第五章操作系统ppt课件

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1、第五章操作系统,5.1 引论 5.2 存储管理 5.3 进程管理 5.4 设备管理 5.5 文件管理,5.1 引论,1. 操作系统的定义 2. 操作系统的作用 3. 操作系统的特征 4. 操作系统的发展 5. 操作系统的分类 6. 操作系统的功能,5.1.1 操作系统的定义,操作系统是计算机系统中的一个系统软件， 是一些程序模块的集合它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，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、有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行。,有效：系统效率，资源利用率,如：CPU利用的充足与否，内存、外部

2、设备是否忙碌,合理：公平与否，如果不公平则会产生“死 锁”或“饥饿”,方便：以命令（或图形方式）方式代替手工方式（或程序方式）操作机器,可扩充： 便于修改或增加功能 开放： 结构开放乃至源代码开放,5.1.2 操作系统的作用,应用程序 - 虚机器界面 操作系统 - 物理机器界面 硬件,假如没有操作系统？怎样将目标代码送给硬件？怎样输出打印结果？ 人们将对二进制程序操作 从二极发光管读答案,1. 操作系统作为 仲裁者（协调者）,使多个应用程序/用户高效，公平地一起工作, 保护用户不互相干扰 例子：并发，存储保护，文件系统，网络,2.操作系统作为 管理程序 硬件平台扩展为运行平台 运行平台是承载应

3、用程序的载体,平台之争 企业竞争的范围已经超出了市场、 资本和技术 竞争的焦点： 表面上：平台（标准） 实质上：争夺产业的制高点,3.操作系统作为 幻觉制造者(illusionist),提供硬件的高层界面，取消硬件限制 操作系统提供无限的内存、无限的CPU,4.操作系统作为 管理者(government) 有效合理地分配资源，保护用户不受侵犯 提供安全、保密措施,5.操作系统作为 历史教员,学习过去，预测未来,6.操作系统作为 标准服务提供者 提供每个用户需要的标准工具 如标准库、窗口系统,7.操作系统作为 A PARENT,程序创建和执行 存取I/O设备 控制对文件的存取 系统存取 错误检测

4、和回应 统计,5.1.3 操作系统的特征,1.并发性(Concurrence)： 并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。具有此特性的程序称并发程序。 在多道程序环境下，并发性是指在一段时间间隔内宏观上有多道程序同时运行，但在微观上可能是交替或顺序运行的。 并行性(parallel）是指两个或多个事件在同一时刻发生。具有此特性的程序称并行程序(parallel program)。 并行执行意即同时执行 并行是一种物理的、或微观的同时性概念 并发是一种逻辑的、或宏观的同时性概念 单处理机系统不能实现并行，但可实现并发 多处理机系统既可实现并发，又可实现并行,操作系统特征（续）,2. 共享性

5、(Sharing)： 是指操作系统与多个用户程序共同使用计算机系统中的资源 资源共享方式 互斥共享：指某个资源在一段时间内只允许一个作业使用，这种资源称临界资源 同时共享：指某个资源在一段时间内允许多个作业同时使用。但这里的同时的概念是宏观的，微观上则可能是交替地对资源进行访问。,操作系统特征（续）,3.虚拟性（Virtual): 虚拟是指将一个物理的实体变为若干个逻辑上的对应物。前者是实的后者是虚的，是一种感觉性存在，如虚存、虚网、虚设备、虚文件等。 4.异步性(Asynchronism): 多道程序环境下，进程以独立的、不可预知的速度向前推进，即为异步运行方式。 但只要运行环境相同，作业虽

6、经多次运行，都会得到完全相同的结果。,5.1.4 操作系统的发展,操作系统发展是随着计算机硬件技术、应用软件的发展而发展的 目标：充分利用硬件 提供更好的服务,1.概述 操作系统历史划分为4个阶段,第 0 阶段:手工操作阶段 从第一代计算机诞生到20世纪50年代中期硬件非常昂贵，没有操作系统,控制台 一个用户,一次完成一个功能（计算，I/O，用户思考/反应）,程序通过卡片装入 用户在控制台前调试程序,工作效率非常低每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码工作量大，难度高，易出错，需要大量人力和物力,第 1 阶段,硬件昂贵，人力便宜 简单批处理：装入程序、运行、打印结果、撤出、再重复 用户把程序（

7、卡片或磁带）交给负责调度的操作员（系统管理员） 常驻监控程序自动地装入程序、运行、 撤出作业,需要存储管理、重定位和保护机制 硬件使用较为高效 但（从输出）调试困难 CPU 与 I/O 操作交叉覆盖 早期：将慢速设备转到同 CPU 相连的快速磁带驱动器上 后期：Spool 数据到磁盘上,增加：缓冲, 中断处理 作业被送（spool）到磁盘 仍然是单个作业，利用率低,多道程序批处理系统,在磁盘上多个作业等待运行 多道程序 - 同时运行多个作业 - 选择若干作业准备运行（调度） 并装入内存（存储管理） - 运行一个作业，当它等待时切换至内存中的另一个作业（如需安装磁带，等键按下）,多道程序设计：多

8、个用户共享系统,增加：存储保护，重定位 利用率高（多个作业） 有必要采用并发程序设计技术 操作系统成为研究焦点：需要处理复杂性,早期计算机：单控制方式,- CPU负责计算，也负责传输,早期计算机的使用方式,- 一个用户独占全部资源,- 浪费：CPU与外设速度不匹配 手工操作方式和高速机器之间的不匹配,提高资源利用率,- 多部件并行，多任务共享,通道引入：传输和CPU相对独立 中断引入：各部件的协调动作成为可能,体系结构的发展可以支持OS多道程序运行模式,第 2 阶段,硬件较以前便宜，人力昂贵,交互式分时处理,一台计算机，多个便宜终端,- 所有用户可与系统立即交互,- 调试比较方便,磁盘便宜，故

9、可在线存放程序和数据,- 1 张穿孔卡片 = 100个字节,- 1 MB = 10K卡片,- OS/360 有若干英尺长度的卡片,新问题,- 易于使用，提高人的生产力,- 合理的响应时间,- 引入文件系统，使用户可存取数据,解决,- 需要抢占式调度以便保持适当的 响应时间,- 需要避免抖动（程序在内存中 过于频繁的对换）,- 需要提供适用的安全检测,成功：,一群计算机迷 (Thompson, Ritchie ) 在贝尔实验室发展出了UNIX。 （这样他们可以在一台无人使用的DEC PDP-7 小型计算机上玩星际探险游戏）,Ken Thompson，Dennis Ritchie 1983年图灵奖

10、获得者 1999年4月 美国国家技术金奖,第 3 阶段,硬件非常便宜，人力昂贵,目标： 充分利用人和时间,个人计算雏形,CPU 便宜到可在每台终端上安装，功能强大有效,- 成为大众的计算机,放弃多道程序、并发和保护机制， 使 OS 回归简单,使用户再次与系统交互,增强文件系统,响应时间、保护更为重要,网络,允许不同机器很容易共享资源,- 共享，安全,操作系统的历史: 变化!,意味着技术总在改变 要适应、折衷权衡,操作系统的历史: 变化!,意味着技术总在改变:要适应、折衷权衡,要运行一个作业，先将程序写在纸上（用高级语言或汇编语言） 然后穿孔成卡片，再将卡片盒交给操作员 计算结果从打印机上输出

11、操作员到打印机上撕下运算结果送到输出室 程序员稍后可从取到结果 然后，操作员从输入室的卡片盒中读入另一个任务 如果需要FORTRAN编译器，还要把它取来读入计算机 机时在走来走去时被浪费,批处理操作系统 - 现代操作系统雏型,为了改进主存和I/O设备之间的吞吐量 IBM 7094机引入了I/O 处理机概念 其思想是：在输入室收集全部的作业，用一台相对便宜的计算机 如IBM 1401计算机，将它们读到磁带上 另外用较昂贵的计算机，如IBM7094来完成真正的计算,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,基本控制卡片 是

12、现代作业控制语言和命令解释器的先驱,第二代计算机典型的操作系统,FMS（FORTRAN Monitor System，FORTRAN监控系统） IBMSYS（IBM为7094机配备的操作系统） 这些操作系统由监控程序，特权指令，存储保护和简单的批处理构成,第三代集成电路计算机（1965年-1980年）时期,60年代初期，计算机开始采用集成电路 多数厂商有几条完全不同的生产线， 生产不同的计算机 开发和维护完全不同的产品，对厂商来说是昂贵的 另外，新用户，在开始时只需要一台小计算机 后来可能需要一台大的计算机 而且希望能在新计算机上执行原有的程序 这样，厂家和用户需要软件在不同型号的计算机之间兼

13、容,1964 年IBM 宣布推出System/360计算机系统 第一个采用小规模集成电路的主流机型,试图一次性地解决上述两个问题,由于所有的计算机都有相同的体系结构和指令集在理论上，为一型编写的程序可以在其他型号机器上运行,IBM System/360的若干问题,IBM无法写出同时满足互冲突需要的操作系统 其实别人也一样不能完成这项工作任务 IBM OS/360文件系统中有类型字段，定义文件的类型，有定长、不定长记录、块状和非块状文件 用户对于输出文件的大小，只有通过猜测 存储管理有基地址寄存器寻址方式，程序也可以访问和修改基地址寄存器，但是CPU生成的却是绝对地址，虽然不用进行动态再分配 但

14、程序却被钉死在调入内存时的物理地址上,数千名程序员写的数百万行汇编语言代码,系统自身占据了大量存储空间和一半的CPU时间。数百万行汇编代码中有成千上万处错误IBM不断发行新的版本试图更正这些错误，每个新版本在更正老错误的同时又引入新错误所以随着时间的流逝，错误的数量大致保持不变。,IBM System/360, 庞大的软件怪兽,多道程序设计技术（multiprogramming）,在IBM 7094机上，若当前作业因等待I/O而暂停， CUP只能踏步直至该I/O完成 对于CPU操作密集科学计算问题，浪费时间少 对于商业数据处理，I/O等待时间常占8090 解决办法 将内存分几个部分，每部分放不

15、同的作业 当一个作业等待I/O时，另一个作业可以使用CPU 在主存中同时驻留多个作业需要硬件进行保护 以避免信息被窃取或攻击,Spooling 技术,程序卡片被拿到机房后 能够很快将一作业从卡片读入磁盘 任何时刻当一作业运行结束 操作系统就将一新作业从磁盘读出 装入空出的内存区运行 Spooling技术 (Simultaneous Peripheral Operation On Line) 该技术也用于输出,分时系统,第三代计算机实质是批处理系统 从一作业提交到结果取回, 往往长达数小时 一个逗号的误用会导致编译失败 而可能浪费程序员半天时间 问题的解决导致分时系统的出现 （CTSS，Comp

16、atible Time Sharing System） 分时系统实际上是多道程序的一个变种,分时系统的思想于1959年在MIT提出 每个用户有一个联机终端 在分时系统中，假设20个用户登录 其中17个在思考或谈论或喝咖啡 则CPU可给那三个需要的作业轮流分配服务 调试程序的用户常常只发出简短的命令 而很少有长的费时命令 所以计算机能够为许多用户提供交互式快速服务 同时在CPU空闲时还能在后台运行大作业,第一个分时系统由 MIT的Fernando Corbato 等 1961年在一改装的IBM 7090/94机上开发成功 当时有32个交互式用户 IBM 7090/94计算机有32K内存，系统用5K，用户用27K，用户存储映象在内存和一台磁鼓之间切换 1962年Manchester大学的Atlas计算机投入运行 运行速度200 k FLOPS