操作系统讲义-第一章操作系统引论.ppt
2023/11/14,操作系统讲义,1,第一章 操作系统引论,2023/11/14,第一章 操作系统引论,2,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,2023/11/14,第一章 操作系统引论,3,1.1 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。,2023/11/14,第一章 操作系统引论,4,1.1 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,2023/11/14,第一章 操作系统引论,5,1.1 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,2023/11/14,第一章 操作系统引论,6,1.2 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。,2023/11/14,第一章 操作系统引论,7,1.2 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,2023/11/14,第一章 操作系统引论,8,1.2 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,2023/11/14,第一章 操作系统引论,9,1.3 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：,2023/11/14,第一章 操作系统引论,10,1.3 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。,2023/11/14,第一章 操作系统引论,11,1.3 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：,2023/11/14,第一章 操作系统引论,12,1.3 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,2023/11/14,第一章 操作系统引论,13,1.3 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：,2023/11/14,第一章 操作系统引论,14,1.3 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,2023/11/14,第一章 操作系统引论,15,1.3 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,2023/11/14,第一章 操作系统引论,16,1.4 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。,2023/11/14,第一章 操作系统引论,17,1.5 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,2023/11/14,第一章 操作系统引论,18,1.5 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：,2023/11/14,第一章 操作系统引论,19,1.5 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,2023/11/14,第一章 操作系统引论,20,1.5 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。,2023/11/14,第一章 操作系统引论,21,1.6 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,2023/11/14,第一章 操作系统引论,22,1.6 操作系统的结构设计,分层式操作系统 将模块按照某种逻辑关系排成若干层、层间只能单向依赖，不构成循环，系统的正确性由各层的正确性来保证。基本原则：每一层都仅使用其底层所提供的功能和服务，这样可使系统的调试和验证都变得容易。,1.传统的操作系统结构,优点：调用和依赖关系单向，结构清晰，使得分析、移植和维护比较容易。,分层设计时应考虑的因素：程序嵌套运行频率公用模块用户接口,2023/11/14,第一章 操作系统引论,23,1.6 操作系统的结构设计,客户/服务器模式（Client-Server Model）系统保留最小的核心，而多数功能由用户进程（客户进程）来实现。客户请求服务发送给服务器进程，操作后结果返回给客户进程，即以用户进程形式运行。不在核心态，即不直接访问硬件，适合于分布式系统。,2.微内核操作系统结构,客户/服务器模式的优点：提高系统的灵活性和可扩充性；提高OS的可靠性；可运行与分布式系统中。,客户进程,客户进程,进程服务器,终端服务器,文件服务器,存储器服务器,请求,核心,回答,2023/11/14,第一章 操作系统引论,24,1.6 操作系统的结构设计,面向对象的设计技术（Object-Oriented Programming）面向对象的操作系统，其中对象是OS管理的对象，由事先定义好的操作来改变，而操作由对象发消息才可启动。例如Windows NT称作对象OS。,2.微内核操作系统结构,优点：a.可修改性和可扩充性 b.继承性 c.正确性和可靠性。,微内核技术（MicroKernel）现在OS广泛采用层次结构，常将与硬件紧密相关的模块、运行频率较高的模块、关键性数据结构模块及公共基本操作模块安排在靠近硬件的层次，使之常驻内层，以提高系统运行效能，这部分称为微内核，它是基于硬件的第一次扩充。微内核技术包含下列基本功能：,a.进程管理b.存储器管理c.进程通信管理d.I/O设备管理,2023/11/14,第一章 操作系统引论,25,小结,2.学习操作系统的几点建议,1.操作系统的特点,a.牢记概念 b.理解功能 c.联系实际 d.前后贯通,涉及较多的硬件知识 涉及较多的概念，如进程，作业，地址，文件，死锁等 涉及面广，比较抽象,3.本章的重点和难点,操作系统的目标、作用、类型、特征、功能及其相关术语、概念、原理。,
