第1章操作系统概述课件

课程程:操作系操作系统课程代程代码:2326考试题型：一、单项选择题（1分/题，20分）二、多项选择题（2分/题，共10分）三、填空题（1分/14分）四、简答题（4分/题，共20分）五、综合题（9分/题，共36分）（重点提示）一个观点：以资源管理的观点来讨论操作系统 两条线：操作系统管理计算机种类资源和控制程序的执行第1章 引 论1.1 操作系统概述 1.2 操作系统的历史1.3 操作系统的基本类型 1.4 操作系统的功能1.5 UNIX操作系统简介本章考试分值约为本章考试分值约为810分，出题形式多以单选题、多选题、分，出题形式多以单选题、多选题、填空题为主。填空题为主。第一章 引论计算机系统（P3）(1)计算机系统是按用户的要求计算机系统是按用户的要求接收接收和和存储存储信息、自动进行信息、自动进行数据数据处理处理并并输出输出结果信息的系统。计算机系统由结果信息的系统。计算机系统由硬件系统硬件系统和和软件系软件系统统组成。组成。硬件系统是计算机系统赖以工作的实体，软件系统保证计算机按用户指定的要求协调工作。(2)计算机硬件系统：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。（3 3）计算机软件：软件系统是指计算机系统中的各类软件系统是指计算机系统中的各类程序程序和及其和及其文档文档。这些硬件和软件的组成部分都被看做计算机系统的这些硬件和软件的组成部分都被看做计算机系统的资源资源，因此，因此，计算机系统的资源包括两大类：计算机系统的资源包括两大类：硬件资源硬件资源和和软件资源软件资源1.1 操作系统的概念 操作系统的定义（P4）：操作系统（operating system，简称OS）是管理计算机系统资源（硬件资源和软件资源），控制程序执行、改善人机界面和为其他软件提供支持的系统软件。为什么要对计算机系统的资源进行管理呢？（P4）一、计算机系统有限的资源和众多的资源请求者之间存在矛盾。因此必然采用一些办法为用户分配使用的资源。如CPU、存储空间、设备等，使相互竞争者能合理地共享资源。二、计算机系统的各种资源其性质均不相同，因此，必须研究它们的“个性”，总结它们的共性，寻求合适的使用方法和管理策略，以提高计算机系统的可靠性和安全性。操作系统的设计原则（目的提供其他程序执行的良好环境P2）：1、使计算机系统使用方便。操作系统为用户提供方便的使用接口，用户可以按需要输入命令或从提供的菜单中选择命令，也可以调用操作系统的功能模块来请求操作系统为其服务，而不必了解硬件的特性。2、使计算机系统高效地工作。操作系统扩充硬件的功能，使硬件的功能发挥得更好；操作系统使用户合理共享资源，防止各用户间的相互干扰；操作系统以文件的形式管理资源，保证信息的安全和快速存取。1.1 操作系统的概念1.2 操作系统的历史 操作系统的形成取决于硬件技术的发展、程序设计语言的发展以及用户对计算机的使用要求。它经历了三个阶段（P5-P6）（1）原始操作系统阶段 早期，用户都采用手工操作方式使用计算机。20世纪50年代，为了方便用户使用计算机，对每一种设备（例如读卡机、磁带机、打印机等）都配置了设备驱动程序，供用户需要时调用。这些“设备驱动程序”可看作最原始的操作系统。（2）管理程序阶段 20世纪50年代末到60年代初，迫切需要一种能对计算机硬件和软件进行管理的软件，称为管理程序。它不仅协助操作员操纵计算机，而且管理计算机系统的部分资源，还为用户提供按名存取文件信息的功能。管理程序则可看成初级的操作系统。1.2 操作系统的历史（3）操作系统阶段 20世纪60年代以来，随着计算机应用的日益广泛，各种软件的产生，要求进一步发展和扩大功能简单的管理程序，这样，管理程序就迅速发展成为一个软件的重要分支操作系统。最先投入使用的操作系统是批处理系统。在批处理操作系统的控制下，可以同时接受一批计算问题，让它们并行执行，增加了单位时间内的算题量，使得计算机系统的效率有了进一步的提高。随着计算机系统的不断发展，操作系统日趋完善。汇编语言：最早的程序设计语言，它的每个语句都与一条机器指令相对应，但用符号记忆码替换了指令中的二进制数字码。源程序（*.ASM）目标程序(.OBJ)可执行程序(.)1.3 1.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型 按照操作系统的服务进行分类，操作系统大致可分为：批处理操批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统等操作系统、嵌入式操作系统等。其中批处理、分时、实时操作系统是基本的操作系统类型。P6P101批处理操作系统 “作业”是用户要求计算机系统进行处理的一个计算问题。在批处理操作系统中，操作员将一批作业说明书、相应的程序和数据输入计算机，由操作系统选择作业并按作业说明书的要求自动控制作业的执行，输出结果，交给用户。批处理操作系统提高了计算机系统的工作效率，系统吞吐量大，资源利用率高，但在作业执行时，用户不能直接干预，交互能力比较差。1.3.1 1.3.1 操作系统的基本类型操作系统的基本类型批处理系统批处理系统（1）批处理单道系统：即指一次只有一个作业装入计算机系统的主存储器运行，是一个单用户操作系统。主要目标是控制一批作业自动地、顺序地运行。当一个作业结束后，操作系统便自动控制选择下一个作业运行，以节省人工操作时间，提高系统效率。批处理操作系统可分为批处理单道系统和批处理多道系统。（2）批处理多道操作系统：多个作业可以同时装入主存储器，中央处理器轮流地执行多个作业，各个作业可以同时使用各自所需的外围设备。实现批处理多道系统的硬件条件：硬件结构中采用通道结构且设置中断装置，使得输入输出设备与中央处理器可并行工作。1.3 1.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型批处理系统批处理系统把用户准备好的一批作业信息（程序、数据、作业说明书）通过相应的输入设备传送到大容量的磁盘上，等待处理。操作系统中的作业调度程序按事先设定的调度原则从磁盘上选择若干作业装入主存储器（例A、B），主存储器中的这些作业可交替地占用中央处理器运行。当某个作业执行结束时，启动打印机，输出结果。然后，又可从磁盘上选择作业装入主存执行，同时还可以不断地把新的作业信息通过输入设备传送到磁盘上，等待处理。1.3 1.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型批处理系统批处理系统 批处理多道系统通过以下四种途径来提高效率：（1）允许多道作业并行工作，减少了处理的空闲时间，也即提高了处理器的利用率。（2）作业调度可以按一定的组合去选择主存储器的作业，如果能把请求使用不同设备的作业搭配在一起，则可使各种设备都同时工作，充分提高了计算机系统的资源利用率。（3）作业执行过程中，可以不再访问低速的设备，而是直接在高速的硬盘上存取信息，从而缩短了作业执行的时间，使单位时间内的处理能力得到提高。（3）作业成批输入，自动选择和控制作业执行，减少了人工操作时间和作业交接时间，有利于提高系统吞吐率。分时操作系统：能使用户通过与计算机相连的终端来使用计算机系统，允许多个用户同时与计算机系统进行一系列的交互，并使得每个用户感到好象自己独占一台支持自己请求服务的计算机系统。在分时系统中，为了使一个计算机系统能同时为多个终端用户服务，系统采用了分时技术，即把CPU时间划分成许多时间片，每个终端用户每次可以使用一个由时间片规定的CPU时间，这样多个终端用户就轮流地使用CPU时间。如果某个用户在规定的一个时间片内还没有完成它的全部工作，这时也要把CPU让给其它用户，等待下一个时间片的时间，循环轮流直到结束。分时系统也是支持多道程序同时执行的系统，批处理系统是实现自动控制无须人工干预的系统，而分时系统是实现人机交互的系统。1.3.2 1.3.2 操作系统的基本类型操作系统的基本类型分时系统分时系统 分时操作系统的特点：（1）同时性：允许多个终端用户同时使用一个计算机系统（2）独立性：用户在各自的终端上请求系统服务，彼此独立，互不干扰。（3）及时性：对用户的请求能在较短的时间内给出应答。（4）交互性：采用人机对话的方式工作。在兼有批处理和分时的操作系统（例IBM OS/360）中，用户可以先在分时系统控制下，以交互方式输入、调试和修改自己的程序，然后，可以把调试好的程序转交批处理系统自动控制其执行并产生结果。把分时系统控制的作业称为“前台”作业，而由批处理系统控制的作业称为“后台”作业。对前台作业及时响应，使用户能够满意；对后台作业，则按一定的原则进行组合，以提高系统的效率。1.3.2 1.3.2 操作系统的基本类型操作系统的基本类型分时系统分时系统 实时系统：计算机系统接收到外部信号后能及时进行处理，并且在严格规定的时间内结束处理、然后再给出反馈信号的操作系统称为实时操作系统。（实时系统应用十分广泛：控制科学实验、控制生产流水线、监督病人的临界功能、监督和控制飞机的飞行状态、进行工业过程控制等）实时系统具有两个特征：一是及时响应，快速处理；这里的时间与分时系统中的不同，分时系统中的快速响应只是保证用户满意就行，即使超过一些时间也只影响用户的满意程度，而实时系统中的时间要求是强制性严格规定的，仅当在限定时间内返回一个正确结果时，才能认为系统的功能是正确的。二是高可靠性和安全性，但不强求系统资源的利用率。1.3.3 1.3.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型实时系统实时系统用户通过键盘和鼠标请求操作系统的服务。微机上的操作系统主要实现文件管理、IO控制及命令解释。运行的操作系统每次只允许一个用户使用计算机，被称为单用户微机操作系统，如：MS-DOS1.4 1.4 操作系统的发展操作系统的发展单用户微机单用户微机操作系统操作系统 网络操作系统：为计算机网络配置的操作系统称为“网络操作系统”。网络操作系统可以把计算机网络中的各台计算机有机地联合起来，实现计算机之间的通信及网络中各种资源的共享。用户可以借助通信系统使用网络中其他计算机的资源、实现相互间的信息交换，从而大大扩展了计算机的应用范围。1.4 1.4 操作系统的发展操作系统的发展网络操作系统网络操作系统 分布式操作系统：为分布式计算机系统配置的操作系统称为分布式操作系统。20世纪80年代是并行计算的年代，逐渐形成了分布式计算机系统。分布式操作系统能使系统中若干台计算机相互协作完成一个共同的任务，或者说把一个计算问题可以分成若干个子计算，每个子计算可以在计算机系统中的各计算机上并行执行。分布式计算机系统的结构有：环形结构、星形结构和树形结构。1.4 1.4 操作系统的发展操作系统的发展分布式操作系统分布式操作系统分布式操作系统与网络操作系统的比较v分布性：在分布式系统中只有一个分布式操作系统，而在网络系统中各个结点可以有不同的网络操作系统。v并行性：分布式系统中可以将一个或多个任务动态分配到不同的单元上，在网络系统中每个用户的一个或多个任务通常都在本地处理。v透明性：分布式系统具有透明性，如用户要访问某文件，他只需要知道文件名，无需知道文件在哪个站点。对网络系统来说，用户要访问一个文件时要知道文件名及位置。v共享性：在分布式系统中，各站点的所有资源都可供全系统共享，在网络系统中一般仅有服务器上的部分资源可供全网共享。v健壮性：分布式系统有健壮性，当某站点出现故障时，正在该站点处理的任务能被自动迁移到好的站点。在网络系统中若服务器故障往往导致全网瘫痪。v由于计算机体系的不断发展，一台计算机也可由单处理器结构改进为多处理器结构，称为多处理器系统。目前较为流行的多处理器系统有两种类型：v(1)松散耦合多处理器系统：它包括一组相对独立的处理器，每个处理器都有自己的主存储器和IO通道。v(2)紧密耦合多处理器系统：它拥有各处理器共享的主存储器和外设。为多处理器系统配置的操作系统被称为多机操作系统。1.4 1.4 操作系统的发展操作系统的发展多机操作系统多机操作系统v随着计算机技术对各个应用领域的渗透，计算机硬件不再以物理上独立的装置形式出现，而是大部分或全部都隐藏和嵌入到各种应用系统中。我们把这样的系统称为嵌入式(计算机)系统。v嵌入式(计算机)系统要求嵌入式软件的支持，其中嵌入式操作系统是指运行在嵌人式(计算机)系统中对各种部件、装置等资源进行统一协调、处理和控制的系统软件。v嵌入式操作系统的主要特点是微型化和实时性。由于嵌入式(计算机)系统的硬件配置较小，所以嵌入式操作系统在保证应用功能的前提下都采用微型化、低功耗的结构。嵌入式系统广泛应用于过程控制、数据采集、传输通信等场合，对响应时间有严格要求，因而它应是一个实时性的操作系统。1.4 1.4 操作系统的发展操作系统的发展嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.5 UNIX系统简介v交互式分时多用户多任务操作系统，跨越从PC到巨型机范围的唯一操作系统。v有许多变种与克隆v产生：Version 1 于1969年ATT公司贝尔实验室由Thompson&Ritchie，在一台闲置的PDP-7上开发的v第二阶段（73-79）：免费扩散v第三阶段（7585）：商用版本的出现（77年）和三大主线的形成v第四阶段（80年代后期）：两大阵营和标准化v第五阶段（90年代至今）：共同面对外来竞争、两大阵营淡化UNIX的产生 1969年，在贝尔退出MULTICS研制项目后，Ken Thompson和Dennis M.Ritchie 想申请经费买计算机从事操作系统研究，但多次申请得不到批准项目无着落，他们在一台无人用的PDP-7上，重新摆弄原先在MULTICS项目上设计的“空间旅行”游戏，为了使游戏能够在PDP-7上顺利运行，他们陆续开发了浮点运算软件包、显示驱动软件，设计了文件系统、实用程序、shell 和汇编程序到了1970年，在一切完成后，给新系统起了个同MULTICS发音相近的名字UNIX,1973年，UNIX用C语言全部重写。第二阶段：免费扩张第二阶段：免费扩张v73年后，UNIX迅速以许可证形式免费传播到各大学。这些大学、研究机构对UNIX进行了深入研究、改进和移植。AT&T又将这些改进加入到UNIX。v众多大学免费使用UNIX，使学生们熟悉了UNIX，他们毕业后将UNIX传播到各地。第三阶段 商用版本的出现和三大主线的形成vUNIX的发展导致许多公司开发自己机器上UNIX增值商业版本。vUNIX变种大量增加。这些变种围绕3条主线：由Bell实验室发布的UNIX研究版（V1到V10）；伯克利发布BSD；Bell发布的UNIX System III和 System V。vBSD对UNIX的发展有重要影响，许多新技术是BSD率先引入的：TCP/IP，分页存储管理，快速文件系统，套接字等。第四阶段 两大阵营和标准化v80年代后期，UNIX变种的增多导致了程序的不兼容性和不可移植，因此迫切需要标准化。v87年AT&T同SUN合作将System V和SUN OS统一为一个系统。其它厂商（IBM、DEC、HP等）感到了威胁，于是联合起来在88年成立了开放软件基金会OSF）。作为回应AT&T和SUN成立了UNIX国际（UI）。vIEEE尝试将两大阵营统一起来，制定了POSIX标准。v在标准化的过程中，各厂商总想加入一些特性来标榜自己的“产品特色和优势”，这使得标准化没有完全成功。第五阶段第五阶段 共同面对外来竞争、两大阵营淡化共同面对外来竞争、两大阵营淡化v80年代是UNIX蓬勃发展的十年，进入90年代，vWindows的发展、Linux的出现，两大阵营的 争斗很快淡化下来。UNIXUNIX发展简图发展简图UNIXUNIX主要变种概况主要变种概况1.6 操作系统的功能从资源管理的角度看，操作操作系统的功能可分成五大部分：P12（1）处理管理：为用户合理分配处理器，提高处理器的工作效率（2）存储管理：实现对存储器的管理，进行主存空间的分配、回收、保护及扩充等工作。（3）文件管理：管理用户信息的存储、检索、共享、保护等，为用户提供按名存取功能。（4）设备管理：管理各种外围设备，实现设备的分配、启动及Spool操作等。（5）作业管理：实现作业的调度和控制作业的执行。1.6 操作系统的功能处理器管理 处理器是最重要的资源，现代操作系统允许多个程序共享处理机，按照某种算法（分时、优先级）交替地使用处理器。处理器管理包括以下几方面：进程控制、进程同步、进程通信、调度。1.6 操作系统的功能存储管理v内存分配：分配主存空间和重定位v地址映射：把程序中的逻辑地址映射为物理地址。v存储保护：使多道程序间互不干扰。v存储扩充：用辅存扩充主存，实现“虚拟存储器”1.6 操作系统的功能设备管理主要任务：v完成用户进程提出的I/O请求v为用户进程分配其所需的I/O设备v提高CPU和I/O设备的利用率v提高I/O速度v方便用户使用I/O设备主要功能：v缓冲管理：为设备提供缓冲区以缓和CPU与设备的I/O速度不匹配的矛盾。v设备分配。v设备驱动：为设备提供驱动程序。v设备独立性和虚拟设备。v文件管理面向用户实现按名存取，支持对文件的存储、检索，解决文件的共享、保护和保密等问题。一般说来，操作系统中都有功能较强的文件管理系统。文件系统管理的功能：v文件存储空间管理。v目录管理：为了用户方便找到他所需的文件。v文件的读写管理和存取控制。1.6 操作系统的功能文件管理写在最后写在最后成功的基成功的基础在于好的学在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits35 结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日