《操作系统一》PPT课件.ppt

2020/6/5,第1章操作系统引论,1,操作系统,OperatingSystem(OS)主讲人:刘景芝,2020/6/5,第1章操作系统引论,2,前言,信息技术已经成为21世纪经济发展的驱动力。而软件是人类知识的固化，是知识经济的基本表征，它已成为信息时代的新型“物理设施”。计算机操作系统正是软件技术含量大，附加值高的部分，是软件系统的核心，是软件基础运行平台的主要成分。操作系统是计算机系统中各种资源管理者，指挥者，它将使整个计算机系统协调一致工作。操作系统课程的学习主要告诉你：操作系统要做什么?怎么做?为什么要这么做?操作系统是一个创新的软件，操作系统是电脑的核心和灵魂。,前言,2020/6/5,第1章操作系统引论,3,操作系统计划安排,总课时：86学时其中：理论教学68学时，上机实验18学时。,2020/6/5,第1章操作系统引论,4,操作系统计划进度,第一章：操作系统引论6学时第二章：进程管理18学时第三章：处理机调度与死锁8学时第四章：存储器管理13学时第五章：设备管理9学时第六章：文件管理10学时第七章：操作系统接口4学时,2020/6/5,第1章操作系统引论,5,第一章操作系统引论,操作系统-OperatingSystem（OS）计算机系统的组成:1.硬件子系统:(1)中央处理器：CPU(2)存储器：内存、外存(3)输入/输出设备(I/O)：键盘、显示器、打印机、磁盘。2.软件子系统:(1)系统软件:操作系统、编译系统。(2)支撑软件:编辑软件、数据库管理系统等。(3)应用软件：根据用户需要而设计的软件。,2020/6/5,第1章操作系统引论,6,计算机系统的抽象视图:,用户1,用户n,用户2,编译程序,编辑程序,数据库系统,操作系统,硬件,2020/6/5,第1章操作系统引论,7,1.1操作系统的目标和作用,无论大型，还是中型，微型机都必须配置操作系统，它是计算机系统的总指挥，控制硬件和软件协调一致的工作。对于配置在不同类型计算机上的操作系统，都有不同的要求。对于配置在大、中型计算机系统中的操作系统，都有较高的要求，且要求有较强的功能，而对于配置在微型计算机系统中的操作系统主要侧重于使用的方便性。,2020/6/5,第1章操作系统引论,8,1.1.1操作系统的目标,1.方便性:操作系统使计算机系统更易于使用。2.有效性:对资源管理，使其充分提高工作效率。3.可扩充性:OS能适应硬件、软件发展的需要。4.开放性:是指系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连OSI国际标准，凡是遵循标准开发的硬件、软件，能彼此兼容，可方便地实现互连。开放性已成为90年代计算机技术的核心问题。,2020/6/5,第1章操作系统引论,9,1.1.2操作系统的作用,从用户观点上看:操作系统是用户与裸机之间的接口。从资源管理观点上看：OS是一组资源管理软件。1.OS作为用户与裸机之间接口用户可通过三种方式使用计算机：(1)命令方式：人机交互，如UNIX系统、Dos系统，Linux系统等。(2)系统调用方式：在程序中通过调用OS子功能请求系统服务。用户使用系统调用命令调os子功能。(3)图形窗口方式：如windows操作系统。,2020/6/5,第1章操作系统引论,10,图11OS作为接口的示意图,用户,应用程序,系统调用命令图标窗口,操作系统,计算机硬件,2020/6/5,第1章操作系统引论,11,2.OS作为计算机系统资源的管理者OS要对系统内的所有资源进行管理，目的是使资源得到充分利用，解决资源竞争。3.OS用作扩充机器裸机:未配置任何软件的计算机，用户无法使用。在裸机之上配置软件，特别是OS这一软件，用户看到的是一台比裸机功能更强，使用更方便的虚拟机。另外从数量上也进行扩充。,2020/6/5,第1章操作系统引论,12,1.1.3推动OS发展的主要动力,OS发展与四个因素有关:1.器件的不断更新换代使计算机的性能不断提高，规模扩大，从8位，发展到16位，32位，推动OS功能和性能迅速增强和提高。2.计算机体系结构的不断发展OS从单机OS发展到多机OS、网络OS。,2020/6/5,第1章操作系统引论,13,3.是不断提高计算机资源利用率的需要计算机发展初期，由于计算机系统特别昂贵，所以人们非常重视计算机系统的资源利用率。4.方便用户为用户改善上机，调试程序的条件，出现分时系统，人机交互，多用户系统。OS提供图形界面，菜单。,2020/6/5,第1章操作系统引论,14,1.2操作系统的发展过程,1.2.1无OS的计算机系统1.人工操作方式,输入,主机,打印,2020/6/5,第1章操作系统引论,15,缺点：1.用户独占全机资源，利用率低。2.CPU等待人工操作，人机矛盾突出。2.脱机输入/出（offlineI/o)方式20世纪50年代末，出现脱机输入/出技术,输入设备,外围机,输出设备,主机,磁带,磁带,磁带,磁带,2020/6/5,第1章操作系统引论,16,出现磁盘设备，产生脱机输入输出系统：,卡片,输入,输入井/输出井,主机,输出,外围机,2020/6/5,第1章操作系统引论,17,优点：1.减少了CPU的空闲时间，缓和人机矛盾。2.提高了I/O速度，CPU从快速设备读取数据。1.2.2单道批处理系统作业：用户提交系统完成的一个计算任务。单道：指内存中只存放一道作业。系统配置监督程序，它的功能：将磁带上的作业按顺序，每次调入内存一个，处理完再调下一个，形成自动处理。单道批处理形成，是在解决人机矛盾和CPU与I/O设备速度不匹配矛盾的过程中形成的。特征：(1)自动性(2)顺序性(3)单道性,2020/6/5,第1章操作系统引论,18,图13单道批处理系统的处理流程,还有下个作业？,把作业的源程序转为目标,运行目标程序,装配目标程序,源程序有错？,否,是,是,否,开始,停止,2020/6/5,第1章操作系统引论,19,1.2.3多道批处理系统,1.多道程序设计的基本概念在内存中同时存放多个用户程序，它们共享系统资源。引入多道程序设计的好处：(1)提高CPU的利用率:当某道程序什么原因执行不下去时，CPU立即转交另一个程序，让CPU总处于忙碌状态。(2)可改善内存利用率:内存减少空闲，得到充分利用。(3)提高输入/输出设备的利用率:多道程序可使设备均衡使用，设备与设备之间并行操作。(4)增加系统吞吐量：增加在单位时间内输入/出信息量。,2020/6/5,第1章操作系统引论,20,图1-4(a)单道程序运行情况：,监督程序,用户程序,I/O操作,2020/6/5,第1章操作系统引论,21,图1-4(b)多道程序运行情况:（两道为例）,监督程序,程序A,程序B,I/OA,I/OB,2020/6/5,第1章操作系统引论,22,2.多道批处理特征(1)多道性:在内存中可同时驻留多个程序。(2)无序性:作业执行顺序与进入内存顺序可以不一致。(3)调度性:一个作业经两级调度，才能完成。3.多道批处理系统的优缺点优点：(1)资源利用率高：资源处于忙碌状态。(2)系统吞吐量大：系统在单位时间内所完成的总工作量。缺点：(1)平均周转时间长。(2)无交互能力。,2020/6/5,第1章操作系统引论,23,思考题：采用多道程序设计应注意的问题？采用多道程序设计能改善资源使用情况，提高系统效率。但是，应注意如下两个问题：(1)可能延长某个程序执行时间(2)并行工作道数与系统效率不成正比,2020/6/5,第1章操作系统引论,24,4.多道批处理系统需解决的问题资源的管理包括(1)资源竞争(2)提高资源使用效率为此OS功能应包括:处理器管理、内存储器管理、I/O设备管理、文件管理及作业管理。操作系统定义：操作系统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。,2020/6/5,第1章操作系统引论,25,推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提高资源利用率和系统吞吐量。另外，引入多道程序设计技术，在硬件方面应给予支持，有通道技术和中断系统。,主机,输入井/输出井,缓冲区,缓冲区,输入,输出,伪脱机输入/输出系统,2020/6/5,第1章操作系统引论,26,1.2.4分时系统,1.分时系统的产生(1)人机交互的需要(2)多用户共享一台主机(3)方便用户上机分时系统是指:在一台主机上连接多个终端设备，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用主机中的资源。,2020/6/5,第1章操作系统引论,27,分时系统的组成,终端1,终端2,终端n,2020/6/5,第1章操作系统引论,28,2.分时系统实现中的关键问题(1)及时接收：配置多用户卡，每个终端配置一个缓冲区，存放用户键入的命令。(2)及时处理：作业直接进入内存，CPU轮流使用。3.分时系统的特征(1)多路性：一台主机同时联接多台终端。(2)独立性：用户独立操作，互不干扰。(3)及时性：用户能在很短时间内获得服务。(4)交互性：用户可以通过终端与系统进行广泛的人机对话。UNIX系统就是著名的多用户/多任务分时系统。（Linux系统）,2020/6/5,第1章操作系统引论,29,1.2.5实时系统1.应用的需要专用系统:.实时控制：卫星发射，生产过程控制等。.实时信息处理：航空售票系统等。2.实时任务实时任务分类：1）按任务执行时是否呈现周期性来划分（1）周期性实时任务（2）非周期性实时任务2）根据对截止时间的要求来划分（1）硬实时任务（2）软实时任务,2020/6/5,第1章操作系统引论,30,3.实时系统与分时系统特征的比较(1)多路性：按分时原则为多个终端用户服务。对多路现场信息采集。(2)独立性：对信息采集和对对象控制，彼此互不干扰。(3)及时性:比分时系统要求还要强。(4)交互性：比分时系统要求要弱。(5)可靠性:要求系统高度可靠，从硬件和软件上都必须保证高的可靠性。,2020/6/5,第1章操作系统引论,31,例：化学反应堆的控制,传感装置,计算机系统,A,B,控制信号,反应堆,阀门,C,测量信号,记录仪,2020/6/5,第1章操作系统引论,32,关于微型机操作系统介绍：1.MSDOS：是单用户单任务联机交互式操作系统，16位微机的典型系统，拥有相当多的用户。命令使用方式。2.OS/2:是单用户多任务系统，是32位机的典型系统，用户较少。采用图形界面。3.XENIXOS:是UNIX家族的一员。UNIX操作系统是多用户/多任务分时系统，在小型机上实现。被微软公司移植到微机上，取名为XENIX。目前流行的Linux，也是UNIX的变种产品。4.WindowsOS：是单用户/多任务系统。采用图形界面。UNIX和Windows是单机操作系统的两大主流。,2020/6/5,第1章操作系统引论,33,1.3操作系统的基本特征1.3.1并发性(concurrence)并行性:是指两个或多个事件在同一时刻发生.。并发性:是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。现代计算机系统，CPU与设备间并行操作，单CPU环境下，多道程序并发执行。,2020/6/5,第1章操作系统引论,34,1.3.2共享性(sharing)是指系统中的资源可供内存中多个进程共同使用.1.互斥共享方式:在一段时间内只允许一个进程访问该资源。2.同时共享方式:在一段时间内允许多个进程访问该资源。1.3.3虚拟性(virtual)是指通过某种技术(spooling)把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。1.3.4异步性（Asynchronism)进程以不可预知的速度向前推进。,2020/6/5,第1章操作系统引论,35,操作系统的设计目标:(1)可靠性（正确性、健壮性）；(2)高效性；(3)易维护性；(4)可移植性(5)安全性；(6)可适应性。设一个系统，在一段时间内，目态下运行程序用时间Tu，管态下运行程序为用户服务时间Tsu，管态下运行程序做系统管理时间为Tsm,则定义系统运行效率：,Tu+Tsu,L=,Tu+Tsu+Tsm,*100%,L越大系统效率越高应减少Tsm(系统开销）,2020/6/5,第1章操作系统引论,36,1.4操作系统的主要功能,1.处理机管理2.存储器管理3设备管理4.文件管理5.作业管理（用户与操作系统的接口）,2020/6/5,第1章操作系统引论,37,1.5操作系统的结构设计,第一代的操作系统是无结构的；第二代的操作系统采用模块式结构；第三代的操作系统采用层次式结构；目前多处理机系统采用微内核结构。微内核：把系统的公共部分抽象出来，形成核心底层，完成最基本的操作，其他功能以服务器形式建立于微内核之外。,2020/6/5,第1章操作系统引论,38,1.5.1软件工程的基本概念1.软件的含义所谓软件，是指当计算机运行时，能提供所要求的功能和性能的指令和程序的集合，该程序能够正确地处理信息的数据结构；作为规范软件，还应具有描述程序功能需求以及程序如何操作使用的文档。如果说，硬件是物理部件，而软件则是一种逻辑部件。软件是人的思想产物。,2020/6/5,第1章操作系统引论,39,2.软件工程的含义软件工程是指运用系统的、规范的和可定量的方法，来开发、运行和维护软件。其目的是为了解决在软件开发中所出现的编程随意、软件质量不可保证以及维护困难等问题。1.5.2传统的操作系统结构1.无结构操作系统操作系统是一组过程的集合。在操作系统内部不存在任何结构。,2020/6/5,第1章操作系统引论,40,2.模块化OS结构将一个操作系统按功能划分为若干个模块。图15模块化操作系统结构：,操作系统,进程管理,存储管理,作业管理,文件管理,设备管理,磁盘管理,进程调度,进程控制,目录管理,2020/6/5,第1章操作系统引论,41,3.分层式OS结构把整体问题局部化，将大型复杂OS分解成若干单向依赖的层次，OS的正确性由各层的正确性来保证。系统结构清晰，便于修改、调试。,硬件层,A0,A1,A2,2020/6/5,第1章操作系统引论,42,层次的设置操作系统的层次结构应考虑的几个因素：1.最高层：与用户接口部分的模块。2.最低层：公用的模块，为提高系统的运行效率，将那些经常活跃的模块放在最接近硬件的A1层。3.中间层：根据高层调用低层的原则。,作业管理,文件管理,设备管理,存储器管理,处理器管理,硬件,2020/6/5,第1章操作系统引论,43,1.5.3微内核OS结构微内核：把系统的公共部分抽象出来，形成核心底层，完成最基本的操作，其他功能以服务器形式建立于微内核之外它目前采用微内核结构的操作系统有：MachOS，WindowsNTOS。强内核结构的操作系统：UNIX，Linux等。（或集成操作系统）Windows2000/xp没有单纯地使用某一种体系结构，它的设计融合了分层操作系统和客户/服务器（微内核）操作系统的特点。（强构的操作系统中，应用了客户/服务器技术、面向对象技术。,2020/6/5,第1章操作系统引论,44,1.客户/服务器模式(Client-serverModel)为了提高OS的灵活性和可扩充性而将OS划分为两部分。1)一组服务器(进程):运行在用户态，如用于提供进程管理的进程服务器，提供文件管理的文件服务器等。2)另一部分是内核：用来处理客户和服务器之间的通信。由内核接收客户的请求，再将该请求送至相应的服务器；同时它也接收服务器的应答，并将此应答送给请求客户。,2020/6/5,第1章操作系统引论,45,图16单机环境下的客户/服务器模式：客户/服务器模式的优点：(1)提高了系统的灵活性和可扩充性。(2)提高了系统的可靠性。(3)可运行于分布式系统中。,客户进程,进程服务器,文件服务器,存储服务器,终端服务器,请求,核心,回答,2020/6/5,第1章操作系统引论,46,2.面向对象的程序设计技术(Object-OrientatedProgramming)对象：是一组数据及对其操作的一组过程的封装体。该技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制大型软件的复杂度的。面向对象的程序设计技术鼓励程序员以抽象的观点看待程序。切断了不同模块之间的数据的非法使用，减少出错的可能。,2020/6/5,第1章操作系统引论,47,图17一个对象的示意图面向对象技术的优点：(1)可修改性和可扩充性。(2)继承性。子对象可以继承父对象的属性。(3)正确性和可靠性。,数据结构,过程1,过程2,过程3,2020/6/5,第1章操作系统引论,48,3.微内核技术所谓微内核技术，是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核，它运行在核心态，且开机后常驻内存。它并非是一个完整的OS。微内核的基本功能：(1)进程管理。(2)存储管理。(3)进程通信管理。(4)I/O设备管理,2020/6/5,第1章操作系统引论,49,1.6内容总结,1.设计操作系统的目标？操作系统的作用？2.推动操作系统发展的因素？3.三种基本类型OS的主要特征？4多道程序设计概念，引入多道好处？5操作系统的定义，基本特征，包括功能？6.操作系统结构？微内核、面向对象的概念。7.补充：特权指令目态管态程序状态字,2020/6/5,第1章操作系统引论,50,特权指令：只能在操作系统程序中使用的指令称为特权指令。目态（用户态，问题态）：当CPU执行用户程序时，称系统处于目态。管态（系统态，核心态）：当CPU执行操作系统程序时，称系统处于管态。程序状态字(PSW）：是CPU内部控制寄存器的总体。它指出程序执行的顺序和CPU的工作情况。,2020/6/5,第1章操作系统引论,51,PSW由多个控制寄存器构成。例：PC指令计数器：PS处理机状态寄存器：,下一条指令的地址,15,0,目/管CPU的工作状态,2020/6/5,第1章操作系统引论,52,课堂练习：若某计算问题的执行情况如下图，请回答：(1)叙述该计算问题中处理器、输入机和打印机是如何协同工作的？(2)按图示的执行情况处理器的利用率多少？(3)处理器利用率不高的原因？(4)请画出能提高CPU利用率的执行方案。时间输入机处理器打印机,0,100,120,160,260,280,320,2020/6/5,第1章操作系统引论,53,解：(1)输入机、CPU、打印机串行工作。时间输入机处理器打印机(2)按图示的执行情况CPU的利用率为40/320=12.5%(3)CPU利用率不高的原因是没发挥CPU、设备之间并行工作能力。,0,100,120,160,200,220,260,2020/6/5,第1章操作系统引论,54,练习题：一、单选题：1.操作系统是对进行管理的软件。A.硬件B.软件C.计算机资源D.应用程序2.从用户的观点看，操作系统是。A.合理地组织计算机工作流程的软件B.控制和管理计算机资源的软件C.由若干层次的程序按一定的结构组成的有机体D.用户与计算机之间的接口。,2020/6/5,第1章操作系统引论,55,3.设计实时操作系统时，首先应考虑系统的A.交互性和可靠性B.灵活性和及时性C.及时性和可靠性D.独立性和同时性二、填空题：1.采用多道程序设计技术能充分发挥（）和（）并行工作的能力。2.（）和（）是操作系统的两个最基本的特征，两者之间互为存在条件。3.在主机控制下进行的输入输出操作称为（）。,2020/6/5,第1章操作系统引论,56,三、解释名词：特权指令目态管态并发性并行性微内核技术虚拟性共享四、简答题：1.为什么要为各种类型计算机配置操作系统？2.什么叫多道程序设计技术？在操作系统中为何引入多道程序设计技术？3.说明三种基本操作系统的特点？,2020/6/5,第1章操作系统引论,57,2020/6/5,第1章操作系统引论,58,2020/6/5,第1章操作系统引论,59,2020/6/5,第1章操作系统引论,60,2020/6/5,第1章操作系统引论,61,2020/6/5,第1章操作系统引论,62,2020/6/5,第1章操作系统引论,63,