操作系统引论（08）课件

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1、操 作 系 统 （信息08 ）,教材： 计算机操作系统（修订版） 汤子瀛 等 西安电子科技大学出版社 参考书： 张尧学,史美林. 计算机操作系统教程第二版.清华大学出版社. 孟庆昌. 操作系统教程. 西安电子科技大学出版社. 成绩评定方式： 总成绩（100分）期末考试（70）平时成绩（30） 课内教学：30学时 机动：2学时。,操作系统在计算机中的地位,操作系统是现代计算机系统中不可缺少的基本系统软件,它在整个计算机系统软件中占有中心地位。 操作系统的一个主要作用就是：对计算机系统资源进行统一的调度和管理，并为用户创造灵活方便的使用环境。 操作系统是计算机软/硬件之间的唯一接口，所有用户在使用

2、计算机时都要得到操作系统提供的服务。,为专门用途，人们设计、修改、扩充操作系统。例如操作系统汉化、中文操作系统环境、嵌入式操作系统开发。 有利于深入编程。用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道。要了解操作系统提供的人-机接口，在编程中灵活应用进程（线程）。 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法。操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他领域。 计算机的应用。 。,学习操作系统的目的,本课程内容,第一章 操作系统引论 （4学时） 第二章 进程管理 （8） 第三章 处理机调度与死锁 （4） 第四章 存储器管理 （4） 第五章 设备管理 （4） 第六章 文件管理 (4) 嵌入式操作系统讲座(2

3、) 机动：2学时,第一章 概论,计算机发展到今天，从个人计算机到巨型计算机系统，毫无例外都配置一种或多种操作系统。 什么是操作系统？ 操作系统在计算机系统中的地位？ 它具有什么样的功能？ ,1.1 操作系统的目标和作用,1. 计算机系统的组成 硬件系统（裸机）：CPU、存储器（主存、辅存）、I/O设备、I/O控制系统。 软件系统：系统软件、应用软件。,系统软件：管理计算机本身的操作。如操作系统、 编译,应用软件：提供给用户进行解题。如，科学计算、事物管理。,2. 计算机系统的层次结构,3. 操作系统的作用 操作系统是一种在计算机上运行的软件，是一组程序的集合。 它控制和管理计算机的各种硬件和软

4、件资源，并合理地对作业进行调度。是计算机的核心。,主要任务： 管理系统资源，提高计算机的各种资源的利用率（如CPU、内存、磁盘、文件等等）。 提供使用接口，提高计算机系统的可用性.,操作系统种类繁多： 小至资源开销很少的嵌入式处理器专用的操作系统, 如IC卡操作系统， 大到功能强大的巨型机所用的操作系统。,1.2 操作系统的发展过程,1. 无操作系统的计算机系统 (采用人工操作方式) 1946年50年代末. 缺点: 计算机的有效机时严重浪费,效率低.,2. 单道批处理系统 （操作系统的雏形，称为监控程序）,缺点： 内存中仅有一道作业，资源的利用率低。,3. 多道批处理系统 (操作系统发展史上革

5、命性变革) 1）“多道”程序设计技术 在内存中放多道程序, 它们在管理程序的控制下相互穿插地运行,充分利用资源，提高效率。,例： 操作系统控制用户程序A和用户程序B交替地使用CPU、外设等资源。,多道运行的特点：,内存中同时存放几道相互独立的程序。 宏观上并行 内存中的几道程序在一段时间内都处于运行过程中，(即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕)。 微观上串行 任一时刻最多只有一道程序占用CPU，多道程序交替使用CPU 。,多道的优点,资源利用率高。 系统吞吐量大。 适合大型科学计算、数据处理。,多道程序系统中要解决的技术问题? (1) 同步与互斥问题 并行运行的程序，可能既有对计算机资

6、源的竞争，又需要相互协作。因此， 同步与互斥机制成为操作系统设计中的重要问题。 (2) 提高内存的使用效率 随着多道程序的增加 内存不够用。因此， 出现了诸如覆盖、虚拟存储等内存管理技术。 (3) 内存保护 为了保证 “系统程序存储区”和”各用户程序存储区”安全可靠 ,不相互干扰，提出了内存保护的要求。,所以，多道程序的运行，要求操作系统必须具备如下的功能： 处理机管理 解决同步与互斥机制问题。 内存管理 提高内存利用率，内存保护。 I/O设备管理 合理分配I/O设备，提高其利用率。 文件管理 有效利用和管理外存空间。 作业调度管理 合理地对各类作业进行调度。,2）多道批处理系统的特点及优缺点

7、 特点： 多道性，无序性，调度性。 优点：资源利用率高，系统吞吐量大； 缺点：平均周转时间长，无交互能力。,为了解决批处理系统无法进行人机交互的问题， 又引入了分时的概念。,4. 分时系统 在一台主机上连接有多个带显示器和键盘的终端， 允许多个用户通过自己的终端以交互式方式同时使用计算机，共享主机中的资源。,怎样实现分时？,分时技术： 把处理机的运行时间分成很短的时间片（如几百毫秒），按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。 问： 若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，怎么办？,分时系统的特征： 多路性：允许同一主机联接多台终端。 宏观上并行，微观上串行。 独立性：每一用户独占一个终

8、端。 及时性：用户请求能及时响应。 交互性：可人机对话。 多用户分时操作系统是当今计算机操作系统中最普遍使用的一类操作系统。,常见的通用操作系统是分时系统与批处理系统的结合。 其原则是： 分时优先，批处理在后。“前台”响应需频繁交互的作业，如终端的要求； “后台”处理时间性要求不强的作业。 如： UNIX , Linux ，Windows NT /2000/XP,5. 实时操作系统 虽然多道批处理系统和分时系统可以获得较为令人满意的资源利用率和响应时间，但仍然不能满足某些应用领域的需求， 如： 实时控制，如：工业控制。 实时信息处理， 所以，又出现了实时操作系统。,实时任务，如： 周期性的按指

9、定周期循环执行。 非周期性的联系着一个截止时间。 （开始截止时间，或完成截止时间） 问： windows是实时操作系统吗？ linux是实时操作系统吗？ 答： 都不是。 它们属于通用型的多用户、多任务操作系统，更注重数据吞吐量而不是系统响应时间。,多道批处理、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。,常用的个人计算机操作系统 ： 单用户单任务：MS DOS 单用户多任务：OS/2, MS Windows 3.x, Windows 95, 多用户多任务：Windows NT, Windows 2000, Windows XP， UNIX, Lin

10、ux .,在过去的几十年中，随着计算机、网络技术的发展，操作系统一直处于不断发展和改进之中。 现在的操作系统： 追求功能强大、完备和可靠、界面友好和方便、 加入越来越多的功能。 随着应用领域的扩大和增加，为了适应不同的应用场合，还需要考虑系统的网络功能、灵活性、可伸缩性以及可裁减性等等。,1.2.2 操作系统的进一步发展,计算机网络是通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互连起来的，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。,1. 网络操作系统,网络操作系统的特征： (1) 计算机网络是一个互连的计算机系统的群体。 (2) 这些计算机是自治的，每台计算机有自己的操作系统

11、，各自独立工作，它们在网络协议控制下协同工作。 (3) 系统互连要通过通信设施(硬件、软件)来实现。 (4) 系统通过通信设施执行信息交换、资源共享、互操作和协作处理， 实现多种应用要求。 必须有网络操作系统的支持！ 网络操作系统的特征？,现代操作系统的主要特征之一就是具有上网功能。（支持TCP/IP协议） 如： 20世纪90年代初期的Novell公司的Netware， 现在的Windos NT/2000/XP等，均属于网络操作系统。,嵌入式系统： 隐藏在各种装置、产品和系统中的非标准形式的微型计算机系统。具有小巧、高度自动化、响应速度快等特点。 嵌入式操作系统： 是一种运行在嵌入式系统中，对

12、嵌入式系统以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。,2. 嵌入式操作系统,商品化的嵌入式操作系统： 目前，国内外已有几十种商业操作系统可供选择，如VxWorks、WindowsCE、 Neculeus 、PalmOS等等。 这些操作系统均属于商品化产品，价格昂贵且由于源泉代码不公开导致了诸如对设备的支持、应用软件的移植等一系列的问题。,嵌入式Linux： 商业化的嵌入式操作系统价格昂贵，且难以移植和源代码封闭性。 在这种需求下，嵌入式Linux以其独特的优势引起了人们的极大重视。 Linux从1991年问世到现在的短短十几年时间内，已经发展成为功能强大、

13、设计完善的操作系统之一。,所谓的嵌入式Linux，是对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几十万字节或几十亿字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统 。,嵌入式Linux以其可应用于多种硬件平台、内核高效稳定、源码开放、软件丰富、网络通信和文件管理机制完善等优良特性，成为嵌入式系统领域中的一个研究热点。 如今，业界已经达成共识：即嵌入式linux是大势所趋，有巨大的市场潜力和无限商的机。,1.3 操作系统的基本特征,现代操作系统的四大基本特征： 1 并发（Concurrence） 2 共享（Sharing） 3 虚拟（Virtual） 4 异步性（As

14、ynchronism） 三种（批处理、分时、实时）操作系统都具有上述特征。,1.4 操作系统的主要功能,从资源管理观点看，操作系统具有五大功能： 处理机管理 存储器管理 设备管理 文件管理 用户接口 其中：,1.处理机管理 即 对CPU的分配和运行进行管理。 CPU的分配和运行都是以进程(线程）为单位的，所以可归结为对进程(线程）的管理。 包括： . 进程控制 . 进程同步 . 进程通信 . 进程调度,1.处理机管理 即 对CPU的分配和运行进行管理。 CPU的分配和运行都是以进程(线程）为单位的，所以可归结为对进程(线程）的管理。 包括： . 进程控制 . 进程同步 . 进程通信 . 进程调

15、度,创建和撤消进程以及控制进程的 状态转换。,1.处理机管理 即 对CPU的分配和运行进行管理。 CPU的分配和运行都是以进程(线程）为单位的，所以可归结为对进程(线程）的管理。 包括： . 进程控制 . 进程同步 . 进程通信 . 进程调度,系统对并发执行的多个进程进行协调 有两种协调方式： 互斥和同步。,1.处理机管理 即 对CPU的分配和运行进行管理。 CPU的分配和运行都是以进程(线程）为单位的，所以可归结为对进程(线程）的管理。 包括： . 进程控制 . 进程同步 . 进程通信 . 进程调度,进程间所进行的信息交换。,1.处理机管理 即 对CPU的分配和运行进行管理。 CPU的分配和

16、运行都是以进程(线程）为单位的，所以可归结为对进程(线程）的管理。 包括： . 进程控制 . 进程同步 . 进程通信 . 进程调度,按一定算法，从进程就绪队列中选出一进程，把处理机分配给它. (当一个正在执行的进程已经完成，或因某事件而无法继续执行时，系统应进行进程调度，重新分配处理机。),2.存储器管理 主要任务: 为多道程序的并发运行提供良好环境； 提高存储器的利用率；为尽量多的用户提供足够大的存储空间。 存储器管理的功能: 内存分配 内存保护 地址映射 内存扩充,2.存储器管理 主要任务: 为多道程序的并发运行提供良好环境； 提高存储器的利用率；为尽量多的用户提供足够大的存储空间。 存储器管理的功能: 内存分配 内存保护 地址映射 内存扩充,为每道程序分配自己的内存空间,2.存储器管理 主要任务: 为多道程序的并发运行提供良好环境； 提高存储器的利用率；为尽量多的用户提供足够大的存储空间。 存储器管理的功能: 内存分配 内存保护 地址映射 内存扩充,保证各道程序都能在自己的内存空