业平均周转时间长：作业周转时间是指从

14、作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间，短作业的周转时间显著增长； 用户交互性差（无交互能力）：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；,29,1.3 现代操作系统类型,为了降低交互式系统的等待时间和运行时间的比率，系统通过多台终端同时向很多用户提供运行环境，这种分时系统就能以合理的成本向用户提供交互式使用计算机的方便。 操作系统使用多道程序设计技术来支持在一个计算机系统内运行多个用户的程序。每一个用户的程序都常驻在内存中，并按某一调度策略轮流运行。,1.3.1 分时系统,30,3. 分时系统的特征,(1) 多路性。允许在一台主机上同时联接多台终端，系统按分

15、时原则为每个用户服务。 (2) 独立性。每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。 (3) 及时性。 用户的请求能在很短时间内获得响应。 (4) 交互性。 用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。,31,1.3.2 实时操作系统,实时操作系统是一种能在限定的时间内对输入进行快速处理并做出响应的计算机处理系统。根据对响应时间限定的严格程度，实时系统又可分为硬实时系统和软实时系统。 硬实时系统主要用于工业生产的过程控制、航天系统的跟踪和控制、武器的制导等。这类操作系统要求响应速度非常快，工作极其安全可靠，否则就有可能造成灾难性的后果。 在一些重要的控制系统中，为了进一步提高系统的可靠性，除了一

16、台计算机控制系统工作外，还需要有一套后备系统。后备系统又可分为热备份和冷备份两种,32,1.3.2 实时操作系统,热备份就是除了一台当前工作的主控计算机外，另有一台相同的计算机与主控机同步运行，两者之间还定时交换运行状态的信息。当主控机发生故障时，控制立即被切换到同步运行的后备机上，由该机接替原主控机继续运行，以保证系统的控制不会发生中断。热备份系统的操作系统设计也比较复杂。 对于如果中断一个较短时间的工作不会发生严重事故或造成重大经济损失的控制系统，可采用冷备份方案。当主控机发生故障时再启动备用机，由它将系统的控制权接管过来。,33,软实时操作系统,软实时系统主要应用于对响应的速度要求不像硬实时系统那么高，且时限要求也不那么严密的信息查询和事务处理领域，如情报资料检索、订票系统、银行财务管理系统、信用卡记账取款系统和仓库管理系统等。 这类系统一般配有大型文件系统或数据库，涉及金融业的管理系统对系统的安全、可靠和保密等也提出了极高的要求,34,1.3.3 微机操作系统,早期的微机主要采用 8 位 CPU 及外围芯片，所谓的操作系统只不过是