操作系统概述.ppt
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1、操作系统概述,操作系统概述,1.1 操作系统的定义,1.1.1 操作系统的虚拟机观点,用户1,用户2,用户3,用户4,应用程序,命令解释程序、编译程序、编辑程序等,操作系统,计算机硬件(裸机),1.1 操作系统的定义1.1.1 操作系统的虚拟机观点,1.1.2 操作系统的资源管理观点,在一个计算机系统中,通常都含有各种各样的硬件和软件资源。归纳起来可将资源分为四类:处理器、存储器、I/O设备以及信息(数据和程序)。相应地,OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理,即:处理机管理,用于分配和控制处理机;存储器管理,主要负责内存的分配与回收;I/O设备管理,负责I/O设备的分配与操纵;文件
2、管理,负责文件的存取、共享和保护。可见,OS确是计算机系统资源的管理者。这是从管理者的角度来看。,1.1.2 操作系统的资源管理观点 在一个计算机系,OS处于用户与计算机硬件系统之间,用户通过OS来使用计算机系统。或者说,用户在OS帮助下,能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。应注意,OS是一个系统软件,因而这种接口是软件接口。从用户角度来看。,1.1.3 操作系统的用户服务观点,OS处于用户与计算机硬件系统之间,用户通过OS来使用,(1)命令输入。形式又分为以下几种:命令行(Command Line Input):由OS提供的一组联机命令(语言),用户可通过键盘输入有关
3、命令,来直接操纵计算机系统。图形用户界面(GUI):用户通过显示设备上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。自然输入方式(NUI):用户通过语音识别输入来操纵计算机系统和运行自己的程序。(2)系统调用方式(System Call)。OS提供了一组系统调用,用户可在自己的应用程序中通过相应的使用编程调用(API),来操纵计算机。,(1)命令输入。形式又分为以下几种:,在一个计算机系统中,进程是一个动态的概念,并具有并发性。并发会引起资源的竞争、共享等制约和配合等问题。从并发过程的执行来讨论操作系统就是从进程角度的观点来观察操作系统。,1.1.4 操作系统的进程管理观点,在一个计算机系统中
4、,进程是一个动态的概念,并具有并发,1.2 操作系统的形成过程,1.2.1 人工操作阶段,从第一台计算机ENIAC诞生(1945年2月)到50年代中期的计算机,属于第一代。这种人工操作方式有以下两方面的缺点:(1)用户独占全机(2)串行工作(3)CPU等待人工干预,1.2 操作系统的形成过程 1.2.1 人工操作阶段,1.2.2 单道批处理阶段,1.早期批处理,1.2.2 单道批处理阶段 1.早期批处理,2.脱机批处理,这种脱机I/O方式的主要优点如下:减少了CPU的空闲时间。(2)提高I/O速度。,2.脱机批处理 这种脱机I/O方式的主要优点如下:,当引入中断和通道技术后,计算机具备了处理机
5、和外部设备并行操作的能力。执行系统包含:(1)IO控制程序(2)中断处理程序(3)管理程序,3.执行系统阶段,当引入中断和通道技术后,计算机具备了处理机和外部设备,1.2.3 多道程序系统阶段,1.多道程序设计的基本概念 多道程序技术的主要思想是在内存中同时放入若干道用户作业或者说若干道用户程序,并允许它们交替执行,共享系统中的各种硬件与软件资源。多道程序系统不仅使CPU得到了充分利用,还改善了I/O设备和内存的利用率。,1.2.3 多道程序系统阶段,2.多道程序设计需要妥善解决的问题,内存的分配和保护处理机的管理和分配I/O设备的管理和分配文件存储空间的组织与管理,2.多道程序设计需要妥善解
6、决的问题,1.2.4 进一步发展阶段,微型计算机操作系统指配置在微型计算机上的操作系统。目前比较流行的微型计算机操作系统有单用户多任务(如Microsoft的Windows系列个人用户版操作系统)和多用户多任务(如SUN公司的Solaris系列操作系统和Linux操作系统等)两种类型。,1.微型计算机操作系统,1.2.4 进一步发展阶段 微型,网络操作系统是配置在计算机网络系统上操作系统。网络操作系统是使网络上各计算机能方便而有效地共享网络资源,并为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关规程的集合。网络操作系统应具有通用操作系统所具有的处理及管理、存储管理、设备管理和文件管理外,还应具有高效可
7、靠的网络通信能力和各种有效的网络服务。,2.网络操作系统,网络操作系统是配置在计算机网络系,分布式操作系统是配置在分布式计算机上的一种操作系统。分布式操作系统与网络操作系统的最主要区别是系统对用户的透明性。在网络操作系统中,用户通过网络服务器的名称来获得资源,系统结构对用户是不透明的;在分布式操作系统中,用户只需通过服务的名称即可获得资源,系统结构对用户是透明的。,3.分布式操作系统,分布式操作系统是配置在分布式计算,嵌入式操作系统是一种支持嵌入式应用的操作系统,是嵌入式系统极为重要的组成部分,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式
8、操作系统大多用于机电设备、仪器等专用控制方面,并具有十分广泛的应用和发展前景。,4.嵌入式操作系统,嵌入式操作系统是一种支持嵌入式应,1.3 操作系统的基本类型,1.3.1 多道批处理系统,多道批处理系统实际上是批处理技术和多道程序技术相结合的产物,出现于20世纪60年代初期。1.运行方式:,1.3 操作系统的基本类型 1.3.1 多道批处理系统,2.多道批处理系统的特征,多道性。(2)无序性。(3)调度性。,2.多道批处理系统的特征 多道性。,3.多道批处理系统的优缺点,资源利用率高。(2)系统吞吐量大。(3)平均周转时间长。(4)无交互能力。,3.多道批处理系统的优缺点 资源利用率高。,1
9、.3.2 分时系统,1.分时系统(Time-Sharing System)的产生 如果说,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,那么,推动分时系统形成和发展的主要动力,则是用户的需求。或者说,分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型OS。它与多道批处理系统之间,有着截然不同的性能差别。用户的需求具体表现在以下几个方面:(1)人机交互。(2)共享主机。(3)便于用户上机。,1.3.2 分时系统 1,2.分时系统实现中的关键问题,为实现分时系统,其中,最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互,即当用户在自己的终端上键入命令时,系统应能及时接收并及时处理该命令
10、,再将结果返回给用户。此后,用户可继续键入下一条命令,此即人机交互。应强调指出,即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令,系统也应能全部地及时接收并处理,评价其性能好坏的主要指标是响应时间。,(1)及时接收。,(2)及时处理。,2.分时系统实现中的关键问题 为实现分时系统,,3.分时系统的特征,多路性。(2)独立性。(3)及时性。(4)交互性。,3.分时系统的特征 多路性。,1.3.3 实时系统,所谓“实时”,是表示“及时”,而实时系统(Real-Time System)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求,在规定的时间内完成对该事件的处理,并控制所有实时任务协调一致地运行。,1.实时系
11、统的类型,实时控制系统。(2)实时信息处理系统。,1.3.3 实时系统 所谓“实时”,是表示“,2.实时系统的特征 多路性。(2)独立性。(3)及时性。(4)交互性。(5)可靠性。,2.实时系统的特征,1.3.4 通用操作系统,批处理系统、分时系统和实时系统只是3种基本的操作系统类型,一个实际的操作系统则可能同时兼有其中三者或两者的功能,如果一个操作系统同时具有其中两者或两者以上的功能,则称为通用操作系统,1.3.4 通用操作系统 批处理系统、分时系统,1.4 操作系统的基本特性,1 并发(Concurrence),并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念,并行性是指两个或多个事件在同一时刻发
12、生;而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下,并发性是指在一段时间内,宏观上有多个程序在同时运行,但在单处理机系统中,每一时刻却仅能有一道程序执行,故微观上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个处理机,则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上,实现并行执行,即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序,这样,多个程序便可同时执行。,1.4 操作系统的基本特性 1 并发(Concurrenc,2 共享(Sharing)在操作系统环境下,所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。由于资源属性的不同,进程对资源共享的方式也不同
13、,目前主要有以下两种资源共享方式。,2 共享(Sharing),(1).互斥共享方式 系统中的某些资源,如打印机、磁带机,虽然它们可以提供给多个进程(线程)使用,但为使所打印或记录的结果不致造成混淆,应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源。为此,当一个进程A要访问某资源时,必须先提出请求,如果此时该资源空闲,系统便可将之分配给请求进程A使用,此后若再有其它进程也要访问该资源时(只要A未用完)则必须等待。仅当A进程访问完并释放该资源后,才允许另一进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享,而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。计算机系统中的大
14、多数物理设备,以及某些软件中所用的栈、变量和表格,都属于临界资源,它们要求被互斥地共享。,(2).同时访问方式 系统中还有另一类资源,允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”往往是宏观上的,而在微观上,这些进程可能是交替地对该资源进行访问。典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备,一些用重入码编写的文件,也可以被“同时”共享,即若干个用户同时访问该文件。并发和共享是操作系统的两个最基本的特征,它们又是互为存在的条件。一方面,资源共享是以程序(进程)的并发执行为条件的,若系统不允许程序并发执行,自然不存在资源共享问题;另一方面,若系统不能对资源共享实施有效管理,
15、协调好诸进程对共享资源的访问,也必然影响到程序并发执行的程度,甚至根本无法并发执行。,3 虚拟(Virtual)操作系统中的所谓“虚拟”,是指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。物理实体(前者)是实的,即实际存在的;而后者是虚的,是用户感觉上的东西。相应地,用于实现虚拟的技术,称为虚拟技术。在OS中利用了多种虚拟技术,分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等。,3 虚拟(Virtual),在虚拟处理机技术中,是通过多道程序设计技术,让多道程序并发执行的方法,来分时使用一台处理机的。此时,虽然只有一台处理机,但它能同时为多个用户服务,使每个终端用户都认为是有一个
16、CPU在专门为他服务。亦即,利用多道程序设计技术,把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU,也称为虚拟处理机,我们把用户所感觉到的CPU称为虚拟处理器。,在虚拟处理机技术中,是通过多道程序设计技术,,类似地,可以通过虚拟存储器技术,将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器,以便从逻辑上来扩充存储器的容量。此时,虽然物理内存的容量可能不大(如32 MB),但它可以运行比它大得多的用户程序(如128 MB)。这使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多,认为该机器的内存至少也有128 MB。当然这时用户所感觉到的内存容量是虚的。我们把用户所感觉到的存储器称为虚拟存储器。,类似地,可以通过虚拟存储
17、器技术,将一台机器的,我们还可以通过虚拟设备技术,将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备,并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备,这样便可使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备(即临界资源),变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。例如,原来的打印机属于临界资源,而通过虚拟设备技术,可以把它变为多台逻辑上的打印机,供多个用户“同时”打印。此外,也可以把一条物理信道虚拟为多条逻辑信道(虚信道)。在操作系统中,虚拟的实现主要是通过分时使用的方法。显然,如果n是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数,则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的1/n。,我们还可以通过虚拟设备技术,
18、将一台物理I/O,4 异步性(Asynchronism),在多道程序环境下,允许多个进程并发执行,但只有进程在获得所需的资源后方能执行。在单处理机环境下,由于系统中只有一个处理机,因而每次只允许一个进程执行,其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源要求时,如打印请求,而此时打印机正在为其它某进程打印,由于打印机属于临界资源,因此正在执行的进程必须等待,且放弃处理机,直到打印机空闲,并再次把处理机分配给该进程时,该进程方能继续执行。可见,由于资源等因素的限制,使进程的执行通常都不是“一气呵成”,而是以“停停走走”的方式运行。,4 异步性(Asynchronism)在,内存中的每个进程在何时
19、能获得处理机运行,何时又因提出某种资源请求而暂停,以及进程以怎样的速度向前推进,每道程序总共需多少时间才能完成,等等,都是不可预知的。由于各用户程序性能的不同,比如,有的侧重于计算而较少需要I/O;而又有的程序其计算少而I/O多,这样,很可能是先进入内存的作业后完成;而后进入内存的作业先完成。或者说,进程是以人们不可预知的速度向前推进,此即进程的异步性。尽管如此,但只要运行环境相同,作业经多次运行,都会获得完全相同的结果。因此,异步运行方式是允许的,是操作系统的一个重要特征。,内存中的每个进程在何时能获得处理机运行,何时又,1.5 操作系统的服务,1.5.1 操作系统的公共服务,程序执行I/O
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