操作系统讲义-第一章操作系统引论

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,*,操作系统讲义,*,第一章 操作系统引论,11/3/2024,1,操作系统讲义,主要内容,1.1 操作系统的概述,1.2 操作系统的目标和作用,1.3 操作系统的发展过程,1.4 操作系统的基本特性,1.5 操作系统的主要功能,1.6 操作系统的结构设计,11/3/2024,2,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统概述,计算机系统,=,硬件,+,软件,1.什么是操作系统？,硬件：计算机的物理装置本身，如CPU，内存，硬盘，终端设备等,软件：计算机执行的程序，UNIX，WINDOWXP，Office，Oracle等,计算机软件的分类,应用软件,支撑软件,系统软件,操作系统的概念,操作系统（Operating System-OS）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。,11/3/2024,3,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统概述,下面哪些是操作系统？,2.理解操作系统,UNIX，SQL Server，Word，DOS，WindowsXP，PowerPoint，Linux,操作系统的定位,它是裸机之上的第一层软件,裸机：没有配置任何软件的物理计算机,它对下：控制和管理系统内的各种资源（软件和硬件），有效地组织多道程序运行,它对上：扩充硬件功能，提供众多服务，方便用户使用,11/3/2024,4,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统概述,3.计算机系统的层次结构,信息管理系统，飞机订票系,统，银行系统，地理信息系,统，CAD软件,测试工具，编辑工具，项目,管理工具，DFD编辑器，语,言转换工具,语言编译程序，连接装配,程序，数据库管理软件，,网络软件,操作系统,裸机,用户,用户,用户,用户,应用软件,支撑软件,系统软件,11/3/2024,5,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的目标和作用,方便性,方便使用计算机系统，避免用户自己编写程序的繁琐工作。,1.操作系统的目标,有效性,合理组织计算机的工作流程，进一步改善资源的利用率，提高系统的吞吐量。,可扩充性,VLSI,超大规模集成电路,(Very Large Scale Integrated,circuites,),，计算机技术以及计算机网络,Internet,的发展的需求。,开放性,遵循世界标准规范，如开放系统互联,OSI,国际标准。,11/3/2024,6,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的目标和作用,它作为用户和计算机硬件之间的接口,2.操作系统的作用,它作为计算机系统资源的管理者,a.,处理器管理,b.,存储器管理,c.I/O,设备管理,d.,信息管理,它作为扩充机器,通常把覆盖了软件的机器称作扩充机（,Extended Machine,）或者虚拟机（,Virtual Machine,）。,用户,计算机硬件,操作系统,接口,11/3/2024,7,第一章 操作系统引论,1.2 操作系统的目标和作用,不断提高计算机资源利用率,最初的动力,-,计算机系统的昂贵。,3.推动操作系统发展的主要动力,方便用户使用,主要因素,-,改善用户上机、调试的条件。,器件的不断更新换代,微机从,8,位发展到,16,位，进而发展到,32,，现在已经达到,64,位。,计算机体系结构的不断发展,计算机：单处理机系统,多处理机系统计算机网络,。,操作系统：单处理机,OS,多处理机,OS ,网络,OS,11/3/2024,8,第一章 操作系统引论,1.3 操作系统的发展过程,1）人工操作方式,用户独占全机资源；,CPU,等待人工操作；,CPU,和,I/O,串行操作。,1.无操作系统的计算机系统,上机特点,：,人工安装,I/O输入,人工启动,CPU计算,I/O输出,人工取结果,效率极低,2）脱机输入/输出方式,人工,I/O输入到磁盘,CPU自动I/O输入,CPU计算,CPU自动I/O输出,人工从磁盘取结果,减少了,CPU,的空闲时间；,提高,I/O,速度。,主要优点,：,11/3/2024,9,第一章 操作系统引论,1.3 操作系统的发展过程,1）联机批处理（慢速I/O直接与主机相连）,2.单道批处理系统,解决了作业自动转接，减少人工干预。,2）脱机输入/输出方式,a.自动性 b.顺序性 c.单道性,主要特征,：,纸带机,卡片机,打印机,卫星机,主机,输入带,输出带,执行带,系统带,系统带：系统程序记录在磁带上。,执行带：源程序被翻译成目标程序。,批处理系统：将作业按一定的原则组成作业流，有系统监督程序自动控制完成,目的：使整个作业流能自动地、顺序地运行，以节省操作时间，改善机器性能。,11/3/2024,10,第一章 操作系统引论,1.3 操作系统的发展过程,将作业在外存上排成一个队列，称为后备队列，由作业调度程序按照一定的算法从后备队列中选择若干个（并不是同时）作业进入内存，形成多道批处理。即指多个作业同时进入内存，处于运行状态，可并行运行，但在某一时刻，真正在CPU上运行的只有一个作业，为此引入多道程序设计技术。,多道,无序,调度性,宏观上并行,微观上串行,3.多道批处理系统,多道批处理系统的特征,：,提高,CPU,的利用率；,提高内存和,I/O,设备利用率；,增加系统吞吐量。,多道批处理系统的好处,：,11/3/2024,11,第一章 操作系统引论,1.3 操作系统的发展过程,3.多道批处理系统,优点,：资源利用率高，系统吞吐量大,缺点：平均周转时间长（排队、调度），无交互能力,处理机的分配和回收；,内存的分配和保护；,I/O,设备的共享；,程序和数据的组织；,作业的组织和管理。,多道批处理系统应解决的问题,：,程序A,程序B,程序C,程序D,调度程序,程序A,程序B,程序C,程序D,程序D I/O请求,程序C I/O请求,程序B I/O请求,程序A I/O请求,程序A I/O完成,程序A 再调度,程序A 完成,程序B I/O完成,程序C I/O完成,程序C 再调度,11/3/2024,12,第一章 操作系统引论,1.3 操作系统的发展过程,计算机系统由若干个用户共享，每个用户通过终端或控制台采用问答方式（交互式）控制程序的运行，系统将CPU时间轮流地分配给每个用户，每个用户每次只运行很短的时间片，对用户好像独占整个机器。,a.同时性 b.独立性 c.交互性 d.及时性,4.分时系统,系统特征,：,用户在终端上提出请求后得到系统给出响应，这段时间称作响应时间。,a.用户终端的数量,b.时间片的大小,c.信息交换速度、数量（内、外存）,影响响应时间的因素,：,11/3/2024,13,第一章 操作系统引论,1.3 操作系统的发展过程,计算机能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对原事件的处理，并且控制所有实时设备和实时任务协调一致的工作。,（1）响应时间要快,（2）系统可靠性要高,（3）具有连续的人-机对话能力,（4）具有保护过载能力,（5）系统整体性要强,5.实时系统,系统特征,：,周期性实时任务,非周期性实时任务,实时任务按执行周期性可分为,硬实时任务,软实时任务,按截止时间要求可分为,11/3/2024,14,第一章 操作系统引论,1.3 操作系统的发展过程,下面从多路性、独立性、交互性、及时性和可靠性五个方面对这两种系统进行比较。,6.实时系统和分时系统的比较,特征,实时系统,分时系统,多路性,采集多路信息，控制多个对象和多个执行机构,服务多个终端用户,独立性,独立信息采集和对象控制,独立的服务请求,交互性,限于特定专用服务程序,向终端用户提供大量服务,及时性,控制对象的要求,人能接受的等待时间,可靠性,要求系统高度可靠,要求系统可靠,11/3/2024,15,第一章 操作系统引论,1.4 操作系统的基本特征,1.并发性（Concurrence）,2.共享性（Sharing）,3.不确定性（Nondeterminacy）,4.虚拟性（Virtual）,虚拟是指将一个物理的实体变换（映射）为若干个逻辑上的对应物。例如分时CPU。,指事件的不可预测（时间和次序）随机性事件是造成OS不确定性的基本原因。,OS追求的主要目标之一，并发和共享是OS的两个最基本的特征。,指多个事件同时发生。,并发：是一种逻辑的或者宏观的同时性概念，即并发是宏观上的并行。,（在各自的起点和终点之间）；,并行：是一种物理的或者微观的同时性概念。,11/3/2024,16,第一章 操作系统引论,1.5 操作系统的主要功能,主要任务：对CPU进行分配，且对其运行控制和管理,进行控制：,为作业创建、撤销已结束的进程；,进程同步：,进程互斥和进程同步；,进程通信：,进程之间的信息交换；,调度：,作业调度和进程调度。,1.处理机管理,主要任务：为多道程序分配内存，方便用户使用存储器，提高 存储器利用率并且在逻辑上扩充内存。,内存分配：,为每道程序静态或者动态地分配内存；,内存保护：,保证每道用户程序都在自己的内存空间运行，互不干扰；,地址映射：,将应用程序的地址空间映射为逻辑地址或相对地址；,内存扩充：,借助虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存。,2.存储器管理,11/3/2024,17,第一章 操作系统引论,1.5 操作系统的主要功能,主要任务：完成I/O请求，分配I/O设备，提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，方便使用I/O设备。,缓冲管理：,管理好各类缓冲区，提高系统吞吐量；,设备分配：,根据,I/O,请求，分配所需要的设备；,设备处理：,实现,CPU,与设备控制器之间的通信；,设备独立性和虚拟设备,设备独立性：指应用程序独立于物理设备；,虚拟设备：将一个物理设备变换（改造）为多个对应的逻辑设备，是每个用户感觉自己独占该设备（,spooling,技术）。,3.设备管理功能,为此要进行下列管理：,11/3/2024,18,第一章 操作系统引论,1.5 操作系统的主要功能,主要任务：对用户文件和系统文件进行管理，方便用户使用，并保证文件的安全性。,文件存储空间的管理：,为文件分配必要的外存空间，提高外存利用率，并提高文件系统的运行速度；,目录管理,：为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，实现方便的按名存取；,文件读,/,写管理和保护：,进程之间的信息交换；,文件读,/,写管理：从外存中读写数据；,文件保护：防止未经核准的用户存取文件，防止冒名存取文件，防止不正确的方式存取文件。,4.文件管理,11/3/2024,19,第一章 操作系统引论,1.5 操作系统的主要功能,主要任务：方便用户使用操作系统，以命令、系统调用或者图形方式为用户提供接口。,命令接口：,包括联机用户接口和脱机用户接口；,程序接口,：由一组具有特定功能的系统调用组成。；,图形接口：,图形化的操作界面。,5.用户接口,用户,计算机硬件,操作系统,接口,用户,操作系统,1.命令接口 2.程序接口 3.图形接口,接 口,实际上操作系统将计算机扩充为功能更强，服务质量更高，使用更加方便、灵活的计算机系统。此外，操作系统还得到对系统的可靠性和资源的保护。OS可以利用安全手段防止OS被破坏。,11/3/2024,20,第一章 操作系统引论,1.6 操作系统的结构设计,无结构操作系统,OS,可以看做一组过程的集合，过程之间互相调用。,模块化结构,OS,由许多标准的、可兼容的基本单位构成，称为模块。各模块功能上相互独立，模块间通过规定的接口相互调用，将各模块连接起来构成完整的系统。,1.传统的操作系统结构,优点：提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性，增强了可适应性，加速了 开发过程。,缺点：调用关系复杂，相互依赖，结构不清晰，使得分析、移植和维护较困难。,操作系统,进程管理,存储器管理,文件管理,进程控制,进程调度,内存分配,内存保护,磁盘管理,目录管理,模块,子模块,11/3/2024,21,第一章 操作系统引论,1.6 操作系统的结构设计,分层式操作系统,将模块按照某种逻