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1、计算机操作系统计算机操作系统Computer Operating Systems 主讲：2021/6/41课程说明课程说明一一、自自从从世世界界上上第第一一台台计计算算机机ENIACENIAC于于 19461946年年问问世世以以来来，计计算算机机科科学学与与软软件件工工程程正正在在蓬蓬勃勃发发展展，其其应应用用已已深深入入社社会会生生活活的的各各个个领领域域。操操作作系系统统 (Operating (Operating System) System) 是是系系统统软软件件的的核核心心，无无论论是是计计算算机机的的研研制制生生产产单单位位，还还是是用用户户，都都十十分分重重视视O.S.O.S.
2、的研究和开发。的研究和开发。2021/6/42举例：举例：MS-DOS 从从1.0 6.0, 6.2, 6.6 版本版本windows 3.0 3.1 window 95特特别别是是对对将将来来准准备备从从事事计计算算机机应应用用开开发发、计计算算机机软软件件和和系系统统结结构构设设计计工工作作的的科科技技人人员员，O.S. O.S. 是是一一门门重重要要的的必必修修专专业业课课程程。我我们们要要加加以重视，认真学好。以重视，认真学好。2021/6/43【考查目标】【考查目标】1. 1. 了解操作系统在计算机系统中的作了解操作系统在计算机系统中的作用、地位、发展和特点。用、地位、发展和特点。2
3、. 2. 理解操作系统的基本概念、原理，理解操作系统的基本概念、原理，掌握操作系统设计方法与实现技术。掌握操作系统设计方法与实现技术。3. 3. 能够运用所学的操作系统原理、方能够运用所学的操作系统原理、方法与技术分析问题和解决问题。法与技术分析问题和解决问题。2021/6/44第第1章章 操作系统引论操作系统引论Introduction to Operating System 计算机是由硬件和软件两部分组成，计算机是由硬件和软件两部分组成，操作系统操作系统是配置是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的第一次扩在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的第一次扩充。充。它在计算机系统中占
4、据了特殊重要的地位，其他所有它在计算机系统中占据了特殊重要的地位，其他所有的软件如汇编程序、编译程序、数据库管理系统等系统软的软件如汇编程序、编译程序、数据库管理系统等系统软件以及大量的应用软件，都将依赖于操作系统的支持，取件以及大量的应用软件，都将依赖于操作系统的支持，取得它的服务。操作系统已成为从大型机直至微机都必须配得它的服务。操作系统已成为从大型机直至微机都必须配置的软件。置的软件。2021/6/45硬件：硬件：输入输入/出设备、运算器、控制器、存贮器出设备、运算器、控制器、存贮器软件：软件：系统软件：管理计算机本身的操作，并为系统软件：管理计算机本身的操作，并为应用程序提供编程环境应
5、用程序提供编程环境应用软件：直接面向用户，为之解决各类问题应用软件：直接面向用户，为之解决各类问题2021/6/46其中其中OS OS 是计算机系统中重要的系统软件，它是计算机系统中重要的系统软件，它是整个系统的控制中心，它控制和管理计算机系是整个系统的控制中心，它控制和管理计算机系统的各类资源，并为其它系统程序和应用程序提统的各类资源，并为其它系统程序和应用程序提供基本的服务。供基本的服务。2021/6/471.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用1.1.1 操作系统的目标操作系统的目标1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用1.1.3 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主
6、要动力 2021/6/481.1.1 操作系统的目标操作系统的目标1. 方便性方便性 高级语言高级语言机器代码机器代码 ；易学易用；易学易用2. 有效性有效性 提高并行程度；节省存储空间；提高并行程度；节省存储空间； 合理组织工作流程合理组织工作流程, 提高系统吞吐量。提高系统吞吐量。3. 可扩充性可扩充性 计算机硬件、体系结构、计算机网络的发展计算机硬件、体系结构、计算机网络的发展 采用层次化结构采用层次化结构4. 开放性开放性 单机环境单机环境网络环境网络环境 实现应用的可移植性和互操作性。实现应用的可移植性和互操作性。 开放性遵循世界标准规范开放性遵循世界标准规范。 2021/6/491
7、.1.2 操作系统的作用操作系统的作用1.OS1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口作为用户与计算机硬件系统之间的接口 -一般用户的观点一般用户的观点 用户用户应用程序应用程序 系统调用系统调用 命令命令 图标、窗口图标、窗口操作系统操作系统计算机硬件计算机硬件 图图1-1 OS作为接口的示意图作为接口的示意图2021/6/4101.1.2 操作系统的作用操作系统的作用2.OS2.OS作为计算机系统资源的管理者作为计算机系统资源的管理者 资源管理的角度资源管理的角度（1）处理机管理）处理机管理 processor management （2）存储器管理）存储器管理 memory manag
8、ement（3）I/O设备管理设备管理 I/O device management（4）文件管理）文件管理 file management (information)2021/6/4113.OS3.OS用作扩充机器用作扩充机器 裸机裸机+设备管理设备管理 +文件管理文件管理+窗口软件窗口软件1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用2021/6/4121.1.3 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力 1. 不断提高计算机资源利用率的需要不断提高计算机资源利用率的需要 -批处理系统批处理系统2.方便用户方便用户 -允许人机交互的分
9、时系统（多用户系统）允许人机交互的分时系统（多用户系统）3.器件的不断更新换代器件的不断更新换代 硬件性能迅速提高硬件性能迅速提高-OS功能增强功能增强4.计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展 新型计算机体系结构新型计算机体系结构-新型新型OS(多处理机多处理机OS,网络网络OS) 2021/6/4131.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程l1.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统l1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统l1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统l1.2.4 分时系统分时系统l1.2.5 实时系统实时系统 2021/6/4141.2.1 无操
10、作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统1. 人工操作方式人工操作方式(manual operation mode)l人工操作方式的两个缺点：人工操作方式的两个缺点： 1）用户独占全机。一台计算机的全部资源只）用户独占全机。一台计算机的全部资源只 能由上机能由上机用户独占。用户独占。 2）CPU等待人工操作。等待人工操作。 可见，人工操作方式严重降低了计算机资源可见，人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率，此即所谓的人工操作方式与机器利用的利用率，此即所谓的人工操作方式与机器利用率的矛盾，简称人机矛盾。率的矛盾，简称人机矛盾。2021/6/4152. 2. 脱机输入输出方式脱机输入输出方式(
11、Off-Line I/O)(Off-Line I/O)输入设备输入设备外围机外围机磁盘磁盘主机主机外围机外围机输出设备输出设备Fig1-2 脱机I/O示意图2021/6/416 脱机输入输出方式的主要优点脱机输入输出方式的主要优点： (1) 减少了减少了CPU的空闲时间的空闲时间。装带（卡）、卸带（卡）、装带（卡）、卸带（卡）、以及将数据从低速以及将数据从低速I/O设备送到高速的磁带（或盘）上，设备送到高速的磁带（或盘）上，都是都是在脱机情况下进行的，它们不占用主机时间，从而有效地减少在脱机情况下进行的，它们不占用主机时间，从而有效地减少了了CPU的空闲时间，缓和了人机矛盾。的空闲时间，缓和了
12、人机矛盾。 (2) 提高提高I/O速度速度。当。当CPU在运行中需要数据时，是在运行中需要数据时，是直接从直接从高速的磁带或磁盘上将数据调入内存的高速的磁带或磁盘上将数据调入内存的，不再是从低速，不再是从低速I/O设设备上输入，从而大大缓和了备上输入，从而大大缓和了CPU和和I/O设备速度不匹配的矛盾，设备速度不匹配的矛盾，进一步减少了进一步减少了CPU的空闲时间。的空闲时间。 2021/6/4171.2.2 单道批处理系统单道批处理系统Simple Batch Processing System 1. 处理过程处理过程 把一批作业以脱机把一批作业以脱机方式输入到磁带机上方式输入到磁带机上,在
13、系统中的监督程序控在系统中的监督程序控制下完成作业的调度制下完成作业的调度.装配装配目标程序目标程序还有下还有下一个作业一个作业把下一个作业把下一个作业的源程序转换的源程序转换为目标程序为目标程序源程序有错吗源程序有错吗开始开始否否停止停止是是否否是是图图1-3 单道批处理系统的处理流程单道批处理系统的处理流程运行运行目标程序目标程序2021/6/4182. 2. 单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征 单道批处理系统是最早出现的一种单道批处理系统是最早出现的一种OS，严格地，严格地说，它只能算作是说，它只能算作是OS的前身而非是现在人们所理解的前身而非是现在人们所理解的的OS。尽管如此，该
14、系统比起人工操作方式已有很。尽管如此，该系统比起人工操作方式已有很大的进步，在一定程度上提高了系统资源的利用率大的进步，在一定程度上提高了系统资源的利用率和系统吞吐量。该系统的主要特征如下：和系统吞吐量。该系统的主要特征如下： (1) 自动性。自动性。 (2) 顺序性。顺序性。 (3) 单道性。单道性。 2021/6/4191.2.3 多道批处理系统多道批处理系统Multi-programmed Batch System一、多道程序设计的基本概念一、多道程序设计的基本概念 用户所提交的作业都先存放在外存上并排成用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为一个队列，称为“后备队列后备队列
15、”；然后，由作业调度；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享调入内存，使它们共享CPU和系统的各种资源。和系统的各种资源。2021/6/420用户程序用户程序I/O中断请求中断请求启动启动I/O I/O完成完成I/O中断请求中断请求启动启动I/OI/O完成完成I/O操作操作监督程序监督程序结束中断结束中断结束中断结束中断 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8(a)单道程序运行情况2021/6/421图(b) 四道程序运行情况Fig 1-4 单道和多道程序运行情况 程序程序a程序程序aI/O请求请求程序程
16、序aI/O完成完成程序程序a再被调用再被调用a完成完成程序程序bI/O请求请求程序程序cI/O请求请求程序程序dI/O请求请求程序程序bI/O完成完成程序程序cI/O完成完成程序程序b程序程序b程序程序c程序程序d程序程序c程序程序d程序程序a程序程序c再被调用再被调用调度程序调度程序 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t82021/6/422在在OS中引入多道程序设计技术的中引入多道程序设计技术的好处好处有有: (1)提高提高CPU的利用率的利用率。在引入多道程序设计技术以。在引入多道程序设计技术以后，由于可同时把若干程序装入内存，并可使它们后，由于可同时把若干程序装入内存，并可使它
17、们交替地执行，这样，当正在运行的程序因交替地执行，这样，当正在运行的程序因I/O而暂而暂停执行时，系统可调度另一道程序运行，从而保持停执行时，系统可调度另一道程序运行，从而保持了了CPU处于忙碌状态。处于忙碌状态。 (2)提高内存和提高内存和I/O设备利用率设备利用率。 (3)增加系统吞吐量。增加系统吞吐量。2021/6/4232. 2. 多道批处理系统的特征多道批处理系统的特征 (1) 多道性。多道性。 (2) 无序性。无序性。 (3) 调度性。作业从提交给系统开始直至完成调度性。作业从提交给系统开始直至完成,需经需经过以下两次调度过以下两次调度:作业调度。作业调度。 这是指按一定的作业调度
18、算法，从外存的后这是指按一定的作业调度算法，从外存的后备作业中，选择若干个作业调入内存。备作业中，选择若干个作业调入内存。 进程调度。按一定的进程调度算法，从已在内存的作业进程调度。按一定的进程调度算法，从已在内存的作业中选择一个作业，将处理机分配给它，使之执行中选择一个作业，将处理机分配给它，使之执行。2021/6/4243.3.多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点(1)(1)主要优点主要优点l资源利用率高。资源利用率高。l系统吞吐量大。系统吞吐量大。(2)(2)缺点缺点l平均周转时间长。平均周转时间长。在批处理系统中，由于作业要排在批处理系统中，由于作业要排队，依次进行处理，因而作
19、业的周转时间较长，通队，依次进行处理，因而作业的周转时间较长，通常需要几个小时、甚至几天。常需要几个小时、甚至几天。l无交互能力。无交互能力。2021/6/4254. 多道批处理系统需要解决的问题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管理问题：既满足程序运行需要，又提高处理既满足程序运行需要，又提高处理机的利用率机的利用率。2.内存管理问题内存管理问题： 为程序分配必要的内存空间，各得为程序分配必要的内存空间，各得其所，防止某程序的异常而破坏其他程序。其所，防止某程序的异常而破坏其他程序。3.I/O设备管理问题设备管理问题： 既方便用户使用，又能提高设备既方便用户使用，又能提高设
20、备的利用率。的利用率。4.文件管理问题文件管理问题： 既方便用户使用，又保证数据的安全既方便用户使用，又保证数据的安全性和一致性。性和一致性。5.作业管理问题：计算型、作业管理问题：计算型、I/O型型 2021/6/426 操作系操作系统的定义：统的定义：操作系统是一组控操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源制和管理计算机硬件和软件资源, ,合理地对合理地对各类作业进行调度各类作业进行调度, ,以及方便用户使用的程以及方便用户使用的程序的集合。序的集合。2021/6/4271.2.4 分时系统分时系统(Time-Sharing System)1. 1. 分时系统的产生分时系统的产生 推动
21、分时系统的形成和发展的主要动力，是用户推动分时系统的形成和发展的主要动力，是用户的需要。具体地说，用户需要表现在以下几个方面：的需要。具体地说，用户需要表现在以下几个方面： 1. 人机交互人机交互 2. 共享主机共享主机 3. 便于用户上机（便于用户上机（ 便于用户向系统提交作业便于用户向系统提交作业.）主机终端1终端2终端n2021/6/4281.2.4 分时系统分时系统2.2.分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题 如何使用户能与自己的作业进行交互，即使如何使用户能与自己的作业进行交互，即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能
22、全部地及时接收并处理，再将结果返回给也应能全部地及时接收并处理，再将结果返回给用户。用户。2021/6/429 (1) 及时接收及时接收 配置多路卡配置多路卡,使主机可以同时接受各终端的数据。使主机可以同时接受各终端的数据。 为每个终端配置一个缓冲区，暂存用户键入的命令。为每个终端配置一个缓冲区，暂存用户键入的命令。 (2) 及时处理及时处理 作业直接进入内存，作业直接进入内存，每个作业只运行很短的时间（如每个作业只运行很短的时间（如0.1秒，时间片）秒，时间片）1.2.4 分时系统分时系统2021/6/430“ “ 时间片轮转法时间片轮转法 ” ” 怎样分享怎样分享CPUCPU？CPUt一个
23、时间一个时间tPRG1PRG2PRG1PRG2未完未完2021/6/431例例如如：若若有有n = 20个个用用户户，时时间间片片大大小小 ts = 10 毫毫秒秒，则则每每个个用用户户在在 n*ts=0.2秒秒内内至至少少能能用用ts = 10ms 的的CPU， 由由于于CPU的的速速度度比比人人在在终终端端上上指指令令的的时间快得多，则用户似乎感到时间快得多，则用户似乎感到CPU为自己独占。为自己独占。系统规定一个称之为系统规定一个称之为“ “ 时间片时间片 ” ” 的时间单位的时间单位，所有终端用户轮流享用一个时间片的所有终端用户轮流享用一个时间片的CPU。2021/6/4323. 分时
24、系统的特征(1)多路性多路性 允许在一台主机上同时连接多台联机终端，系统按分时原允许在一台主机上同时连接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。则为每个用户服务。(2)独立性独立性 每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。(3)及时性及时性 用户的请求能在很短时间内获得响应，此时间间隔是以用户的请求能在很短时间内获得响应，此时间间隔是以人们能接受的等待时间来确定的，通常为人们能接受的等待时间来确定的，通常为23秒。秒。(4)交互性交互性 用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。2021/6/4331
25、.2.5 实时系统实时系统(Real-Time System) 实时系统指系统能及时响应外部事件的请求，实时系统指系统能及时响应外部事件的请求，实时系统指系统能及时响应外部事件的请求，实时系统指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致的运行。实时任务协调一致的运行。实时任务协调一致的运行。实时任务协调一致的运行。2021/6/434 (1)实时控制实时控制l生产过程的控制生产过程的控制l武器的控制武器的控制火炮的自
26、动控制系统火炮的自动控制系统飞机的自动驾驶系统飞机的自动驾驶系统导弹的制导系统导弹的制导系统(2) 实时信息处理实时信息处理l飞机订票系统飞机订票系统l情报检索系统情报检索系统1.应用需求应用需求2021/6/4352.实时任务1) 按任务执行时是否呈现周期性来划分 (1) 周期性实时任务。周期性实时任务。 (2) 非周期性实时任务。非周期性实时任务。 任务的执行无明显的周期性任务的执行无明显的周期性,但都但都必须联系着一个截止时间必须联系着一个截止时间(deadline),它又可分为它又可分为:l 开始截止时间开始截止时间l 完成截止时间完成截止时间2) 根据对截止时间的要求来划分 (1)
27、硬实时任务硬实时任务(hard real-time task) (2) 软实时任务软实时任务(soft-real-time task)2021/6/4363.实时系统与分时系统的比较(1) 多路性多路性 实时系统也需要对多路现场信息进行采集并控制相应对象实时系统也需要对多路现场信息进行采集并控制相应对象.(2) 独立性独立性 实时系统中对各路的采集及控制同样相对独立实时系统中对各路的采集及控制同样相对独立.(3) 及时性及时性 实时系统的及时性以控制对象所要求的截止时间来确定的。实时系统的及时性以控制对象所要求的截止时间来确定的。(4) 交互性交互性 实时系统仅限于访问系统中的某些专用服务程序
28、，不提供数实时系统仅限于访问系统中的某些专用服务程序，不提供数据处理服务、资源共享服务据处理服务、资源共享服务(5) 可靠性可靠性 实时系统要求系统高度可靠实时系统要求系统高度可靠2021/6/437吞吐量：单位时间吞吐量：单位时间(1小时小时)内系统所处理的作业个数。内系统所处理的作业个数。周转时间周转时间：从作业进入系统到作业完成退出系统所用从作业进入系统到作业完成退出系统所用的时间。的时间。平均周转时间平均周转时间：同时参与系统运行的几个作业的周转同时参与系统运行的几个作业的周转时间的平均值。时间的平均值。几个概念几个概念2021/6/438习习题题：有有两两道道程程序序A、B，按按下下
29、图图以以多多道道程程序序方方式式运运行行，要要求求在在右右图图画画出出它它们们的的运运行行轨轨迹迹，并并计计算算在在60ms内内，CPU的的利利用用率率，假假设设起起始始时时首首先先运运行行B，并并允许忽略监督程序切换允许忽略监督程序切换A、B的时间。的时间。运行运行15msI/O 20ms运行运行10msI/O 10msABBAI/OI/O10ms60mstBA2021/6/439解：解：BAI/OI/O1060t203040502535452021/6/440 若在单道程序系统中，没有任何并行情况存在，若在单道程序系统中，没有任何并行情况存在，在任一特定时刻只有在任一特定时刻只有CPU或某一个设备在工作。或某一个设备在工作。2021/6/441部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
