第1章 操作系统绪论010203

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,计算机操作系统,任课教师：景雨,办公室：,10A218,大连外国语软件学院,2012-2013,（一）,1,操作系统（第三版），刘振鹏，王煜，张明编著，中国铁道出版社,.,教材,1.,汤小丹，梁红兵，汤子瀛等,.,计算机操作系统教程,(,第,3,版,).,西安电子科技大学出版社,.,2. William Stallings. Operating Systems: Internals and Design principles,TsingHua,University,Press.,参考教材,使用的教材和主要参考书,2,教学计划,目的,通过本课程的学习，使学生掌握操作系统的基本概念、系统结构和主要的功能原理，培养训练学生使用、维护和管理操作系统的基本能力。,教学内容,以原理为主，参考具体操作系统（,LINUX,）。,以讲授为主，结合问题的讨论。,上机实践。,课时,: 48,学时,=4,学时*,12,周,3,4,学习要求,上课保持安静,、关闭通信及其他有声设备。,出勤率、作业和平时表现将作为期末平时成绩。,欢迎课后提问、及时与老师共同讨论。,各班班长实名加入老师的,QQ,群：,259416647,，下载资料并转发到各班群中。,4,教学方式与成绩评定,教学方式,课堂讲授、课后作业及辅导答疑等。,考试方式,闭卷考试，包括选择题、简答题和综合题。,成绩评定,平时成绩（出勤，课堂表现，作业）,+,期末笔试（闭卷）,出勤,：,1.,因故不能参加课程学习,须事先请假,否则视为旷课,;,旷课一次扣除,3,分；,2.,迟到或早退,2,次,计旷课,1,次,;,3.,旷课,3,次（含,3,次）以上,取消考试资格。,5,操作系统,是一门承上启下的核心的专业课程,为什么学习操作系统？,计算机导论,C,和,pascal,语言,微机原理,汇编语言,数据结构,计算机通讯,计算机网络,数据库,软件工程,人工智能,OS,6,为什么学习操作系统？,加深对使用的操作系统的理解，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,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,设计操作系统或者修改现有的系统,存在人们意识不到的大量,“,操作系统,”,嵌入式系统,(Embedded OS,）,选择购买操作系统,7,课程特点,课程特点：,概念多、原理性强、较抽象,学习方法,:,1.,多看书，做到预习、听课、复习三部曲。,2.,认真听课，积极参与课堂提问和讨论。,3.,多思考（如类比联想），多提问题，多讨论,，加深理解。,4.,认真完成作业。,8,课程内容安排,第一,章,操作系统引论,第二章 用户接口和作业管理,第三章 进程与进程管理,第四章 进程同步与通信,第五章 存储器管理,第六章 文件管理,第七章 设备管理,9,第一章 操作系统引论,1.1,操作系统的概念,1.2,操作系统的形成与发展过程,(,类型,),1.3,研究操作系统的几种观点,1.4,操作系统的功能与特征,10,计算机系统中硬件和各种软件构成层次关系，硬件是核心，也称,裸机,，如下图。,计算机硬件,操作系统,系统实用程序,应用软件,计算机系统层次图,操作系统设计人员,最终用户,程序员,一、计算机系统与分类,11,计算机分类,巨型计算机,大型计算机,中型计算机,小型计算机,微型计算机,12,1.1,操作系统的,概念,计算机系统,硬件系统,软件系统,主机,外设,中央处理器,(CPU),内存储器,(,主存,),输入输出设备,(I/O,设备,),外存储器,(,辅存,),系统软件,应用软件,1.1.1,计算机系统的组成,支撑软件,13,计算机硬件知识,14,计算机硬件系统,外观,15,机箱,16,显示器,17,键盘和鼠标,18,内部构造,19,主板,20,CPU,微型计算机的发展是以微处理器,(CPU),的发展为表征的,21,内存,22,显卡,23,外部存储设备,24,激光打印机,针式打印机,喷墨打印机,25,计算机软件知识,26,按照应用的观点，软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件三类：,系统软件,位于计算机系统中最靠近硬件的一层，其他软件一般都通过系统软件发挥作用 。如编译程序和,操作系统,等。,支撑软件,即支撑其他软件的编制和维护的软件 。主要包括各种接口软件和工具组 。,应用软件,特定应用领域专用的软件，例如字处理程序。,27,计算机软件系统,28,29,通用的微机操作系统,微软：,Windows,系列（以前,MS-DOS,）,UNIX,：,Solaris,（,SUN,公司）, AIX,（,IBM,公司）,自由软件,：,Linux,Minix,其他：,Mac OS, NetWare,（,NOVELL,公司推出的,网络操作系统,）,30,微软,Windows,操作系统,在过去的,23,年中，,Windows,操作系统经历了一个从无到有，从低级到高级的发展过程，总体趋势是功能越来越强大了，用户使用起来越来越方便了。但其发展进程并非是一帆风顺的，中间也曾多次出现曲折。,应用最广泛的,Windows,操作系统在不断地发展，其发展进程充满了不确定性。,Windows,的成功与处理器速度的提高和内存容量的增加可谓“休戚与共”。微软依靠大量第三方软件让用户喜欢上了,Windows,。,31,1983,年,11,月,10,日微软宣布,Windows,诞生,- ,正式发布,Windows1.0,（多个历史记录,) - ,Windows2.0 - ,Windows3.0 - ,逐渐代替,DOS,成为操作系统平台的主流软件,Windows操作系统的发展历程,32,1,、,Windows 1.0,微软第一款图形用户界面,Windows 1.0,的发布时间是,1985,年,11,月，比苹果,Mac,晚了近两年。由于微软与苹果间存在一些法律纠纷，,Windows 1.0,缺乏一些关键功能，例如,重叠式窗口和回收站,。用现在的眼光看，它的失败并不令人感到意外。,Windows 1.0,只是对,MS-DOS,的一个扩展，它本身并不是一款操作系统，但确实提供了有限的,多任务能力,，并,支持鼠标,。,33,微软很快与苹果签订了,在,Windows,中使用,Mac,图形,用户界面元素的许可协议，这确实是微软的一招妙棋。,Windows 2.0,完全支持图标和重叠式窗口。,除了用户界面外，,Windows 2.0,还获得了一些重要应用软件的支持。早期版本的,Word,和,Excel,就利用,Windows,作为用户界面。这对,Windows,非常重要，其用途和市场都得到了大幅度扩展。,2,、,Windows 2.0,34,3,、,Windows 3.0,1990,年发布的,Windows 3.0,是一个全新的,Windows,版本。借助全新的,文件管理系统和更好的图形功能,，,Windows PC,终于成为了,Mac,的竞争对手。,Windows 3.0,不但拥有全新外观，其保护和增强模式还能够更有效地利用内存。,Windows 3.0,获得了巨大成功，两年内销售量就达到了,1000,万份拷贝。开发人员开始开发大量的第三方软件，这也是促使消费者购买,Windows,的一个重要因素。,35,4,、,Windows 3.11,Windows 3.11,是对,Windows 3.0,的优化，支持,TrueType,字体、多媒体功能和对象连接与嵌入功能。,Windows 3.11,中还包含有自,Windows 3.0,发布以来的许多,补丁软件和升级包,。,36,5,、,Windows 95,Windows 95,使得,PC,和,Windows,真正实现了平民化。由于,捆绑了,IE,，,Windows 95,成为用户访问互联网的“门户”。,Windows 95,还首次,引进了“开始”按钮和任务栏,，目前这两种功能已经成为,Windows,的标准配置。,Windows 95,彰显出一直困扰着微软的后向兼容问题。包括一些设计缺陷在内的,Windows 3.11,大部分架构都被移植到了,Windows 95,中，,Windows 95,一部分代码在,32,位模式下运行，另一部分代码则仍然在,16,位模式下运行，系统运行时会经常需要在这两种模式间切换。大多数用户不会注意到这一问题，但却成为了,系统不稳定,的隐患。微软也被迫不断发布补丁软件，解决,Windows 95,存在的问题。,37,Windows 98,提高了,Windows 95,的稳定性，并非一款新版操作系统。它,支持多台显示器和互联网电视,，新的,FAT32,文件系统可以支持更大容量的硬盘分区。,Windows 98,还将,IE,集成到了图形用户界面中,，为后来的微软反垄断案埋下了祸根。,不久后发布的,Windows 98 SE,增添了包括共享互联网连接在内的一系列新功能。,6,、,Windows 98,38,7,、,Windows 2000,2000,年,2,月发布的,Windows 2000,是,Windows NT,的升级产品，也是首款,引入自动升级功能,的,Windows,操作系统。,39,Windows ME,被戏称为“,错误的版本,”,(Mistake Edition),，遭遇了许多问题，其中包括稳定性问题。但与,Windows 98,、,Windows 2000,，甚至当时尚未发布的,XP,相比，,Windows ME,的图形用户界面都有不小的改进。,8,、,Windows Me,40,2001,年发布的,Windows XP,集,NT,架构与,Windows 95/98/ME,对消费者友好的界面于一体。尽管安全性遭到批评，但,Windows XP,在许多方面都取得了重大进展，例如,文件管理、速度和稳定性,。,Windows XP,图形用户界面得到了升级，普通用户也能够轻松愉快地使用,Windows PC,了。,9,、,Windows XP,41,Windows Vista,在,2007,年,1,月高调发布，采用了全新的图形用户界面。但软、硬件厂商没有及时推出支持,Vista,的产品，有关它的负面消息满天飞，销售也受到了严重影响。许多,Windows,用户仍然坚持使用,Windows XP,。,10,、,Windows Vista,42,10,、,Windows 7,09,年,7,月发布，其中包含有全新的搜索工具、任务栏和联网工具。,Windows 8,是在,Windows 7,之后微软研发的新一代操作系统，将于,2012-2013,年发布，核心版本号为,Windows NT 7.0,。,43,Unix,操作系统,UNIX,，是一个强大的,多用户,、,多任务,操作系统，支持多种处理器架构，按照操作系统的分类，属于,分时操作系统,。,1969,年在,AT&T,的贝尔实验室开发。经过长期的发展和完善，目前已成长为一种主流的操作系统技术和基于这种技术的产品大家族。它主要安装在巨型计算机、大型机上作为网络操作系统使用，也可用于个人计算机和嵌入式系统。曾经是服务器操作系统的首选，占据最大市场份额，但最近在跟,WINDOWS SERVER,以及,Linux,的竞争中有所失利。,44,Linux,操作系统,Linux,是一类,Unix,计算机操作系统的统称。,Linux,操作系统的内核的名字也是“,Linux”,。,Linux,操作系统也是自由软件和开放源代码发展中最著名的例子。严格来讲，,Linux,这个词本身只表示,Linux,内核，但在实际上人们已经习惯了用,Linux,来形容整个基于,Linux,内核，并且使用,GNU,工程各种工具和数据库的操作系统。,Linux,的标志和吉祥物是一只名字叫做,Tux,的企鹅，标志的由来是因为,Linus,在澳洲时曾被一只动物园里的企鹅咬了一口，便选择了企鹅作为,Linux,的标志。,45,Linux,和,UNIX,的最大的区别,前者,是开放源代码的自由软件，而,后者,是对源代码实行知识产权保护的传统商业软件。这应该是他们最大的不同，这种不同体现在用户对前者有很高的自主权，而对后者却只能去被动的适应；这种不同还表现在前者的开发是处在一个完全开放的环境之中,而后者的开发完全是处在一个黑箱之中,只有相关的开发人员才能够接触到产品的原型。,另外两大区别：,1,）,UNIX,作为商业操作系统与,Linux,相比其支持的硬件种类要多一些，但两者运行几乎一样稳定,.,2),两者都是多用户、多任务操作系统，也都可以作为网络操作系统使用,.,46,Redhat,REDHAT,创建于,1993,年，是目前世界上最资深的,Linux,和,开放源代码,提供商，同时也是最获认可的,Linux,品牌。基于开放源代码模式，,红帽,为全球企业提供专业技术和服务。红帽的解决方案包括红帽企业,Linux,操作平台，以及其他内容广泛的服务，如,:,咨询，,24X7,技术支持和红帽网络,(RHN),。红帽以订阅的商业模式向用户提供不间断的产品和服务。红帽在全球,60,多个地点提供培训课程，其中的,RHCE,认证,已经成为,Linux,认证的标准。,Redhat,的“,ShadowMan,”,标志显得十分神秘，似乎该男子应该叼一支香烟，整个标志的内容与,1950,年法国海斯特电影的海报内容很相似，让人猜不出它所包涵的意义。,47,Mac OS,操作系统,Mac OS,是一套运行于苹果,Macintosh,系列电脑上的操作系统。,Mac OS,是首个在商用领域成功的图形用户界面。现行的最新的系统版本是,Mac OS X 10.6.x,版。,苹果公司不但生产,Mac,的大部分硬件，连,Mac,所用的操作系统都是它自行开发的，接下来，我们就来了解一下它的操作系统。,苹果机现在的操作系统已经到了,OS 10,，代号为,Mac OS X(X,为,10,的罗马数字写法,),，这是,Mac,电脑诞生,15,年来最大的变化。新系统非常可靠，它的许多特点和服务都体现了苹果公司的理念。,另外，现在疯狂肆虐的电脑病毒几乎都是针对,PC,的，由于,Mac,的架构与,PC,不同，而且用户比较少，所以很少受到病毒的袭击。,Mac OS X,操作系统界面非常独特。苹果公司能够根据自己的技术标准生产电脑、自主开发相对应的操作系统，可见它的技术和实力非同一般。打个比方，苹果公司就像是,Intel,和微软的联合体，在软硬件方面“才貌双全”。,48,1.1.2,操作系统的定义,操作系统（,Operating System,简记为,OS,）,:,定义,是计算机系统中的一个,系统软件,，能有效地,组织,和,管理,计算机系统中的硬件和软件资源，合理地,组织,计算机的工作流程，,控制,程序的执行，并向,用户提供各种服务功能，使得用户能够合理、方,便、有效地使用计算机，使整个计算机系统能高,效运行的,一组程序模块的集合,。,49,操作系统主要有两方面的主要作用,管理系统中的各种资源,，包括硬件资源和软件资源。操作系统负责在各个程序之间调度和分配资源，保证系统中的各种资源得到有效地利用。,为用户提供良好的界面，是计算机和用户之间的,接口,。,50,1.1.3,操作系统的目标,目前存在着多种类型的,OS,，,不同类型的,OS,，,其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的,OS,，,其,目标,有以下几点：,1.,方便性,2.,有效性,3.,可扩充性,4.,开放性,51,无,操作系统的计算机系统,人工操作方式,脱机输入输出方式,批处理系统,单道批处理系统,多道批处理系统,分时系统,实时系统,微机操作系统,多处理机操作系统,网络操作系统,分布式操作系统,嵌入式操作系统,1.2,操作系统的形成与发展过程,操作系统是由于客观的需要而产生，,它伴随着计算机技术和应用的发展而发展。,三类基本的操作系统类型,52,1.2,操作系统的形成与发展过程,无操作系统的计算机系统,1.,人工操作方式,从第一台计算机诞生,(1945,年,),到,50,年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现,OS,。,计算机操作是由用户采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔,(,对应于程序和数据,),的纸带,(,或卡片,),装入纸带输入机,(,或卡片输入机,),，再启动它们将程序和数据输入计算机， 然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后， 才让下一个用户上机。,其缺点：,(1),用户独占全机,(2)CPU,等待人工操作,53,2.,脱机输入,/,输出方式,解决问题,：,人机矛盾及,CPU,和,I/O,设备之间速度不匹配的矛盾,脱机输入,/,输出技术：,在采用脱机输入输出方式时，程序和数据的输入输出都,是在外围计算机的控制下完成，即它们是脱离主机进行的，,故称之为脱机输入输出操作。,图,1-3,脱机,I/O,示意图,其优点：,（,1,）减少了,CPU,的空闲时间 （,2),提高,I/O,速度,54,单道批处理系统,55,图,1-4,单道批处理系统的处理流程,单道批处理系统的处理过程,单道批处理系统,批处理是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。,单道,:,在,内存中仅有一道作业。,56,下图描述了单道程序系统运行情况，问题在于,CPU,需要等待设备的,I/O,完成。,用户程序,监督程序,磁盘操作,磁带操作,请求磁带输入,启动磁带,I/O,结束,请求磁盘输入,启动磁盘,I/O,结束,CPU,运行,I/O,设备运行,图,1,单道作业运行情况,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,t,7,t,8,单道程序系统运行原理,57,单道批处理系统,单道批处理系统是最早出现的一种,OS,。严格地说，它只能算作是,OS,的前身而并非是现在人们所理解的,OS,。,单道批处理系统的,运行特征,:,1,、,单道性,：内存中仅存放一个作业运行，即监督程序每次从,磁带上只调入一道程序进入内存运行；,2,、,顺序性,：磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业,的完成顺序与他们进入内存的顺序，在正常情况下应完全,相同，亦即先调入内存的作业先完成；,3,、,自动性,：在顺利情况下，在磁带上的一批作业能自动地逐,个地一次运行，而无需人工干预。,58,多道程序批处理系统,59,多道批处理系统,在该系统中， 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,“,后备队列,”,；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,调入内存，使它们共享,CPU,和系统中的各种资源。,在计算机内存中同时存放若干道已开始运行尚未结束的程序，它们,交替运行，共享系统中的各种硬、软件资源，,从而使处理机得到充分利用。,1.,多道程序设计的基本概念,60,多道批处理系统,2.,多道批处理的运行特征,多道：内存中同时存放几个作业；,宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；,微观上串行运行：各作业交替使用,CPU,；,61,体现两个特征，一是“,多道,”，二是“,成批,”。如下图,图,多道批处理系统工作原理,作业,卡片机,作业,1,作业,2,作业,n,OS,磁盘,（输入井）,磁盘,（输出井）,内存,后备,作业,完成,作业,打印机,处理器,作业,卡片机,内存,作业,1,作业,2,作业,n,OS,后备,作业,完成,作业,打印机,处理器,结束,3.,多道批处理操作系统的工作原理,62,4.,多道程序系统运行情况,用户程序,A,监督程序,磁盘操作,磁带操作,请求磁盘输入,启动磁盘,结束中断,中断处理,结束中断,CPU,运行,设备运行,用户程序,B,调度,B,请求磁带输入,启动磁带,中断处理后调度,A,中断处理后调度,B,两道作业运行情况,多道程序系统必备的硬件基础是,中断技术,。,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,t,7,t,8,63,5.,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。,作业周转时间,是指从作业进入系统开始，直到其完成并退出系统为止所经历的时间。,批处理：适合大型科学计算、数据处理,64,例题：,设在内存中有,P1,、,P2,两道程序，并按照,P1,、,P2,的次序运行，其内部计算和,I/O,操作时间如下：,P1,：计算,60ms,I/O 80ms ,计算,20ms,；,P2,：计算,120ms,I/O 40ms,计算,40ms,。画出并发执行这两道程序的时序图，并计算若调度程序的执行时间（红色短线表示）不计，并发完成这两道程序比单道运行节约的时间是多少？,单道运行的时间：,P1,：,160,，,P2,：,200,，合计,360,；,并发完成这两道程序比单道运行节约的时间是（,100,）,65,例题：,设在内存中有,P1,、,P2,两道程序，并按照,P1,、,P2,的次序运行，其内部计算和,I/O,操作时间如下：,P1,：计算,60ms,I/O 80ms ,计算,20ms,；,P2,：计算,120ms,I/O 40ms,计算,40ms,。画出并发执行这两道程序的时序图，并计算若调度程序的执行时间（红色短线表示）不计，并发完成这两道程序比单道运行节约的时间是多少？,66,课堂练习：,设在内存中有,P1,、,P2,两道程序，并按照,P1,、,P2,的次序运行，其内部计算和,I/O,操作时间如下：,P1,：计算,40ms,I/O 60ms ,计算,50ms,；,P2,：计算,100ms,I/O 80ms,计算,50ms,。画出并发执行这两道程序的时序图，并计算若调度程序的执行时间不计，并发完成这两道程序比单道运行节约的时间是多少？,CPU,的利用率分别为多少（换算成百分比）？,67,批处理系统的,目标,是提高计算机系统的工作效率，但批处理系统的,用户交互性差和作业平均周转时间长,导致了分时系统的出现。,分时操作系统,分时系统,是指，在一台主机上连接了多个终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。,68,分时操作系统,终端,终端,终端,分时系统示意图,响应时间,1 2 3 n,时间片,计算机硬件,终端,分时操作系统,终端,终端,终端,1 2 3 n,时间片,终端,终端,终端,终端,终端,终端,终端,终端,终端,1.,分时系统的思想,采用时间片轮转的方法，同时为许多终端用户服务，对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话的功能。,时间片：将,CPU,的时间划分成若干个片段,称为时间片，操作系统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务,设计目标：对用户的请求及时响应，并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率。,适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。,69,2.,分时操作系统工作方式,一台主机连接了若干个终端,每个终端有一个用户在使用,交互式的向系统提出命令请求,系统接受每个用户的命令,采用时间片轮转方式处理服务请求,并通过交互方式在终端上向用户显示结果,用户根据上步结果发出下道命令,主机,终端,70,3.,分时操作系统特点,多路性,交互性,独立性,及时性,同时有多个用户使用一台计算机,宏观上：是多个人同时使用一个,CPU,微观上：多个人在不同时刻轮流使用,CPU,用户根据系统响应结果进一步,提出新请求,(,用户直接干预每一步,),每个用户各占一个终端，彼此独,立操作，互不干扰。用户会感觉,独占主机。,系统对用户提出的请求及时响应,71,实时操作系统,实时操作系统的引入,随着计算机应用领域扩大，从传统科学计算扩展到商业数据处理、生产过程控制、飞机导航、情报检索等。这样就出现了实时操作系统，这种系统一般是专用系统。,实时操作系统（,Real-Time Operating System,）,指系统能及时（或即时）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，并控制所有实时任务协调一致地运行。,特点：及时性要求高，系统可靠性高。,典型的系统：,uClinux,VxWorks,，,QNX,72,实时系统按其应用分为两大类：,实时控制：,通常是指以计算机为中心的生产过程控制系统，又称计算机控制系统。如：钢铁冶炼的自动控制、炼油、化工生产过程的自动控制,飞机导航、导弹和卫星发射的军事控制以及铁路交通控制等都属于这一类。情报检索等就属于这一类。,1,实时操作系统的分类,实时信息处理：,计算机及时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和处理，并在很短时间内对用户做出正确回答。例如：银行，机票订购系统、股市行情实时信息处理系统等。,73,3,实时操作系统主要追求目标,对外部请求在严格时间范围内作出反应,高可靠性,安全性,完整性,实时系统必须和先进的技术装备相结合,74,4,实时系统与分时系统特征的比较,（,1,）多路性,实时控制系统的多路性主要表现在系统周期性的对多路现场信息进行采集，以及对多,个对象或多个执行机构进行控制，而分时系统中的多路性则与用户情况有关，时多时,少。,（,2,）独立性,实时信息处理系统中的每个终端用户在向实时系统提出服务请求时，是彼此独立的操,作，互不干扰；而实时控制系统中对信息的采集和对象的控制也都是彼此互不干扰。,（,3,）及时性,实时信息处理系统对实时性的要求与分时系统类似，都是以人所能接受的等待时间来,确定,;,而实时控制系统的及时性，则是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时,间来确定,.,（,4,）交互性,实时信息处理系统虽然也具有交互性，但这里人与系统的交互仅限于访问系统中某些,特定的专用服务程序。它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理和资源共享等,服务,（,5,）可靠性,分时系统虽然也要求系统可靠，但相比之下，实时系统则要求系统具有高度的可靠性,。因为任何差错都可能带来巨大的经济损失，甚至是无法预料的灾难性后果，所以在,实时系统中，往往都采取了多级容错措施来保障系统的安全性及数据的安全性。,75,微机操作系统的发展,单用户单任务,只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。,MS-DOS,FreeDOS,单用户多任务操作系统,只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。,Windows,系列操作系统,多用户多任务操作系统,允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步特高资源利用率和系统吞吐量。,UNIX,系列，,Mac OS, Linux,等。,76,网络操作系统,网络操作系统,是指在计算机网络环境中提供网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络应用等功能的操作系统。,目标,：为了实现网络中各计算机之间的通信和网络资源共享，提高网络资源的利用率和网络的吞吐量。,特点,：,架构在本机操作系统之上 。,遵照网络体系结构协议，提供网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络服务。,77,分布式操作系统,例如：银行服务系统,分布式系统,是指多个处理机通过通信线路互联而构成的,系统，系统的处理和控制功能分布在各个处理机上。,配置在分布式系统上的操作系统称为,分布式操作系统,，,它负责分布式系统中的任务分配、资源管理等功能服务。,统一性：统一的用户管理,共享性：共享所有资源,透明性：能很好地隐藏系统内部的实现细节。,自治性：分布式系统中多个计算机都处于平等地位,78,嵌入式操作系统,嵌入式系统是一种用途广泛的系统软件。过去主要应用于工业控制和国防系统领域，随着,Internet,技术的发展、信息家电的普及应用及嵌入式操作系统的微型化和专业化，嵌入式系统开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。,常用的有：,VxWorks, Palm OS(PDA),Symbian,OS(,诺基亚,),Android(Google,),。,特点,强实时性,可装卸性,强稳定性，弱交互性,统一的接口,固化代码,更好的硬件适应性，即良好的移植性。,79,1.2.3,推动操作系统发展的主要动力,不断提高计算机资源利用率,2.,方便用户,3.,器件的不断更新换代,4.,计算机体系结构的不断发展,80,1.,软件的观点,从软件的观点来看，操作系统有其作为软件的,外在特性,和,内在特性。,2.,进程的观点,把操作系统看作由若干独立运行的,程序,（,进程,）和一个对这些程序（进程）进行协调的核心所组成。每个进程都完成某一特定任务，而操作系统的核心则控制和协调这些进程的运行，解决进程之间的通信。,1.3,研究操作系统的几种观点,81,3.,计算机系统资源管理的观点,在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和,软件资源。归纳起来可将,资源分为四类,：,相应地，,OS,的主要功能也正是针对这四类资源进行有,效的,管理,，,即,处理器、存储器、,I/O,设备以及信息,(,数据和程序,),(1),处理机管理,:,用于分配和控制处理机,(2),存储器管理,:,主要负责内存的分配与回收,(3)I/O,设备管理,:,负责,I/O,设备的分配与操纵,(4),文件管理,:,负责文件的存取、共享和保护,1.3,研究操作系统的几种观点,82,1.3,研究操作系统的几种观点,4.OS,作为用户与计算机硬件系统之间的接口,图,1-1 OS,作为接口的示意图,83,5. OS,用作虚机器,1.3,研究操作系统的几种观点,对于一台完全无软件的计算机系统,(,即,裸机,),，即使其功能,再强，也必定是难于使用的。,如果,我们在裸机上覆盖上一层,I/O,设备管理软件，用户便可利用它所提供的,I/O,命令，来进,行数据输入和打印输出。此时用户所看到的机器， 将是一台,比裸机功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的,机器称为,扩充机器,或,虚机器,。,如果,我们又在第一层软件上再,覆盖上一层文件管理软件，则用户可利用该软件提供的文件,存取命令，来进行文件的存取。此时，用户所看到的是台功,能更强的虚机器。,如果,我们又在文件管理软件上再覆盖一层,面向用户的窗口软件，则用户便可在窗口环境下方便地使用,计算机，形成一台功能更强的虚机器。,84,6.,服务提供者观点,操作系统提供了程序执行的环境，也为程序和用户提供了一系列的操作系统服务。,操作系统提供公共服务类型包括 ：,程序执行,I/O,操作,文件系统操纵,通信,差错检测,1.3,研究操作系统的几种观点,85,处理机管理（进程管理）,存储管理,文件管理,设备管理,用户接口,1.4,操作系统的功能与特征,1.4.1,操作系统的功能,处理机管理（进程管理）,存储管理,文件管理,处理机管理（进程管理）,存储管理,设备管理,文件管理,设备管理,处理机管理（进程管理）,文件管理,设备管理,存储器管理,处理机管理（进程管理）,文件管理,设备管理,86,1.,处理机管理：,解决,CPU,的分配策略、实施方法，最大限度地提高处理机的处理能力，具体包括进程控制、进程同步、进程通信、调度。,2.,存储器管理：,解决多道程序在内存中的分配，当进程被撤消时回收分配出去的内存，通过对内外存联合管理来扩大存储空间。,3.,设备管理：,对设备进行分配、调度，为用户使用,I/O,设备提供方便的命令和操作界面。,1.4.1,操作系统的功能,87,4.,文件管理：,又称文件系统，文件是计算机中的软件资源，存储在外存中。文件管理可实现对文件的检索、存取、共享、安全和保密等操作，并提供相应的操作命令。,5.,用户接口：,提供三种用户接口，以便用户提出请求和说明服务。 程序接口（程序一级的接口）、命令接口（作业控制语言操作）和图形接口。,1.4.1,操作系统的功能,88,并发性,共享性,虚拟性,异步性,1.4.2,操作系统的特征,1.4,操作系统的功能与特征,89,1.,并发性,定义,：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。,并行性,是指两个或多个事件在同一时间发生。,在多道程序系统（单处理器）中，宏观上并行，微观上串行（交替执行）。,程序的并发执行，有效地改善了系统资源的利用率和提高了系统的吞吐量，但它使系统复杂化，操作系统必须具有控制和管理各种并发活动的能力。,90,1.,并发性,为使多个程序能够并发执行，系统必须分别为每个程序,建立进程,(Process),。,进程：,指操作系统中能够独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。,线程：,比进程更小的单位，在进入线程的,OS,中，,通常是把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。,由于线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，所以对它的调度所付出的开销就会小得多，能更高效地提高系统内多个程序间并发执行的程度。,91,2.,共享性,定义,：,是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用。,多个进程,（线程）,共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。资源在一个时间段内交替被多个进程所用。,两种资源共享方式：,1.,互斥共享,：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用,(,如音频设备，打印机,),。,2.,同时访问,：允许在一段时间内由多个进程,“,同时,”,对他们进行访问。如可重入代码，磁盘文件。,92,2.,共享性,并发,和,共享,是操作系统两个最基本的特性，它们互为依存。,1.,资源的共享是由于程序的并发执行而引起的，若系统不允许程序并发执行，自然就不存在资源共享问题。,2.,若系统不能对资源共享实施有效管理，必然会影响到程序的并发执行，甚至程序无法并发执行，操作系统也就失去了并发性，导致整个系统效率低下。,93,3.,虚拟性,定义：,是指把一个物理上的实体，变为若干个逻辑上的对应物。物理实体,(,前者,),是实的， 而后者是虚的，相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。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。,虚拟处理机：每个用户（进程）的,虚处理机,虚拟内存：每个进程都占有的地址空间（指令数据堆栈）,虚拟外部设备：多窗口或虚拟终端,(virtual terminal),94,4.,异步性,进程的运行速度不可预知：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；,无论快慢，结果应该相同。通过进程互斥和同步手段来保证；,难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误）。,定义：,指进程的执行顺序和执行时间的不确定性,95,小结,基本内容,主要讲述操作系统的基本概念，具体包括操作系统的目标和作用、操作系统的发展过程及操作系统的特征。,重点与难点,操作系统的作用,在不同发展阶段，各种操作系统的特点,理解并发、并行、进程、线程、共享、虚拟等概念。,96,1,、设在内存中有,P1,、,P2,两道程序，并按照,P1,、,P2,的次序运行，其内部计算和,I/O,操作时间如下：,P1,：计算,40ms,I/O 80ms ,计算,30ms,；,P2,：计算,120ms,I/O 50ms,计算,20ms,。画出并发执行这两道程序的时序图，并计算若调度程序的执行时间不计，并发完成这两道程序比单道运行节约的时间是多少？,练习,97,单道运行的时间：,P1,：,150,，,P2,：,210,，合计,340,；,并发完成这两道程序比单道运行节约的时间是（,110,）。,98,