计算机操作系统(第一章).ppt

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1、计算机操作系统第一章 绪论,2023/10/30,第1页,第一章 绪论,学习内容,1.1操作系统概念1.2操作系统的历史1.3操作系统的基本类型1.4操作系统功能1.5计算机硬件简介1.6算法的描述1.7研究操作系统的几种观点,2023/10/30,第一章 绪论,第2页,学习目标,了解操作系统的形成过程，建立起操作系统的整体概念；熟悉操作系统的基本类型；掌握操作系统的定义、特征和功能,2023/10/30,第一章 绪论,第3页,学习重点、难点,操作系统的各种观点；操作系统的基本类型；操作系统的功能。,2023/10/30,第一章 绪论,第4页,2023/10/30,第一章 绪论,第5页,一、计

2、算机系统的组成1计算机系统是由硬件和软件两部分组成。,硬件部分：构成了系统本身和用户作业赖以活动的物质基础和环境。,系统软件：主要管理计算机系统本身的操作；,应用软件:主要解决用户的问题。,1.1操作系统概念,操作系统的概念(p2),图1.1操作系统与硬件软件的关系,2023/10/30,第6页,第一章 绪论,操作系统的地位：是系统硬件之上的第一层软件，为其他软件提供单向支撑作用。,裸机：没有任何软件支持的计算机。,虚拟机：对裸机功能的首次扩充，把裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。,从用户的观点来看：操作系统可以看成是计算机的硬件扩充方便用户灵活地使用计算机 从系统管理人员的观点来看：操作

3、系统是管理资源的程序扩充计算机资源的管理者（提高资源使用的效率）从发展的观点看：操作系统是操作系统是机器与用户的接口为发展提供方便（方便系统扩充）综上所述：操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它是这样一些程序模块的集合它们管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作用。,2023/10/30,第7页,第一章 绪论,1.2 操作系统的形成和发展,手工操 作阶段,2023/10/30,第8页,第一章 绪论,1946年50年代末：第一代，电子管时代，无操作系统(手工操

4、作系统）。50年代末60年代中期：第二代，晶体管时代，批处理系统。60年代中期70年代中期：第三代，集成电路时代，多道程序设计。70年代中期至20世纪末：第四代，大规模和超大规模集成电路时代，分时系统。21世纪初开始，以移动、分布和网络计算为代表，现代计算机正向着普适计算、网络计算以及巨型、微型、并行、分布、网络化、智能化和生物信息 化 几个方面发展着,2023/10/30,第9页,第一章 绪论,1.2.1.手工操作阶段（电子管时代）用户在计算机上算题的所有工作都要用户人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等全部都由用户完成。1.特点：无任何软件 有人工干预 独占性 串行性 机器 作业在机器

5、上 人工操 操作时间与机器 速度 计算所需时间 作时间 有效运行时间之比 1万次/秒 1小时 3分钟 1：20 60万次/秒 1分钟 3分钟 3：1,第10页,第一章 绪论,2023/10/30,缺点：CPU时间被大量浪费；编程困难；操作困难）问题：人 机矛盾（摆脱人的手工操作，实现作业的自动过渡）批处理,早期批处理阶段(晶体管),批处理是指系统中有一个监控程序，它负责完成用户程序的调入、启动运行、输出运行结果等工作。（1）联机批处理（2）脱机批处理（3）执行系统,2023/10/30,第11页,第一章 绪论,2023/10/30,第12页,第一章 绪论,监控程序：是一个常驻内存的小的核心代码

6、，用于实现各作业之间的自动转接，提高了系统效率。,1.联机批处理,特点：有监控程序；作业自动过渡，提高了计算机系统的处理能力 问题：CPU高速与I/O慢速的矛盾 解决：由卫星机负责I/O,成批处理经历了两个阶段：联机批处理阶段和脱机批处理阶段。,联机批处理系统：作业的I/O和计算全部由CPU直接控制。,第13页,第一章 绪论,脱机批处理系统：由主机和外围计算机（卫星机）组成，外围计算机负责I/O处理，主机和外围计算机可以并行工作。,特点：主机与卫星机并行操作 问题：调度不灵活；系统保护问题；单道系统 解决：硬件技术的发展通道技术、中断技术,第14页,2.脱机批处理,第一章 绪论,3.执行系统,

7、通道：是独立于CPU，专门用来控制输入、输出设备的I/O处理机。,中断：当主机接到某信号（如I/O完成信号），马上停止原来的工作，转去执行这一事件，处理完后，回到原处继续工作。,借助于通道和中断技术，输入输出操作可以在中央处理机控制之下完成。这时，原有的监督程序不仅要负责调度作业自动运行，而且还要提供输入输出控制功能，它比原有的监督程序的功能增强了。这个发展了的监督程序常驻内存，称为执行系统。,第15页,多道程序系统(集成电路)1.单道程序的工作情况例1：某作业运行时，不断从输入机输入数据，有CPU处理1000个字符需300ms，输入机输入1000个字符需1000ms，问CPU是否需要等待？,

8、2023/10/30,第16页,第一章 绪论,2.多道程序的工作情况,例2.程序A运行100ms，输入数据100ms，运行100ms，打印100ms;程序B运行50ms，打印100ms，运行50ms,2023/10/30,第17页,第一章 绪论,3.什么是多道程序设计技术 在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。这些程序在管理程序控制之下，相互穿插地运行。当某道程序因某种原因不能继续运行下去时(如等待外部设备传输数据)，管理程序便将另一道程序投入运行。4.多道运行的特征 多道：内存中同时存放几个作业；宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；微观上串行运行：各作业交替使用CPU；,202

9、3/10/30,第18页,第一章 绪论,5.多道成批系统 在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了多道 批量操作系统。该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作业调度程序自动地选择作业运行。优点：缩短作业之间的交接时间，减少处理机的空闲等待时间，提高系统的吞吐量。缺点：用户响应时间较长。用户既不能了解自己程序的运行情况，也不能控制计算机。,2023/10/30,第19页,第一章 绪论,批处理系统中作业处理及状态,第20页,第一章 绪论,单道(uniprogramming)和多道批处理的比较,多道程序系统和多处理系统(multiprocessing system)的区别：前者指多个

10、程序同时在内存中交替运行，后者指多个处理器。,第21页,第一章 绪论,1.2.4.分时系统,分时技术：就是把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一作业使用，等待下一轮时再继续其运行。分时计算机系统：由于中断技术的使用，使得一台计算机能连接多个用户终端，用户可通过各自的终端使用和控制计算机，我们把一台计算机连接多个终端的计算机系统称为分时计算机系统，或称分时系统。,2023/10/30,第22页,第一章 绪论,2023/10/30,第23页,第一章 绪论,分时操作系统 分时操作系

11、统利用分时技术实现多道程序设计的一种操作系统，它一般采用时间片轮转的办法，使一台计算机同时为多个终端用户服务，对每个用户都能保证足够快的响应时间，并提供交互会话功能。分时操作系统的特点：交互性：用户与计算机之间可进行“会话”。多路调制性：即众多联机用户可以同时使用同一台计算机，共享CPU和其它资源，充分发挥系统的效率；及时性：在用户能够接受的时间内得到响应 独立性：各终端用户感觉到自己独占了计算机；,2023/10/30,第24页,第一章 绪论,早期计算机系统是用于科学与工程的数值计算，如第一台计算机（1944年）产生的原因就是解决大口径火炮设计中的计算问题：弹道轨迹、弹着点和材料的各种应力分

12、布的计算。还有原子弹设计和实验中大量的计算问题，用当时的计算工具已经解决不了。到了60年代初，计算机开始应用到生产过程控制、工业控制、防空系统、信息处理等，在这些应用中不但要解决计算问题，还要求在规定的时间内完成计算，即实时处理。在实时处理中的一个核心的问题就是响应时间问题。,1.2.5.实时系统,2023/10/30,第25页,第一章 绪论,响应时间：指用户发出命令，到系统完成用户命令所需的时间。批处理操作系统 没有分时操作系统 秒级(一般情况）实时操作系统 微秒级 甚至更小（经典说法）系统满足用户时限（deadline)的要求(现代）,2023/10/30,第26页,第一章 绪论,实时操作

13、系统：实时操作系统是又一种类型的操作系统，对外部的请求，实时操作系统能够在规定的时间内处理完毕。实时：指计算机对于用户请求能足够快地进行处理，并做出反映。要求毫秒、微秒级。实时操作系统的应用：实时控制：工业过程控制、防空系统等 实时信息处理：情报检索和查询、飞机订票系统、银行信用卡系统。,2023/10/30,第27页,第一章 绪论,实时操作系统特点：1.系统对外部的信号必须能及时响应，(在规定的时间内（deadline）)；2.要求高可靠性和安全性，效率则放在第二位；3.系统整体性强；4.不要求很强的“会话”能力。,2023/10/30,第28页,第一章 绪论,2023/10/30,第一章

14、绪论,第29页,1.2.6 通用操作系统 通用操作系统同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。例如，将实时处理和批处理相结合构成实时批处理系统。在这样的系统中，它首先保证优先处理任务，插空进行批作业处理。通常把实时任务称为前台作业，批作业称为后台作业。将批处理和分时处理相结合可构成分时批处理系统。在保证分时用户的前提下，没有分时用户时可进行批量作业的处理。同样，分时用户和批处理作业可按前后台方式处理。,个人计算机操作系统,1.磁盘操作系统 代表的是MSDOS 设备管理、文件系统功能,2.Windows系统 图形用户界面 多任务、多线程 可剥夺式调度 段页式虚拟存储管理技

15、术 动态连接,2023/10/30,第30页,第一章 绪论,1.2.7 操作系统的进一步发展 进入20世纪80年代，一方面迎来了个人计算机的时代，同时又向计算机网络、分布式处理、巨型计算机和智能化方向发展。操作系统有了进一步的发展：个人计算机上的操作系统。嵌入式操作系统。网络操作系统。分布式操作系统。智能化操作系统。,第31页,第一章 绪论,计算机网络,定义：计算机网络是通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互连起来的，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。引入计算机网络的目的：完成新的应用（进行自动的信息交换），提高性能价格比（共享昂贵资源）,第32页,第一章 绪

16、论,网络操作系统特点：,(1)计算机网络是一个互连的计算机系统的群体。(2)这些计算机是自治的，每台计算机有自己的操作系统，各自独立工作，它们在网络协议控制下协同工作。(3)系统互连要通过通信设施(硬件、软件)来实现。(4)系统通过通信设施执行信息交换、资源共享、互操作和协作处理，实现多种应用要求。,第33页,第一章 绪论,分布式操作系统(Distributed Operating System),分布式系统：通过通信网络将物理上分布的具有自治功能的数据处理系统或计算机系统互连起来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务。处理和控制的分散（相对于集中式系统）特点：1.计算机网络的开发都遵循协议，

17、而对于各种分布式系统并没有制定标准的协议2.分布式系统要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性3.系统的透明性。4.分布式是网络的进一步发展,第34页,第一章 绪论,分布式操作系统和网络操作系统,网络操作系统是在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的网络资源共享，提供网络用户所需各种服务的软件和相关规程的集合。分布式系统是以计算机网络为基础的，它的基本特征是处理上的分布，即功能和任务的分布。,第35页,第一章 绪论,1.2.8 嵌入式操作系统（Embedded Operating System）,嵌入式操作系统就是运行在嵌入式

18、智能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。它们是一个设备、装置或系统（即嵌入式系统）中的核心部分。典型例子：Wind River（风河）的VxWorksMicrosoft的Windows CE,第36页,第一章 绪论,嵌入式设备,第37页,第一章 绪论,1.3 操作系统的类型,按功能特征的不同把操作系统分为：,(1)批处理操作系统,(2)分时操作系统,(3)实时操作系统,(4)单用户操作系统,(6)分布式操作系统,(5)网络操作系统,一、批处理操作系统,批处理操作系统一般适用于大中型计算机系统。批处理操作系统可分为单道批处理操

19、作系统和多道批处理操作系统两种。,第38页,第一章 绪论,1单道批处理操作系统 单道批处理操作系统是早期计算机系统中配置的一种操作系统类型。主要代表有：FMS（FORTRAN监控系统）、IBYSY（IBM/7094）。,2多道批处理操作系统 多道批处理操作系统是在60年代中期以后计算中心（或数据中心）等较大的计算机系统上所配置的一种操作系统。主要代表有：IBM 360/370。,主要特征：,(1)成批处理。,(2)多道程序运行。,(3)用户脱机使用计算机。,第39页,第一章 绪论,优点：有利于提高系统资源利用率、增大作业吞吐量。缺点：无交互性，这给程序设计人员带来很大的不便。,二、分时操作系统

20、 分时操作系统提供了多个用户共同使用一台计算机的环境。主要代表：Unix、VAX/VMX、CTSS、MUTICS等。,主要特征：,(1)多路性,(2)独占性,(3)及时性,(4)交互性,第40页,第一章 绪论,三、实时操作系统,主要特征：,(1)即时响应,(2)高可靠性,(3)专业性,四、单用户操作系统 是为个人用微型计算机所配置的操作系统。这类操作系统在处理机的调度、存储保护等方面将简单得多，为用户提供良好的工作环境和方便的用户接口成为这类操作系统的主要目标。典型系统：MS-DOS、Windows、Linux等。,第41页,第一章 绪论,2023/10/30,第一章 绪论,第42页,分时操作

21、系统与实时操作系统的比较,43,五、网络操作系统 典型系统：Windows NT Server、NetWare,主要特征：,(1)网络通信,(2)资源共享,(3)互操作,(4)协作处理,六、分布式操作系统,主要特征：,(1)统一性,(2)坚强性,分布式操作系统与网络操作系统的比较,耦合程度：分布式系统是紧密耦合系统：分布式OS是在各机上统一建立的OS同质，直接管理CPU、存储器和外设；统一进行全系统的管理；网络通常容许异种OS互连，各机上各种服务程序需按不同网络协议协议同质。并行性：分布式OS可以将一个进程分散在各机上并行执行进程迁移；网络则各机上的进程独立。透明性：用户是否知道或指定资源在哪

22、个机器上（如CPU、内存或外设）。分布式系统的网络资源调度对用户透明，用户不了解所占有资源的位置；网络操作系统中对网络资源的使用要由用户明确指定；健壮性：分布式系统要求更强的容错能力（工作时系统重构）,第44页,第一章 绪论,各类型操作系统的特点和区别,批处理操作系统:例子：一个用户的多个程序段，有的病人在量体温，有的在化验，所以就可以找批处理与分时的区别，分时是交互式的，要求很快有反映，批处理没有规定时间分时是机器规定人：机器规定什么时间结束就结束了，杂技表演，人满意就可以了实时是人规定机器：人在时间和空间上规定机器，机器不能走开。网络操作系统主要特点是：网址。网络通信，如：电视购物分布式操

23、作系统特点是：社区服务。越来越方便用户 各个操作系统都是互相兼顾的,2023/10/30,第45页,第一章 绪论,多道程序系统 多重处理系统 多用户 多终端,多道是指内存中驻留多个程序或者一个程序的多个程序段，因此多用户系统一定是采用多道技术，而多道技术不一定是多用户系统，多重处理系统一般是指多个CPU系统。当然，一个CPU的系统采用分时技术可以为多用户服务。多用户的关键技术是在用户之间要有保密保安措施。终端是指用户使用的硬件设备，即使一个终端也可为多用户使用。如：ATM,2023/10/30,第46页,第一章 绪论,操作系统的特征,并发(concurrency)共享(sharing)虚拟(v

24、irtual)不确定性(asynchronism),第47页,并发(concurrency),在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称作任务），并发指的是进程。,多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。并行(parallel)是指在同一时刻发生。,第48页,共享(sharing),互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用。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,多个进程共享有限的计算机系统资源。操作

25、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多个进程所用。,第49页,虚拟(virtual),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（代码数据堆栈）显示设备多窗口或虚拟终端(virtual terminal),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。,第50页,不确定性(asynchronism),进程的运行速度不可预知：分时系统中，多个进程并发执行，时走时停“不可预知每个进程的运行推进快慢判据：无论快慢，应该结果相同通过进程互斥和同步手段来保证难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行

26、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,也称异步性，指进程的执行顺序和执行时间的不确定性；,第51页,1.4 操作系统功能,1.4.1.处理机管理的功能1.4.2.存储器管理的功能1.4.3.设备管理的功能1.4.4.信息管理的功能1.4.5.用户接口,2023/10/30,第52页,第一章 绪论,一、操作系统的功能,1处理机管理,第53页,进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等主动改变进程的状态进程调度：作业和进程的运行切换，以充分利用处理机资源和提高系统性能；未必是进程控制操作所引起（可能时间片轮转、I/O操作）同一类型内的公平性、高效率(吞吐量大)、作

27、业周转时间等进程同步：协调并发进程之间的推进步骤，以协调资源共享；交换信息能力弱进程通信：进程之间传送数据，以协调进程间的协作；交换信息能力强，也可以用来协调进程之间的推进,完成处理机资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为进程。,2存储管理,(1)内存分配。存储管理的基本功能是为每道程序分配内存空间，在作业结束时收回作业所占空间。,(2)存储保护。保证各程序在自己的存储区域内运行而不相互干扰。,(3)内存扩充。由于物理内存的大小可能限制了大型作业或多个作业的并发执行，因此，存储管理借助于虚拟存储技术来获得增加内存的效果，使系统能运行内存需求量远比物理内存大得多的作业，或让更多的作业并发执行

28、。,第54页,管理目标：提高利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、方便进程并发运行。,3设备管理,第55页,(1)通道、控制器、输入输出设备的分配和管理。设备管理的任务就是根据一定的分配策略，把通道、控制器和输入输出设备分配给请求输入输出操作的程序，并启动设备完成实际的输入输出操作。为了尽可能发挥设备和主机的并行工作能力，常需要采用虚拟技术和缓冲技术。(2)设备独立性。输入输出设备种类很多，使用方法各不相同。设备管理应为用户提供一个良好的界面，而不必去涉及具体的设备特性，以使用户能方便、灵活地使用这些设备。,设备管理的目标是：方便的设备使用、提高CPU与I/O设备利用率；,4信息管理（文件

29、系统管理）,第56页,文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能。目录管理：解决信息检索问题。文件的属性（如文件名）、单一副本赋予多文件名文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。系统设口令哪个用户、用户分类哪个用户组、文件权限针对用户或用户组的读写权软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和拆除等,解决软件资源的存储、共享、保密和保护。,5用户接口(作业管理),操作系统提供两种形式的接口供用户使用。(1)作业一级的接口（命令接口）提供一组控制操作命令(或称作业控制语言，或像UNIX中的Shell命令语言)供用户去组织和控制自己作业的运行。,(2)程序级接口（程序接口）提

30、供一组广义指令(或称系统调用、程序请求)供用户程序和其他系统程序调用。当这些程序要求进行数据传输、文件操作或有其他资源要求时，通过这些广义指令向操作系统提出申请，并由操作系统代为完成,第57页,1.5 计算机硬件简介 操作系统管理和控制计算机系统中所有软硬件资源。同时，因操作系统是一个运行于硬件之上的系统软件，我们还必须对操作系统运行的硬件环境有所了解。本节简要介绍计算机硬件系统。1.5.1 计算机的基本硬件元素 构成计算机的基本硬件元素有以下4种：处理器、存储器、输入输出控制与总线、外部设备等。,1.5 计算机硬件简介,第58页,第59页,1.5.2 与操作系统相关的几种主要寄存器 寄存器与

31、操作系统密切相关，因为它们是在处理机中交换数据的速度比内存更快、体积也更小，而价格又更贵的暂存器件。处理机中寄存的功能分为二类，即用户可编程的寄存器以及控制与状态寄存器。机器语言或汇编语言的程序员可对用户可编程寄存器进行操作，以获得更高的执行效率等。而控制与状态寄存器则被用来对处理机的优先级、保护模式或用户程序执行时的调用关系等进行控制和操作。,第60页,典型的用户可编程寄存器包括以下几种：1.数据寄存器 编程人员可以通过程序赋予数据寄存器众多的功能。一般来说，对数据进行操作的任何机器指令都被允许访问数据寄存器。不过，根据硬件设置的规定，这些寄存器也可能只被允许进行浮点运算或被其他某些规定所限

32、制。2.地址寄存器 地址寄存器一般用来存放内存中某个数据或指令的地址，或者存放某段数据与指令的入口地址以及被用来进行更复杂的地址计算。3.条件码寄存器 条件码寄存器也称标志寄存器。条件码寄存器的比特位由处理机硬件设置。,第61页,4.程序计数器PC 程序计数器内装有下一周期被执行指令的地址。5.指令寄存器IR 指令寄存器内装有待执行指令。6.程序状态字PSW 程序状态字寄存器的各个比特位代表系统中当前的各种不同状态与信息。如执行模式是否允许中断等。7.中断现场保护寄存器 如果系统允许不同类型的中断存在，则会设置一组中断现场保护寄存器以便保存被中断程序的现场和链接中断恢复处。8.过程调用用堆栈

33、堆栈被用来存放过程调用时的调用名、调用参数、以及返回地址等。,第62页,1.5.3 存储器的访问速度,第63页,操作系统设计和原理描述中涉及到许多算法。为了描述简单起见，本书定义下述关键词描述算法中有关过程。beginend 分别表示算法的开头和结束。Repeat操作Until 条件表示当“条件”未被满足时重复所描述的“操作”。,1.6 算法的描述,While 条件do操作od 表示当“条件”满足时，进行相应的“操作”。关键词“do”和“od”分别表示“操作”的开始和结束。If 条件Then操作Else操作fi 表示满足“if”所指的“条件”时，进行“then”后的相关“操作”，否则完成“else”后的相关操作。关键词“fi”表示条件判断的结束。,2023/10/30,第65页,第一章 绪论,1.7 研究操作系统的几种观点,1.7.1 操作系统是计算机资源的管理者 主要讨论各种资源的情况记录、分配、分配和回收问题 1.7.2 用户界面的观点 主要讨论如何操作系统的用户界面问题 1.7.3 进程管理观点主要讨论进程的运行过程（程序的并发执行）,2023/10/30,第66页,第一章 绪论,