《微机与操作系统贯通教程》第3章：操作系统概述.ppt

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1、新世纪高职高专实用规划教材微机与操作系统贯通教程,王宝军 著 清华大学出版社,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,第3章 操作系统概述,学习目的与要求从操作系统的产生到三大基本类型的形成，以及操作系统的进一步发展，了解操作系统的分类及其中涉及的一些基本概念。操作系统是计算机资源的管理者，也是用户与计算机之间的友好接口。本课程后续内容将按用户接口及资源归类来展开操作系统对其管理与实现，所以理解操作系统的五大功能与基本特征非常重要。通过本章的学习，还要求掌握交互式系统中的命令接口和批处理系统中的作业管理与调度策略。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,3.1 操作系

2、统及其发展历程,主要内容,1.操作系统的 定义与观点,2.操作系统的产生,3.操作系统基本 类型的形成,4.操作系统的 进一步发展,重点关注：操作系统的定义及不同角度看待操作系统的三种观点 操作系统三大基本类型的形成及其迥异的性能特征,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1.操作系统的定义与观点,（1）操作系统的定义,如果我们把没有任何软件支持的计算机称为裸机（Bare Machine），那么现在呈现在用户面前的都是经过操作系统改造而成的功能更强、使用更方便的虚拟机（Virtual Machine）。因为操作系统在用户和计算机之间架起了一座桥梁，它控制和管理着整个系统的硬件和软

3、件资源，提供了各种软件运行的支撑环境，使用户无需深入硬件就可以方便、透明地使用计算机。于是，我们给出操作系统较为完整的定义：操作系统是用来控制和管理计算机系统资源，合理地组织计算机工作流程，以及方便用户操作的程序集合。,（2）操作系统的观点,资源管理观点对系统设计员来说，操作系统的实质就是计算机系统的资源管理程序。基于这种观点，操作系统可以划分为处理器管理、存储器管理、设备管理、信息管理（即文件系统）和用户接口（作业管理）五大功能模块。用户管理观点对一般用户来说，操作系统是用户和计算机之间的接口。进程管理观点对那些专门研究程序和数据流通的人员来说，操作系统的作用是对进程进行管理，其实质就是对处

4、理器的时间进行合理分配和管理。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,2.操作系统的产生（一）,（1）手工操作阶段（1946年-50年代中期）,计算机的手工操作方式,脱机输入/输出方式,减少了CPU的空闲时间，缓和了人机矛盾 提高了I/O速度，缓解了CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,2.操作系统的产生（二）,（2）单道批处理系统的形成,当有大量用户作业提交计算中心要求处理时，操作员可按优先程度、类型等因素选择一批作业，以脱机方式输入磁盘；再由系统中配备的监督程序（Monitor）自动地控制每个作业从调入内存、汇编或编译、装

5、配连接、启动执行、输出结果的全过程，并使作业一个接一个地连续处理，直到这批作业全部完成为止。,这里，监督程序是事实上的管理者，也是后来形成的操作系统的雏形。由于系统对作业的处理都是成批进行的，而且在内存中始终只保持一道作业，所以称之为单道批处理系统。,注意：,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,3.操作系统基本类型的形成（一）,（1）多道批处理操作系统,在20世纪60年代中期引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统，标志着操作系统进入成熟的阶段。在多道批处理系统中，用户提交的作业都先存放在外存并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中

6、选择若干个（而非一个）作业调入内存，这些在内存中等待CPU调度执行的作业称为进程，同样排成进程的就绪队列，它们将共享CPU和系统中的各种资源。同时存放在内存中的多道程序从微观上看是串行的，但从宏观上看却是并行的，它们同时向前推进。,最大优点：资源利用率高系统吞吐量大最大缺点：无交互能力平均周转时间长,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,3.操作系统基本类型的形成（二）,（2）分时操作系统,分时系统就是为了满足用户对人机交互、多用户共享主机以及方便作业控制等需要而形成的一种新型操作系统，它与多道批处理系统有着截然不同的性能目标。在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允

7、许多个用户共享主机中的资源，每个用户都可以通过终端以交互方式使用计算机。,分时系统的特征：交互性多路性,分时系统的实现，必须解决以下两个最为关键的问题：分割CPU时间片，使多个终端用户共享系统资源。时间片长短的选择至关重要，它将直接影响着分时系统的性能目标。如果时间片过长，则无法满足用户对响应时间的要求；如果时间片过短，则会使系统为了多个终端用户之间切换处理而需要花费的额外开销大大增加，从而降低系统效率。系统为每个联机的终端用户创建一个操作界面，使终端用户能方便地与自己的作业命令交互。,及时性独立性,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,3.操作系统基本类型的形成（三）,（3）实

8、时操作系统,产生背景：20世纪60年代中期，计算机各项性能都有了很大提高，造价大幅度下降，应用领域日益扩大，逐步向实时控制和实时信息处理等领域渗透。尽管分时系统已考虑用户对响应时间的要求，但实时性远远不能满足实时系统要求。,系统分类：实时控制系统。用于工业生产过程、军事武器等实时控制。实时信息系统。用于要求对信息进行实时处理的系统。,主要特征：实时性。实时信息系统对实时性的要求虽然也是以人们所能接受的等待时间来确定；而实时控制系统是根据控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的，一般为秒级、毫秒级，有的甚至要求低于100微秒。可靠性。往往采取多级容错措施，以保证系统的安全及数据的安全。

9、专用性。不同的控制和处理对象对实时性和可靠性往往有着特殊的要求，所以实时系统通常都是针对具体的应用而专门设计的，属于专用系统。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,4.操作系统的进一步发展（一）,（1）微机操作系统,批处理系统、分时系统和实时系统构成了操作系统的三种基本类型，而实际系统则往往兼有两者或三者功能特点。随着微机和网络技术的发展，操作系统也进一步形成了多种类型。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,4.操作系统的进一步发展（二）,（2）网络操作系统,计算机网络的定义：将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的网

10、络软件将其有机地联系到一起并进行管理，从而实现网络资源共享和信息传递的系统。计算机网络的分类。按照网络覆盖范围的大小，分为局域网（LAN）、广域网（WAN）和城域网（MAN）三类。网络操作系统特有的功能。为计算机网络所配置的操作系统称为网络操作系统，它除了应具备通常意义上的操作系统所具有的功能外，最为突出的就是还应该具有网络管理模块和通信软件。通信软件是一种交流的协议，是各计算机在通信中需要共同遵守的规则。具体地说，网络操作系统应具有下述5个方面的功能：网络通信、资源管理、网络服务、网络管理和互操作能力。,注意：,多用户分时系统看上去与星型连接结构的计算机网络相似，但两者完全不同。分时系统中各

11、用户使用的是由显示器、键盘和一个串行接口组成的终端，没有CPU和内存，也就没有处理能力；而网络中都是具有独立运行能力的计算机系统。个人计算机上配置适当的仿真软件或硬件后，也可以作为一台智能终端来使用。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,4.操作系统的进一步发展（三）,（3）分布式操作系统,基本概念：在以往集中式处理系统中，处理和控制功能都高度集中在一台主机上，所有的任务都由主机处理。分布式处理系统是指由多个分散的处理单元经互联网络的连接而形成的系统。每个处理单元既具有高度的自治性，又相互协同，能在系统范围内实现资源管理、动态地分配任务、并行地运行分布式程序。,基本特征：即为处

12、理上的分布，其实质是资源、功能、任务和控制都是分布的。,主要特点：分布式系统是以网络为基础发展起来的，它们有相似又各有特点：,分布性并行性透明性共享性健壮性,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,3.2 操作系统的功能与特征,主要内容,2.存储器管理,3.设备管理,5.用户接口,6.基本特征,1.处理器管理,4.文件系统,重点关注：操作系统五大模块的基本功能 现代操作系统的基本特征,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1.处理器管理（进程管理）,处理器管理的主要任务是对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在单道环境下，处理器为一个作业所独占，其管理十分

13、简单。但在多道程序并发环境下，必须引入进程以动态地描述程序的执行过程，并以进程为单位来分配处理器，因而对处理器的管理可归结为对进程的管理。,处理器管理的主要功能,为用户作业分配必要的资源，并创建进程。合理分配处理器时间，控制进程状态的转换。撤消已结束的进程，并回收其占有的资源。,从进程就绪队列中，按某种调度算法选择一个进程投入运行。,多个进程竞争处理器资源，可能存在同步和互斥关系，因此系统中必须设置同步机制，对各进程的运行进行协调。,多道环境下，进程之间可能要相互合作完成共同的任务，这就需要在进程之间实现信息交换。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,2.存储器管理,存储器是仅

14、次于CPU的第二大珍贵资源，因为其最大容量受地址总线数量的限制。尽管硬件的发展使存储器容量不断扩大，但无法满足多道程序环境下用户对存储容量无止境的需求。因此，操作系统就要对存储器进行合理分配、保护和扩充。,存储器管理的主要功能,为每道程序分配恰当的内存空间，使它们“各得其所”，尽可能地提高存储器的利用率，并允许程序动态地申请内存空间。,程序调入内存时，操作系统需要将程序中的逻辑地址转换成其对应的物理地址，也就是实现地址重定位或地址映射。,确保每道程序都在自己的空间运行，不允许用户程序有意或无意地破坏系统数据，也不允许转移到非共享的其他程序区。,借助于虚拟存储技术从逻辑上扩充内存容量，使用户所感

15、觉到的内存比物理内存大得多，或让更多的用户程序能并发执行。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,3.设备管理,设备管理的主要任务是，完成用户提出的I/O请求；为用户分配I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。,设备管理的主要功能,为缓解CPU和外设备之间速度不匹配的矛盾，提高它们的利用率，操作系统需要为外设配置一定的缓冲区，并采用各种管理机制对缓冲区进行有效的管理。,根据用户的I/O请求，按照某种分配策略为之分配所需设备、通道和控制器，并启动相应设备的处理程序。,即设备驱动程序，用于实现CPU和设备控制器之间的通信，包括向设备控制器发

16、I/O指令，及时响应和处理来自设备控制器的中断请求。,独立性是指用户程序独立于物理设备，即与实际使用的设备无关。虚拟设备功能是把每次仅允许一个进程使用的独享设备改造为可供多个进程共享的设备。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,4.信息管理（文件系统）,暂时不用或者需要长期保存的信息都是以文件形式存放在磁盘上，操作系统必须配置优良的文件系统，对磁盘上的文件进行安全、有效地管理，方便用户使用，并保证文件的安全性。,文件系统的主要功能,为每个文件分配必要的外存空间，删除文件时释放并回收所占空间，尽可能地提高外存的利用率，提高文件系统的工作速度。,为每个文件建立目录项，并对众多目录项

17、进行有效组织，便于用户“按名存取”文件；实现文件共享，只需在外存上保留一份该共享文件的副本；应提供快速的目录查询手段，以提高文件的检索速度。,根据用户的请求，从外存中读取数据或将数据写入外存。为了防止外存上的文件被非法窃取或破坏，文件系统必须提供有效的存取控制手段，以避免未经核准的用户存取文件或者以不正确的方式使用文件。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,5.用户接口（作业管理）,程序接口面向程序员提供了一组系统调用，每一个系统调用都是一个完成特定功能的子程序，编程者可在用户程序中调用它们来访问系统资源或取得操作系统服务。,用户接口（作业管理）,命令接口面向普通用户，可以通过

18、键盘终端或鼠标等操作方式对系统发出命令，以直接或间接地提交和控制自己的作业运行。,为批处理作业用户提供的，也称批处理用户接口，它由一组系统专用的作业控制语言（JCL）组成。,为联机用户提供的，也称交互式用户接口，它由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成。,注意,作业的概念源自于批处理系统，交互式系统严格说没有作业概念，因为用户提交的命令直接进入内存并以交互方式执行。因此，用户接口和作业管理是从不同角度看待的名词，交互式系统更侧重用户联机对话，而批处理系统更强调系统对作业的统一调度。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,6.现代操作系统的基本特征,任何一个操作系统在设计时都会追求

19、各方面优异的性能，总的原则是：尽可能高的资源利用率；尽可能大的系统吞吐量；尽可能快的响应时间；尽可能方便用户使用的交互能力。,现代操作系统的基本特征,在多道程序环境下，并发性是指宏观上在一段时间内有多道程序在同时运行。但在单处理器系统中，每一时刻只能执行一道程序，所以微观上这些程序是在交替执行的。,共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发进程共同使用。任何系统中的软硬件资源都是有限的，如果要向系统中的每个进程都提供它所需的全部资源，不仅浪费也是不可能的。,某进程跟哪些进程并发执行，每个进程何时被调度执行、何时暂停、以怎样的速度向前推进都是不可预知的，如果操作系统不加以处理或设计不当，就有可能导

20、致结果的不确定性。,虚拟是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物，操作系统中的虚拟主要通过对CPU、外设甚至物理信道等分时使用的办法来实现，从而形成了虚拟机、虚设备等。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,3.3 用户接口和作业管理,主要内容,2.作业管理的基本功能,3.作业的状态与描述,5.常用作业调度算法,1.用户界面的演变,4.作业的组织与控制,重点关注：批处理作业与交互式接口的区别 作业调度算法的性能评价 作业状态的转换及控制的全过程 常用的三种作业调度算法,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,1.用户界面的演变,操作系统为用户提供了应用于

21、程序一级的程序接口和应用于作业控制一级的命令接口，而命令接口又分为应用于批处理系统中的脱机命令接口和交互式系统中的联机命令接口两种，习惯上前者称作业管理，后者称用户界面。,用户界面的演变,虚拟现实界面,图形界面,字符界面,较晚出现的操作系统都提供了图形界面，用户可使用鼠标的移动来定位图标、菜单和对话框，通过点击完成各种操作。典型代表是Microsoft公司的Windows操作系统。,字符界面由一组键盘操作命令及其解释程序组成。用户键入一条命令后，系统立即解释并执行，完成指令功能后将结果显示给用户，并返回到终端或控制台等待。典型代表就是DOS和UNIX操作系统。,这是以浸染感、交互性和构想为基本

22、特征的计算机高级人机界面，综合利用了多门学科和多种功能，使人能够沉浸于计算机生成的虚拟境界中，通过语言、手势等自然方式与之进行交互，创建了一种适人化的多维信息空间。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,2.作业管理的基本功能,当用户向计算机系统提交一个作业时，系统将调用作业录入程序把作业送到外存的后备队列（“输入井”）中，等待调度。,为作业申请所需的资源（如内存和外存空间、所需的I/O设备等），以及对程序语言的解释或编译。,按某种算法从后备队列中选择一部分作业，装入内存，交给操作系统的进程管理模块。,把作业需要输出的数据先保存在外存中的“输出井”，等作业运行结束后，在指定的输出

23、设备上输出。,无论作业正常结束还是异常而中断，都将由作业管理模块把作业占有的资源回收并交还给系统，并将文件从系统中消除或转存。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,3.作业的状态与描述,当作业完成其指定的功能后，等待着与之相关的进程、资源以及其他描述信息的撤消，作业便进入停止状态。,提交,后备,执行,停止,作业的生命期,作业被调度进入主存，并以进程形式存在。,用户正在通过输入设备向系统提交作业时的状态，作业存在于输入设备和外存中，完整的作业信息尚未产生。,作业完成提交后处于后备状态，保存于外存，已具有完整的作业描述信息，可由作业调度程序选择进入主存。,作业包括程序、数据和作业说

24、明书。作业说明书是用作业控制语言（JCL）编写的表示用户控制意图的作业控制程序，它包括作业基本描述、作业控制描述和资源要求描述等信息。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,4.作业的组织与控制（一）,（1）作业的建立,申请并建立一个作业控制块 当一个作业开始输入时，系统首先为其建立一个JCB，并对其初始化，即填入作业信息，插入系统中的JCB队列。作业控制块（JCB）是描述一个作业的数据结构，用以唯一标识作业并记录所有与作业相关的信息，包括作业标识、用户名、估计运行时间、优先数、作业创建时间、作业状态以及一个用于链接进入JCB队列的指针等。,输入作业内容 将一个作业所包括的程序、

25、数据和作业说明书输入到外存形成初始信息，输入方式有：脱机输入方式，即用户通过一台外围机进行输入处理；SPOOLing系统输入方式；直接耦合方式，即把主机和外围机通过公用大容量外存直接耦合。,分两步,JCB插入队列,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,4.作业的组织与控制（二）,（2）作业调度,作业调度的任务就是要从后备队列中选出一部分作业投入运行，其核心就是选择作业所采取的算法，原则是：尽可能高的资源利用率；尽可能大的系统吞吐量；尽可能快的响应时间；体现公平性。采用何种作业调度算法在操作系统中十分重要，它将直接影响着系统对以下各项性能参数的偏颇。周转时间作业从提交开始到进入停止

26、状态的时间。周转时间运行时间等待时间平均周转时间系统中所有作业周转时间的平均值。带权周转时间。周转时间与实际运行时间的比值。带权周转时间周转时间运行时间等待时间运行时间平均带权周转时间。系统中所有作业的带权周转时间的平均值。,（3）作业撤消,作业完成后，操作系统的作业调度程序还要负责将该作业从系统中撤消。首先，将该作业的JCB从系统的JCB链表中拆链删除；然后，由系统收回该作业所占用的资源；最后，由卸出程序对作业进行后处理，主要包括：根据作业的优先级、占用计算机的时间长度等来计算并打印运行费用清单，将作业的有关程序、数据文件按协议存储于系统的指定位置或将其消除。,微机与操作系统贯通教程 王宝军

27、 著 清华大学出版社,5.常用作业调度算法,结论,通过三种调度算法的比较不难看出，HRN算法的平均周转时间、平均带权周转时间一般介于FCFS和SJF算法之间，它既考虑到了短作业优先，尽可能地提高系统吞吐量；又避免了SJF算法中长作业可能很长时间得不到调度的问题。但由于每次调度前都要重新计算响应比，从而增加了系统开销。,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,第3章小结（一）,硬件系统仅仅提供了用户作业赖以活动的物质基础，而操作系统把一台裸机改造成了功能更强、使用更方便的虚拟机。从资源管理观点看，操作系统是计算机软硬件资源的管理者；从用户观点看，操作系统是用户和计算机之间的接口；从进

28、程管理观点看，操作系统是处理器分配和进程的管理者。计算机从最初的手工操作阶段，到运用监督程序的单道批处理阶段，逐步产生了操作系统的雏形。20世纪60年代中期以后，形成了多道批处理系统、分时系统和实时系统三大基本类型的操作系统，其性能特点截然不同。批处理系统以追求资源利用率和系统吞吐量的最大化为目标，但缺乏与用户的交互性；分时系统利用CPU时间片的划分，支持多用户共享主机和人机交互，兼顾了用户响应时间和尽可能提高系统资源利用率的要求；实时系统则是追求最快的响应速度，以实时性、高可靠性为主要特点，满足了实时控制和实时信息处理的需要。到20世纪80年代，操作系统已趋于成熟，呈现出多种类型，如微机操作

29、系统、网络操作系统、分布式操作系统等。操作系统按其管理的资源可分为处理器管理、存储管理、设备管理、信息管理和作业管理五大功能模块。不同操作系统在五大管理功能方面有着各异的性能，但总的原则都是追求尽可能高的资源利用率、尽可能大的系统吞吐量、尽可能快的响应时间、尽可能方便用户使用的交互能力。（续）,微机与操作系统贯通教程 王宝军 著 清华大学出版社,第3章小结（二）,（续）现代操作系统一般都支持多任务或多用户环境，具有并发性、共享性、不确定性和虚拟性等基本特征。用户接口包括命令接口和程序接口。程序接口由一组系统调用组成，这是程序员编制用户程序时访问系统资源、取得操作系统服务的有效途径。但是，命令接

30、口在批处理系统和交互式系统中有着本质的区别。交互式系统提供的是由一组键盘操作命令及其解释程序组成的联机用户接口，其实质就是提供联机对话的用户界面，已从最初的命令行字符界面演变为现在普遍使用的图形界面甚至更高境界的虚拟现实界面。批处理系统提供的是由作业控制语言（JCL）组成的脱机用户接口，以便用户按作业运行和控制要求编写作业说明书，因为用户只将作业提交到外存上，系统按作业说明书来创建作业控制块（JCB），以描述作业的基本信息、控制信息和资源要求信息，并对作业进行统一调度、控制直至完成。因此，交互式系统严格地说没有作业概念，因为用户提交的命令直接进入内存并交互执行。在批处理系统中，作业的生命期将经历提交、后备、执行、停止四个阶段，或称为四种状态。系统中所有作业的JCB组织成表或链队，由作业调度程序按FCFS、SJF或HRN等算法从后备队列中选出一部分作业投入运行。不同的作业调度算法在周转时间、平均周转时间、带权周转时间和平均带权周转时间等性能参数上各有偏颇，体现了系统资源利用率、系统吞吐量、响应时间、作业公平性等方面的侧重与兼顾。,王宝军 著 清华大学出版社,Thank You!,