[工学]计算机操作系统课件

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1、计算机操作系统,南京工业大学信息学院计算机系,2,总 目 录,第1章 操作系统引论 第2章 进程管理 第3章 处理机调度与死锁 第4章 存储器管理 第5章 设备管理 第6章 文件管理 第7章 操作系统接口,3,课内上机实验,进程的创建 线程的创建 进程同步 进程通信 进程调度 银行家算法 页面置换算法的模拟 磁盘I/O 命令解释程序,【说明】以上9个上机实验，共计22学时(包括2个进阶要求的4学时)，可以选择其中的4次实验(共8学时)作为课内上机实验任务。,第1次实验(进程管理),第4次实验(操作系统接口),第3次实验,(存储器管理) (设备管理),(4选1),(2选1),(2选1),4,第1

2、章 操作系统引论,1.1 OS的目标和作用 1.2 OS的发展过程 1.3 操作系统的基本特征 1.4 操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计 第1章复习题,5,1.1.1 OS的目标,有效性 方便性 可扩展性 开放性,操作系统（Operating System , OS）是计算机硬件上的第一层软件，是计算机必须配置的最基本、最重要的系统软件。,1.1 OS的目标和作用,6,1有效性(早期OS的主要目标) 有效提高CPU和I/O设备利用率 提高的方法：合理地组织计算机的工作流程 2方便性(现在OS越来越重视方便性) 可使计算机系统更容易使用(解释之),方便性和有效性是设计OS的两个最重

3、要的目标,7,3可扩展性,计算机硬件和体系结构的发展，对OS提出了更高的功能和性能要求 计算机网络，特别是Internet的发展，也对OS提出了一系列更高的要求,为什么要有可扩充性？ 因为：,OS为了能适应发展的要求，须具有良好的可扩充性。,如何才有可扩充性？ 应采用新的OS结构，如微内核结构和客户服务器模式。,8,4开放性 为什么要有开放性？ 计算机网络，特别是LAN的迅速发展，使OS的应用环境由单机转向网络环境。为使不同厂家的计算机和设备能通过网络加以集成化，并能正确、有效地协同工作，实现应用的可移植性和互操作性，必须具有统一的开放环境，进而要求OS具有开放性。 什么是开放性？ 开放性是指

4、系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连（OSI）国际标准。,9,从用户观点看，OS是用户和计算机硬件系统之间的接口 从资源管理观点看，OS是计算机系统资源（软、硬）的管理者,1.1.2 OS的作用,1OS作为用户和计算机硬件系统的接口 2OS作为计算机资源的管理者 3OS实现了对计算机资源的抽象,操作系统的作用:,10,1.OS作为用户和计算机硬件系统的接口(用户接口),用户可以通过三种方式使用计算机：,命令方式（键盘命令） 图标、窗口方式（GUI） 系统调用方式（程序接口）,操作接口,1.1.2 OS的作用,11,计算机系统资源可归结为四类：处理器、存储器、I/O设备、信息（数据和程

5、序） OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效管理：,2. OS作为计算机资源的管理者,处理机管理：分配和控制处理机 存储器管理：主要是内存分配和回收 I/O设备管理：I/O设备的分配与操纵 文件管理：文件的存取、共享和保护,12,完全无软件的计算机裸机。 “裸机”难于使用。 裸机覆盖了一层I/O设备管理软件如图1-2所示，由它来实现对I/O设备操作的细节，并向上提供一组I/O操作命令，如Read和Write命令，用户可以利用它进行数据输入/输出，而无需关心I/O实现的细节。此时用户所看到的是一台功能显著增强、使用极为方便的的机器，它向上提供了一组抽象的I/O设备，称为扩充机或虚拟机。,3.

6、 OS实现了对计算机资源的抽象,虚拟性是OS的基本特征之一,第一层软件,第二层软件,13,为了方便用户使用文件系统，又在第一层软件上再覆盖一层用于文件的管理软件，用它来实现对文件操作的细节，并向上提供一组对文件进行存取操作的命令。第二个层次的抽象。 又在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件，用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能更强的虚拟机。 由此可知，操作系统是铺设在硬件上的多层系统软件，它们不仅增强了系统功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，由它们实现对计算机硬件的多个层次的抽象。,14,1.1.3 推动OS发展的主要动力,1不断提高计算机资源利用率。,2方便用户: 继续发

7、展的因素分时系统（或称多用户系统）,3器件的不断更新换代,4计算机体系结构的不断发展,最初发展的动力。批处理系统,8位机16位机32位机64位机(8位OS 16位OS . ),单机系统多处理机系统：单机OS多处理机OS 计算机网络：网络OS,15,1.2 OS的发展过程,20世纪50年代中期，第一个简单的批处理系统 60年代中期，多道程序批处理系统，随后出现分时系统 上世纪80年代开始至21世纪初，微型机、多处理机、计算机网络大发展年代微机OS、多处理机OS和网络OS的形成和大发展年代。,16,1.2.1 无OS的计算机系统,人工操作方式 脱机输入/输出（Off-Line I/O）方式 （20

8、世纪50年代末 ）,这一时期有两种操作方式：,17,1人工操作方式,程序员将事先已穿孔（对应于程序和数据）的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片输入机）； 再启动输入机将程序和数据输入计算机； 然后启动计算机运行。 当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。,缺点：,用户独占全机； CPU等待人工操作,18,2脱机输入/输出方式,优点：,（1）减少了CPU的空闲时间 （2）提高了I/O速度,19,1.2.2 单道批处理系统,把一批作业以脱机方式输入到磁带上； 在监督程序（Monitor）控制下使这批作业 一个接一个地连续处理。 参看下页的图1-3,它是OS的前身，而非现在人们理解的O

9、S。,1. 单道批处理系统的处理过程,20,开始,还有下一个作业？,停止,把下一个作业的源程序转换为目标程序,源程序有错吗？,装配目标程序,目标程序运行 直到结束,否,是,是,否,图1-3 单道批处理系统的处理流程,21,2. 单道批处理系统的特征,(1) 自动性,在磁带上的作业能自动地逐个地依次运行，而无需人工干预。,(2) 顺序性,(3) 单道性,磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序相同，即先调入内存的作业先完成。,在内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。,22,

10、1.2.3 多道批处理系统,多道程序设计的基本概念,20世纪60年代中期,用户提交的作业事先存放在外存上，形成“后备队列” 作业调度程序按一定算法从后备队列中选择若干作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。,好处：,（1）提高CPU利用率 （2）提高内存和I/O设备利用率 （3）增加系统吞吐量,23,多道批处理系统的特征,(1) 多道性：,多道程序在内存中并发执行。提高了资源利用率和系统吞吐量。,(2) 无序性：,先进入内存的作业可能后完成；后进入内存的作业可能先完成。,(3) 调度性：,作业从提交到完成，需经过两种调度：作业调度和进程调度。,24,多道批处理系统的优缺点：,（1）资

11、源利用率高。(CPU、内存、I/O设备利用率),（2）系统吞吐量大。,（3）周转时间长。,（4）无交互能力。,系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。,作业周转时间是指从作业进入系统（提交）开始，直至它完成并退出系统为止所经历的时间。,对修改和调试程序极不方便。,25,多道批处理系统需要解决的问题,（1）处理机管理问题(处理机分配、提高利用率) （2）内存管理问题(分配、保护等) （3）I/O设备管理问题(方便用户、提高利用率) （4）文件管理问题(方便用户、数据安全一致) （5）作业管理问题(计算型、I/O型不同处理),26,1.2.4 分时系统,分时系统是指在一台主机上连接多个带有

12、显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。,27,1. 分时系统的产生,是为了满足用户的以下需求而产生的：,（1）人-机交互 （2）共享主机 （3）便于用户上机,28,2分时系统实现中的关键问题,（1）及时接收 （2）及时处理,用户作业不能先进入磁盘，然后再调入内存 不允许一个作业长期占用处理机，直至它运行结束或出现I/O请求后，方才调度其它作业运行 应该规定每个作业只运行一个很短的时间（称为时间片）,要做到上述两条，必须彻底改变批处理系统的运行方式，即：,29,3分时系统的特征,（1）多路性：,允许一台主机上同时联接多个联机终端,（2）独立性

13、：,每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。,（3）及时性：,用户的请求能在很短时间内获得响应。,（4）交互性：,用户可通过终端与系统进行广泛的对话。,30,1.2.5 实时系统,实时系统（Real-Time System） 是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。,定义：,31,1应用需求,（1）实时控制。,飞机或火车的订票系统、情报检索系统等 。,（2）实时信息处理。,实时数据采集处理；执行机构；自动控制,32,2实时任务,在实时系统中必然存在着若干个实时任务，这些实时任务通常与某个（某些）外部设备相关，能反映或控制相应的外部

14、设备，因而带有某种程度的紧迫性。,周期性实时任务,按指定周期循环执行，以便周期性地控制某外部设备。,非周期性实时任务,外部设备发出的激励信号无明显周期性，但都必须联系着一个截止时间。,开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行 完成截止时间任务在某时间以前必须完成,分类：按执行是否周期性划分,33,分类：实时任务按对截止时间要求划分,硬实时任务,软实时任务,系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难于预测的结果。,它也联系着一个截止时间，但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响也不会太大。,34,3实时系统与分时系统特征的比较,（1）多路性：,实时系统的多路性主要表现在：系

15、统经常对多路的现场信息进行采集，以及对多个对象或多个执行机构进行控制。,（2）独立性：,实时系统中对信息的采集和对对象的控制，也都是彼此互不干扰,（3）及时性：,实时系统的及时性，是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的。一般为秒级、百毫秒级直至毫秒级，甚至有的要低于100微秒。,（4）交互性：,实时系统的交互性仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序，不象分时系统那样能向终端用户提供数据处理服务、资源共享等服务。,（5）可靠性：,实时系统要求系统高度可靠，往往采用多级容错措施来保证系统的安全性及数据的安全性。,35,1.2.6 微机操作系统的发展,1单用户单任务操作系统,CP/M

16、 上世纪70年代(8位机) MS-DOS 上世纪80年代(16位机/32位机),2单用户多任务操作系统,Windows 95 Windows 98 Windows XP Windows NT,兼容16位应用程序的32位操作系统,36,3多用户多任务操作系统,UNIX OS(AT&T的Bell实验室) Solaris OS(SUN公司) Linux OS(UNIX重要变种，芬兰学生；集体开发),37,操作系统的定义,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，以及方便用户使用的程序的集合。,无统一的定义,38,1.3 操作系统的基本特征,1.3.1 并发（Concurrence）,OS最重要的特征，其它三个特征都以并发为前提的。,并行与并发：,并行性两个或多个事件在同一时刻发生。,并发性两个或多个事件在同一时间间隔内发生。,在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一