计算机操作系统第四 汤小丹 官方

会计学1计算机操作系统第四计算机操作系统第四 汤小丹汤小丹 官方官方1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用操作系统的目标与应用环境操作系统的目标与应用环境有关。例如在查询系统中所用的有关。例如在查询系统中所用的第1页/共86页1.1.1 1.1.1 操作系统的目标操作系统的目标第2页/共86页1.1.2 1.1.2 操作系统的作用操作系统的作用1. 1. OSOS作为用户与计算机硬作为用户与计算机硬件系统之间的接口件系统之间的接口OS作为用户与计算机硬件系作为用户与计算机硬件系第3页/共86页第4页/共86页2. 2. OSOS作为计算机系统资源作为计算机系统资源的管理者的管理者在一个计算机系统中，通常在一个计算机系统中，通常都含有多种硬件和软件资源。归都含有多种硬件和软件资源。归纳起来可将这些资源分为四类：纳起来可将这些资源分为四类：处理机、存储器、处理机、存储器、I/O设备以及设备以及第5页/共86页3. 3. OSOS实现了对计算机资源实现了对计算机资源的抽象的抽象对于一台完全无软件的计算对于一台完全无软件的计算机系统机系统(即裸机即裸机)，由于它向用户，由于它向用户提供的仅是硬件接口提供的仅是硬件接口(物理接口物理接口)，因此，用户必须对物理接口的实因此，用户必须对物理接口的实现细节有充分的了解，这就致使现细节有充分的了解，这就致使第6页/共86页第7页/共86页1.1.3 1.1.3 推动操作系统发展的主推动操作系统发展的主要动力要动力1 1不断提高计算机资源利不断提高计算机资源利第8页/共86页1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程在在20世纪世纪50年代中期，出现年代中期，出现了第一个简单的批处理了第一个简单的批处理OS；60年年代中期开发出多道程序批处理系代中期开发出多道程序批处理系统；不久又推出分时系统，与此统；不久又推出分时系统，与此第9页/共86页1.2.1 1.2.1 未配置操作系统的计算未配置操作系统的计算机系统机系统1. 1. 人工操作方式人工操作方式早期的操作方式是由程序员早期的操作方式是由程序员将事先已穿孔的纸带将事先已穿孔的纸带(或卡片或卡片)，装入纸带输入机装入纸带输入机(或卡片输入机或卡片输入机)，再启动它们将纸带再启动它们将纸带(或卡片或卡片)上的上的程序和数据输入计算机，然后启程序和数据输入计算机，然后启第10页/共86页2. 2. 脱机输入脱机输入/ /输出输出(Off-(Off-Line I/O)Line I/O)方式方式为了解决人机矛盾及为了解决人机矛盾及CPU和和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，设备之间速度不匹配的矛盾，20世纪世纪50年代末出现了脱机年代末出现了脱机I/O第11页/共86页第12页/共86页1.2.2 1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统1. 1. 单道批处理系统单道批处理系统(Simple (Simple Batch Processing System)Batch Processing System)的处的处理过程理过程第13页/共86页第14页/共86页2. 2. 单道批处理系统的缺点单道批处理系统的缺点单道批处理系统最主要的缺单道批处理系统最主要的缺点是，系统中的资源得不到充分点是，系统中的资源得不到充分的利用。这是因为在内存中仅有的利用。这是因为在内存中仅有一道程序，每逢该程序在运行中一道程序，每逢该程序在运行中第15页/共86页第16页/共86页1.2.3 1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统(Multiprogrammed Batch (Multiprogrammed Batch Processing System)Processing System)1. 1. 多道程序设计的基本概多道程序设计的基本概第17页/共86页第18页/共86页2. 2. 多道批处理系统的优缺多道批处理系统的优缺点点多道批处理系统的优缺点如多道批处理系统的优缺点如下：下：(1) 资源利用率高。引入多资源利用率高。引入多道批处理能使多道程序交替运行，道批处理能使多道程序交替运行，以保持以保持CPU处于忙碌状态；在内处于忙碌状态；在内小。小。第19页/共86页(3) 平均周转时间长。由于平均周转时间长。由于作业要排队依次进行处理，因而作业要排队依次进行处理，因而作业的周转时间较长，通常需几作业的周转时间较长，通常需几第20页/共86页3. 3. 多道批处理系统需要解多道批处理系统需要解决的问题决的问题多道批处理系统是一种十分多道批处理系统是一种十分有效，但又非常复杂的系统，为有效，但又非常复杂的系统，为使系统中的多道程序间能协调地使系统中的多道程序间能协调地运行，系统必须解决下述一系列运行，系统必须解决下述一系列问题：问题：(1) 处理机争用问题。既要处理机争用问题。既要能满足各道程序运行的需要，又能满足各道程序运行的需要，又用户对设备的使用，又能提高设用户对设备的使用，又能提高设备利用率的目的。备利用率的目的。第21页/共86页(4) 文件的组织和管理问题。文件的组织和管理问题。系统应能有效地组织存放在系统系统应能有效地组织存放在系统中的大量的程序和数据，使它们中的大量的程序和数据，使它们既便于用户使用，又能保证数据既便于用户使用，又能保证数据的安全性。的安全性。(5) 作业管理问题。系统中作业管理问题。系统中第22页/共86页1.2.4 1.2.4 分时系统分时系统(Time Sharing (Time Sharing System) System) 1. 1. 分时系统的引入分时系统的引入如果说推动多道批处理系统如果说推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提高资形成和发展的主要动力是提高资第23页/共86页2. 2. 分时系统实现中的关键分时系统实现中的关键问题问题在多道批处理系统中，用户在多道批处理系统中，用户无法与自己的作业进行交互的主无法与自己的作业进行交互的主第24页/共86页3. 3. 分时系统的特征分时系统的特征分时系统与多道批处理系统分时系统与多道批处理系统相比，具有非常明显的不同特性，相比，具有非常明显的不同特性，第25页/共86页1.2.5 1.2.5 实时系统实时系统(Real Time (Real Time System) System) 1. 1. 实时系统的类型实时系统的类型随着计算机应用的普及，实随着计算机应用的普及，实第26页/共86页2. 2. 实时任务的类型实时任务的类型第27页/共86页3. 3. 实时系统与分时系统特实时系统与分时系统特征的比较征的比较第28页/共86页1.2.6 1.2.6 微机操作系统的发展微机操作系统的发展第29页/共86页2. 2. 单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统的含单用户多任务操作系统的含第30页/共86页3. 3. 多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统的含多用户多任务操作系统的含义是，允许多个用户通过各自的义是，允许多个用户通过各自的终端，使用同一台机器，共享主终端，使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用机系统中的各种资源，而每个用第31页/共86页1.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性前面所介绍的多道批处理系前面所介绍的多道批处理系统、分时系统和实时系统这三种统、分时系统和实时系统这三种第32页/共86页1.3.1 1.3.1 并发并发(Concurrence) (Concurrence) 正是系统中的程序能并发执正是系统中的程序能并发执行这一特征，才使得行这一特征，才使得OS能有效地能有效地提高系统中的资源利用率，增加提高系统中的资源利用率，增加第33页/共86页2. 2. 引入进程引入进程在一个未引入进程的系统中，在一个未引入进程的系统中，在属于同一个应用程序的计算程在属于同一个应用程序的计算程序和序和I/O程序之间只能是顺序执程序之间只能是顺序执行，即只有在计算程序执行告一行，即只有在计算程序执行告一段落后，才允许段落后，才允许I/O程序执行；程序执行；系统的吞吐量。系统的吞吐量。第34页/共86页1.3.2 1.3.2 共享共享(Sharing)(Sharing)一般情况下的共享与操作系一般情况下的共享与操作系统环境下的共享其含义并不完全统环境下的共享其含义并不完全相同。相同。第35页/共86页2. 2. 同时访问方式同时访问方式系统中还有另一类资源，允系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程许在一段时间内由多个进程“同同时时”对它们进行访问。这里所谓对它们进行访问。这里所谓的的“同时同时”，在单处理机环境下，在单处理机环境下第36页/共86页1.3.3 1.3.3 虚拟虚拟(Virtual) (Virtual) 第37页/共86页2. 2. 空分复用技术空分复用技术20世纪初，电信业世纪初，电信业中就已使用频分复用技中就已使用频分复用技术来提高信道的利用率。术来提高信道的利用率。也把空分复用技术用于也把空分复用技术用于对存储空间的管理，用对存储空间的管理，用以提高存储空间的利用以提高存储空间的利用率。率。第38页/共86页1.3.4 1.3.4 异步异步(Asynchronism) (Asynchronism) 在多道程序环境下，系统允在多道程序环境下，系统允许多个进程并发执行。在单处理许多个进程并发执行。在单处理机环境下，由于系统中只有一台机环境下，由于系统中只有一台处理机，因而每次只允许一个进处理机，因而每次只允许一个进程执行，其余进程只能等待。当程执行，其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源要正在执行的进程提出某种资源要第39页/共86页1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能引入引入OS的主要目的是，为多的主要目的是，为多道程序的运行提供良好的运行环道程序的运行提供良好的运行环境，以保证多道程序能有条不紊境，以保证多道程序能有条不紊第40页/共86页1.4.1 1.4.1 处理机管理功能处理机管理功能1. 1. 进程控制进程控制第41页/共86页1.4.2 1.4.2 存储器管理功能存储器管理功能1. 1. 内存分配内存分配内存分配的主要任务是：内存分配的主要任务是：(1) 为每道程序分配内存空为每道程序分配内存空“”第42页/共86页OS在实现内存分配时，可采在实现内存分配时，可采取静态和动态两种方式：取静态和动态两种方式：(1) 静态分配方式。每个作静态分配方式。每个作业的内存空间是在作业装入时确业的内存空间是在作业装入时确定的，在作业装入后的整个运行定的，在作业装入后的整个运行期间不允许该作业再申请新的内期间不允许该作业再申请新的内“移动移动”。第43页/共86页2. 2. 内存保护内存保护内存保护的主要任务是：内存保护的主要任务是：确保每道用户程序都仅在自己的确保每道用户程序都仅在自己的第44页/共86页3. 3. 地址映射地址映射在多道程序环境下，由于每在多道程序环境下，由于每道程序经编译和链接后所形成的道程序经编译和链接后所形成的可装入程序其地址都是从可装入程序其地址都是从0开始开始的，但不可能将它们从的，但不可能将它们从“0”地址地址第45页/共86页4. 4. 内存扩充内存扩充内存扩充并非是从物理上去内存扩充并非是从物理上去扩大内存的容量，而是借助于虚扩大内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容容量，使用户所感觉到的内存容第46页/共86页1.4.3 1.4.3 设备管理功能设备管理功能设备管理的主要任务如下：设备管理的主要任务如下：(1) 完成用户进程提出的完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配所需的请求，为用户进程分配所需的I/O设备，并完成指定的设备，并完成指定的I/O操操作。作。第47页/共86页1.4.4 1.4.4 文件管理功能文件管理功能1. 1. 文件存储空间的管理文件存储空间的管理第48页/共86页1.4.51.4.5操作系统与用户之间的操作系统与用户之间的接口接口第49页/共86页2. 2. 程序接口程序接口程序接口是为用户程序在执程序接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的唯用户程序取得操作系统服务的唯一途径。它是由一组系统调用组一途径。它是由一组系统调用组第50页/共86页1.4.61.4.6现代操作系统的新功能现代操作系统的新功能现代操作系统是在传统操作现代操作系统是在传统操作系统基础上发展起来的，它除了系统基础上发展起来的，它除了具有传统操作系统的功能外，还具有传统操作系统的功能外，还第51页/共86页2. 2. 网络的功能和服务网络的功能和服务第52页/共86页3. 3. 支持多媒体支持多媒体第53页/共86页1.5 OS1.5 OS结构设计结构设计早期早期OS的规模很小，如只有的规模很小，如只有几十几十KB，完全可以由一个人以，完全可以由一个人以手工方式，用几个月的时间编制手工方式，用几个月的时间编制出来。此时，编制程序基本上是出来。此时，编制程序基本上是一种技巧，一种技巧，OS是否是有结构的并是否是有结构的并产生了产生了“软件工程学软件工程学”。第54页/共86页1.5.1 1.5.1 传统操作系统结构传统操作系统结构1. 1. 无结构操作系统无结构操作系统在早期开发操作系统时，设在早期开发操作系统时，设计者只是把他的注意力放在功能计者只是把他的注意力放在功能的实现和获得高的效率上，缺乏的实现和获得高的效率上，缺乏第55页/共86页2. 2. 模块化结构模块化结构OSOS1) 模块化程序设计技术的基模块化程序设计技术的基本概念本概念模块化程序设计技术是模块化程序设计技术是20世世纪纪60年代出现的一种结构化程序年代出现的一种结构化程序设计技术。该技术基于设计技术。该技术基于“分解分解”第56页/共86页第57页/共86页2) 模块独立性模块独立性在模块在模块-接口法中，关键问题接口法中，关键问题是模块的划分和规定好模块之间是模块的划分和规定好模块之间的接口。如果我们在划分模块时的接口。如果我们在划分模块时第58页/共86页3) 模块接口法的优缺点模块接口法的优缺点利用模块利用模块-接口法开发的接口法开发的OS，较之无结构较之无结构OS具有以下明显的优具有以下明显的优第59页/共86页模块化结构设计仍存在下述模块化结构设计仍存在下述问题：问题：(1) 在在OS设计时，对各模块设计时，对各模块间的接口规定很难满足在模块设间的接口规定很难满足在模块设计完成后对接口的实际需求。计完成后对接口的实际需求。(2) 在在OS设计阶段，设计者设计阶段，设计者必须做出一系列的决定必须做出一系列的决定(决策决策)，-为为“无序模块法无序模块法”。第60页/共86页3. 3. 分层式结构分层式结构OSOS1) 分层式结构的基本概念分层式结构的基本概念为了将模块为了将模块-接口法中接口法中“决定决定顺序顺序”的无序性变为有序性，引的无序性变为有序性，引入了有序分层法，分层法的设计入了有序分层法，分层法的设计第61页/共86页2) 分层结构的优缺点分层结构的优缺点分层结构的主要优点有：分层结构的主要优点有：(1) 易保证系统的正确性。易保证系统的正确性。(2) 易扩充和易维护性。易扩充和易维护性。第62页/共86页1.5.2 1.5.2 客户客户/ /服务器模式服务器模式(Client/Server Model) (Client/Server Model) 简介简介1. 1. 客户客户/ /服务器模式的由来、服务器模式的由来、第63页/共86页2. 2. 客户客户/ /服务器之间的交互服务器之间的交互第64页/共86页3. 3. 客户客户/ /服务器模式的优点服务器模式的优点第65页/共86页1.5.3 1.5.3 面向对象的程面向对象的程80快流行起来的。快流行起来的。第66页/共86页1) 对象对象在面向对象的技术中，是利在面向对象的技术中，是利用被封装的数据结构用被封装的数据结构(变量变量)和一和一组对它进行操作的过程组对它进行操作的过程(方法方法)来来表示系统中的某个对象的，如图表示系统中的某个对象的，如图1-8所示。对象中的变量所示。对象中的变量(数据数据)也也称为属性，它可以是单个标量或称为属性，它可以是单个标量或第67页/共86页第68页/共86页第69页/共86页2) 对象类对象类在实践中，有许多对象可能在实践中，有许多对象可能表示的是同一类事物，每个对象表示的是同一类事物，每个对象具有自己的变量集合，而它们所具有自己的变量集合，而它们所具有的方法是相同的。如果为每具有的方法是相同的。如果为每一个相似的对象都定义一组变量一个相似的对象都定义一组变量和方法，显然是低效的，由此产和方法，显然是低效的，由此产值。值。第70页/共86页3) 继承继承在面向对象的技术中，可以在面向对象的技术中，可以第71页/共86页第72页/共86页2. 2. 面向对象技术的优点面向对象技术的优点在操作系统设计时，将计算在操作系统设计时，将计算机中的实体作为对象来处理，可机中的实体作为对象来处理，可带来如下好处：带来如下好处：第73页/共86页1.5.41.5.4微内核微内核OSOS结构结构1. 1. 微内核操作系统的基本微内核操作系统的基本概念概念1) 足够小的内核足够小的内核在微内核操作系统中，内核在微内核操作系统中，内核是指精心设计的、能实现现代是指精心设计的、能实现现代OS第74页/共86页2) 基于客户基于客户/服务器模式服务器模式由于客户由于客户/服务器模式具有服务器模式具有非常多的优点，故在单机微内核非常多的优点，故在单机微内核操作系统中几乎无一例外地都采操作系统中几乎无一例外地都采用客户用客户/服务器模式，将操作系服务器模式，将操作系统中最基本的部分放入内核中，统中最基本的部分放入内核中，而把操作系统的绝大部分功能都而把操作系统的绝大部分功能都放在微内核外面的一组服务器放在微内核外面的一组服务器第75页/共86页第76页/共86页3) 应用应用“机制与策略分离机制与策略分离”原理原理在现在操作系统的结构设计在现在操作系统的结构设计中，经常利用中，经常利用“机制与策略分离机制与策略分离”第77页/共86页4) 采用面向对象技术采用面向对象技术操作系统是一个极其复杂的操作系统是一个极其复杂的大型软件系统，我们不仅可以通大型软件系统，我们不仅可以通过结构设计来分解操作系统的复过结构设计来分解操作系统的复杂度，还可以基于面向对象技术杂度，还可以基于面向对象技术中的中的“抽象抽象”和和“隐蔽隐蔽”原则控原则控第78页/共86页2. 2. 微内核的基本功能微内核的基本功能微内核应具有哪些功能，或微内核应具有哪些功能，或者说哪些功能应放在微内核内，者说哪些功能应放在微内核内，哪些应放在微内核外，目前尚无哪些应放在微内核外，目前尚无明确的规定。现在一般都采用明确的规定。现在一般都采用第79页/共86页3. 3. 微内核操作系统的优点微内核操作系统的优点由于微内核由于微内核OS结构是建立在结构是建立在模块化、层次化结构的基础上的，模块化、层次化结构的基础上的，并采用了客户并采用了客户/服务器模式和面服务器模式和面向对象的程序设计技术，因此，向对象的程序设计技术，因此，第80页/共86页4. 4. 微内核操作系统存在的微内核操作系统存在的问题问题应当指出，在微内核操作系应当指出，在微内核操作系统中，由于采用了非常小的内核，统中，由于采用了非常小的内核，客户客户/服务器模式和消息传递机服务器模式和消息传递机制虽给微内核操作系统带来了许制虽给微内核操作系统带来了许多优点，但由此也使微内核多优点，但由此也使微内核OS存存器还需要磁盘服务器的帮助，这器还需要磁盘服务器的帮助，这时就需要进行时就需要进行8次上下文的切换。次上下文的切换。第81页/共86页第82页/共86页习习题题 1. 设计现代设计现代OS的主要目标是的主要目标是什么什么? 2. OS的作用可表现在哪几的作用可表现在哪几个方面个方面? 第83页/共86页8. 为什么要引入实时操作系为什么要引入实时操作系统统? 9. 什么是硬实时任务和软实什么是硬实时任务和软实时任务时任务? 试举例说明。试举例说明。10. 试从交互性、及时性以试从交互性、及时性以及可靠性方面将分时系统与实时及可靠性方面将分时系统与实时系统进行比较。系统进行比较。11. OS有哪几大特征有哪几大特征? 其最其最基本的特征是什么基本的特征是什么? 12. 在多道程序技术的在多道程序技术的OS环环功能功能? 其主要任务是什么其主要任务是什么? 16. 内存管理有哪些主要功内存管理有哪些主要功能能? 其主要任务是什么其主要任务是什么? 第84页/共86页17. 设备管理有哪些主要功设备管理有哪些主要功能能? 其主要任务是什么其主要任务是什么? 18. 文件管理有哪些主要功文件管理有哪些主要功能能? 其主要任务是什么其主要任务是什么? 19. 试说明推动传统试说明推动传统OS演变演变为现代为现代OS的主要因素是什么的主要因素是什么? 20. 什么是微内核什么是微内核OS? 第85页/共86页