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二、操作系统导论操作系统导论操作系统概述操作系统的发展历程操作系统的特点操作系统的主要功能计算机系统的逻辑结构硬件包括CPU、内存、I/O设备等操作系统的作用介于硬件和用户之间的程序，又称为内核管理计算机资源为应用程序提供基础IE、WMP算操作系统吗？操作系统的目标大型机：资源利用率最大化台式机：支持商业应用、游戏、通信，使用方便，性能好，资源利用率是次要的便携机：可用性，节能优于效率嵌入式计算机：智能化，操作便捷推动操作系统发展的动力计算机系统资源利用率：多道批处理、多用户用户层面：人机交互、图像界面硬件更新换代：8位机到64位机计算机体系结构发展：多处理机、网络新的应用需求：多媒体操作系统导论操作系统概述操作系统的发展历程操作系统的特点操作系统的主要功能操作系统的发展历程1.未配置操作系统的计算机系统2.单道批处理系统3.多道批处理系统4.分时系统5.实时系统1、未配置操作系统的计算机系统人工操作方式由程序员将事先已穿孔的纸带（或卡片），装入纸带输入机（或卡片输入机）将纸带（或卡片）上的程序和数据输入计算机启动计算机运行程序运行完毕，取走计算结果下一个用户上机。1、未配置操作系统的计算机系统人工操作方式的缺点:用户独占全机：即一台计算机的全部资源由上机用户所独占；CPU等待人工操作：当用户进行装带（卡）、卸带（卡）等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率，此即所谓的人机矛盾。1、未配置操作系统的计算机系统脱机输入/输出方式事先将装有用户程序和数据的纸带，装入纸带输入机，在一台外围机的控制下，把纸带（卡片）上的数据（程序）输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时，从磁带上高速地调入内存。类似地，当CPU需要输出时，可先由CPU把数据直接从内存高速地送到磁带上，然后再在另一台外围机的控制下，将磁带上的结果通过相应的输出设备输出。1、未配置操作系统的计算机系统脱机输入/输出方式的优点:减少了CPU的空闲时间：装带、卸带，以及将数据从低速I/O设备，送到高速磁带上（或反之）的操作，都是在脱机情况下由外围机完成的，并不占用主机时间，从而有效地减少了CPU的空闲时间。提高了I/O速度：当CPU在运行中需要输入数据时，是直接从高速的磁带上将数据输入到内存的，极大地提高了I/O速度，从而进一步减少了CPU的空闲时间。2、单道批处理系统把一批作业以脱机方式输入到磁带上在系统中配上监督程序使作业能连续处理内存中始终只保持一道作业2、单道批处理系统缺点：内存中始终只保持一道作业，当该程序处于I/O请求时，CPU处于等待状态。因I/O设备的低速性，更使CPU的利用率显著降低。下图中，t2t3、t6t7 CPU空闲：3、多道批处理系统用户提交的作业存放在外存上，形成“后备队列”。作业调度程序从后备队列中选择若干个作业调入内存。当程序A处于I/O操作时，CPU切换到另一道程序B运行。当程序B处于I/O操作时，CPU切换到程序C运行。多道程序交替地运行。3、多道批处理系统优缺点1.资源利用率高：CPU、内存、I/O设备使用率高2.系统吞吐量大：CPU和其它资源保持“忙碌”状态；仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。3.平均周转时间长：作业要排队依次进行处理4.无交互能力：用户把作业提交给系统后，不能与作业进行交互，这对修改和调试程序是极不方便的。3、多道批处理系统需要解决的问题：争用处理机问题内存分配和保护问题I/O设备分配问题文件的组织和管理问题作业管理问题用户与系统的接口问题多道批处理系统需要操作系统实现有效地组织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方便用户使用程序4、分时系统在一台主机上连接了多个配有显示器和键盘的终端允许多个用户同时通过自己的终端以交互方式使用计算机，共享主机中的资源及时响应用户命令5、实时系统系统能及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地运行。特点：及时性要求高，系统可靠性高5、实时系统实时系统的类型工业（武器）控制系统信息查询系统多媒体系统嵌入式系统5、实时系统实时任务的类型周期性和非周期性实时任务硬实时任务和软实时任务：硬实时任务指系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的后果。软实时任务也存在截止时间，但并不严格，若偶尔超过截止时间，对系统产生的影响不会太大。操作系统导论操作系统概述操作系统的发展历程操作系统的特点操作系统的主要功能操作系统的特点批处理系统有着高的资源利用率和系统吞吐量；分时系统能获得及时响应；实时系统具有实时特征。除此之外，它们还共同具有以下特点：并发、共享、虚拟、异步、多线程、微内核、网络化、多媒体。1、并发性两个或多个事件，在同一时间间隔内发生。在未引入进程的系统中，在属于同一个应用程序的计算程序和I/O程序只能顺序执行。在为计算程序和I/O程序分别建立一个进程后，这两个进程就可以并发执行。进程：系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是独立运行的活动实体。2、共享性系统中的资源，可供内存中多个并发执行的进程共同使用。实现资源共享的方式：1.互斥共享方式：打印机、磁带机等资源在一段时间内，只允许一个进程访问。2.同时访问方式：磁盘设备等资源允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里的“同时”，在单处理机环境下是宏观意义上的，而在微观上，这些进程对该资源的访问是交替进行的。3、虚拟性通过某种技术，把将一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物的功能。操作系统利用多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等。4、异步性多道程序环境下程序的执行以异步方式进行。每个程序在何时执行，多个程序间的执行顺序以及完成每道程序所需的时间都是不确定和不可预知的。5、多线程线程是调度和分派的基本单位，共享所在进程的资源。线程调度的开销比进程调度小，能进一步提高系统内多个程序间并发执行的程度。6、微内核微内核是提供操作系统核心功能的内核的精简版本，它设计在很小的内存空间内提供必要服务，包括任务、线程、交互进程通信（IPC）以及内存管理等。微内核结构操作系统的特征足够小的内核 采用客户/服务器模式 采用面向对象技术 现代操作系统的重要特征。如Windows77、网络化在所有的广域网、局域网和Internet网中，作为网络服务器的计算机，都配置了网络操作系统（服务器部分），而在一般个人计算机上的OS，也都配置了很强的面向网络（客户部分）的功能。8、多媒体多媒体指包含两种或两种以上的连续媒体，如含有视频信号和音频信号的数字电影。多媒体系统的特点媒体的多样性 数据量大 实时性 交互性 操作系统导论操作系统概述操作系统的发展历程操作系统的特点操作系统的主要功能操作系统的主要功能1.处理机管理2.存储器管理3.设备管理4.文件管理5.接口 6.系统安全管理7.网络功能和服务8.多媒体功能1、处理机管理主要任务：进程管理。包括创建和撤消进程、多进程协调、进程间的信息交换、处理机资源分配算法。1、处理机管理进程控制：为作业创建进程，并分配资源。进程结束时，撤消进程并回收资源。控制进程在运行过程中的状态转换。在支持线程的操作系统中，为一个进程创建若干个线程，以提高系统的并发性。1、处理机管理进程同步：协调多个进程（含线程）的运行。两种协调方式：进程互斥方式：多进程在对打印机、磁带机等临界资源进行访问时，应采用互斥方式。进程同步方式：多进程合作完成任务时，由同步机构使用信号量机制协调执行次序。1、处理机管理进程通信：进程间的信息交换调度：作业调度：从后备队列中选择若干作业调入内存并建立进程，将它们插入就绪队列。进程调度：从进程的就绪队列中选出一个进程，分配处理机资源并运行。2、存储器管理主要任务：为多道程序的运行提供良好的环境、提高存储器的利用率、方便用户使用，并能从逻辑上扩充内存。2、存储器管理内存分配：为每道程序分配内存空间提高存储器的利用率，减少内存碎片允许正在运行的程序申请额外的内存空间内存分配的两种方式：静态分配方式：作业载入时分配，固定大小。动态分配方式，作业载入时分配，在运行过程中允许申请额外的内存空间。2、存储器管理内存保护：确保每道用户程序都仅在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰；不允许用户程序访问操作系统以及非共享的其它用户的程序和数据。内存保护机制：设置两个界限寄存器程序的上界和下界。系统对程序指令访问的地址进行检查，若越界则停止程序。2、存储器管理地址映射：程序的逻辑地址和物理地址不一致：在多道程序环境下，经编译和链接后的可执行程序，其地址都是从0开始的。存储器管理提供地址映射功能，将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中的物理地址。该功能由硬件实现。2、存储器管理内存扩充：借助虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量，使用户能使用的内存容量比实际内存容量大。系统必须设置内存扩充机制（包含少量的硬件）实现下述功能：请求调入功能置换功能3、设备管理主要任务：完成用户进程提出的I/O请求提高处理机和I/O设备的利用率，提高I/O速度3、设备管理缓冲管理：用于缓和处理机和I/O设备间速度不匹配的矛盾，提高CPU与设备、设备与设备间操作的并行程度，提高CPU和I/O设备的利用率。设备分配系统根据用户请求对设备进行分配，将未获得所需设备的进程放进等待队列。3、设备管理设备处理启动指定的I/O设备，完成用户规定的I/O操作虚拟设备把独占设备变为能被多个用户共享的设备，使每个用户都感觉到自己在独占该设备。4、文件管理主要任务：对用户文件和系统文件进行管理以方便用户使用，并保证文件的安全性。4、文件管理文件存储空间的管理为每个文件分配必要的外存空间，提高文件系统的存、取速度。目录管理为每个文件建立一个目录项，包括文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置等信息，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取，以及实现文件共享。4、文件管理文件的读写管理根据用户的请求，从外存中读取数据；或将数据写入外存。文件保护防止未经核准的用户存取文件，防止冒名顶替存取文件，防止以不正确的方式使用文件。5、接口用户接口：用户向作业发出命令以控制作业的运行。包括：联机用户接口：由一组键盘操作命令及命令解释程序组成脱机用户接口：用户把控制命令事先写在作业说明书上，然后将它与作业一起递交给系统图形用户接口程序接口：为用户程序在执行中访问系统资源设置，是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。它是由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序。6、系统安全功能认证技术用来确认被认证的对象是否名符其实的过程，以防止入侵者进行假冒和篡改等，是保障系统安全的第一道防线。6、系统安全功能密码技术对系统中所须存储和传输的数据进行加密，只有指定的用户才能解密。加密算法可分为两种类型：对称加密算法，在加密算法和解密算法之间，存在着一定的相依关系。非对称加密算法，这种方式中的加密密钥Ke和解密密钥Kd是不同的，而且从Ke难以推导出Kd。该算法也被称为公开密钥算法。非对称加密算法简介1.A要向B发送信息，A和B都要产生一对用于加密和解密的公钥和私钥。2.A的私钥保密，A的公钥告诉B；B的私钥保密，B的公钥告诉A。3.A要给B发送信息时，A用B的公钥加密信息，因为A知道B的公钥。4.A将这个消息发给B（已经用B的公钥加密消息）。5.B收到这个消息后，B用自己的私钥解密A的消息。其他所有收到这个报文的人都无法解密，因为只有B才有B的私钥。6、系统安全功能访问控制技术当用户通过身份验证后，还必须再经过“访问控制检查机构”的检查，以进一步确认该用户对所要访问资源的合法性。访问控制技术可通过两种途径来保障系统中资源的安全：设置的用户存取权限设置文件属性。6、系统安全功能反病毒技术计算机病毒实质上是一段程序，具有寄生性、传染性、隐蔽性、破坏性。病毒占用系统的存储空间和处理机时间，对系统中的文件造成破坏，使机器运行发生异常。7、网络功能和服务用于实现网络通信和资源管理，以及提供用户取得电子邮件服务、Web服务等Internet服务的手段。7、网络功能和服务面向网络功能 网络通信：用于在源主机和目标主机之间，实现无差错的数据传输。资源管理：对网络中的共享资源（硬件和软件）实施有效的管理，协调诸用户对共享资源的使用，保证数据的安全性和一致性。应用互操作：在一个由若干个不同网络互连所构成的互连网络中，必须提供应用互操作功能，以实现信息的互通性和信息的互用性。7、网络功能和服务取得Internet提供的服务传统的信息服务：电子邮件服务（E-mail）、文件传输服务（FTP）、远程登录服务（TELNET）Web（Word Wide Web）服务：电子广告服务、信息查询服务、电子商务。8、多媒体功能接纳控制功能 为保证多媒体系统中的多个实时进程的截止时间，需要在服务器中对点播（数字电影或电视）的用户数目、系统中运行的SRT（最短剩余时间优先）任务数目、驻留在内存的任务数目加以限制。8、多媒体功能实时调度视频服务器在播放数字电影时，文件服务器将定时送出一帧，处理机必须在规定的截止时间内处理完毕。它是一个要求较严格的、周期性的SRT任务。8、多媒体功能多媒体文件的存储方法要求能把硬盘上的数据快速地传送到输出设备采取按帧交叉存放方式，而非离散存放，以解决寻道问题8、多媒体功能磁盘调度可预测性。无论是电影还是电视剧都是连续播放的，这大大提高了请求的可预测性。按磁道顺序处理。假如有N部电影被分布在不同的磁道上，应按什么原则来对磁盘请求进行排序？一种行之有效的方法，就是按请求的磁道顺序号进行排序，磁道号最小的排在前面，优先处理，磁道号最大的最后一个被处理。操作系统导论操作系统概述操作系统的发展历程操作系统的特点操作系统的主要功能End of Chapter 2