操作系统第一章

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1、第一章 操作系统引论l计算机系统的组成l操作系统的形成与发展l操作系统的基本特征l操作系统的主要功能lOS结构设计1. 操作系统的目标早期操作系统的设计目标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。l方便性：向用户提供方便、简单的使用计 算机的环境。l可扩充性：适应计算机硬件、体系结构以 及应用发展的要求。l开放性：提供统一的开放环境。1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用2. 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1.1所示。 单向调用关系：这四层的关系表现为一种单

2、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)。图1.1 计算机系统的组成应用程序 实用程序操作系统硬件l 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。l 应用程序：数据库管理软件、计算机 辅助设计软件、各种事物处理软件。计算机系统的层次和视图计算机硬件操作系统实用程序应用程序终端 用户程序员操作系统 设计者3. 操作系统的定义：1)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。2)是为了建立用户

3、与计算机之间的接口而为 裸机配置的一种系统软件。3)是一种资源管理程序。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。4. 操作系统的作用 （1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接 口 （2）OS作为计算机系统资源的管理者 （3）OS实现了对计算机资源的抽象5. 推动操作系统发展的主要动力 （1）不断提高计算机资源的利用率 （2）方便用户 （3）器件的不断更新换代 （4）计算机体系结构的不断发展1.2 操作系统的发展过程一、顺序处理(手工操作阶段) 二、简单的批处理 三、多道成批处理系统 四、分时系统 五、实时系统 六、

4、微机操作系统的发展一、顺序处理(手工操作阶段)l计算机没有配置OS。 操作方式：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。 2. 这种早期的计算机存在两个问题：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。 3. 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。二、简单的批处理系统(BATCH P

5、ROCESS SYSTEM) 1. 简单的批处理模式的中心思想: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。l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。2. 手工操作阶段的两个问题已得到圆满解决 ：l监控程序处理调度问题。一批排队的作业以尽可能快的速度执行。l监控程序负责作业的编排处理问题。用户使用系统提供的作业控制语言命令通过 作业控制卡（作业说明书）的形式把对作业

6、的控制意图提交给监控程序。 从而不存在空闲的机器时间，减少了人工干 预和等待时间。例 用户以卡片形式提交作业。提交： 一个用FORTRAN语言编写的程序及程序所用 数据。 以“$”开始的作业控制卡。 监控程序： 自动读和识别作业控制卡中的命令，并控制 作业的执行。 当计算机运行中发生错误或意外错误或意外时，监控程 序通过控制台打字机控制台打字机输出信息向操作员报告 。控制卡 功能$JOB 启动一个程序$FOR 调用FORTRAN编译程序$LOAD 调用装入程序$RUN 运行程序$END 作业结束卡$FOR： 将用户程序翻译成目标代码， 并保存在主存储器或外存中。如果保存 在外存中，就需要$LO

7、AD指令,将其装入 主存。 3. 批处理系统的优点系统吞吐量大，资源利用率高。 （该系统适合处理计算量大的、自动化程度高 的成熟的作业。） 4. 缺点作业的周转时间长，用户无法实现对作业的 控制。 5.简单的批处理在硬件结构上有两种不同的控 制方式。l 早期的联机批处理l 早期的脱机批处理早期联机批处理：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方式。早期的脱机批处理系统带 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1.4 早期的脱机批处理特点：

8、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。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。三、多道成批处理系统 1.多道程序设计技术(MULTI_PROGRAMMING)硬件通道和中断的出现，使得计算机在组织 结构上发生了重大变革。使原先以CPU为中 心的体系结构，转变为以主存为中心。通道：是独立于CPU，专门用

9、来控制输入、 输出设备的I/O处理机。联接着主存和外设 。它可以控制一台或多台外设完成与主存之 间的数据交换。CPU主存通道I/O设备中断：当通道控制设备完成传输后，通过中 断机构向CPU报告完成情况。 使CPU摆脱了对慢速外部设备的控制操作， 使CPU与外设可以并行操作，提高了CPU的利用率 。 多道程序设计技术：是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。当一道程序暂停执行时， CPU立即转去执行另一道程序。 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）。多道批处理系统：将多道程序设计技术应 用于批处

10、理系统，就形成多道批处理系统 。 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下 所示：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 Yes 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

11、。作业2和作业3需要较少CPU时 间。l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分钟10分钟15分钟l资源利用率：指在给定时间内，系统中某 一资源，如CPU、存贮器、外部设备等实际 使用时间所占比率。l吞吐量(Throughput)：是指单位时间内系 统所处理的信息量。它通常是以每小时或 每天所处理的作业个数来度量

12、(这里以小时 作为度量单位)。l周转时间：是指从作业进入系统到作业退 出系统(即完成）所用的时间。而平均周转 时间是指系统运行的几个作业周转时间的 平均值。衡量操作系统的性能指标（共三个）上述例子中的性能指标：l单道批处理时：处理机的利用率为： (5/(5+15+10) =17%存储器的利用率为：（ 50/256+100/256+80/256）/3= 30%l多道运行时：处理机的利用率为：（5/15)=33%存储器的利用率为：（50+100+80）/256=90%表1.2 多道程序与单道程序时资源利用率对比单道 多道(三道作业) 处理机利用率 17% 33% 存贮器利用率 30% （50+10

13、0+80）/256=90% 磁盘利用 10/30=33% 10/15 =67% 打印机利用 10/30=33% 10/15 =67% 完成所需时间 30分钟 15分钟 吞吐量 3/0.5=6jobs/小时 3/ 0.25=12jobs/小时 平均周转时间 (5+20+30)/3=18分钟 (5+15+10)/3=10分钟2.多道程序设计技术的实现 实现时应解决三个问题：存贮分配和存贮保 护；处理机的管理和调度；系统其它资源 的管理和调度。 (1)存贮器的分配和存贮保护 存贮分配：几道程序共享主存，必须提 供存贮分配手段，使各个程序在其中拥 有自己的一个区域。 存贮保护：运行时，硬件必须提供必要

14、 的存贮保护手段，以免相互干扰和破坏 。 存贮器的扩充技术：主存容量不够用。(2)处理机管理 主要任务：就是实施处理机的分配和调 度，以便解决好多道程序之间的转接和有 效的运行。 主要涉及的是对处理机的分配调度策略（ 如FIFO），实施具体的分配等问题。 (3)系统其它资源的管理和调度 I/O设备管理，文件管理，作业管理。因此，多道程序设计技术的出现，标志 着操作系统技术渐趋成熟采用多道程序设计应注意的问题 1、可能会延长某个程序执行的时间。 例如：有两道计算问题A和B。A的执行过程为 ：计算50ms,打印100ms，再计算50ms,打印 100ms，结束。B的执行过程为：计算50ms, 输入

15、数据80ms，再计算100ms,打印100ms， 结束。(1)A和B分别单独执行，那么A需要执行 300ms可完成，B需要330ms可完成，完成两 道的总时间是630ms。(2)A和B采用多道程序技术执行，那么A和B 交叉执行。完成两道的总时间是400ms。 2、并行工作道数与系统效率不成正比。 （1）主存空间的大小限制了可同时装入的程 序数量。 （2）外围设备的数量也是一个制约条件。 （3）多个程序同时要求使用同一个资源的情 况也会经常发生。注：如果搭配不好就会竞争资源，有竞争就 会有等待，有等待就会影响效率。四、 分时系统(TIME_SHARING SYSTEM)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。）1.分时的概念 分时：是指多个用户分时使用CPU的时间。将 CPU 的单位时间(比如一秒钟)划分成若干 个时间段，每个时间段称为一个时间片（ time slice)。 分时系统：把CPU按时间片轮流分配给各联机 用户使用。每个用户都能在很短时间内得 到计算机的服务。彼此感觉不到别的用户 存在，好像整个系统为他独占。34