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1、1,第2章 操作系统概述,主要内容 2.1 操作系统的目标和功能 2.2 操作系统的发展 2.3 主要的成就 2.4 现代操作系统的特征 2.5 虚拟机 2.6 针对多处理器和多核的操作系统设计考虑因素 2.7 微软Windows系统简介 2.8 传统的UNIX系统 2.9 现代UNIX系统 2.10 Linux操作系统,2,2.1 操作系统的目标和功能,操作系统是控制应用程序执行的程序，并充当应用程序和计算机硬件之间的接口。 操作系统的目标： 方便 有效 扩展能力,3,操作系统提供的服务,程序开发 程序运行 I/O设备访问 文件访问控制 系统访问 错误检测和响应 记账,4,2.1.1 作为用
2、户/计算机接口的操作系统,5,典型计算机系统中的三种重要的接口,指令系统体系结构（ISA） 定义了计算机遵循的机器语言指令系统，该接口是硬件与软件的分界线。 应用程序二进制接口（ABI） 定义了程序间二进制可移植性的标准。 应用程序编程接口（API） 允许应用程序访问系统的硬件资源和服务。,6,2.1.2 作为资源管理器的操作系统,7,2.1.3 操作系统的易扩展性,一个重要的操作系统应该能够不断发展，原因： 硬件升级和新型硬件的出现 新的服务 纠正错误 对操作系统设计的要求： 采用模块化的结构 清楚地定义模块间的接口 备有说明文档,8,2.2 操作系统的发展 2.2.1 串行处理,串行处理时
3、期（20世纪40年代到50年代中期），没有操作系统，用户必须顺序访问计算机。存在两个主要问题： 调度 准备时间,9,2.2.2 简单批处理系统,第一个操作系统（第一个批处理操作系统） 20世纪50年代中期，General Motors开发，用于IBM701 中心思想：监控程序 用户作业-计算机操作员-将作业组织成批-输入-监控程序 每个程序处理完后返回到监控程序，同时，监控程序自动加载下一个程序。 作业控制语言（JCL） 为监控程序提供指令。每个作业中的指令以JCL的基本形式给出。,10,涉及到的硬件功能 内存保护 定时器 特权指令 中断 用户态-用户程序 内核态-监控程序,11,2.2.3
4、多道批处理系统,多道程序设计（多任务处理） 内存同时保存多个程序，当一个作业需要等待I/O时，处理器可以切换到另一个不需要等待I/O的作业。 提高CPU的利用率。 需要中断技术、内存管理、进程调度等方面的支持。,12,多道程序设计例,若主存中有3道程序A、B、C，它们按A、B、C优先次序运行，各程序的计算轨迹为： A：计算（20）、I/O（30）、计算（10） B：计算（40）、I/O（20）、计算（10） C：计算（10）、I/O（30）、计算（20） 如果三道程序都使用相同设备进行I/O（即程序用串行方式使用设备，调度开销忽略不计）。试分别画出单道和多道运行的时间关系图。两种情况下，CPU
5、的平均利用率各为多少？,13,单道运行时间关系图,单道CPU利用率为(19080)19057.9,14,多道运行时间关系图（不抢占）,多道CPU利用率为(13020)13084.6,0 20 40 60 80 100 120 130,I/OCPU时间,15,多道运行时间关系图（抢占）,多道CPU利用率为(14030)14078.6,0 20 40 60 80 100 120 140,I/OCPU时间,16,2.2.4 分时系统,为什么要有分时系统? 批处理用户不能干预自己程序的运行，无法得知程序的运行情况，不利于程序调试和排错。 分时系统 允许多个联机用户同时使用一个计算机系统进行交互式计算。
6、 时钟中断，时间片技术。 分时和多道程序设计引发的新问题： 作业的相互干扰 文件系统的保护 处理资源的竞争,17,2.3 主要的成就,操作系统开发中四个重要的理论进展 进程 内存管理 信息保护和安全 调度和资源管理,18,2.3.1 进程,定义 一个正在执行的程序。 计算机中正在运行的程序的一个实例。 可以分配给处理器并由处理器执行的一个实体。 由单一顺序的执行线索、一个当前状态和一组相关的系统资源所描述的活动单元。 问题 同步 互斥 不确定的程序操作 死锁,19,组成 一段可执行的程序 程序所需要的相关数据 程序的执行上下文 进程和程序的区别 进程是动态的 程序是静态的,20,2.3.2 内
7、存管理,管理责任 进程隔离 自动分配和管理 支持模块化程序设计 保护和访问控制 长期存储 文件系统 长期存储 虚存机制 允许程序从逻辑的角度访问存储器，不用考虑物理内存上可用的空间数量。,21,2.3.3 信息保护和安全,与操作系统相关的安全和保护问题 可用性：保护系统不被打断。 保密性：保证用户不能读到未授权访问的数据。 数据完整性：保护数据不被未授权修改。 认证：涉及用户身份的正确认证和消息或数据的合法性。,22,2.3.4 调度和资源管理,资源分配和调度策略需考虑的因素： 公平性 有差别的响应性 有效性,23,2.4 现代操作系统的特征,微内核体系结构 多线程 对称多处理 分布式操作系统
8、 面向对象设计,24,2.5 虚拟机,虚拟化技术使得一个硬件平台可以同时运行多种不同操作系统或是同一种操作系统的多个版本。 商业化的虚拟机软件： VMware Microsoft 虚拟机实现方式 进程虚拟机：一个进程运行的虚拟平台，将一个平台下的操作系统及用户级指令集转换成另一个平台下对应的元素。 系统虚拟机：将一种硬件平台的ISA转换为另一种硬件平台的ISA,使得一个单一的硬件平台可以同时支持多种相互独立的客户操作系统环境。,25,2.6 针对多处理器和多核的操作系统设计考虑因素,对称多处理器计算机的操作系统设计考虑因素 并发进程或线程 调度 同步 内存管理 可靠性和容错性 多核计算机的操作
9、系统设计考虑因素 SMP系统上的所有设计问题 潜在的并行规模问题 应用层并行 虚拟机方式,26,2.7 微软Windows系统简介,MS-DOS Windows 3.0 Windows 95 Windows 98 Windows Me Windows NT 3.1 NT 4.0 Windows 2000 Windows XP Windows Vista Windows Server 2008 Windows 7 Windows Server 2008 R2 面向云计算的NT版本Windows Azure,27,2.8-2.9 UNIX系统,28,2.10 Linux操作系统,Linux是由芬兰
10、藉科学家Linus Torvalds于1991年编写完成的操作系统内核。 许多人对Linux进行改进、扩充、完善，做出 了关 键 性 贡 献。Linux由最初一个人写的原型变成在Internet上由无数志同道合的程序高手们参与的一场运动。 Linux操作系统的技术特点 自由软件 内核质量高 高度模块化 易于配置,29,作业,复习题2.1, 2.2, 2.3 补充：在单CPU和两台I/O设备（I1和I2）的多道程序设计环境下，同时投入3个作业运行。其执行轨迹如下：Job1: I2(30ms), CPU(10ms), I1(30ms),CPU(10ms), I2(20ms) Job2: I1(20ms), CPU(20ms), I2(40ms) Job3: CPU(30ms), I1(20ms), CPU(10ms), I1(10ms)设CPU, I1和I2都能并行工作，作业优先级从高到低依次为 Job1, Job2, Job3，优先级高的作业可以抢占优先级低的作业的CPU，但不可抢占I1和I2。求： （1）从作业投入到完成，CPU的利用率。 （2）I1和I2的设备利用率。,
