操作系统原理ppt课件.ppt
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1、操作系统原理操作系统原理 Principles of Operating System郑郑 然然华中科技大学计算机学院华中科技大学计算机学院集群与网格计算湖北省重点实验室集群与网格计算湖北省重点实验室服务计算技术与系统教育部重点实验室服务计算技术与系统教育部重点实验室使用过程中的问题使用过程中的问题n遇到计算机运行或打开硬盘上的程序的速遇到计算机运行或打开硬盘上的程序的速度变慢,该怎么办?度变慢,该怎么办? 原因:硬盘上的卷可能有过多的碎片,原因:硬盘上的卷可能有过多的碎片,可能是由于最近创建了大量的文件或文件可能是由于最近创建了大量的文件或文件夹,或安装了新软件。夹,或安装了新软件。解决方案
2、:如果必要,分析并整理硬盘解决方案:如果必要,分析并整理硬盘上的卷碎片。上的卷碎片。为什么要学习操作系统?为什么要学习操作系统?游戏中的现象游戏中的现象基本配置基本配置 推荐配置推荐配置CPUCPUPentium3 800MHzPentium3 800MHz以上以上 Pentium4 1GHzPentium4 1GHz以上以上内存内存 256M256M以上以上 512M512M以上以上显卡显卡GeForce2GeForce2以上以上3D3D加速卡加速卡Geforce4 TiGeforce4 Ti以上以上3D3D加速卡加速卡硬盘硬盘 3G3G以上以上为什么要学习操作系统?为什么要学习操作系统?操
3、作系统做什么操作系统做什么 #include int main(int argc, char *argv) puts(hello world); return 0; 为什么要学习操作系统?为什么要学习操作系统?操作系统读程序(正文和数据地址)操作系统读程序(正文和数据地址)-创建子进程执行(程序映射为进程)创建子进程执行(程序映射为进程)-分配内存、从磁盘读页面分配内存、从磁盘读页面-系统调用、寻找字串、转换成像素系统调用、寻找字串、转换成像素-写入存储映像区写入存储映像区-模拟信号模拟信号-显示器发射电子束输出显示器发射电子束输出操作系统提供一系列服务:操作系统提供一系列服务:多任务,内存保
4、护,内存管理,多任务,内存保护,内存管理,网络,文件存取,设备控制,用户界面网络,文件存取,设备控制,用户界面错误检测及恢复系统,硬件控制,安全错误检测及恢复系统,硬件控制,安全操作系统是目前最复杂的软件成分操作系统是目前最复杂的软件成分n涉及到计算机科学的很多领域涉及到计算机科学的很多领域n计算机体系结构/硬件n软件设计n程序设计语言n数据结构n算法n抽象抽象 无限的CPUs、无限的内存、单一全球计算能力 n大型、复杂系统的系统设计大型、复杂系统的系统设计 软件/硬件、性能、易用性、简单性 综合权衡为什么要学习操作系统?为什么要学习操作系统?基本目的基本目的n介绍操作系统的基本概念、基本结构
5、及运行环境介绍操作系统的基本概念、基本结构及运行环境n介绍操作系统原理、设计方法和实现技术介绍操作系统原理、设计方法和实现技术n介绍操作系统的演化过程、发展研究动向、新技术以及新介绍操作系统的演化过程、发展研究动向、新技术以及新思想思想n介绍各种有代表性的、典型的操作系统实例介绍各种有代表性的、典型的操作系统实例n掌握操作系统的基本理论,具备开发核心系统软件的技能,掌握操作系统的基本理论,具备开发核心系统软件的技能,设计操作系统或者修改现有的系统设计操作系统或者修改现有的系统n掌握并行处理的思想方法,加深对使用的掌握并行处理的思想方法,加深对使用的OS的理解,有的理解,有利于深入编程利于深入编
6、程n培养分析问题、解决问题的基本能力培养分析问题、解决问题的基本能力n为后继课程打好基础为后继课程打好基础数据库、网络、分布式系统数据库、网络、分布式系统& 教材:教材:操作系统原理操作系统原理( (第四版第四版) ) 庞丽萍庞丽萍 华中科技大学出版社华中科技大学出版社& 参考教材:参考教材:UNIXUNIX操作系统设计操作系统设计莫里斯莫里斯 贝奇贝奇 机械工业出版社机械工业出版社计算机操作系统计算机操作系统 汤子瀛等汤子瀛等 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社现代操作系统现代操作系统 陈向群等译陈向群等译 机械工业出版社机械工业出版社计算机操作系统教程计算机操作系统教程 张尧学张
7、尧学 史美林史美林 清华大学出版社清华大学出版社操作系统基础操作系统基础 屠立德屠立德 屠祁屠祁 清华大学出版社清华大学出版社应用软件应用软件用户程序用户程序操作系统操作系统裸机裸机操作系统的工作:操作系统的工作:(1)程序的执行)程序的执行(2)完成与硬件有关的工作)完成与硬件有关的工作(3)完成与应用无关的工作)完成与应用无关的工作(4)计算机系统的效率与安全问题)计算机系统的效率与安全问题n操作系统课程特点n涉及面广涉及面广n错综复杂错综复杂n实践性强实践性强n怎样学习操作系统n深入理解教学内容深入理解教学内容n独立完成练习题独立完成练习题n做好阶段复习做好阶段复习n理论联系实际理论联系
8、实际讲课学时安排讲课学时安排章节内容章节内容学时学时第一章 绪 论4第二章 操作系统的逻辑结构4第三章 用户界面6第四章 并发处理14第五章 资源分配与调度2第六章 处理机调度3第七章 主存管理6第八章 输入/输出管理4第九章 文件系统5习 题 课4525212+4/412+4/4成绩评定成绩评定n教学方式:教学方式:多媒体讲授、作业、上机,课程设计n考试方式考试方式n成绩评定成绩评定平时成绩=作业+上机最终成绩=平时30%+考试70%第一章第一章 绪绪 论论(一)(一) 操作系统在计算机系统中的地位操作系统在计算机系统中的地位(二)(二) 操作系统的形成和发展操作系统的形成和发展(三)(三)
9、 操作系统的定义操作系统的定义(四)(四) 操作系统的功能操作系统的功能(五)(五) 操作系统的基本类型操作系统的基本类型计算机系统的组成计算机系统的组成计算机系统(层次结构)软件硬件及固件(裸机)应用软件系统软件编辑软件、编译软件操作系统管理信息系统、飞机订票系统、银行系统、地理信息系统、CAD系统、数字计算软件包管理信息系统、飞机订票系统、银行系统、地理信息系统、CAD系统、数字计算软件包语言编译程序、连接装配程序、数据库管理系统、网络软件操 作 系 统(一)操作系统在计算机系统中的地位(一)操作系统在计算机系统中的地位计算机硬件系系统统软软件件应应用用软软件件支支撑撑软软件件用户用户用户
10、用户与硬件的关系:与硬件的关系: 控制控制CPUCPU的工作、的工作、 访问存储器、访问存储器、 设备驱动、中断处理设备驱动、中断处理与用户及应用程序的关系:与用户及应用程序的关系: 提供方便的用户界面、提供方便的用户界面、 提供优质的服务提供优质的服务(二)操作系统的形成和发展(二)操作系统的形成和发展手工操手工操作阶段作阶段批处理批处理联机联机批处理批处理脱机脱机批处理批处理执行执行系统系统操作系统形成操作系统形成多道程序系统多道程序系统多道批处多道批处理系统理系统分时分时系统系统实时系统实时系统个人计算机操作系统个人计算机操作系统网络操作系统网络操作系统分布式操作系统分布式操作系统第第
11、1 1 阶段阶段 手工操作阶段手工操作阶段 硬件非常昂贵,没有操作系统硬件非常昂贵,没有操作系统n算题过程算题过程1.人工把源程序用穿孔机穿制在卡片或纸带上2.将准备好的汇编解释程序或编译系统装入计算机3.汇编程序或编译系统读入人工装在输入机上的穿孔卡或穿孔带4.执行汇编过程或编译过程,产生目标程序,并输出目标卡片迭或纸带5.通过引导程序把装在输入机上的目标程序读入计算机6.启动目标程序执行,从输入机上读入人工装好的数据卡或数据带7.产生计算结果,执行结果从打印机上或卡片机上输出第第 1 1 阶段阶段 手工操作阶段手工操作阶段 硬件非常昂贵,没有操作系统硬件非常昂贵,没有操作系统n工作效率极低
12、:手工操作的慢速度与机器处理的高速度n 每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码n 工作量大,难度高,易出错,需要大量人力和物力n独占性、串行性机器速度 计算所需时间 人工操作时间 操作时间 : 机器运行时间1万次/秒1小时3分钟1 : 2060万次/秒1分钟3分钟3 : 1第第2 2阶段阶段 单道批处理阶段单道批处理阶段 硬件昂贵,人力便宜,单任务自动批处理硬件昂贵,人力便宜,单任务自动批处理n装入程序、运行、打印结果、撤出、再重复n 用户把作业(卡片或磁带)交给负责调度的操作员(系统管理员),由操作员按作业类型分类编成一个作业序列,送到输入设备上。n 常驻监督程序自动地装入程序、运行、撤出作
13、业(1)联机批处理(2)脱机批处理(3)执行系统批批 处处 理理v特点:有监督程序,作业自动过渡v问题:CPU高速与IO慢速的矛盾v解决:由卫星机负责IOv特点:主机与卫星机并行操作v问题:调度不灵活,保护问题v解决:硬件技术的发展通道技术、中断技术n定义:定义: 借助于通道与中断技术,由主机控制I/O工作。原有的监督程序不仅要负责调度作业自动的运行,而且还要提供I/O控制功能。它常驻内存,称为执行系统。n特点:特点:主机、外设并行操作;增加了保护能力n问题:问题:处理机仍有空闲等待现象硬件基础: 6060年代计算机硬件获得两个重大的进展年代计算机硬件获得两个重大的进展 I/OI/O中断中断:
14、 :由由I/OI/O部件操作完成后通知处理机运行相应的部件操作完成后通知处理机运行相应的处理程序处理程序. . 通道通道: :能够自主控制外设可与处理机并行工作的、交换能够自主控制外设可与处理机并行工作的、交换数据的数据的I/OI/O装置装置( (控制器控制器).).磁盘磁盘通道通道主机主机通道通道通道通道卡片机卡片机打印机打印机SPOOLingSPOOLing系统图示用磁盘设备作为主机的直接输入输出设备用磁盘设备作为主机的直接输入输出设备, ,即主机从磁盘选即主机从磁盘选取作业运行取作业运行, ,结果也存在磁盘中结果也存在磁盘中. .相应的通道则负责磁盘与慢相应的通道则负责磁盘与慢速外设的传
15、输速外设的传输. .利用通道和中断机制利用通道和中断机制, ,作业的输入输出与作业作业的输入输出与作业在处理机上的运行可很好并行起来在处理机上的运行可很好并行起来作业1作业n预输入程序作业调度程序缓 输 出 程序井管理读程序井管理写程序作业的执行作业1结果作业n结果打印机输入机作业1信息作业n信息 :作业1结果作业n结果 :输入井输出井磁盘:SPOOLing系统结构虚拟设备第第 3 3 阶段阶段 多道批处理阶段多道批处理阶段 硬件较以前便宜,人力昂贵硬件较以前便宜,人力昂贵n处理过程n 在内存中同时存放几道相互独立的程序n 在管理程序控制之下,相互穿插地运行,处理机和外设尽量处于忙碌状态n交互
16、式分时处理n一台计算机,多个便宜终端n所有用户可与系统立即交互n调试比较方便多道程序设计技术多道程序设计技术多道程序设计技术多道程序设计技术多道程序设计技术多道程序设计技术是在是在计算机内存计算机内存中同时存放中同时存放几道几道相互独立的程序相互独立的程序,在管理程序的控制下相互穿,在管理程序的控制下相互穿插地运行。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。另一道程序投入运行。 多道 宏观上并行 微观上串行 n效果n提高效率:增长了单位时间的算题量,但
17、对每道程序来说,却延长了计算时间n提高资源利用率和系统吞吐率:以牺牲用户的响应时间为代价多道程序设计技术多道程序设计技术n甲、乙两道程序,独占计算机单道运行时每道花一个小时,若此时处理器利用率为30,粗略地说,甲(或乙)程序执行时所需要的处理器时间为:1小时3018分钟n如果按多道程序设计方法运行,处理器的利用率将达50,即提供36分钟的CPU时间,约要运行72分钟。加上系统开销,若共花80分钟。 比较单道和采用多道程序设计技术分别运行两道程序的效率和响应时间。n采用多道程序设计方法后可以提高效率: (120-80)12033 n单道运行,花60分钟就可得到结果; 多道运行时,却要花80分钟才
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