主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院课件

主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院主讲教师：主讲教师： 万寿红万寿红中国科学技术大学网络学院中国科学技术大学网络学院主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 课程目的：课程目的： 基本要求：基本要求：主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院计算机系统(层次结构)软件硬件及固件（裸机）应用软件系统软件编辑软件，编译软件操作系统计算机系统的组成 主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院操作系统在计算机系统中的地位操作系统在计算机系统中的地位计算机硬件操作系统系统工具应用软件应用用户应用开发人员操作系统开发人员主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 有效性（系统管理人员的观点）有效性（系统管理人员的观点） 方便性（用户的观点）方便性（用户的观点）引入操作系统的目标引入操作系统的目标:主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 OS是计算机硬件、软件资源的管理者。 管理的对象：管理的对象：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）； 管理的内容：管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略。 OS是用户使用系统硬件、软件的接口。 系统命令系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口GUI）； 系统调用系统调用（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）。主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对CPU）； 合理组织工作流程：作业管理、进程管理。操作系统的非形式化定义（关键点）：操作系统的非形式化定义（关键点）：系统软件，程序模块的集合，资源管理和用户接口功能 OS是扩展机(extended machine)/虚拟机(virtual machine)。主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 MS OS: MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000 UNIX: BSD, SRV4, OSF1, SCO UNIX, AIX, Solaris, Linux NOS: Novell Netware 主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院手工操作手工操作批处理系统批处理系统( batch processing)多道程序系统多道程序系统(multiprogramming system)分时系统分时系统(time-sharing system)实时系统实时系统(real-time system)主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 工作方式工作方式 用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员；算机专业人员； 编程语言：为机器语言；编程语言：为机器语言； 输入输出：纸带或卡片输入输出：纸带或卡片；194619465858年（电子管）：集中计算（计算中心），年（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； 主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 主要矛盾主要矛盾 计算机处理能力的提高，手工操作的低效率计算机处理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪费）；（造成浪费）； 用户独占全机的所有资源；用户独占全机的所有资源； 提高效率的途径提高效率的途径 专门的操作员，批处理专门的操作员，批处理工作特点工作特点用户独占全机用户独占全机CPUCPU等待用户等待用户主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 批处理中的作业的组成：批处理中的作业的组成： 用户程序用户程序 数据数据 作业说明书（作业控制语言）作业说明书（作业控制语言）5858年年6464年（晶体管）：利用磁带把若干个作业分年（晶体管）：利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个批作业由一个专门的监类编成作业执行序列，每个批作业由一个专门的监督程序（督程序（MonitorMonitor）自动依次处理。可使用汇编语）自动依次处理。可使用汇编语言开发言开发。 主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 两种批处理方式两种批处理方式 (1)(1)联机批处理（早期）（解决人机矛盾）联机批处理（早期）（解决人机矛盾） 用户提交作业用户提交作业 操作员合成批作业操作员合成批作业 批作业处理：对批作业中的每个作业进行批作业处理：对批作业中的每个作业进行相同的处理：从磁带读入用户作业和编译相同的处理：从磁带读入用户作业和编译链接程序，编译链接用户作业，生成可执链接程序，编译链接用户作业，生成可执行程序；启动执行；执行结果输出。行程序；启动执行；执行结果输出。 问题问题：慢速的输入输出处理仍直接由主机：慢速的输入输出处理仍直接由主机来完成。来完成。输入输出时，输入输出时，CPUCPU处于等待状态处于等待状态。主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 优点：优点：同一批内各作业的自动依次更替，改善了主同一批内各作业的自动依次更替，改善了主机机CPUCPU和和I/OI/O设备的使用效率，设备的使用效率，提高了吞吐量提高了吞吐量。 缺点缺点：磁带或磁盘：磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分需要人工装卸，作业需要人工分类类，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预才可恢复）。才可恢复）。利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并行工作。行工作。 两种批处理方式两种批处理方式(2)(2)脱机批处理脱机批处理（解决（解决cpucpu与与I/OI/O设备速度不匹配的矛盾）设备速度不匹配的矛盾）主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 CPUCPU和和I/OI/O设备使用忙闲不均（取决于当前设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）。作业的特性）。 内存仅放一道运行程序内存仅放一道运行程序 对计算为主的作业，外设空闲；对计算为主的作业，外设空闲； 对对I/OI/O为主的作业，为主的作业，CPUCPU空闲；空闲； 单道批处理的主要问题单道批处理的主要问题主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 通道：通道：用于控制用于控制I/OI/O设备与内存间的数据传设备与内存间的数据传输。启动后可独立于输。启动后可独立于CPUCPU运行，实现运行，实现CPUCPU与与I/OI/O的并行。的并行。 中断中断是指是指CPUCPU在收到外部中断信号后，停止在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。到原来断点继续工作。 引进缓冲技术，减少引进缓冲技术，减少cpucpu和外设的等待时间，和外设的等待时间，提高提高cpucpu和外设并行工作的程度。和外设并行工作的程度。 通道和中断技术通道和中断技术主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 多道程序技术运行特征多道程序技术运行特征 多道：内存中同时存放几个作业；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，但都未运行宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；完； 微观上串行运行：各作业交替使用微观上串行运行：各作业交替使用CPUCPU；6464年年7070年（集成电路）：利用多道批处理提高资源的利用年（集成电路）：利用多道批处理提高资源的利用率。率。 主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院多道程序系统上的技术多道程序系统上的技术 作业调度作业调度 资源共享资源共享 内存使用内存使用 内存保护内存保护 文件非顺序存放、随机存取文件非顺序存放、随机存取作业管理、处理机管理、存储管理、设备管理、作业管理、处理机管理、存储管理、设备管理、文件系统管理文件系统管理()()主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 假脱机批处理假脱机批处理 使用多道程序设计技术和通道技术，由输入和输使用多道程序设计技术和通道技术，由输入和输出进程实现在低速设备和高速设备（磁盘）之间出进程实现在低速设备和高速设备（磁盘）之间的信息传输任务；的信息传输任务； 在联机方式下实现脱机批处理操作，消除人工干在联机方式下实现脱机批处理操作，消除人工干预，提高系统资源利用率；预，提高系统资源利用率； 现代操作系统中广泛使用假脱机处理技术。现代操作系统中广泛使用假脱机处理技术。主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 多道批处理系统的资源利用效率特征多道批处理系统的资源利用效率特征多道批处理系统的资源利用效率特征是基于各作业对系统资多道批处理系统的资源利用效率特征是基于各作业对系统资源的需求差异得到的。源的需求差异得到的。例如：有例如：有3 3个作业个作业A A、B B、C C，分别为计算、检索和打印作业，分别为计算、检索和打印作业，单道运行时间分别为单道运行时间分别为5 5分、分、1515分和分和1010分钟。它们可并行在分钟。它们可并行在1515分钟内完成分钟内完成3 3个作业。各资源的利用效率为：个作业。各资源的利用效率为：CPU打印机磁带单道17%33%50%多道33%66%100%主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院多道批处理系统的特点多道批处理系统的特点 优点：优点： 资源利用率高：资源利用率高：CPUCPU和内存利用率较高；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。作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大。 缺点：缺点： 用户交互性差：不利于调试和修改；用户交互性差：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作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长。长。主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 “分时分时”的含义分时是指多个用户分享使用同一台计的含义分时是指多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。 多个用户分时多个用户分时 通常按时间片通常按时间片(time slice)(time slice)分配：各个程序在分配：各个程序在CPUCPU上执行的轮换时间。上执行的轮换时间。 设计目标：设计目标：对用户的请求及时响应，并在可能条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。件下尽量提高系统资源的利用率。 适合适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。话的场合。7070年代中期至今年代中期至今 主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院主机主机终终端端分时系统示意图分时系统示意图主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院分时操作系统特点 多路性 交互性 “独占”性 及时性同时有多个用户使用一台计算机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宏观上：是多个人同时使用一个CPUCPU微观上：多个人在不同时刻轮流使用微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPUCPU用户根据系统响应结果进一步用户根据系统响应结果进一步提出新请求提出新请求( (用户直接干预每一步用户直接干预每一步) )用户感觉不到计算机为其他人服务用户感觉不到计算机为其他人服务（OSOS提供虚机器，各个用户的虚提供虚机器，各个用户的虚机器互不干扰）机器互不干扰）系统对用户提出的请求及时响应系统对用户提出的请求及时响应主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 要求：要求：响应时间短，在一定范围系统可靠性高响应时间短，在一定范围系统可靠性高 任务的类型：任务的类型： 周期性实时任务周期性实时任务 非周期性实时任务非周期性实时任务用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 并发并发(concurrency)(concurrency) 共享共享(sharing)(sharing) 虚拟虚拟(virtual)(virtual) 异步性异步性(asynchronism(asynchronism)主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 在多道程序处理时，宏观上并发，微观在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。上交替执行（在单处理器情况下）。 程序的静态实体是可执行文件，而动态程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程。实体是进程。多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。并行操作系统要完成这些并发过程的管理。并行(parallel)(parallel)是指在同一时刻发生。是指在同一时刻发生。并发并发(concurrency)(concurrency)主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院共享共享(sharing)(sharing) 互斥共享：资源分配后到释放前，不能被其他互斥共享：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用。进程所用。 同时访问同时访问 资源分配难以达到最优化资源分配难以达到最优化多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统多个进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。时间段内交替被多个进程所用。主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院虚拟虚拟(virtual)(virtual) CPUCPU每个用户（进程）的每个用户（进程）的 虚处理机虚处理机 存储器每个进程都占有的地址空间（指令存储器每个进程都占有的地址空间（指令数据堆栈）数据堆栈） 显示设备多窗口或虚拟终端显示设备多窗口或虚拟终端(virtual (virtual terminal)terminal)一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体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分时或分空间。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。重要手段，可提高资源利用率。主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院异步性异步性(asynchronism)(asynchronism) 进程的运行速度不可预知：分时系统中，多个进程进程的运行速度不可预知：分时系统中，多个进程并发执行，并发执行， 时走时停时走时停 ，不可预知每个进程的运行，不可预知每个进程的运行推进快慢推进快慢 判据：无论快慢，应该结果相同通过进程互斥判据：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（包括重现运行中难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误）的错误）也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间的不确定性；也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间的不确定性；主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院操作系统分类主要讨论操作系统的功能特征。操作系统分类主要讨论操作系统的功能特征。 1.3.1 批处理操作系统批处理操作系统 1.3.2 分时操作系统分时操作系统 1.3.3 实时操作系统实时操作系统 1.3.4 网络操作系统网络操作系统 1.3.5 分布式操作系统分布式操作系统主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 作业的处理流程作业的处理流程 作业提交：作业的输入；作业提交：作业的输入； 作业执行作业执行 作业完成：作业的输出；作业完成：作业的输出；1.3.1 批处理操作系统批处理操作系统(Batch Processing Operation System) 批处理的主要特征批处理的主要特征 用户脱机使用计算机用户脱机使用计算机 作业成批处理作业成批处理 多道程序并行多道程序并行 三种批处理类型三种批处理类型 单道批处理操作系统；单道批处理操作系统； 多道批处理操作系统；多道批处理操作系统； 远程批处理系统远程批处理系统主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院把计算机的系统资源（尤其是把计算机的系统资源（尤其是CPUCPU时间）进行时间上的时间）进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片（分割，每个时间段称为一个时间片（time slicetime slice），每），每个用户依次轮流使用时间片。个用户依次轮流使用时间片。1.3.2 分时操作系统分时操作系统(Time Sharing Operating System) 分时的定义分时的定义分时系统的特征分时系统的特征 多路性：多路性：多个用户同时工作。多个用户同时工作。 独立性：独立性：各用户独立操作，互不干扰。各用户独立操作，互不干扰。 交互性：交互性：系统能及时对用户的操作进行响应，系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间。时间。主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 实时系统的特征实时系统的特征 实时时钟管理实时时钟管理：提供系统日期和时间、定时和：提供系统日期和时间、定时和延时等时钟管理功能；延时等时钟管理功能； 及时性及时性：响应时间的要求：响应时间的要求； 多任务管理多任务管理：系统的并发性和随机性；系统的并发性和随机性； 高度可靠性和安全性高度可靠性和安全性：容错能力（如故障自动：容错能力（如故障自动复位）和冗余备份（双机，关键部件）；复位）和冗余备份（双机，关键部件）；实时操作系统主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的实时操作系统主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域，其主要特征是领域，其主要特征是实时性实时性和和可靠性可靠性。1.3.3 实时操作系统实时操作系统(Real Time Operating System)主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 通常操作系统的功能通常操作系统的功能：处理机管理、存储器管：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等；理、设备管理、文件管理等； 网络通信功能网络通信功能：通过网络协议进行高效、可靠：通过网络协议进行高效、可靠的数据传输；的数据传输； 网络资源管理网络资源管理：协调各用户使用；：协调各用户使用； 网络服务网络服务：文件和设备共享，信息发布；：文件和设备共享，信息发布； 提供网络接口提供网络接口1.3.4 网络操作系统网络操作系统(NOS, Network Operating System)主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院分布式系统分布式系统：处理和控制的分散（相对于集中：处理和控制的分散（相对于集中式系统）式系统）1.3.5 分布式操作系统分布式操作系统(Distributed Operating System)多机合作：多机合作：自动的任务分配和协调自动的任务分配和协调坚强性：坚强性：计算机或通路发生故障时，其它部分可计算机或通路发生故障时，其它部分可自动重构成一个新的系统，继续工作自动重构成一个新的系统，继续工作主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 结构的观点结构的观点 资源管理的观点资源管理的观点 进程的观点进程的观点 用户观点用户观点主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 操作系统是由一些可同时独立运行的进程和一操作系统是由一些可同时独立运行的进程和一个对这些进程进行协调的核心组成。个对这些进程进行协调的核心组成。 进程的观点进程的观点进程（任务）：进程（任务）：完成某一特定功能的程序完成某一特定功能的程序是程序的一次执行过程是程序的一次执行过程是动态有生命的，当它执行时存在，否则消亡是动态有生命的，当它执行时存在，否则消亡进程是并发程序的执行，是独立运行的基本单进程是并发程序的执行，是独立运行的基本单位，是资源分配的基本单位。位，是资源分配的基本单位。主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院操作系统操作系统-资源管理者资源管理者 硬件资源：硬件资源：CPU,CPU,内存内存, ,外部设备外部设备(I/O(I/O设备，外存等设备，外存等) ) 软件资源：软件资源：硬盘上的文件硬盘上的文件, ,信息信息 资源管理的观点资源管理的观点 操作系统的主要功能：操作系统的主要功能： 处理机管理处理机管理 存储器管理存储器管理 I/OI/O设备管理设备管理 文件管理文件管理主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院管理资源记录资源使用状况记录资源使用状况 如如 哪些资源空闲，好坏与否，被谁使用哪些资源空闲，好坏与否，被谁使用, ,使用多长时间等使用多长时间等合理的分配资源合理的分配资源静态分配策略静态分配策略 ( (在程序运行前分配，但效率不高在程序运行前分配，但效率不高) )动态分配策略动态分配策略 ( (在程序运行过程中何时用资源，何时分配。其缺点是会在程序运行过程中何时用资源，何时分配。其缺点是会出现死锁出现死锁) )具体完成分配具体完成分配回收资源回收资源资源管理的目的资源管理的目的实现资源共享实现资源共享提高资源利用率提高资源利用率主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院传统的操作系统设计方法结构化程序传统的操作系统设计方法结构化程序设计方法设计方法 设计思想：设计思想： a.a.按功能划分成若干模块按功能划分成若干模块 b.b.规定模块间的接口规定模块间的接口 c.c.分别对各模块独立设计、研制分别对各模块独立设计、研制 结构的观点结构的观点 模块结构法：模块结构法：缺点：缺点：a.接口规定困难接口规定困难b.无序性：模块间调用关系复杂无序性：模块间调用关系复杂主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院操作系统的设计原则 可维护性可维护性： 改错改错性维护性维护 适应性维护适应性维护 完善完善性维护性维护 可靠性可靠性： 正确正确性性 稳健稳健性性 可理解可理解性性 性能性能：有效地使用系统资源；尽可能快地响：有效地使用系统资源；尽可能快地响应用户请求；应用户请求；主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院 设计思想：设计思想： a.a.将功能按功能流图的调用次序排成若干层将功能按功能流图的调用次序排成若干层 b.b.各层之间的模块只能单向调用各层之间的模块只能单向调用 层次层次结构法（有序分层法）：结构法（有序分层法）：优点：优点：a.无序改为有序：减少设计的返工现象无序改为有序：减少设计的返工现象b. 提高系统的可读性、可适应性、可靠性：方提高系统的可读性、可适应性、可靠性：方便系统的调试和维护便系统的调试和维护全序的层次关系：同层模块间不存在相互调用全序的层次关系：同层模块间不存在相互调用半序的层次关系：同层模块间可以相互调用半序的层次关系：同层模块间可以相互调用主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院命令接口命令接口程序级接口程序级接口 用户观点用户观点主讲教师万寿红中国科学技术大学络学院