操作系统引论传.ppt
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1、计算机操作系统Operating System,陈 莉,2023/10/14,第一章 绪论,2,第一章 绪论,1.1 操作系统的目标、作用1.2操作系统的发展过程1.3 操作系统的基本特征1.4 操作系统的主要功能1.5 操作系统的结构设计,2023/10/14,第一章 绪论,3,目前常见操作系统,微软:Windows系列(以前MS-DOS)UNIX:Solaris,AIX,HP UX,SVR4,BSD,ULTRIX自由软件:Linux,freeBSD,MinixIBM:AIX,zOS(OS/390),OS/2,OS/4000,PC DOS其他:Mac OS,NetWare,2023/10/1
2、4,第一章 绪论,4,操作系统的定义,操作系统(operating system,简称OS)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,以及方便用户的程序的集合。(p8),2023/10/14,第一章 绪论,5,操作系统的定义,操作系统是一个大型的程序系统,它负责计算机的全部软、硬件资源的分配、调度工作,控制并协调多个任务的活动,实现信息的存取和保护。它提供用户接口,使用户获得良好的工作环境。,2023/10/14,第一章 绪论,6,操作系统的地位,计算机由硬件系统和软件系统两个部分组成,它们构成了一个完整的计算机系统。,2023/10/14,第一章 绪论,7,操作系统的地
3、位,2023/10/14,第一章 绪论,8,操作系统的地位,操作系统是计算机硬件上加载的第一层软件,是对计算机硬件功能的首次扩充。其他软件只有在操作系统的支持下,才能对计算机硬件工作。,2023/10/14,第一章 绪论,9,1.1 操作系统的目标、作用,操作系统为你完成所有“硬件相关、应用无关”的工作,以给你 方便 有效可扩充性 开放性,OS的两个最重要目标,2023/10/14,第一章 绪论,10,硬件相关 应用无关,涉及物理地址、设备接口寄存器、设备接口缓冲区代码量大,需硬件知识需随硬件的变化而变化,提供所有应用、用户共需的东西与应用无直接关系,2023/10/14,第一章 绪论,11,
4、1.1.2 操作系统的作用,1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是: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。,OS作为接口的示意图,2023/10/14,第一章 绪论,12,1.1.2 操作系统的作用,2.OS作为计算机系统资源的管理者 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
5、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。,2023/10/14,第一章 绪论,13,1.1.2 操作系统的作用,3.OS用作扩充机器 对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机),即使其功能再强,也必定是难于使用的。如果我们在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件。文件管理软件。用户的窗口软件。每当人们在计算机系统上覆盖上一层软件后,系统功能便增强一级,由于OS自身包含了若干层软件,因此汉在裸机上覆盖上OS后
6、,便可获得一台功能显著增强,使用极为方便的多层扩充机器(多层虚机器),2023/10/14,第一章 绪论,14,1.1.3 推动操作系统发展的动力,1不断提高资源利用率的需要 2方便用户操作 3硬件的不断更新换代 4计算机体系结构的不断发展,2023/10/14,第一章 绪论,15,1.2 操作系统的发展过程,操作系统的产生 1.2.1 无操作系统时的计算机系统(40年代)1.2.2 单道批处理(50年代)操作系统的形成 1.2.3 多道批处理(60年代初)1.2.4 分时系统(60年代中)1.2.5 实时操作系统(60年代中),2023/10/14,第一章 绪论,16,1.2.2无操作系统时
7、的计算机系统,人工操作方式 电子管计算机(19461958),无操作系统,由手工控制作业的输入输出,通过控制台开关启动程序运行。用户使用计算机的过程大致如下:先把程序纸带装上输入机,启动输入机把程序和数据送入计算机,然后通过控制台开关启动程序运行,计算完毕后,用户拿走打印结果,并卸下纸带。,2023/10/14,第一章 绪论,17,手工交互方式的特点,(1)程序设计直接编制二进制目标程序(2)输入输出设备主要是纸带和卡片(3)程序员上机必须预约机时(4)程序员自己上机操作(5)程序的启动与结束处理都以手工方式进行(6)CPU等待人工操作(7)单用户方式,用户独占CPU(8)程序执行过程得不到任
8、何帮助,2023/10/14,第一章 绪论,18,脱机输入输出方式(Off-Line I/O),这种脱机I/O方式的主要优点如下:(1)减少了CPU的空闲时间。(2)提高I/O速度。,2023/10/14,第一章 绪论,19,1.2.3 单道批处理阶段,操作系统的雏形,称为监控程序。单道批处理系统的工作过程:用户将作业交到机房,操作员将一批作业输入到辅存(如磁带)上,形成一个作业队列。当需要调入作业时,由监控程序从这一批中选一道作业调入内存运行。当这一作业完成时,监控程序调入另一道程序,直到这一批作业全部完成。,2023/10/14,第一章 绪论,20,1.2.3 单道批处理阶段,单道批处理系
9、统:系统对作业的处理都是成批地进行的、且在内存中始终只保持一道作业。,2023/10/14,第一章 绪论,21,单道批处理阶段,单道批处理分为:联机批处理、脱机批处理联机批处理:由CPU直接控制作业输入输出脱机批处理:由外围机控制作业输入输出,2023/10/14,第一章 绪论,22,联机批处理和脱机批处理,2023/10/14,第一章 绪论,23,单道批处理阶段的特点,单道批处理系统是最早出现的一种OS,严格地说,它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。尽管如此,该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。该系统的主要特征如下:(1)自动性。(2)顺序性。(3)单道性。,2023/
10、10/14,第一章 绪论,24,对单道批处理阶段的评价,在单道批处理系统中,内存中仅有一道作业,它无法充分利用系统中的所有资源,致使系统性能较差。,2023/10/14,第一章 绪论,25,1.2.4 多道批处理,操作系统发展史上革命性变革。多道批处理系统(Multiprogrammed Batch Processing System)。在该系统中,用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列,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选择若干个作业调入内存,使它们共享CPU和系统中的各种资源。多道程序设计技术:在内存中放多道程序,使它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。
11、,2023/10/14,第一章 绪论,26,单道和多道程序工作过程比较,CPU和设备利用率,2023/10/14,第一章 绪论,27,引入多道程序设计技术的优点,提高CPU的利用率。可提高内存和I/O设备利用率。增加系统吞吐量。,2023/10/14,第一章 绪论,28,多道运行的特点,多道性:在内存中可同时驻留多道程序,并允许它们并发执行。无序性:多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间,并无严格的对应关系。调度性:作业从提交给系统开始直至完成需要经过两次调度:(1)作业调度(2)进程调度,2023/10/14,第一章 绪论,29,多道批处理系统的优缺点,资源利用率高。资源指CPU及设
12、备。系统吞吐量大。系统吞吐量指系统在单位时间完成的总工作量。缺点:平均周转时间长无交互能力需要解决很多问题:(CPU、内存、I/O设备、文件、作业)的管理问题,2023/10/14,第一章 绪论,30,操作系统,为此,应在计算机系统中增加一组软件,用以对上述问题进行妥善、有效地处理。这组软件应包括:能控制和管理四大资源的软件、合理地对各类作业进行调度的软件,以及方便用户使用计算机的软件。正是这样一组软件构成了操作系统。,2023/10/14,第一章 绪论,31,练习题,设有两道程序,按A,B的优先次序运行,其内部计算和I/O操作时间如下:程序A:使用30msCPU后使用40msI/OA,最后使
13、用20msCPU程序B:使用60msCPU后使用20msI/OB,最后使用30msCPU(1)试画出按多道程序运行的时间关系图(2)完成两道程序共花多少时间,它比单道运行节省多少时间,2023/10/14,第一章 绪论,32,1.2.5 分时系统,推动多道批处理系统形成和发展的动力是提高资源利用率和系统吞吐量。推动分时系统形成和发展的主要动力是用户的需要:人-机交互、共享主机、方便上机。分时系统是指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端,同时允许多个用户共享主机中的资源,每个用户都可以通过自己的终端以交互的方式使用计算机。,2023/10/14,第一章 绪论,33,图示,2023/10/
14、14,第一章 绪论,34,分时系统的关键,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,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(1)及时接收(2)及时处理,2023/10/14,第一章 绪论,35,分时系统的关键,由此可见为了实现人机交互,必须彻底改变原来的批处理系统的运行方式(1)用户作业直接进入内存(2)不允许一个作业长期占有处理机 为此规定每个作业只运行一个很短的时间(时间片),然后暂停
15、该作业的运行,立即调度下一个程序运行。,2023/10/14,第一章 绪论,36,分时系统的特征,多路性:允许同一主机联接多台终端。系统按分时原则为每个用户服务。独立性:每一用户独占一个终端。及时性:用户请求能在很短时间内获得响应。交互性:可人机对话。,2023/10/14,第一章 绪论,37,1.2.6 实时操作系统计算机应用范围日益扩大,比如在控制飞机飞行、导弹发射以及冶炼轧钢等生产过程中采用了实时控制系统,在飞机订票、银行业务中采用了实时信息处理系统,它们都打破了只把计算机用于科学计算和数据处理等方面的格局。所谓“实时”,是指能够及时响应随机发生的外部事件、并对事件做出快速处理的一种能力
16、。而“外部事件”,是指与计算机相连接的设备向计算机发出的各种服务请求。实时系统是指系统能及时(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运行。,2023/10/14,第一章 绪论,38,下图所示是一个用计算机系统控制化学生产反应的例子。A、B两种原料通过阀门进入反应堆。反应堆中的各种传感装置周期性地把所测得的温度、压力、浓度等测量信号传送给计算机系统。计算机中的实时操作系统及时接收这些信号,并调用指定的处理程序对这些数据进行分析,然后给出反馈信号,控制两种原料A、B的流量,确保反应堆中的诸原料参数维持在正常范围之内。若参数超过极限允许值,就立即发出
17、报警,甚至关闭反应堆,以免发生事故。,2023/10/14,第一章 绪论,39,2023/10/14,第一章 绪论,40,实时任务的类型,一、按任务执行时是否呈现周期性来划分(1)周期性实时任务。(2)非周期性实时任务。外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性,但都必须联系着一个截止时间(Deadline)。它又可分为:开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行;完成截止时间任务在某时间以前必须完成。,2023/10/14,第一章 绪论,41,实时任务的类型,一、根据对截止时间的要求来划分(1)硬实时任务。(2)软实时任务。,2023/10/14,第一章 绪论,42,3.3实时调度,硬实时系统中
18、,不仅要求任务响应要实时,而且要求在规定的时间内完成事件的处理。软实时系统仅要求事件响应是实时的,并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成。硬实时对满足时限的要求会比软实时来的严格。从工作的特性上来分,硬实时工作(hard real-time task)通常指不能有任何差错的工作而软实时则是指比较容许差错的工作。例如我们常会用核能电厂和看 VCD 为例,用在核能电厂的实时操作系统如果出了差错可能会导致严重的损害,然而 VCD Player 出了些差错不过是让使用者认清他所用的程序不够好而已。所以前者是硬实时,后者是软实时。,2023/10/14,第一章 绪论,43,实时系统与分时系统的比较,多
19、路性独立性及时性交互性可靠性,2023/10/14,第一章 绪论,44,操作系统的分类,几种操作系统的比较,综合其中任意两个系统功能的操作系统称为通用系统。又分为前台作业和后台作业。,2023/10/14,第一章 绪论,45,练习题,1、允许多个用户以交互方式使用计算机的操作系统为(B),允许多个用户将多个作业提交给计算机集中处理操作系统为(A),计算机系统能及时处理过程控制数据并作出响应的操作系统称为(D)A、批处理系统,B、分时操作系统,C、多处理机操作系统,D、实时操作系统,E、网络操作系统2、操作系统为用户程序完成与(B)的工作A、硬件无关和应用无关,B、硬件相关和应用无关C、硬件无关
20、和应用相关,D、硬件相关和应用相关,2023/10/14,第一章 绪论,46,练习题,3、在计算机上实现地最早的操作系统是一种(B)操作系统A 分时 B 批处理 C 实时 D 网络4、推动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。推动分时系统形成和发展的动力是用户的需要:人-机交互、共享主机、方便上机。5、在排版系统、飞机定票系统、股票系统、机器翻译系统,火箭发射系统,C语言编译系统和远程教育系统中,属于实时操作系统的是飞机订票、股票系统、火箭发射系统,2023/10/14,第一章 绪论,47,练习题,6、在主机控制下进行的输入/输出操作称为联机输入/输出操作。7、在分时系统
21、中,为使多个用户能够同时与系统交互,最关键的问题是及时接受、及时处理;当用户数目为100时,为保证响应时间不超过2S,此时的时间片最大应为()。8、在设计分时操作系统时,首先要考虑的是(B);在设计批处理系统时,首先要考虑的是(C);在设计实时操作系统时,首先要考虑的是(D)。A、灵活性和可适应性 B、交互性和响应时间 C、周转时间和系统吞吐量 D、实时性和可靠性。,2023/10/14,第一章 绪论,48,1.2.6 微机操作系统的发展,单用户单任务单用户多任务多用户多任务,2023/10/14,第一章 绪论,49,1.2.6 微机操作系统的发展,单用户单任务 只允许一个用户上机,且只允许用
22、户程序作为一个任务运行。CP/M MS-DOS,2023/10/14,第一章 绪论,50,实用操作系统,MS DOS操作系统和它的名字一样(Disk Operating System),其特点在于优良的文件系统,是一个单用户单任务操作系统。MS DOS系统开销小,运行效率高,适用于微型机,但无法发挥硬件能力,缺乏对数据库、网络通信的支持,没有通用的应用程序接口,用户界面不友善,最后一个版本6.22在1994年推出后便不再后续。,2023/10/14,第一章 绪论,51,1.2.6 微机操作系统的发展,单用户多任务 只允许一个用户上机,但允许用户把程序分为若干个任务,使它们并发执行,从而有效地改
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