《操作系统简介》PPT课件.ppt

内容提要,操作系统的定义、设计目标、作用和层次模型操作系统的发展动力和发展过程操作系统的特征、主要功能和服务操作系统的抽象模型和体系结构,内容提要,操作系统的定义、设计目标、作用和层次模型操作系统的发展动力和发展过程操作系统的特征、主要功能和服务操作系统的抽象模型和体系结构,计算机系统的组成,计算机系统由硬件和软件两部分组成。操作系统是硬件之上的第一层软件，可以看成是对计算机硬件系统的第一次扩充。所有运行在操作系统上层的应用软件都会或多或少、或直接或间接地调用操作系统提供的功能，,操作系统的定义,操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源、合理地对各类作业进行调度以及方便用户的程序的集合。AnOperatingSystemisaprogramthatmanagersthecomputerhardwareprovidesabasisforapplicationprogramsactsasanintermediarybetweenthecomputeruserandthecomputerhardware,操作系统的设计目标,在计算机硬件上配置的OS的（设计）目标有以下几点：方便性有效性可扩充性开放性,操作系统的作用,对操作系统作用的理解，有不同的观点：用户与计算机硬件系统之间的接口（图）命令接口、图形用户接口编程接口（系统调用接口）计算机资源的管理者（图）四类资源：处理机、存储器、I/O设备、文件扩充机器（或虚拟机）虚拟机：覆盖了软件的机器层次性,作为用户与计算机硬件系统之间的接口,计算机硬件,操作系统,系统调用，命令，图标，窗口,应用程序及实用程序,系统设计者,程序员,用户,作为计算机资源的管理者,操作系统的层次模型,什么是层次模型？一种经典的操作系统的结构模型最高层：接口中间层：对对象进行操纵和管理的软件集合最底层：OS操纵和管理的对象，包括各类软硬件资源Reading：汤子瀛，二版，1.1.3,举例：类UNIX操作系统的经典体系结构图,Kernel:alargenumberoffunctionsforonelevel,Systemprograms,API,Userinterface,举例：Windows操作系统的经典体系结构图,内容提要,操作系统的定义、设计目标、作用和层次模型操作系统的发展动力和发展过程操作系统的特征、主要功能和服务操作系统的抽象模型和体系结构,操作系统的发展动力,操作系统形成至今将近60年。出现了上百种操作系统大型机、小型机、微机、嵌入式、实时、分布等等推动操作系统发展的主要动力有4个方面不断提高计算机资源利用率的需要方便用户器件的不断更新换代计算机体系结构的不断发展历程：无OS时代批处理系统分时系统实时系统PC分布式和并行系统嵌入移动系统,操作系统的种类,FMS（FORTRANMonitorSystem，FORTRAN监控系统）OS/360（IBM为系列机360配备的操作系统）CTSS（CompatibleTimeSharingSystem）MULTICS（MULTiplexedInformationandComputerService）UNIX类、LinuxCP/MWindows、MacintoshMachVxWorks、嵌入式Linux系列、uC/OS-II、RTEMS,操作系统的发展过程,无操作系统时期单道批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统其他操作系统分布式、并行、安全Reading计算机操作系统，汤子瀛，1.2节,HistoryoftheOS(19451955，无操作系统),Tube-based（电子管）ENIAC17,468vacuumtubes5,000additions/sec,1800squarefeet,30tonsProgramarehardwiredonplugboardsOneprogramatatime,NeedprofessionaloperatorUserVS.operatorOnlyusefultoNumericalcalculationsNoOSatall!Manualsystem（人工操作）,HistoryoftheOS(19551965，批处理系统),Transistorbased（晶体管）JobsoncardsortapesJob（作业）ControlcardsLanguage:ASMHighlevellanguageFORTRAN,ALGOL,COBOLApplicationsScientificAPPscommunicationusuallytakesplacethroughthesharedmemory优点:IncreasedthroughputEconomicalIncreasedreliabilitygracefuldegradationfail-softsystems,并行系统(Cont.),Symmetricmultiprocessing(SMP，对称多处理器)Eachprocessorrunsanidenticalcopyoftheoperatingsystem.Manyprocessescanrunatoncewithoutperformancedeterioration.现在的大多数通用操作系统都支持SMP，例如Linux、UNIX、Windows,Asymmetricmultiprocessing非对称多处理Eachprocessorisassignedaspecifictask;masterprocessorschedulesandallocatesworktoslaveprocessors.Morecommoninextremelylargesystems,DistributedSystems分布式系统,分布式系统：处理和控制的分散Looselycoupledsystem松耦合系统eachprocessorhasitsownlocalmemory;processorscommunicatewithoneanotherthroughvariouscommunicationslines,suchashigh-speedbusesortelephonelinesAdvantagesofdistributedsystemsResourcesSharing资源共享Computationspeeduploadsharing负载平衡Reliability可靠Communications通信,分布式系统上的操作系统,NetworkOperatingSystem网络操作系统providesfilesharingprovidescommunicationschemerunsindependentlyfromothercomputersonthenetworkDistributedOperatingSystem分布式操作系统lessautonomybetweencomputersgivestheimpressionthereisasingleoperatingsystemcontrollingthenetwork单一映像,EmbeddedSystem,嵌入式系统是在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机”通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统嵌入式系统具有最广泛的应用,嵌入式操作系统与通用操作系统有很大不同Smallsize、LowpowerSpecialenvironment,specialfunction开发方式也不同交叉开发Host,simulatorVS.target经典：VxWorks、嵌入式Linux系列、RTEMS、WindowsCE、PalmOS,上机实践一,安装虚拟机在虚拟机上安装Linux操作系统在虚拟机上安装Windows操作系统,操作系统的特征,一、并发：并行vs.并发并行是指两或多个事件在同一时刻发生。并发是两或多个事件在同一时间间隔内发生。程序vs.进程程序：静态实体；进程：系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。是动态实体。引入线程后，独立运行的单位变为线程。,共享系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用互斥共享VS.同时访问互斥共享：一段时间只允许一个进程访问该资源同时访问：微观上仍是互斥的临界资源：在一段时间内只允许一个进程访问的资源并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。,虚拟通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。若n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速度必然是物理设备速度的1/n。异步运行进度不可预知。,操作系统的主要功能,处理机管理存储器管理设备管理信息（文件）管理人机接口,处理机管理,多道环境下，处理机的运行及分配都是以进程为单位，因此处理机管理可归结为进程管理。一、进程控制创建/撤消进程迁移进程状态一般由进程控制原语完成二、进程同步为使多个进程有条不紊地运行，应建立同步机制。包括进程互斥/同步，次序协调。,三、进程通信源于进程合作，如：输入进程、计算进程、打印进程相互间有信息传递类型：直接通信：进程A发message，进程B收message间接通信：进程A发message到中间实体（如mailbox），进程B从中间实体收message,四、作业与进程调度作业调度：为作业分配必要资源，调入内存建立进程，并使之进入就绪队列。进程调度：从就绪队列中选出进程，分配CPU，使之运行。调度算法：FCFS、优先权等,存储管理,目的：方便用户使用，且提高存贮器利用率一、内存分配静态分配：动态分配：作业在内存中可移动需内存分配的数据结构及内存分配和回收功能二、内存保护例：设置上、下界寄存器，每条指令进行越界检查（一般是硬件实现）,三、地址映射地址范围地址逻辑空间逻辑地址（相对地址）物理空间物理地址（绝对地址）四、内存扩充利用虚存技术，从逻辑上扩充内存容量系统应有：请求调入/置换功能以支持虚存技术,设备管理功能,任务：提高I/O利用率和速度，方便用户一、缓冲管理缓冲区：用来解决CPUI/O矛盾，如：CPU快则应多创建缓冲区。二、设备分配包括：设备，设备控制器，I/O通信的分配和回收,三、设备处理指控制设备进行实际的操作，包括读、写等以及向CPU发中断。设备处理/驱动程序应能根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。四、设备独立性和虚拟设备独立性，即program与设备无关性，使program易于重定向，增加了可移植性。虚拟设备,文件管理的功能,任务：方便用户，提供安全性一、文件存贮空间的管理例：文件系统根据文件长度自动分配连续或离散的扇区，并提供“一句柄”表示该文件。二、目录管理使用户按名存取，提高速度。三、文件的读、写管理和存取控制（即保护）,用户接口,一、命令接口由一组“命令”集组成，分为联机和脱机用户接口1.联机用户接口由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成2.脱机（批处理用户接口）用JCL写作业说明书二、程序接口系统调用高级语言的库函数三、图形接口如win的copy文件，采用“拖”来完成，生动，不需记忆,操作系统提供的服务,操作系统的各种功能，最终要封装成“服务”的形式提供给用户一、操作系统的公共服务类型装载并运行程序提供各种I/O操作提供文件系统及文件操作提供通信服务提供差错检测服务,二、操作系统提供服务的最基本方式系统调用三、系统调用的类型进程控制类文件操作类设备管理类通信类，例如消息传送机制信息维护类，例如日期信息、系统信息等,传统操作系统的抽象模型,传统的进程模型线程模型服务体/执行流模型,进程模型,进程这一术语，最初是在20世纪60年代初期，在麻省理工学院（MIT）的MULTICS系统和IBM公司的CTSS/360系统中引入的现代操作系统都以进程（Process）为单位来分配包括处理机、内存、I/O等在内的各种资源，以实现对计算机系统的并发控制机制。围绕进程而展开的工作主要包括进程管理、进程控制、进程同步、进程间通信以及进程调度等,进程的地址空间地址空间中的代码、数据和堆栈等内容决定了一个进程所能执行的任务进程描述符及其上下文包括程序指针、堆栈指针以及其他硬件寄存器决定了一个进程的当前执行情况。,进程调度调度是操作系统实现处理机并发控制的关键。调度中最能体现进程模型本质的核心功能是进程切换调度算法仅仅被用来决定在什么时机、切换到哪个进程上。最常见的调度算法包括时间片轮转调度、基于优先级的可抢占或不可抢占调度一些实时调度算法等等,进程间通信机制用于进程之间交换信息也是进程之间进行通信的唯一途径。就模型而言，进程之间实现通信必须有进程调度机制的介入。常见的进程间通信机制包括信号、信号量、管道、消息队列、套接字。,线程模型,线程模型从进程模型发展而来。将进程的执行上下文从进程描述符中分离出来，就得到了线程的概念。线程是指令在进程地址空间中的执行轨迹在线程模型中，进程可以是单线程的，也可以是多线程的。传统进程模型中的进程可以看成是单线程的。,任何一个线程都属于某个进程。根据是否跨越进程边界，进程/线程在管理、控制、同步、通信和调度上有了两个层次，即进程内部和进程之间。通常，现代操作系统在大多数情况下仍然是不区分这两种情况的例外：进程内部的线程之间可以通过进程地址空间直接共享某些数据，而不必采用传统的进程间通信机制。,作业,操作系统的基本类型是哪三种？他们的关键技术有哪些？优点和缺点分别是什么？操作系统最基本的两个特征是什么？,