操作系统特征、功能.ppt

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1、2023/11/3,1,计算机操作系统,授课教师：钱斌,2023/11/3,2,学习方法,知识：需要记忆、积累 联想、对比 抓重点技能：需要训练、经验 方法、技巧 抓特点思路：逻辑思维 形象思维,2023/11/3,3,1.3操作系统的基本特征,并发(concurrency)共享(sharing)虚拟(virtual)异步性(asynchronism),2023/11/3,4,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。,并发：多个事件在同一时间段内发生。操作系统是

2、一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用程序间的并发。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。,2023/11/3,5,共享(sharing),资源：硬件资源、软件资源共享方式：互斥、同时互斥共享（如音频设备、打印机）：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）问题：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。,2023/11/3,6,虚拟(virtual),CPU多个用户（进程）的虚处理机存储器多个进程都占有的地址空间（指令数据堆栈

3、）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。方法：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。,2023/11/3,7,异步性(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,也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间的不确定性；,2023/11/3,8,操作系统四大特征总

4、结,基本特征：并发、共享虚拟、不确定性从何产生？,返回,2023/11/3,9,1.4 操作系统的功能,1.4.1 处理机管理1.4.2 存储管理1.4.3 设备管理1.4.4 文件管理1.4.5 用户接口（作业管理）,返回,2023/11/3,10,1.4.1 处理机(CPU)管理实质是对进程的管理,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同步与互斥：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进程调度：进程的运行切换，以充分利用处理机资源和提高系统性能,完成处

5、理机资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为进程或线程。,2023/11/3,11,1.4.2 存储管理,存储分配与回收存储保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如：访问合法性检查、甚至要防止从垃圾中窃取其他进程的信息；地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地址的映射；内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：逻辑上的扩充,提高内存利用率、扩大进程的内存空间；,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。,2023/11/3,12,1.4.3 设备管理,设备操作：利用设备驱动程序（通常在内核中）完成对设备的操作。设备分配与回收：在多用户间共享I/O设备资源。虚拟设备(v

6、irtual device)：设备由多个进程共享，每个进程如同独占该设备。缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率,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；,2023/11/3,13,1.4.4 文件管理(信息管理),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,解决软件资源的存储、共享、保密和保护，操作系统中负责这一功能的部分称为文件系统。,2023/11/3,14,用户接口,命令

7、接口：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；命令脚本脱机程序接口：供用户程序和系统程序调用操作系统功能：系统调用。图形接口：方便用户使用,目标：提供一个友好的用户访问操作系统的接口。操作系统向用户提供三种接口：,返回,2023/11/3,15,1.5 操作系统的结构设计,1、传统的OS结构：无结构、模块化结构、分层式结构分层式：每一层都仅仅使用其底层所提供的功能和服务。2、微内核结构客户/服务器模式面向对象的程序设计技术微内核技术,2023/11/3,16,微内核技术,微内核：精心设计、能实现OS核心功能的小型内核。提供最基本的功能运行在核心态，常驻内存建立在模块化、

8、层次化结构基础上，采用了客户/服务器模式和OOP技术,2023/11/3,17,1.7 常用的操作系统,1.7.1 MS DOS1.7.2 MS Windows 3.x,Windows 95,Windows NT,Windows 20001.7.3 UNIX,返回,2023/11/3,18,1.7.1 MS DOS,1981年：PC-DOS 1.1：IBM PC，只支持软盘的个人操作系统；1983年：DOS2.0：PC XT，支持硬盘和目录的层次结构，并提供丰富的系统命令；1984年：DOS3.0：PC AT(Intel 80286 CPU)，它把286作为一个快速的8086使用；1987年：

9、DOS3.3：提供对IBM PS/2的支持（如3.5软驱），提供了更多的应用；1988年：DOS4.0：支持大于32M的硬盘；1991年：DOS5.0：改进对扩展内存的支持；,IBM PC,CPU 8088/8086,BIOS单用户单任务，简单分层结构，16位,MS DOS的历史,2023/11/3,19,MS DOS的结构,DOS BIOS(Basic Input/Output System)：由一组与硬件相关的设备驱动程序组成，实现基本的输入/输出功能；DOS核心：提供一套独立于硬件的系统功能：内存管理、文件管理、字符设备和输入/输出、实时时钟等；命令处理程序：对用户命令进行分析和执行；,

10、2023/11/3,20,MS DOS的特点,字符用户界面。作业管理：命令行，批处理程序（BAT文件），菜单式。编程时通过软中断调用(int 21h)来使用系统功能。不区分用户。准多任务：通过内存驻留程序TSR(Terminated and Stay Resident)来实现，通过时钟中断或键盘中断热键hotkey来激活其他任务。不支持虚拟存储，没有存储保护。采用段式分配(内存块)，可直接访问的最大地址空间为1MB。其余的内存只能通过作为扩展内存(XMS)或扩充内存(EMS)来使用。XMS是段式分配，通过内存数据搬移来使用XMS区域EMS是页式分配，通过页面的映射来使用EMS区域或者用支持保护

11、方式的编程工具文件系统为FAT(File Allocation Table)格式（磁盘卷，多级目录，文件名 8+3 个字符；分区容量最大为2GB）；有文件属性，没有区分用户的访问权限保护。设备驱动程序在系统起动时加载。分为字符设备和块设备。,2023/11/3,21,1.7.2 MS Windows 3.x,Windows 95,Windows NT,Windows 2000,1990年：Windows 3.0（成功版本），16位OS，借见Apple Macintosh给出友好的用户界面；1993年：Windows NT 3.1,32位OS，支持DOS和Windows应用程序；1999年12月

12、：Windows 2000(Professional,Server,Advanced Server)，32位OS；,CPU 80386单用户多任务（分时系统），16位/16和32位混合/32位,Windows的历史,2023/11/3,22,Windows NT体系结构,2023/11/3,23,简化的Windows2000体系结构,2023/11/3,24,Windows 2000的特点,支持对称多处理机真正的32位操作系统：除16位应用的支持代码，没有16位的代码；完全的代码可重入(reentrant)：同一段代码可由多个应用同时访问；图形用户界面GUI（和字符用户界面）。抢先式多任务和多

13、线程。支持动态链接。虚拟存储：段页式(有存储保护)。兼容16位Windows应用。文件系统：NTFS(HPFS)，支持安全控制。设备驱动程序：VxD(virtual driver)。可移植：适用于多种硬件平台。容错能力。面向对象特性：用对象来表示所有资源。,2023/11/3,25,1.7.3 UNIX,1965年：MIT的Multics，由于规模和进展而没有达到目标；1969年：AT&T，PDP-11上的16位操作系统；1974年：UNIX系统正式发表(第五版)，在大学得到使用和好评；1980年：University of California at Berkeley为VAX11发表BSD4

14、.0；以后，UNIX就以AT&T和Berkeley为主分别开发，有多种变种；1989年：UI(UNIX International)发表UNIX system V Res4.0；使BSD和System V在用户界面上统一；1991年芬兰大学生Linus Benedict Torralds开发了第一个Linux版本。1994年：Linux 1.0，现在的最新内核版本是2.4,多用户多任务，16/32/64位BSD,SVR4（模块式结构）,OSF/1（微内核结构）,UNIX的历史,UNIX系统：可运行UNIX应用软件的操作系统。,2023/11/3,26,Bell实验室,早期UNIX和C,加州大学

15、伯克利分校BSD4,At&T的系统V,HP-UX,AIX,Solaris,SCO UNIX,Linux,2023/11/3,27,传统的UNIX结构,2023/11/3,28,现代UNIX结构,2023/11/3,29,UNIX系统的特点,字符用户界面和图形用户界面GUI(X Window)。抢先式多任务，多线程。支持动态链接。支持对称式多处理。虚拟存储：段页式，有存储保护。文件系统：多级目录，文件卷可以在子目录下动态装卸。无文件属性，可有别名。采用设备文件的形式（读写，参数控制）。设备驱动程序修改后需要重新编译连接生成内核。支持多种硬件平台。易移植：主要代码用C语言写成；变种很多，很难标准化

16、。,2023/11/3,30,小结,OS地位、目的、作用和组成OS发展：主要动力OS分类：批处理、分时、实时、（通用）、多处理、网络和分布式、PCOS的结构：模块层次Client-ServerOS的特征和服务OS功能,返回,2023/11/3,31,操作系统的组成,核心(kernel)：负责管理计算机系统的资源,记录它们的状态,负责分配、使用和释放。外壳(shell)：计算机系统与用户之间的接口，用户通过它来使用整个计算机。外壳也称为命令解释程序。,2023/11/3,32,用户、Shell、Kernel的关系,返回,2023/11/3,33,研究操作系统的几种观点,资源管理观点抽象机层次观点进程观点用户观点在此我们给出操作系统的定义：操作系统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，以及方便用户使用计算机的程序的集合。,2023/11/3,34,操作系统举例,MS OS:MS DOS,MS windows 3.X,windows 95,windows NT,windows 2000UNIX:BSD,SRV4,OSF1,SCO UNIX,AIX,Solaris,LinuxNOS:Novell Netware,返回,