计算机科学导论 模块4：操作系统w

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1、北京理工大学计算机科学技术学院2007模块4 计算机操作系统2本模块学习内容l计算机系统的组成l操作系统的形成与发展l主流操作系统l文件路径l用户界面3计算机系统的组成计算机系统的组成：硬件资源、软件资源。 计算机系统可划分为四个层次：硬件、操作系统、实用程序和应用程序，如图4.1所示。 4实用程序：各种语言编译程序、文本编辑程序、调试程序、连接装配程序。 应用程序应用程序 实用程序操作系统硬件图4.1 计算机系统的组成5l单向调用关系这四层的关系表现为一种单向调用关系，即外层的软件必须以事先约定的方式调用内层软件或硬件提供的服务。通常把这种约定称为界面或接口(interface)。6操作系统

2、的定义l是裸机上的第一层软件。由一系列的程序 模块组成。裸机：一台完全无软件的计算机系统 。通过执行机器指令来实现计算和I/O功能 的，很难使用。l是为了建立用户与计算机之间的接口而为 裸机配置的一种系统软件(用户的角度) 。7l是一种资源管理程序(计算机系统设计者的 角度)。它依据一定的策略对计算机的软硬资源进行分配、管理和调度，合理地组织计算机的工作流程，从而提高系统资源的利用效率。8操作系统设计目标早期操作系统的设计目标l方便性：向用户提供方便、简单的使用计算机的环境。l有效性：就是使计算机系统能高效地工作，提高系统资源的利用率。9操作系统的形成与发展l顺序处理(手工操作阶段)l简单的批

3、处理系统l多道批处理系统l分时系统l实时系统10手工操作阶段l计算机没有配置OS由程序员直接使用计算机硬件系统，将程序和数据送入计算机内存。按动启动按钮，计算机开始计算。11手工操作阶段存在的问题l人工负责计算机的调度用户使用计算机时，首先向机房负责 人说明，由机房负责人为他安排上机时间 ，并预先登记在一张纸上。其中包括各用 户几点上机、大约使用计算机多长时间等 。l人工负责作业编排顺序用户自己安排上机所需的各种程序、 数据以及上机的步骤。12手工操作阶段存在的缺点l一个用户独占全机资源lCPU等待人工操作，浪费大量的人力和机器的时间，系统利用率很低。13简单的批处理系统(BATCH PROC

4、ESS SYSTEM)使用一个监控程序软件l用户：不再直接与计算机打交道，而是将自己的作业(卡片叠或纸带)交给机房的操作员。l操作员：将多个作业按序成批地放在一个输入设备上。14监控程序自动启动输入设备将一个个作业读入到磁带上，再将一个个作业顺序装入内存，并控制作业的运行处理。从而实现了各作业之间的自动转接，提高了系统效率。15图4.2 输入作业的结构16简单批处理的二种控制方式l早期的联机批处理l早期的脱机批处理17早期的联机批处理作业的输入、计算和输出是在CPU直接控制下进行的。缺点：主机的速度在输入/输出过程中，降低为慢速外设的水平。大大降低了CPU的利用效率。为此，引入早期的脱机批处理

5、方式。18系统带 应用带输出带输入带卫 星 机（外围机 ）打印 机主 机卡片输入机图4.3 早期的脱机批处理19早期脱机批处理的特点l外围机（小型卫星机）代替主机完成作业的输入/输出工作。l脱机输入技术：在外围机的控制下，预先把作业从低速输入设备输入到磁带上，当CPU需要时，再直接从磁带机高速输入到内存，减少了CPU等待输入的时间。20早期脱机批处理的特点l脱机输出技术CPU需要输出时，高速地把结果输出到磁带上，然后在外围机的控制下，把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出。l主机与慢速外设可以并行工作21多道批处理系统l指在内存同时放若干道程序，使它们在系 统中交叉运行，共享系统中的各种资源。

6、 当一道程序暂停执行时，CPU立即转去执行 另一道程序。l 特点：多道、宏观上并行（不同的作业分 别在CPU和外设上执行）、微观上串行（在 单CPU上交叉运行）。22CPU主存通道I/O设备图4.4 多道程序设计的结构模型 例假设一个计算机系统有256k主存(不包含 操作系统)，一个磁盘、一个终端和一台打印机 。三个作业分别被命名为JOB1、JOB2、 JOB3。各作业运行时间分别为5分钟、15分钟和 10分钟。它们对资源的具体使用情况如表4.1所 示：23作业编号 JOB1 JOB2 JOB3 作业类型 计算型I/O型 I/O型 占用主存 50k 100k 80k 需磁盘情况 NO NO Y

7、es 需终端情况 NO Yes NO 需打印机情况 NO NO Yes 运行所需时间 5分钟 15分钟 10分钟作业1主要使用CPU；作业2主要使用终端（键 盘和显示器）；作业3主要使用磁盘和打印机。作 业2和作业3需要较少CPU时间。表4.1 三个作业对资源的使用情况24l简单批处理时：作业按顺序执行。作业1运行 5分钟完成，作业2等待5分钟后再用15分钟完 成，作业3等待20分钟后开始执行，30分钟后 三个作业全部完成。l多道批处理时：三个作业同时装入主存并运 行。由于它们运行中几乎不同时使用同类资 源，这三个作业在15分钟内将全部完成。整 个系统处理效率明显提高。5分钟15分钟10分钟5

8、分钟10分钟15分钟25分时系统批处理系统仍存在几个问题： （1）用户不能直接控制作业运行 （2）作业的周转时间太长。分时系统：多用户交互式系统。多个用户通过交互方式分享使用同一台计算机。（一台分时计算机系统联有若干台远近终端，多个用户可以在各自的终端上以交互方式联机使用计算机。）26例 早期的分时系统之一是IBM 360机上的兼容 的分时系统(CTSS - Compatible time_sharing system)。与后来的分时系统相 比，CTSS非常简单。它的操作控制很容易理解 。当控制分配给一个交互用户时，用户的程 序和数据装入主存，运行0.2s(一个时间片)系 统时钟产生一个中断。

9、每个时钟中断产生时，操作系统获得控制 ，将当前运行程序从主存换出到磁带或磁鼓， 再选一个用户程序从磁带或磁鼓换入主存。将 处理机分给新进入的另一个用户程序。这典型 地叫滚进滚出：ROLL_IN ROLL_OUT）。 27分时系统的特点l同时性：若干个用户可同时使用计算机。l独立性：每个用户占有一台终端，彼此独立 操作，互不干扰。l交互性：用户可通过终端与系统进行人机对 话。l及时性：用户的请求能在较短时间内得到响 应。28实时系统分时系统的响应时间：是指用户发出终端命令到系统开始响应所需的时间。它是衡量分时系统的主要性能指标。为了提高资源的利用，多道程序设计技术也应用到分时系统。29实时系统l

10、处理对象：作业处理系统是以作业为处理 对象；实时系统是以随机发生的外部事件 为处理对象。l主要应用：工业生产过程的自动控制；军事上的自动控制（如飞机运行和导弹发射等）；民航的飞机票预订、查询(有关航班、航线、票价等)；银行系统的借贷；情报信息检索等系统。30实时系统的主要特征l实时性：以被处理信息或被控制过程能承受的延迟来确定。通常可能是秒的数量级，也可能是毫秒级、微秒级甚至毫微秒级。l高安全可靠性：实时系统控制和处理的对象往往是重要的经济和军事目标，而且又是现场直接控制处理。凡是重要的实时控制系统，往往采用双工机制。31操作系统的基本类型l操作系统的三个基本类型：批处理系统、分时系统和实时系

11、统。l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。l如分时和批处理相结合，将分时任务作为前台任务，将批量处理作业作为后台任务，便是分时批量处理系统。v 通用操作系统不仅能满足用户的特殊要求，而且能提高资源的利用率，因此得到广泛应用。32操作系统的进一步发展l个人计算机操作系统l并行操作系统l分布式操作系统33l单用户单任务OS：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。如 MS-DOS。l单用户多任务OS：只允许一个用户上机，但 允许将一个用户程序分为若干个任务，使它 们并发执行。如OS/2、MS Windows。l多用户多任务OS：允许多个用户通

12、过各自的 终端，使用同一台主机，共享系统资源，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。如UNIX OS。34由于windows是基于DOS的，使它的性能受到很多的限制。95年之后，先后制作了Windows 95、Windows 98、windows 2000等。Windows 95等以上操作系统完全脱离了DOS 的限制，是一个性能优良的系统。最近几年的类UNIX的LINUX系统发展很快，很受用户欢迎。 35操作系统的组成部分操作系统操作系统内存管理器内存管理器文件管理器文件管理器进程管理器进程管理器 设备管理器设备管理器用户界面用户界面36l存贮管理主存管理。存储分配（使多个

13、用户能分 享有限的主存资源）、存贮保护（保证各用 户程序和数据彼此不被破坏）、主存扩充。l处理机管理（进程管理）在多道程序系统中，处理机数目远远少 于运行的作业数，因此，处理机的调度就成 为关键问题。调度策略：先来先服务、优先 级调度、分时轮转等。操作系统的功能37l设备管理：为多用户运行提供方便的运行环境。(分配设备，控制设备传输数据)。l文件管理：负责对软件资源进行存贮、检索和保护，使用户能方便、安全地访问它们。(文件存储设备-磁盘/磁带)l用户界面：负责操作系统与外界的联系。操作系统的功能38操作系统的性能评价l系统效率体现系统效率的指标包括资源利用率、吞吐 量和周转时间以及响应时间等。

14、 l系统可靠性指系统能发现、诊断和恢复硬件和软件故障 的能力。l可移植性指把一个操作系统从一个硬件环境移植到另 一个硬件环境时系统仍能正常工作的能力。39主流操作系统（MS-DOS）l单用户单任务，简单分层结构。lMS-DOS的历史1981年：PC-DOS 1.1：IBM PC，只支持软盘的 个人操作系统；1983年：DOS2.0：PC XT，支持硬盘和目录的层 次结构，并提供丰富的系统命令；1984年：DOS3.0：PC AT (Intel 80286 CPU)， 它把286作为一个快速的8086使用；40MS-DOS的结构lDOS BIOS(Basic Input/Output Syste

15、m)：由一组 与硬件相关的设备驱动程序组成，实现基本的输入/ 输出功能；lDOS核心：提供一套独立于硬件的系统功能：内存 管理、文件管理、字符设备和输入/输出、实时时钟 等；l命令处理程序：对用户命令进行分析和执行。41Windows系统l单用户多任务（分时系统），16位/16和32位混合 /32位。lWindows的历史1990年：Windows 3.0（成功版本），16位OS， 借见Apple Macintosh给出友好的用户界面；1993年：Windows NT 3.1, 32位OS，支持DOS和 Windows应用程序；1999年12月：Windows 2000(Professiona

16、l, Server, Advanced Server)，32位OS；42Windows 2000的特点lWindows 2000 是改进的微内核结构，使得许多微内核外的系统函数在内核模式下运行。l每个系统函数都正好由一个操作系统部件管理，操作系统的其余部分和所有应用程序通过相应的部件使用标准接口访问这个函数。l可移植性：可以在各种硬件平台上运行。l支持多线程、支持对称多处理(SMP)。l大量使用面向对象设计的 概念。面向对象方法简化了进程间资源和数据的共享。43UNIX系统l多用户多任务，16/32/64位lUNIX的历史1974年：UNIX系统正式发表(第五版)，在大学得到 使用和好评；1980年：University of California at Berkeley 为VAX11发表BSD4.0；以后，UNIX就以AT&T和 Berkeley为主