操作系统概述课件

操作系操作系统概述概述1 1 1计算机硬件系统计算机硬件系统2 2 2系统初启一般过程系统初启一般过程3 3 3什么是操作系统什么是操作系统4 4 4操作系统的目标和地位操作系统的目标和地位1.1 操作系统的概念5 5 5操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务2021/2/421.1.1 计算机硬件结构计算机硬件结构计算机系统是由硬件和软件组成的是由硬件和软件组成的 硬件硬件是指计算机物理装置本身。是指计算机物理装置本身。是软件建立是软件建立与活动的基础与活动的基础 简言之，简言之，软件软件是计算机执行的程序。是计算机执行的程序。是对硬是对硬件件进行管理和功能扩充 2021/2/431.1.1 计算机硬件结构计算机硬件结构-体系体系2021/2/44 指令是控制计算机执行某种操作（如加、减、指令是控制计算机执行某种操作（如加、减、传送、转移等）的命令。传送、转移等）的命令。特权指令特权指令是一类具有特殊权限的指令，只用是一类具有特殊权限的指令，只用于操作系统或其他系统软件，普通用户不能于操作系统或其他系统软件，普通用户不能直接使用。直接使用。非特权指令非特权指令也称为用户指令或普通指令，是也称为用户指令或普通指令，是普通用户能够直接使用的指令。这是指令集普通用户能够直接使用的指令。这是指令集中除特权指令外的所有指令。中除特权指令外的所有指令。1.1.1 计算机硬件结构计算机硬件结构-指令指令2021/2/45 CPU的两种运行模式：的两种运行模式：内核态（又称核心（又称核心态、系统态、管态）和态、系统态、管态）和用户态（又称目态）（又称目态）用户态用户态是运行用户程序，权限较低，只能执是运行用户程序，权限较低，只能执行非特权指令。行非特权指令。核心态核心态运行操作系统的程序，权限较高，可运行操作系统的程序，权限较高，可执行全部指令包括特权指令。执行全部指令包括特权指令。1.1.1 计算机硬件结构计算机硬件结构-CPU工作模式工作模式2021/2/461.1.2 系统初启一般过程系统初启一般过程 硬件检测：执行ROM-BIOS 执行加电自检程序：启动硬件并进行诊断检测执行加电自检程序：启动硬件并进行诊断检测 按设定的启动顺序搜索驱动器读入引导区程序按设定的启动顺序搜索驱动器读入引导区程序 将系统控制权交给引导装入程序将系统控制权交给引导装入程序加载引导程序 引导区程序找到活动分区，从该区中加载引导程序引导区程序找到活动分区，从该区中加载引导程序运行系统引导程序，从硬盘中读入程序，加载内核运行系统引导程序，从硬盘中读入程序，加载内核系统转到系统转到setup程序并执行，设置系统参数和显示信程序并执行，设置系统参数和显示信息息进入保护模式，执行内核初始化进入保护模式，执行内核初始化2021/2/471.1.2 系统初启一般过程系统初启一般过程 初始化内核 CPU本身的初始化（内核）本身的初始化（内核）基础设施的初始化（内存）基础设施的初始化（内存）上层部分的初始化（设备与文件）上层部分的初始化（设备与文件）用户登录 init程序创建程序创建login进程进程 login进程接受账号和密码。进程接受账号和密码。2021/2/48操作系统隐蔽了硬件特性，进行了抽象处理，为用户提供了一台等价的扩充机器（虚拟机）。抽象是管理复杂事物的一个关键虚拟机：在裸机上覆盖了软件、功能变得更加强大的机器。一、操作系统作为扩展机器（虚拟机）1.1.3 什么是什么是操作系统操作系统2021/2/49监视各种资源，随时记录它们的状态监视各种资源，随时记录它们的状态 实施某种策略以决定谁获得资源，何时获得，获得多实施某种策略以决定谁获得资源，何时获得，获得多少；少；分配资源供需求者使用；分配资源供需求者使用；回收资源，以便再分配。回收资源，以便再分配。u 处理机管理（分配、控制）处理机管理（分配、控制）u 存储器管理（内存的分配、回收）存储器管理（内存的分配、回收）u I/O I/O设备管理（分配、操纵）设备管理（分配、操纵）u 文件管理（存取、共享、保护）文件管理（存取、共享、保护）二、二、OS作为资源管理器作为资源管理器1.1.3 什么是什么是操作系统操作系统2021/2/410OSOS是用户与计算机硬件系统之间的接口（注：软件接是用户与计算机硬件系统之间的接口（注：软件接口）。即口）。即OSOS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过过OSOS来使用计算机系统。来使用计算机系统。n 接口类型：接口类型：u命令方式，如命令方式，如DOSDOSu系统调用方式系统调用方式u图形窗口方式，如图形窗口方式，如WindowsWindows，UNIXUNIX，LinuxLinux三、三、OS的用户观点系统观点的用户观点系统观点1.1.3 什么是什么是操作系统操作系统2021/2/411OSOS系统观点是从系统内部实现的角度看，是硬件上的系统观点是从系统内部实现的角度看，是硬件上的第一层软件第一层软件n 类型：类型：u资源分配者资源分配者u控制程序：设备、用户程序控制程序：设备、用户程序三、三、OS的用户观点系统观点的用户观点系统观点1.1.3 什么是什么是操作系统操作系统2021/2/412定义：定义：操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件和软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件（或程序集合），是用户与计算机之间的接口。（或程序集合），是用户与计算机之间的接口。n 理解：理解：操作系统是软件，而且是系统软件操作系统是软件，而且是系统软件它的基本职能是控制和管理系统内各种资源，它的基本职能是控制和管理系统内各种资源，有效地组织多道程序的运行。有效地组织多道程序的运行。它提供众多服务，方便用户使用，扩充硬件功它提供众多服务，方便用户使用，扩充硬件功能控制程序：设备、用户程序能控制程序：设备、用户程序四、四、操作系统的定义与理解操作系统的定义与理解1.1.3什么是什么是操作系统操作系统2021/2/413一、一、OSOS的目标的目标n 方便性方便性(Convenience)：用户可用：用户可用OS提供的命令而提供的命令而不只是机器代码（不只是机器代码（0、1）来使用计算机系统。）来使用计算机系统。n 有效性有效性(Efficiency)：OSOS可使各类资源更高效地被利可使各类资源更高效地被利用。合理组织工作流程，提高资源利用率，增大吞用。合理组织工作流程，提高资源利用率，增大吞吐量。吐量。n 安全性安全性：OSOS应保护信息不被未授权用户访问。应保护信息不被未授权用户访问。n 开放性开放性(Openness)：不同硬件系统的协同工作；：不同硬件系统的协同工作；应用软件的可移植性和互操作性。应用软件的可移植性和互操作性。n鲁棒性鲁棒性(Robust)(Robust)：操作系统的强健性，不死机不操作系统的强健性，不死机不崩溃。崩溃。1.1.4 操作系统的目标和地位操作系统的目标和地位2021/2/414二、二、OSOS的地位的地位1.1.4 操作系统的目标和地位操作系统的目标和地位 计算机系统的层次关系计算机系统的层次关系2021/2/415二、二、OSOS的地位的地位n 软硬件关系软硬件关系：硬件是软件建立与活动的基础，：硬件是软件建立与活动的基础，而软件是对硬件进行管理和功能扩充而软件是对硬件进行管理和功能扩充n 重要性重要性OSOS对硬件资源进行直接管理控制依赖硬件平台；对硬件资源进行直接管理控制依赖硬件平台；所有软件建立在所有软件建立在OSOS之上，具有支配，构建软件之上，具有支配，构建软件台台 。1.1.4 操作系统的目标和地位操作系统的目标和地位2021/2/416二、二、OSOS的地位的地位n三类软件三类软件：系统软件系统软件对计算机系统的资源进行控制、管理，对计算机系统的资源进行控制、管理，并为用户的使用和其他程序的运行提供服务。并为用户的使用和其他程序的运行提供服务。应用软件应用软件是为解决某一类应用需要或某个特定问是为解决某一类应用需要或某个特定问题而设计的程序。题而设计的程序。支撑软件支撑软件是辅助软件技术人员从事软件开发工作是辅助软件技术人员从事软件开发工作的软件。的软件。1.1.4 操作系统的目标和地位操作系统的目标和地位2021/2/417一、操作系统特征-并发(Concurrence)并行性是指两个或多个事件在同同一一时时刻刻发生。并发性是指两个或多个事件在同同一一时时间间隔间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性指在宏观上在一段时间多道程序同时运行。但在单处理机系统中，每一时刻仅能执行一道程序，故微观上这些程序是交替执行的。程序不能并发执行，操作系统中引入了进程（线程）的概念。1.1.5 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务2021/2/418一、操作系统特征-共享(Sharing)n共享指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用.资源共享方式有两种：1）互斥共享方式：如打印机，磁带机一类的资源，一段时间内只允许一个进程访问，当一个进程正在访问时，另一个进程必须等待，我们把这类资源称为临界资源。2）同时访问方式：如磁盘，重入码编写的文件一类的资源则允许在同一时间有多个进程同时访问。这里的“同时”往往是宏观上的，而微观上，这些进程可能是交替的对该资源进行访问。并发和共享是操作系统两个最基本的特征，互为条件。1.1.5 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务2021/2/419一、操作系统特征-虚拟(virtual)CPU每个用户（进程）的虚处理机存储器每个进程都占有的地址空间（指令数据堆栈）I/O设备多台逻辑I/O设备一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体分一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体分时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的重时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。要手段，可提高资源利用率。若若若若n n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的1/n1/n。1.1.5 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务2021/2/420一、操作系统特征-异步性(asynchronism)也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间的不确定性；进程的运行速度不可预知：多道程序环境中，多个进程并发执行，“时走时停”，不可预知每个进程的运行推进快慢，难以重现系统在某个时刻的状态。判据：无论快慢，应该结果相同通过进程互斥和同步手段来保证。1.1.5 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务2021/2/421一、操作系统特征-抽象抽象是把复杂事情简单化的有效方式抽象是把复杂事情简单化的有效方式抽象的定义或实现，利用抽象解决问题进程的抽象的定义或实现，利用抽象解决问题进程的运行速度不可预知：多道程序环境中。运行速度不可预知：多道程序环境中。实例：实例：CPU与进程，物理内存与虚拟内存，磁与进程，物理内存与虚拟内存，磁盘与文件盘与文件1.1.5 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务2021/2/422二、操作系统服务-项目程序执行：加载，终止程序执行：加载，终止I/O操作：文件读写和设备驱动操作：文件读写和设备驱动文件系统管理文件系统管理：建立保存读写删除：建立保存读写删除出错检测：检测及对策出错检测：检测及对策通信：信息交换通信：信息交换-内存，消息内存，消息资源分配：管理申请释放资源分配：管理申请释放统计：使用情况（用户对资源）统计：使用情况（用户对资源）保护：保护：1.1.5 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务2021/2/423二、操作系统服务-方式系统调用系统调用 系统调用是操作系统提供的、与用户程序之间的系统调用是操作系统提供的、与用户程序之间的接口，也就是操作系统提供给程序员的接口。接口，也就是操作系统提供给程序员的接口。它一般位于操作系统核心的最高层。它一般位于操作系统核心的最高层。从感觉上系统调用类似于过程调用，都由程序从感觉上系统调用类似于过程调用，都由程序代码构成，使用方式相同代码构成，使用方式相同调用时传送参数。调用时传送参数。两者有两者有实质差别实质差别：过程调用只能在用户态下运行，：过程调用只能在用户态下运行，不能进入核心态；而系统调用可以实现从用户态到不能进入核心态；而系统调用可以实现从用户态到核心态的转变。核心态的转变。系统调用可分为系统调用可分为5 5个类别：进程控制、文件管理、设个类别：进程控制、文件管理、设备管理、信息维护和通信。备管理、信息维护和通信。1.1.5 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务2021/2/424二、操作系统服务-方式系统程序系统程序 它们解决带共性的问题，并为程序的开发和它们解决带共性的问题，并为程序的开发和执行提供更方便的环境。执行提供更方便的环境。系统程序系统程序不是操作系统的组成部分操作系统的组成部分最重要的系统程序就是最重要的系统程序就是命令解释程序命令解释程序。1.1.5 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务2021/2/4251 1 1处理机管理处理机管理2 2 2存储器管理存储器管理3 3 3设备管理设备管理4 4 4文件管理文件管理1.2 操作系统的主要功能5 5 5用户接口用户接口2021/2/4261.2.1处理机管理处理机管理 完成完成处理机资源的分配、调度处理机资源的分配、调度等功能。处理机调等功能。处理机调度的单位可为度的单位可为进程进程或或线程线程。进程控制进程控制：创建、撤消、状态转换。常利用若干条：创建、撤消、状态转换。常利用若干条进程控制进程控制原语原语或系统调用来实现。或系统调用来实现。进程同步进程同步：多进程运行的协调。有互斥方式和同步：多进程运行的协调。有互斥方式和同步方式两种。进程同步机制。方式两种。进程同步机制。进程通信进程通信：相互合作的多进程之间的信息交换。有：相互合作的多进程之间的信息交换。有直接通信方式、间接通信方式。直接通信方式、间接通信方式。进程调度进程调度：作业调度、进程调度。：作业调度、进程调度。2021/2/4271.2.2存储器管理存储器管理 管理目标：为实现多道程序运行、方便用户使管理目标：为实现多道程序运行、方便用户使用、提高内存利用率、逻辑扩充内存用、提高内存利用率、逻辑扩充内存。内存分配、回收：内存分配、回收：静态分配、动态分配静态分配、动态分配 内存保护：内存保护：用户程序只能在自己的内存空间中运用户程序只能在自己的内存空间中运行。界限寄存器、越界检查。行。界限寄存器、越界检查。地址映射地址映射：将：将地址空间地址空间中的逻辑地址转换为中的逻辑地址转换为内存内存空间空间中与之对应的物理地址。中与之对应的物理地址。内存扩充内存扩充：使用虚拟存储技术在逻辑上扩充内存。：使用虚拟存储技术在逻辑上扩充内存。请求调入（不一次装入内存，用到时发请求再调入）请求调入（不一次装入内存，用到时发请求再调入）、置换（内存不足时，将用不到的调出）、置换（内存不足时，将用不到的调出）2021/2/4281.2.3设备管理设备管理管理目标：完成管理目标：完成I/OI/O请求，为用户分配请求，为用户分配I/O I/O；提高；提高CPUCPU和和I/OI/O设备的利用率；提高设备的利用率；提高I/OI/O速度；方便用户使用速度；方便用户使用I/OI/O设备。设备。缓冲管理：在内存中设置缓冲区，以缓合缓冲管理：在内存中设置缓冲区，以缓合CPU和和I/O速度不匹配的矛盾。速度不匹配的矛盾。设备分配：分配设备（控制器、通道）；安全性设备分配：分配设备（控制器、通道）；安全性 设备处理：设备驱动，实现设备处理：设备驱动，实现CPU和设备控制器之间和设备控制器之间的通信。的通信。设备独立性和虚拟设备：设备独立性指用户程序独设备独立性和虚拟设备：设备独立性指用户程序独立于物理设备；虚拟设备指把一个物理设备变换为多立于物理设备；虚拟设备指把一个物理设备变换为多个对应的逻辑设备。以实现共享，提高利用率。个对应的逻辑设备。以实现共享，提高利用率。2021/2/4291.2.4文件管理文件管理管理目标：程序和数据是以文件的形式存储在磁盘上。管理目标：程序和数据是以文件的形式存储在磁盘上。OSOS要对用户文件和系统文件进行管理，方便用户使用，要对用户文件和系统文件进行管理，方便用户使用，保证文件的安全。保证文件的安全。文件存储空间的管理文件存储空间的管理：外存的分配、回收：外存的分配、回收 目录管理目录管理：为每个文件建立一个目录项。实现按名：为每个文件建立一个目录项。实现按名存取、文件共享、快速查询。存取、文件共享、快速查询。文件的读、写管理和存取控制文件的读、写管理和存取控制：从外存中读取数据：从外存中读取数据或将数据写入外存。存取控制指对文件实行保护。或将数据写入外存。存取控制指对文件实行保护。防止未经核准用户存取文件、防止冒名顶替存取文防止未经核准用户存取文件、防止冒名顶替存取文件、防止以不正确的方式使用文件。可通过设置用件、防止以不正确的方式使用文件。可通过设置用户口令、规定用户权限、设定文件属性等方法实现。户口令、规定用户权限、设定文件属性等方法实现。2021/2/4301.2.5 用户接口用户接口 命令接口命令接口：用户向作业发命令以控制作业的运：用户向作业发命令以控制作业的运行。可有联机用户接口（由命令和命令解释程序行。可有联机用户接口（由命令和命令解释程序组成。用户键入命令，系统解释执行，再等待用组成。用户键入命令，系统解释执行，再等待用户键入）和脱机用户接口（批处理用户接口，由户键入）和脱机用户接口（批处理用户接口，由作业控制语言作业控制语言JCL组成）组成）$date 程序接口程序接口：是用户程序取得：是用户程序取得OS服务的唯一途径。服务的唯一途径。由一组系统调用组成。由一组系统调用组成。fd=open(file.c,2);图形接口图形接口：图形化的操作界面。：图形化的操作界面。2021/2/4311.2.5 用户接口用户接口 三种接口区别三种接口区别：2021/2/4321 1 1操作系统发展介绍操作系统发展介绍2 2 2操作系统形成与发展操作系统形成与发展3 3 3操作系统的基本类型操作系统的基本类型1.3 操作系统的形成与基本类型2021/2/4331.3.1 操作系统的发展介绍一、操作系统发展的主要推动力 需求推动发展需求推动发展 提高计算机资源利用率 方便用户 器件的更新 计算机体系结构的发展2021/2/434 50年代第一个简单的批处理年代第一个简单的批处理OS 60年代产生了多道程序批处理系统年代产生了多道程序批处理系统 分时系统分时系统 80年代出现微机年代出现微机OS和网络和网络OS 出现嵌入式出现嵌入式OS和分布式和分布式OS二、操作系统的发展过程1.3.1 操作系统的发展介绍2021/2/435工作方式用户：用户既是程序员，又是操作员；编程语言：机器语言；输入输出：纸带或卡片.计算机的工作特点用户独占全机：资源利用率低；CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；1946 50年代中期（电子管），集中计算（计算中心），年代中期（电子管），集中计算（计算中心），计算机资源昂贵；计算机资源昂贵；一一.人工操作方式：人工操作方式：人机矛盾突出、人机矛盾突出、CPU和和I/O设备设备速度不匹配速度不匹配1.3.2 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展2021/2/436二.脱机输入输出方式（Off-line I/O）出现于20世纪50年代末。设置两台外围机分别控制输入和输出。指由一台外围机控制，事先将数据由低速输入设备输入到磁带上，需要时则从磁带上高速调入内存；输出时同样先输出到磁带上，然后在另一台外围机的控制下通过低速输出设备输出。这种数据的这种数据的输入和输出由外围机控制完成输入和输出由外围机控制完成，或者说是，或者说是脱离主机进行的技术（方式），脱离主机进行的技术（方式），称为脱机输入输出技术称为脱机输入输出技术（方式）。（方式）。相反在主机的直接控制下进行输入输出的方相反在主机的直接控制下进行输入输出的方式式称为联机输入输出方式。称为联机输入输出方式。有效有效减少减少CPUCPU的空闲时间，提高的空闲时间，提高I/OI/O速度。速度。1.3.2 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展2021/2/437图图1-2 1-2 脱机脱机I/OI/O示意图示意图输入设备输入设备外围机外围机磁盘磁盘磁盘磁盘磁盘磁盘磁盘磁盘外围机外围机输出设备输出设备1.3.2 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展2021/2/438三、单道批处理系统 (Simple Batch Processing System)作业成批进入系统后备队列；由监督程序按照一定的策略调度一个作业在系统中运行。若在内存中始终只保持一道作业，则称为单道批处理系统。若在内存中可保留多道作业，则称为多道批处理系统。批处理系统旨在提高系统资源的利用率和系统吞吐量。1.3.2 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展2021/2/439单道程序系统单道程序系统单道程序系统单道程序系统用户程序用户程序用户程序用户程序监督程序监督程序I/OI/O操作操作操作操作I/OI/O中断请求中断请求中断请求中断请求I/OI/O完成完成完成完成t1t2中断处理中断处理中断处理中断处理I/OI/O启动启动启动启动单道批处理系统特点：内存中只保持一道作业运行作业完成顺序与其进入内存的顺序直接相关现代操作系统的现代操作系统的前身，常驻内存前身，常驻内存1.3.2 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展2021/2/440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 1.3.2 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展2021/2/4412、单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征：n 自动性（磁带上的一批作业自动的依次执行）自动性（磁带上的一批作业自动的依次执行）n 顺序性（先调入内存的作业先完成）顺序性（先调入内存的作业先完成）n 单道性（内存中仅有一道作业）单道性（内存中仅有一道作业）u单道批处理的主要问题单道批处理的主要问题:CPU和和I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作业设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）。的特性）。n 对计算为主的作业，外设空闲；对计算为主的作业，外设空闲；n 对对I/O为主的作业，为主的作业，CPU空闲；空闲；1.3.2 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展2021/2/442四、多道批处理系统 （Multiprogramming Batch Systems）多道程序设计的概念：多道：计算机内存中同时存放几个用户作业；宏观上并发运行：内存中的几个作业都处于运行状态，但都未运行完；微观上串行运行：内存中的各作业交替使用CPU；可共享计算机系统中的各种软、硬件资源。1.3.2 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展2021/2/443多道程序设计好处：可提高CPU的利用率（某程序执行I/O时，则调度另一程序；例：提高内存和I/O设备的利用率（共享内存,I/O设备）增加系统吞吐量。多道批处理系统 多个作业存放在外存上形成“后备队列”，作业调度程序从中选择若干作业调入内存，使之共享CPU和系统中的各类资源。1.3.2 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展2021/2/444多道批处理多道批处理其它其它其它其它作业作业作业作业成批进入成批进入成批进入成批进入输入井输入井输入井输入井输出井输出井输出井输出井单道批处理系统单道批处理系统高速高速高速高速其它其它其它其它作业作业作业作业成批进入成批进入成批进入成批进入输出井输出井输出井输出井多道批处理系统多道批处理系统多道并发执行多道并发执行多道并发执行多道并发执行输入井输入井输入井输入井2021/2/445单道程序系统单道程序系统单道程序系统单道程序系统用户程序用户程序用户程序用户程序监督程序监督程序监督程序监督程序I/OI/O操作操作操作操作I/OI/O中断请求中断请求中断请求中断请求I/OI/O完成完成完成完成多道程序系统多道程序系统多道程序系统多道程序系统程序程序程序程序A A程序程序程序程序B BOSOS调度调度调度调度I/O AI/O AI/O BI/O Bt1t1t1t1t2t2t2t2程序程序程序程序A A和和和和B B都得到了都得到了都得到了都得到了推进推进推进推进,并发并发并发并发并行并行并行并行并行并行2021/2/446多道批处理系统的特征：多道性（内存中可同时驻留多道程序）；无序性（作业完成的顺序与进入内存的顺序无严格的对应关系）；调度性（作业从提交给系统到完成需经过作业调度和进程调度）多道批处理系统的优缺点：优点：资源利用率高：CPU和内存利用率较高；作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；缺点：用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；1.3.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型2021/2/447u 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：处理机管理问题（如何分配、何时回收）；内存管理问题（如何分配、保护而能“各得其所”）；I/O设备管理问题（分配）；文件管理问题（方便用户使用并有足够安全性、一致性）；作业管理问题（不同类型作业的协调）。1.3.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型一、多道批处理系统 （Multiprogramming Batch Systems）2021/2/448有效：系统效率，资源利用率（如：CPU和内存利用的充足与否，外部设备是否忙碌）合理：公平与否，如果不公平则会产生“死锁”或“饥饿”方便：用户界面操作系统的概念：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。2021/2/449二、分时系统(Time-sharing System)n 分时系统指一台主机为多个终端服务。即一台主分时系统指一台主机为多个终端服务。即一台主机上连接了多个终端，同时允许多个用户共享主机机上连接了多个终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，每个用户都可通过自己的终端以交互方中的资源，每个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机。式使用计算机。按时间片轮转按时间片轮转按时间片轮转按时间片轮转 用户数量、时间片大小用户数量、时间片大小用户数量、时间片大小用户数量、时间片大小及响应速度是相互关联的及响应速度是相互关联的及响应速度是相互关联的及响应速度是相互关联的t作业作业作业作业1 12 23 31 12 23 31.3.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型2021/2/450二、分时系统产生的动力：人机交互；共享主机；便于上机实现时的关键问题：及时接收（可设置多路卡、缓冲区）；及时处理（作业直接进入内存，短期内多个作业都能轮到执行）实现原则：1）作业直接进入内存 2）不允许一个作业长期占用处理机（时间片）用户数量、时间片大小及响应速度是相互关联的用户数量、时间片大小及响应速度是相互关联的用户数量、时间片大小及响应速度是相互关联的用户数量、时间片大小及响应速度是相互关联的1.3.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型2021/2/451 实现方法实现方法：1)1)单道分时系统单道分时系统：内存中只驻留一道作业，它运行一个时间：内存中只驻留一道作业，它运行一个时间片后，被调至外存（调出），再从外存上选择一个作业装入片后，被调至外存（调出），再从外存上选择一个作业装入内存（调入），执行一个时间片后再调出。这样使得所有作内存（调入），执行一个时间片后再调出。这样使得所有作业都能在一规定的时间内轮流运行一个时间片。但调入、调业都能在一规定的时间内轮流运行一个时间片。但调入、调出开销太大。出开销太大。2 2）具有）具有“前台前台”和和“后台后台”的分时系统的分时系统：将内存分为前台区：将内存分为前台区和后台区，前台区存放按时间片调进调出的作业流，后台区和后台区，前台区存放按时间片调进调出的作业流，后台区存放批处理作业，当前台区作业调进、调出或无作业时，则存放批处理作业，当前台区作业调进、调出或无作业时，则进行后台区作业，以提高进行后台区作业，以提高CPUCPU的利用率。的利用率。3 3）多道分时系统）多道分时系统：内存中存放多道作业，依次轮流获得一个：内存中存放多道作业，依次轮流获得一个时间片执行。是现代使用的分时系统。时间片执行。是现代使用的分时系统。1.3.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型2021/2/452分时系统的特点：多路性同时连接多台终端；分时原则:宏观上是多用户同时工作，微观上是轮流。独立性终端间互不影响及时性在人们能接受的时间内响应交互性方便的人机对话1.3.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型2021/2/453三、实时系统(Real-time System)实时系统的提出：分时系统的响应往往要等待一个循环周期。实时系统必须在规定的时间内对用户请求或外部事件及时响应 1.3.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型2021/2/454实时系统的分类：实时控制系统：实时采集现场数据并及时处理，进而自动地控制相应的执行机构。如工业的自动控制、飞机的自动驾驶、导弹的制导等；特点：n n 响应速度足够快、可靠性高 实时信息处理系统：计算机接收从远程终端发来的服务请求，根据用户提出的问题，对信息进行检索处理，并在很短的时间内为用户作出正确的回答，如飞机订票、情报检索等.特点：特点：强大的文件系统或数据库 操作简便、安全、查询快速1.3.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型2021/2/455n 实时任务的类型：实时任务的类型：a.a.按按任任务执务执行行时时是是否呈现否呈现周周期期性性来来划划分：分：周周期期性实时性实时任任务务按指定周按指定周期循环期循环运行运行非非周周期期性实时性实时任任务务任任务无务无明显明显周周期期性，性，但都但都必必须联须联系系着一着一个个截截止止时时间间。b.根根据据截截止止时时间间的要的要求来求来划划分可分分可分为为：硬实时硬实时任任务务系统系统必必须满足任须满足任务对务对截截止止时时间间的要的要求求软软实时实时任任务务对对截截止止时时间间要要求求不不严严1.3.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型2021/2/456实时、分时系统的比较批处理系统、分时系统、实时系统是三种基本的批处理系统、分时系统、实时系统是三种基本的OS。一个实际的一个实际的OS，可能兼有二者或三者的功能。，可能兼有二者或三者的功能。1.3.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型2021/2/4571.5 操作系统的结构设计 无无结构操作系统结构操作系统 模模块化块化操作系统结构操作系统结构 分分层层式操作系统结构式操作系统结构 微微内内核核操作系统结构操作系统结构随着操作系统的发展，功能越强，随着操作系统的发展，功能越强，OSOS自身代码量越自身代码量越大采用良好的结构：有利于保证正确性以及自大采用良好的结构：有利于保证正确性以及自身修改和扩充。身修改和扩充。2021/2/4581 1 1无结构无结构2 2 2模块化模块化3 3 3分层式分层式4 4 4微内核微内核1.4 操作系统的结构2021/2/459 无结构操作系统整个OS是一组过程的集合，各过程之间可以任意相互调用，在操作系统内部不存在任何结构。存在的问题：对GOTO语句的使用不加任何限制：造成操作系统庞大杂乱，缺乏清晰的程序结构。调试困难，同时程序难以阅读和理解，增加了维护人员的负担。2021/2/460模模块化块化操作系统操作系统结构（自顶向下）结构（自顶向下）整个系统整个系统按功能按功能进行设计和模块进行设计和模块划分划分。2021/2/461模块化操作系统结构优缺点提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性增强了OS的可适应性加速了OS的开发过程模块划分和接口的规定难保正确和合理模块间存在复杂的依赖关系，降低了模块之间的相对独立性不利于修改。2021/2/462 分层式操作系统（自底向上）从资源管理观点出发，划分层次。各层之间只有单向依赖关系，即在某一层次上代码只能调用低层次上的代码，使模块间的调用变为有序性。高层依赖于低层，各层之间不能构成循环，有利于系统的维护性和可靠性。层次的设置考虑的因素被调用功能在低层、活跃功能在低层、用户接口在高层。优点：功能明确，调用关系清晰（高层对低层单向依赖），有利于保证设计和实现的正确性。低层和高层可分别实现（便于扩充）；高层错误不会影响到低层；避免递归调用。缺点：降低了运行效率。2021/2/463层次式系统层次式系统THE操作系统的层次结构具有单体系统的长处新优点结构关系清晰，提高系统的可靠性、可移植性和可维护性。2021/2/464虚拟机结构虚拟机结构带CMS的VM/370结构通过共享物理机器资源来实现主要优点 同时运行多个操作系统 系统安全,有效地保护系统资源 提供良好的工作环境 组建虚拟网络 这些虚拟机仅仅是裸机硬裸机硬件的复制品件的复制品 2021/2/465客户客户-服务器系统服务器系统基于微内核的客户基于微内核的客户-服务器系统模型服务器系统模型微内核 把实现扩展机器功能的这部分代码向上移入更高层次中，从而尽可能地使操作系统保持最小的核心 2021/2/466 客户客户-服务器系统服务器系统适于在分布式系统中应用适于在分布式系统中应用 分布式系统中的客户-服务器模型 2021/2/467微内核操作系统结构微内核指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核,运行在核心态；常驻内存，通常采用客户/服务器模式。原来内核中的大部分服务都作为独立的进程在用户态下运行，它们通过消息传递进行通信；微内核部分经常只不过是一个消息转发站，当系统调用模块要给文件系统模块发送消息时，消息直接通过内核转发。微内核设计的最根本思想是要保持微内核尽量小，便于移植到新的平台上。2021/2/468 微内核操作系统结构采用客户/服务器模式，把操作系统分成两部分：系统内核：运行在核心态,只实现操作系统的基本功能(如：虚拟存储、消息传递)；服务器进程：运行在用户态，等待客户提出请求。实现方法:OS内核的工作是处理客户机/服务器之间的通信。由用户进程来实现大多数操作系统的功能。为了得到某项服务，客户进程client process把请求发给服务器进程server process，随后服务器进程完成这个操作并返送回答信息。2021/2/469图图 1-6 单机环境下的客户单机环境下的客户/服务器模式服务器模式 一般微内核只提供四种最小的服务：一般微内核只提供四种最小的服务：进程间通信进程间通信 某些内存管理功能某些内存管理功能 少量的低层进程管理和调度少量的低层进程管理和调度 低层输入低层输入/输出服务输出服务2021/2/470 微内核操作系统结构优点：提高了系统的灵活性和可扩充性;提高了OS的可靠性 所有的服务都以用户进程的形式运行，它们不在核心态下运行，所以不直接访问硬件，因此一个服务器崩溃了不会导致整个系统的崩溃。可运行于分布式系统中 客户机通过消息传递与服务器通信，客户机不需知道这条消息是在本地机处理的还是通过网络送给了远程机器上的服务器。内核只处理客户机与服务器之间的消息传递。2021/2/4711.5 UNIX和和Linux系统核心结构系统核心结构 UNIX UNIX系统系统 UNIX族系演变过程 2021/2/472UNIXUNIX系统可分为三层：靠近硬件的底层是内核，即系统可分为三层：靠近硬件的底层是内核，即UNIXUNIX操操作系统常驻内存部分；核心外的中间层是作系统常驻内存部分；核心外的中间层是shellshell层；最高层；最高层是应用层。层是应用层。2021/2/473 Linux Linux系统系统 具有一系列显著特点具有一系列显著特点:与与UNIXUNIX兼容兼容 自由软件，源码公开自由软件，源码公开 性能高，安全性强性能高，安全性强 便于定制和再开发便于定制和再开发 互操作性高互操作性高 全面的多任务和真正的全面的多任务和真正的 32 32位操作系统位操作系统 Linux系统内核结构框图2021/2/474思考题：思考题：分时系统有作业的概念吗？需要作业调度吗？分时系统有作业的概念吗？需要作业调度吗？“作业作业”的概念：用户要求计算机系统为其完的概念：用户要求计算机系统为其完成的计算任务的集合。成的计算任务的集合。对于分时系统来说，通常将分时用户的一次对于分时系统来说，通常将分时用户的一次登录称为一个作业。登录称为一个作业。分时系统的作业是直接进入内存的。分时系统的作业是直接进入内存的。2021/2/475作业调度：按一定的作业调度算法，从外存的后备作业调度：按一定的作业调度算法，从外存的后备队列中，选择若干个作业调入内存。队列中，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，使之执作业中选择一个作业，将处理机分配给它，使之执行。行。2021/2/476系统吞吐量：系统在单位时间内所完成的总工作系统吞吐量：系统在单位时间内所完成的总工作量（工作的个数）。量（工作的个数）。周转时间：从作业进行系统开始，直至其完成并周转时间：从作业进行系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。退出系统为止所经历的时间。2021/2/477开始截止时间：开始截止时间：任务在某时间以前，必须任务在某时间以前，必须开始执行。开始执行。完成截止时间：完成截止时间：任务在某时间以前必须完任务在某时间以前必须完成成2021/2/478地址空间：用户程序中的地址都是相对于起始地址地址空间：用户程序中的地址都是相对于起始地址（一般是（一般是0）计算的。这些地址称为）计算的。这些地址称为“逻辑地址逻辑地址”或或“相对地址相对地址”，由它们所形成的地址范围称为，由它们所形成的地址范围称为“地址空地址空间间”内存空间：内存中的一系列单元所限定的地址范围内存空间：内存中的一系列单元所限定的地址范围称为称为“内存空间内存空间”，其中的地址称为，其中的地址称为“物理地址物理地址”2021/2/479原语：用以完成特定功能的、具有原语：用以完成特定功能的、具有“原子性原子性”的一的一段程序。段程序。原子性：指在程序中的一组动作，要么全做，要原子性：指在程序中的一组动作，要么全做，要么全不做。即该程序所实现的操作是不可分割的。么全不做。即该程序所实现的操作是不可分割的。2021/2/480Q&A2021/2/4812021/2/482谢谢！谢谢！