操作系统第1章

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1、计算机操作系统 Principles of Operating System,数学计算机学院 2009年8月,教材： 汤小丹、梁红兵、哲凤屏、汤子瀛 计算机操作系统.西安电子科技大学出版社 参考书： 孟静. 操作系统教程原理和实例分析. 高等教育出版社 庞丽萍.操作系统原理.华中理工大学出版社 Andrew S.Tanenbaum.现代操作系统.机械工业出版社 何炎祥.操作系统原理. 华中科技大学出版社,本课程地位,专业核心课程 考研核心课程 技术开发的理论基础,学习方法,抽象 宏观,第一章 操作系统引论,1.1 什么是操作系统 1.2 操作系统的发展过程 1.3操作系统的特征 1.4操作系统

2、的功能和服务 1.5操作系统的结构设计 1.6操作系统纵览,1.1 什么是操作系统,1.1.1 操作系统的目标 1.1.2 操作系统的作用 1.1.3 推动操作系统发展的主要动力,返回,1.1.1 操作系统的目标,图1.1 计算机系统的组成,操作系统在计算机系统中的地位,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）,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（扩展的观点）：硬件的类型和规模、操作系统本身功能的发展，要

3、求OS可增加新功能模块和修改旧模块 开放性（兼容的观点）：要求OS可兼容按国际标准开发的硬件和软件，通过网络加以集成，并能正确、有效地协同工作,操作系统的作用(1) OS是用户使用系统硬件、软件的接口。,命令方式：（命令行、命令脚本式）。 系统调用：（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）。 图形、窗口方式：（菜单式、图形用户接口GUI） 。,1.1.2 操作系统的作用,操作系统的作用(2) OS是计算机硬件、软件资源的管理者。,管理对象包括：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）； 管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）

4、。,操作系统的作用(3) OS实现了对计算机资源的抽象（即是扩展机(extended machine)/虚拟机(virtual machine)。）,在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对CPU）； 另外，为合理组织工作流程：作业管理、进程管理。,操作系统的非形式化定义（关键点）：系统软件，程序模块的集合，资源管理和用户接口功能,你所用过的操作系统,你知道下列哪些是操作系统吗? 极品飞车 DOS LINUX WINDOWS TURBO-C WORD FOXPRO UNIX TURBO-ASM VI 一个C语言源程序,目前常见操作系统,微软：Windows

5、系列（以前MS-DOS） UNIX：Solaris, AIX, HP UX, SVR4, BSD, ULTRIX 自由软件：Linux, freeBSD, Minix IBM: AIX, zOS(OS/390), OS/2, OS/4000, PC DOS 其他：Mac OS, NetWare,你用过的操作系统能做什么?,各种命令：dir copy del format 启动、结束用户程序 系统调用：例如INT指令 WINDOWS、UNIX 等提供多任务或多用户环境,你知道操作系统不能做什么?,不做天气预报 不做房屋设计 不是编译程序总之，操作系统不直接解决最终具体应用问题，也不负责编译源程序

6、.,1.1.3 推动操作系统发展的主要动力 （需求推动发展）,不断提高计算机资源的利用率（由此引出了多道批处理系统、SPOOLing技术、虚拟技术等） 方便用户（由此引出了分时系统、图形用户界面等） 器件的不断更新换代（导致OS的功能和性能不断增强提高） 计算机体系结构的不断发展（导致多处理机OS、分布式OS、网络OS的产生发展）,1.2 操作系统的发展过程,操作系统的产生 1.2.1 手工操作阶段（40年代） 1.2.2 单道批处理阶段（50年代） 操作系统的形成 1.2.3 多道批处理（60年代初） 1.2.4 分时系统（60年代中） 1.2.5 实时操作系统（60年代中）,操作系统的发展

7、 1.2.6 微机操作系统 1.2.7 多处理机操作系统 1.2.8 网络操作系统 1.2.9 分布式操作系统 1.2.10 嵌入式操作系统,1.2.1 手工操作阶段,电子管计算机，无操作系统，由手工控制作业的输入输出,通过控制台开关启动程序运行。用户使用计算机的过程大致如下：先把程序纸带装上输入机，启动输入机把程序和数据送入计算机，然后通过控制台开关启动程序运行，计算完毕后，用户拿走打印结果，并卸下纸带。,最早的计算机,手工交互方式的特点,(1) 程序设计直接编制二进制目标程序 (2) 输入输出设备主要是纸带和卡片 (3) 程序员上机必须预约机时 (4) 程序员自己上机操作 (5) 程序的启

8、动与结束处理都以手工方式进行 (6) 程序员的操作以交互方式进行(控制台) (7) 单用户方式（用户独占全机） (8) 程序执行过程得不到任何帮助，程序都是独立程序 (9)CUP等待人工操作(导致人机矛盾),脱机输入/输出方式,为解决人机矛盾及CUP和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，采用在外围机上进行输入/输出，此所谓脱机输入/输出。主要优点： 减少了CUP的空闲时间 提高了I/O速度,1.2.2 单道批处理阶段,晶体管计算机，操作系统的雏形，称为监控程序。单道批处理系统的工作过程：用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入到辅存（如磁带）上，形成一个作业队列。当需要调入作业时，监控程序从这一批

9、中选一道作业调入内存运行。当这一作业完成时，监控程序调入另一道程序，直到这一批作业全部完成。 单道批处理分为：联机批处理、脱机批处理 联机批处理：由CPU直接控制作业输入输出 脱机批处理：由卫星机控制作业输入输出,联机批处理和脱机批处理,单道批处理阶段的特点,(1) 自动性，作业（步）间不需要人的干预(2) 监控程序常驻内存，开机后第一个进入内存，直到关机一直驻留在内存中(3) 专职操作员，程序员不在现场(4) 单道性，每次只有一道作业进入内存运行(5) 顺序性，作业的执行顺序与存储顺序相同(6) 监控程序只为一个计算机系统设计(7) 开发过程可以使用FORTRAN等高级语言，程序的最后一条指

10、令需是返回控制到监控程序,对单道批处理阶段的评价,(1) 作业转换时间大大减小，系统运行效果提高 (2) 依然存在I/O慢速造成的CPU空闲等待时间（单道） (3) 程序员（和非编程用户）无法同计算机交互 (4) 一个操作系统被设计成只能在一台机器上运行，这自然会给厂家实现与用户程序独立兼容带来负担,1.2.3 多道批处理,操作系统发展史上革命性变革。多道程序设计技术：在内存中放多道程序,使它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。,单道和多道程序工作过程比较,OS引入多道程序设计技术的优点,提高CUP的利用率 提高内存和I/O设备的利用率 增加系统的吞吐量,多道运行的特点,多道性：宏观上并行：同

11、时有多道程序有内存运行，某一时间段上，各道程序不同程度地向前推进。微观上串行：任一时刻最多只有一道作业占用CPU，多道程序交替使用CPU 。 无序性：多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序无严格的对应关系。 调度性：作业从提交到完成需经过作业调度和进程调度。,多道批处理系统的工作过程,用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入到辅存（如磁盘）上，形成一个作业队列。当需要调入作业时，管理程序从这一批中选几道作业调入内存，让它们进入内存运行。当一些作业完成时，管理程序调入另一些程序，直到这一批作业全部完成。,多道批处理系统的优点,资源利用率高。资源指CPU及设备。 系统吞吐量大。系统吞吐量指系统

12、在单位时间完成的总工作量。,多道批处理系统的缺点,平均周转时间长：周转时间指作业提交给系统到运行结束所经历的时间。 无交互能力：用户自将作业提交给系统，直到运行结束，不能与自己的作业进行交互。,多道批处理系统需解决的问题：,处理机管理问题 内存管理问题 I/O设备管理问题 文件管理问题 作业管理问题,操作系统定义：,操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度，以及方便用户的程序的集合。,1.2.4 分时系统,推动多道批处理系统形成和发展的动力是提高资源利用率和系统吞吐量。推动分时系统形成和发展的主要动力是用户的需要：交互、共享主机、方便上机。多个用户分时使用主机，每

13、一用户分得一个时间片，用完这个时间片后操作系统将处理机分给另一用户，如此循环，每一用户可以周期性地获得CPU使用权，这样每一用户都有一种独占CPU的感觉。,图示,分时系统实现的关键问题：,及时接收：及时接收用户输入的命令或数据。 及时处理：用户能及时控制自己作业的运行或修改自己的作业。,分时系统实现的方法：,单道分时系统 具有“前台”和“后台”的分时系统 多道分时系统,分时系统的特征,多路性：同一主机联接多台终端。 独立性：每一用户独占一个终端。 及时性：用户请求能及时响应。 交互性：可人机对话。,1.2.5 实时操作系统,实时控制：如工业控制。 实时信息处理：如联网订票系统。 实时系统的特征

14、： 高响应性。 高可靠性、高安全性。批处理、分时、实时系统是三种基本的操作系统类型。一个实际的操作系统可能兼有三者或其中两者的功能。,实时任务的分类,（1）按任务执行时是否呈现周期性分： 周期性实时任务 非周期性实时任务（又分为：具有开始截止时间的实时任务；具有完成截止时间的实时任务。） （2）根据对截止时间的要求分： 硬实时任务 软实时任务,实时系统与分时系统特征的比较,1.2.6 微机操作系统,单用户单任务操作系统：CP/M（75年）、MS-DOS（81年）。 单用户多任务操作系统：OS/2（87年）、MS WINDOWS（90年windows 3.0)。 多用户多任务操作系统：UNIX（

15、70年）。,1.2.7 多处理机操作系统,多处理机系统（70年代）的类型： 紧密耦合MPS：多处理机通过高速线路互连，它们共享主存和外设。 松散耦合MPS：通过通道或通信线路实现多台计算机互连，每台计算机可独立工作，必要时通过通信线路与其它计算机交互。 多处理机操作系统的类型： 非对称多处理模式：主从模式，主处理机只有一个，配置操作系统。从处理机可有多个。 对称多处理模式：所有处理机都相同。操作系统可根据需要运行于其中的任一处理机上。,1.2.8 网络操作系统,计算机网络操作系统的模式： 客户/服务器模式（Client/Server） 网络中的各个站点可以分为两大类： 服务器：为客户提供服务如

16、文件服务、打印服务、数据库服务等 客户机：用户通过客户机访问服务器 对等模式（Peer-to-Peer） 各个站点是对等的，它既可作为客户也可作为服务,1.2.9 分布式操作系统,在以往的系统中，其处理和控制功能都高度集中在一台主机上，所有的任务都由主机处理，这样的系统称为集中式处理系统。 所谓分布式系统，是指由多个分散的处理单元经网络的连接而形成的系统。 在分布式处理系统中，系统的处理和控制功能都分散在系统的各个处理单元上。系统中的所有任务可以动态地分配到各个处理单元中去。,分布式操作系统与网络操作系统的比较,分布性：在分布式系统中只有一个分布式操作系统，而在网络系统中各个结点可以有不同的网络操作系统 并行性：分布式系统中可以将一个或多个任务动态分配到不同的单元上，在网络系统中每个用户的一个或多个任务通常都在本地处理。 透明性：分布式系统具有透明性，如用户要访问某文件，他只需要知道文件名，无需知道文件在哪个站点。对网络系统来说，用户要访问一个文件时要知道文件名及位置。,