【课件】操作系统概述.ppt
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1、操作系统的基本概念 操作系统的特征 研究操作系统的几种观点 操作系统的技术发展过程 著名的操作系统 操作系统的分类 操作系统的功能,第一章 操作系统概述,http:/,一、操作系统的地位,计算机系统由硬件和软件组成操作系统在硬件基础上的第一层软件是其他软件和硬件之间的接口,http:/,操作系统设计者,应用软件设计者,应用软件设计者,http:/,二、操作系统的定义,操作系统是计算机系统中的一个系统软件,是一些程序模块的集合,它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源,合理的组织计算机的工作流程,控制程序的执行并向用户提供各种服务功能,使得用户能够灵活、方便、有效的使用计算机,使
2、整个计算机系统能高效地运行,http:/,有效:系统效率,资源利用率(如:CPU利用的充足与否,内存、外部设备是否忙碌),合理:公平与否,如果不公平则会产生“死锁”或“饥饿”,方便:两种角度:用户界面 编程接口,http:/,三、操作系统的特征,并发:在计算机系统中同时存在多个程序宏观上:这些程序是同时在执行的微观上:任何时刻只有一个程序在执行 即微观上这些程序在CPU上轮流执行并发(单机)vs 并行(多CPU或多机),http:/,操作系统特征(续),共享:操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统中的资源(共享有限的系统资源)操作系统要对系统资源进行合理分配和使用 资源在一个时间段内交替被
3、多个进程所用,互斥共享(如音频设备)同时访问(如可重入代码,磁盘文件)资源分配难以达到最优化,http:/,虚拟: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重要手段,可提高资源利用率,操作系统特征(补充),CPU每个用户(进程)的虚处理机 存储器每个进程都占有的地址空间(指令数据堆栈)显示设备多窗口或虚拟终端,http:/,随机性:操作系统必须随时对以不可预测的次序发生的事件进行响应 如何考虑周密、设计适当,操作系统特征(补充),进程的运行速度不可预知:分时系统中,多个进程并发执行,“走走停停”,无法预知每个进程的运行推进快慢 难以重现系统在某个时刻的状态
4、(包括重现运行中的错误)性能保证:实时系统与分时系统相似,但通过资源预留以保证性能,http:/,四、研究操作系统的几种观点,作为软件来看的观点,资源管理的观点,进程的观点,虚机器观点,服务提供者观点,http:/,1.作为软件来看的观点,软件的特性外在特性:软件是种语言,是界面界面:使用方式(命令,系统调用等)内在特性:软件的结构a.由有几部分组成 b.每个部分的功能 c.部分之间的关系,http:/,2.资源管理的观点,操作系统-资源管理者硬件资源:CPU,内存,外部设备(I/O设备,外存,时钟,网络接口等)软件资源:硬盘上的文件,信息,http:/,对资源进行什么样的管理,记录资源使用状
5、况 如 哪些资源空闲,好坏与否,被谁使用,使用多长时间等合理的分配资源静态分配策略(在程序运行前分配,但效率不高)动态分配策略(在程序运行过程中何时用资源,何时分配。其缺点是会出现死锁)具体完成分配回收资源,http:/,资源管理的目的,实现资源共享提高资源利用率,操作系统功能,CPU(进程)管理,存储管理,文件管理,设备管理,作业管理,-操作系统学习的主线索,http:/,3.进程的观点,从操作系统运行的角度动态的观察操作系统从这个观点来看: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,http:/,4.虚机器观点,从操作系统内部结构来看:把操作系统分成若干层每一层
6、完成其特定功从而构成一个虚机器,并对上一层提供支持通过逐层功能扩充,最终完成整个操作系统虚机器而操作系统虚机器向用户提供各种功能,完成用户请求,http:/,5.服务提供者的观点,从用户角度来看:操作系统为用户提供一组功能强大的、方便易用的命令或系统调用,用户接口,操作系统对外提供两种接口:系统命令:供用户用于组织和控制自己的作业运行。命令行、菜单式或GUI(联机);命令脚本(脱机)编程接口:供用户程序和系统程序调用操作系统功能。系统调用和高级语言库函数,http:/,6.其他观点,操作系统作为 仲裁者(协调者)使多个应用程序/用户高效,公平地一起工作 保护用户不互相干扰 例子:并发,存储保护
7、,文件系统,网络,操作系统作为 管理程序 硬件平台扩展为运行平台 运行平台是承载应用程序的载体,平台之争企业竞争的范围已经超出了市场、资本和技术竞争的焦点:表面上:平台(标准)实质上:争夺产业的制高点,http:/,操作系统作为 幻觉制造者(illusionist)提供硬件的高层界面,取消硬件限制 操作系统提供无限的内存、无限的CPU,操作系统作为 管理者(government)有效合理地分配资源,保护用户不受侵犯 提供安全、保密措施,http:/,操作系统作为 历史教员 学习过去,预测未来,操作系统作为 标准服务提供者 提供每个用户需要的标准工具 如标准库、窗口系统,程序创建和执行 存取I/
8、O设备 控制对文件的存取 系统存取 错误检测和回应 统计,http:/,五、操作系统的发展,操作系统发展是随着计算机硬件技术、应用软件的发展而发展的发展的方向:充分利用硬件 提供更好的服务,1.概述 操作系统历史划分为4个阶段,http:/,控制台 一个用户,一次完成一个功能(计算,I/O,用户思考/反应),程序通过卡片装入 用户在控制台前调试程序,第 1 阶段 硬件非常昂贵,没有操作系统,http:/,那个时代的特点:工作效率非常低每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码工作量大,难度高,易出错,需要大量人力和物力,http:/,第 2 阶段 硬件昂贵,人力便宜简单批处理:装入程序、运行、打印
9、结果、撤出、再重复用户把程序(卡片或磁带)交给负责调度的操作员(系统管理员)常驻监控程序自动地装入程序、运行、撤出作业,http:/,多道程序批处理系统在磁盘上多个作业等待运行多道程序-同时运行多个作业-选择若干作业准备运行(调度)并装入内存(存储管理)-运行一个作业,当它等待时切换至内存中的另一个作业(如需安装磁带,等键按下),http:/,多道程序设计:多个用户共享系统,增加:存储保护,重定位利用率高(多个作业)有必要采用并发程序设计技术操作系统成为研究焦点:需要处理复杂性,http:/,首次面对重大失败:,-MULTICS 于 1963 年开始,直至 1969 年才发布,-IBM 的 O
10、S/360 发布时,带着已知的 1000 个错误,http:/,早期计算机:单控制方式,-CPU负责计算,也负责传输,早期计算机的使用方式,-一个用户独占全部资源,-浪费:CPU与外设速度不匹配 手工操作方式和高速机器之间的不匹配,http:/,提高资源利用率,-多部件并行,多任务共享,通道引入:传输和CPU相对独立 中断引入:各部件的协调动作成为可能,体系结构的发展可以支持OS,多道程序运行模式,http:/,第 3 阶段 硬件较以前便宜,人力昂贵,交互式分时处理,一台计算机,多个便宜终端,-所有用户可与系统立即交互,-调试比较方便,http:/,磁盘便宜,故可在线存放程序和数据,-1 张穿
11、孔卡片=100个字节,-1 MB=10K卡片,-OS/360 有若干英尺长度的卡片,http:/,新问题,-易于使用,提高人的生产力,-合理的响应时间,-引入文件系统,使用户可存取数据,http:/,解决,-需要抢占式调度以便保持 适当的响应时间,-需要避免抖动(程序在内存中 过于频繁的对换),-需要提供适用的安全检测,http:/,成功:,一群计算机迷(Tomson,Ritchie)在贝尔实验室发展出了UNIX。(这样他们可以在一台无人使用的DEC PDP-7 小型计算机上玩星际探险游戏),http:/,成功:,Ken Thompson,Dennis Ritchie1983年图灵奖获得者19
12、99年4月 美国国家技术金奖,http:/,第 4 阶段 硬件非常便宜,人力昂贵,目标:充分利用人和时间,个人计算雏形,CPU 便宜到可在每台终端上安装,功能强大有效-成为大众的计算机,http:/,放弃多道程序、并发和保护机制,使 OS 回归简单,使用户再次与系统交互,增强文件系统,响应时间、保护更为重要,网络:允许不同机器很容易共享资源 共享,安全,http:/,操作系统的历史:变化!,意味着技术总在改变 要适应、折衷权衡,http:/,2.历史上的操作系统(一般了解内容),随历史线索,介绍一些重要的操作系统真空管时代(1946年-1955年)晶体管时代(1955年-1965年)集成电路时
13、代(1965年-1980年)大规模集成电路时代(1980年-至今),http:/,第一台数字计算机,英国数学家Charles Babbage(1792-1871)设计Babbage投入了毕生精力但却没能让它成功地运行起来因为当时的技术不可能达到需要的精度当然,这个分析机没有操作系统,http:/,二战对武器设计的需要美国、英国和德国等国家开始了电子数字计算机的研究工作哈佛大学的Howard Aiken普林斯顿高等研究院的John Neumann(冯 诺依曼)宾夕法尼亚大学的J.Presper Eckert和William Mauchley德国电话公司的Konraad Zuse以及其他一些人都使
14、用真空管成功地建造了运算机器,真空管计算机(1945年-1955年)时期,http:/,没有程序设计语言(甚至没有汇编),更谈不上操作系统程序员提前预约一段时间,然后到机房将他的插件板插到计算机里期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断从而可以计算自己的题目,ENIAC计算机(美国宾夕法尼亚大学),运算速度:5000次/每秒,18000个真空管,占地182平方米,重量130吨,功耗140kW,http:/,50年代早期出现了穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机但计算过程则依然如旧,http:/,晶体管计算机(1955年-1965年)时期,50年代晶体管发明计算机比较可靠,可成批地生产用户可指
15、望计算机长时间运行,完成一些工作FORTRAN 1954年提出,1956年设计完成ALGOL 1958年引入COBOL 1959年引入设计人员、生产人员、操作人员、程序人员和维护人员之间第一次有了明确的分工,http:/,要运行一个作业,先将程序写在纸上(用高级语言或汇编语言)然后穿孔成卡片,再将卡片盒交给操作员计算结果从打印机上输出操作员到打印机上撕下运算结果送到输出室程序员稍后可从取到结果然后,操作员从输入室的卡片盒中读入另一个任务如果需要FORTRAN编译器,还要把它取来读入计算机机时在走来走去时被浪费,http:/,批处理操作系统-现代操作系统雏型,为了改进主存和I/O设备之间的吞吐量
16、IBM 7094机引入了I/O 处理机概念其思想是:在输入室收集全部的作业,用一台相对便宜的计算机如IBM 1401计算机,将它们读到磁带上另外用较昂贵的计算机,如IBM7094来完成真正的计算,http:/,第二代计算机典型的操作系统,FMS(FORTRAN Monitor System,FORTRAN监控系统)IBMSYS(IBM为7094机配备的操作系统)这些操作系统由监控程序,特权指令,存储保护和简单的批处理构成,http:/,第三代集成电路计算机(1965年-1980年)时期,60年代初期,计算机开始采用集成电路多数厂商有几条完全不同的生产线,生产不同的计算机开发和维护完全不同的产品
17、,对厂商来说是昂贵的另外,新用户,在开始时只需要一台小计算机后来可能需要一台大的计算机而且希望能在新计算机上执行原有的程序这样,厂家和用户需要软件在不同型号的计算机之间兼容,http:/,1964 年IBM 宣布推出System/360计算机系统 第一个采用小规模集成电路的主流机型试图一次性地解决上述两个问题由于所有的计算机 都有相同的体系结 构和指令集 在理论上,为一型 号编写的程序可以 在其他型号机器上 运行,http:/,IBM System/360的若干问题,IBM无法写出同时满足互冲突需要的操作系统 其实别人也一样不能完成这项工作任务IBM OS/360文件系统中有类型字段,定义文件
18、的类型,有定长、不定长记录、块状和非块状文件 用户对于输出文件的大小,只有通过猜测存储管理有基地址寄存器寻址方式,程序也可以访问和修改基地址寄存器,但是CPU生成的却是绝对地址,虽然不用进行动态再分配 但程序却被钉死在调入内存时的物理地址上,http:/,IBM System/360,庞大的软件怪兽,数千名程序员写的数百万行汇编语言代码 系统自身占据了大量存储空间和一半的CPU时间数百万行汇编代码中有成千上万处错误IBM不断发行新的版本试图更正这些错误 每个新版本在更正老错误的同时又引入新错误所以随着时间的流逝,错误的数量大致保持不变,http:/,多道程序设计技术(multiprogramm
19、ing),在IBM 7094机上,若当前作业因等待I/O而暂停,CUP只能踏步直至该I/O完成 对于CPU操作密集科学计算问题,浪费时间少 对于商业数据处理,I/O等待时间常占8090解决办法 将内存分几个部分,每部分放不同的作业 当一个作业等待I/O时,另一个作业可以使用CPU 在主存中同时驻留多个作业需要硬件进行保护 以避免信息被窃取或攻击,http:/,Spooling 技术,程序卡片被拿到机房后 能够很快将一作业从卡片读入磁盘任何时刻当一作业运行结束 操作系统就将一新作业从磁盘读出 装入空出的内存区运行Spooling技术(Simultaneous Peripheral Operati
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