计算机操作系统第一章-绪论课件.ppt

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1、操作系统（OS）专业基础必修课专业基础必修课总学时总学时52、实验学时、实验学时8不迟到、早退，不旷课不迟到、早退，不旷课认真听讲，做有效率的学生认真听讲，做有效率的学生第一章操作系统导论操作系统导论学习目标理解操作系统在计算机系统中所处的地位，熟理解操作系统在计算机系统中所处的地位，熟练掌握操作系统的概念、功能和特性。练掌握操作系统的概念、功能和特性。了解操作系统的发展历史。了解操作系统的发展历史。掌握不同类型操作系统的设计目标、特点和适掌握不同类型操作系统的设计目标、特点和适用场合。用场合。理解并掌握操作系统的体系结构。理解并掌握操作系统的体系结构。了解操作系统的人机界面。了解操作系统的人

2、机界面。1.1 操作系统概念操作系统概念指令系统指令系统微程序机器级微程序机器级数字逻辑级数字逻辑级汇编语言级汇编语言级高级语言级高级语言级操作系统机器级操作系统机器级软件软件硬件硬件1.1.1 计算机系统计算机系统 1.1 操作系统概念操作系统概念1.处理器和几种主要的寄存器处理器和几种主要的寄存器（1）数据寄存器（）数据寄存器（DR）：用于暂存指令执行过程中需）：用于暂存指令执行过程中需要或产生的数据。要或产生的数据。（2）地址寄存器（）地址寄存器（AR）：包含指令和数据的主存储器）：包含指令和数据的主存储器地址。地址。数据寄存器和地址寄存器可以是通用的，对程序员也是数据寄存器和地址寄存器

3、可以是通用的，对程序员也是可见的，可通过编程引用，减少对主存储器的访问，可见的，可通过编程引用，减少对主存储器的访问，提高执行速度。提高执行速度。（3）程序计数器（）程序计数器（PC）：保存下一条指令的地址，处理）：保存下一条指令的地址，处理器每取指一次则自动递增。器每取指一次则自动递增。（4）指令寄存器（）指令寄存器（IR）：保存处理器即将执行的指令的）：保存处理器即将执行的指令的内容。内容。（5）程序状态字（）程序状态字（PSW）寄存器组：包含条件码和其他）寄存器组：包含条件码和其他状态信息。状态信息。1.1 操作系统概念操作系统概念2.主存储器和高速缓冲存储器主存储器和高速缓冲存储器高高

4、存存取取速速度度寄存器寄存器高速缓存高速缓存主存储器主存储器磁盘磁盘 磁带磁带 光盘光盘存存储储容容量量大大图图1-2 存储器层次结构图存储器层次结构图1.1 操作系统概念操作系统概念图图1-3 处理器执行指令过程处理器执行指令过程不不允允许许中中断断允许中断允许中断开始开始取下一条指令取下一条指令执行指令执行指令检检查查并并初初始始化化中断处理机构中断处理机构结束结束3.指令执行过程指令执行过程 操作系统（操作系统（Operating System）是控制和管理计算机系统硬件资源和软是控制和管理计算机系统硬件资源和软件资源的系统软件，它合理地组织计算件资源的系统软件，它合理地组织计算机工作流

5、程，是用户与计算机之间的接机工作流程，是用户与计算机之间的接口。口。1.1.2 操作系统概念操作系统概念1.1.2 操作系统的含义操作系统的含义操作系统是一个系统软件操作系统是一个系统软件操作系统管理和控制计算机系统的资源、操作系统管理和控制计算机系统的资源、合理地组织计算机工作流程合理地组织计算机工作流程 操作系统给用户提供了一个方便、友好操作系统给用户提供了一个方便、友好的使用操作的平台的使用操作的平台 第一章 绪论处理机管理完成处理机资源的分配、调度和回收等功能。处理机调度的单位可为进程或线程。由于处理机调度策略不同，出现不同类型的操作系统，如批处理系统、分时系统、实时系统第一章 绪论设

6、备管理管理目标：方便设备的使用、提高CPU与I/O设备利用率设备操作：利用设备驱动程序完成对设备的操作设备独立性(device independence)：提供统一的I/O设备接口，使应用程序独立于物理设备，提高可适应性；在同样的接口和操作下完成不同的内容设备分配与回收：在多用户间共享I/O设备资源缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率。主机与外设并行第一章 绪论信息管理管理目标：解决软件资源的存储、共享、保密和保护文件存储空间管理：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。文件的属性（如文件名）、单一副本赋予多文件名文件的读写管理和存取控制：解决信

7、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”1.1.4 操作系统的特性操作系统的特性1.并发性并发性2.共享性共享性3.不确定性不确定性4.虚拟性虚拟性5.可扩展性可扩展性第一章 绪论1.1.4 操作系统的特性操作系统的特性并发性 指在计算机系统内同时存在有多个程序，宏观上，这些程序是同时向前推进的。并发：指多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。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。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

8、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。第一章 绪论1.1.4 操作系统的特性操作系统的特性共享（sharing）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互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用同时访问（如磁盘文件）资源分配难以达到最优化第一章 绪论1.1.4 操作系统的特性操作系统的特性虚拟（virtual）一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体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CPU每个用户（进程）的“虚处理机”存储器每个进程都占有的地址

9、空间（指令数据堆栈）“虚拟存储器”显示设备多窗口或虚拟终端（virtual terminal）独享设备 假脱机技术（Spooling），虚设备第一章 绪论1.1.4 操作系统的特性操作系统的特性异步性（asynchronism）也称不确定性：指进程的执行顺序和执行时间的不确定性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）因为不确定性，在设计OS时，要充分考虑各种可能性，以便稳定、安全、高效地达到并发和资源共享1.2.1 手工操作阶段手工操作

10、阶段ENIAC计算机计算机没有程序设计语言（甚至没有没有程序设计语言（甚至没有汇编），更谈不上操作系统，汇编），更谈不上操作系统，通过在一些插板上的硬连线来通过在一些插板上的硬连线来控制计算机的基本功能。控制计算机的基本功能。程序员提前预约一段时间，然程序员提前预约一段时间，然后到机房将他的后到机房将他的插件板插件板插到计插到计算机里，期盼着在接下来的时算机里，期盼着在接下来的时间中间中,几万个真空管不会烧断，几万个真空管不会烧断，从而可以计算自己的题目。从而可以计算自己的题目。1.2 操作系统的历史操作系统的历史1.2.1 手工操作阶段手工操作阶段50年代早期，出现了穿孔卡片。程序写在卡片上

11、然后读年代早期，出现了穿孔卡片。程序写在卡片上然后读入计算机，而不用插板，但计算过程则依然如旧。入计算机，而不用插板，但计算过程则依然如旧。1.2 操作系统的历史操作系统的历史1.2.1 手工操作阶段手工操作阶段50年代早期，出现了穿孔卡片。程序写在卡片上然后读年代早期，出现了穿孔卡片。程序写在卡片上然后读入计算机，而不用插板，但计算过程则依然如旧。入计算机，而不用插板，但计算过程则依然如旧。问题：问题：计算机处理能力的提高与手工操作的低效率（造成计算机处理能力的提高与手工操作的低效率（造成浪费）浪费）用户独占全机的所有资源用户独占全机的所有资源解决：解决：摆脱手工操作，实现作业的自动过渡摆脱

12、手工操作，实现作业的自动过渡1.2 操作系统的历史操作系统的历史1.2.2 早期批处理早期批处理（20世纪世纪50年代）年代）联机批处理：联机批处理：I/O设备与主机直接连接设备与主机直接连接用户将程序写在纸上（用高级语言或汇编语言）用户将程序写在纸上（用高级语言或汇编语言）将作业穿孔成卡片，再将卡片盒交给操作员将作业穿孔成卡片，再将卡片盒交给操作员操作员有选择地把若干作业合成一批，通过输入设操作员有选择地把若干作业合成一批，通过输入设备（纸带输入机或读卡机）输入备（纸带输入机或读卡机）输入监督程序读入一个作业监督程序读入一个作业从输入设备调入，编译、连接、运行程序从输入设备调入，编译、连接、

13、运行程序返回返回4，再读入一个作业，直到一批作业完成，再读入一个作业，直到一批作业完成返回返回3，处理下一批，处理下一批1.2 操作系统的历史操作系统的历史1.2.2 早期批处理早期批处理1.联机批处理联机批处理优点：优点：解决了作业的自动转接，减少了人工操作时间解决了作业的自动转接，减少了人工操作时间问题：问题：作业输入和结果输出过程中，作业输入和结果输出过程中，CPU处于等待状态处于等待状态1.2 操作系统的历史操作系统的历史1.2 操作系统的历史操作系统的历史脱机批处理系统的发展中，还有两项重要的硬脱机批处理系统的发展中，还有两项重要的硬件技术起到了重要的作用。件技术起到了重要的作用。（

14、1）中断技术）中断技术（2）通道技术）通道技术 无论是联机批处理还是脱机批处理，作无论是联机批处理还是脱机批处理，作业都是一一有序排队，一道作业全部处业都是一一有序排队，一道作业全部处理完才会处理下一道作业。理完才会处理下一道作业。1.2 操作系统的历史操作系统的历史1.2.3 多道程序批处理系统多道程序批处理系统两道程序并行的时序两道程序并行的时序程序程序1的运行时间的运行时间为为t8-t1程序程序2的运行时间的运行时间为为t7-t2串行运行时，总串行运行时，总运行时间需运行时间需t8-t1+t7-t2若采用并发方式若采用并发方式运行，则总运行运行，则总运行时间仅为时间仅为t8-t1，显然可

15、以缩短作显然可以缩短作业总的周转时间。业总的周转时间。1.2 操作系统的历史操作系统的历史1.2 操作系统的历史操作系统的历史1.2.3 多道程序批处理系统多道程序批处理系统例：两个相同的作业，依次要执行例：两个相同的作业，依次要执行15秒计算、秒计算、10秒输入、秒输入、15秒计算、秒计算、10秒输出这秒输出这4个环节个环节图图1-7给出了这两个作业分别在串行执行和给出了这两个作业分别在串行执行和并行执行时的时序图，并将执行过程中相关并行执行时的时序图，并将执行过程中相关数据作了统计对比数据作了统计对比。10070计算J1输入计算 输出J2J2输入输出计算J1输入计算计算J1作业时间CPUJ

16、1J2计算 输出J2J2输出计算J1输入计算CPUJ1J2并行并行串行串行完成完成完成完成图图1-7 两个作业的串行与并行时序对比图两个作业的串行与并行时序对比图 1.2 操作系统的历史操作系统的历史单道串行方式单道串行方式多道并行方式多道并行方式总运行时间总运行时间10070CPU工作时间工作时间6060CPU利用率利用率60%85%平均周转时间平均周转时间7562.5多道批处理：多道批处理：CPU利用率高、系统吞吐量大利用率高、系统吞吐量大 在处理大量的计算作业时最给力！在处理大量的计算作业时最给力！串行与并行执行的数据对比 1.2 操作系统的历史操作系统的历史1.2.4 分时系统分时系统

17、交互性强的作业交互性强的作业你有多快？你有多快？CPU有多快？有多快？所谓分时技术，是指多个用户可以共享一个所谓分时技术，是指多个用户可以共享一个主机的主机的CPU时间。时间。在分时系统中，一个主机同时连接多个终端。在分时系统中，一个主机同时连接多个终端。主机时间被划分成很小的时间片，每一个时主机时间被划分成很小的时间片，每一个时间片为一个终端服务，依次轮转间片为一个终端服务，依次轮转。1.2 操作系统的历史操作系统的历史1.2.4 分时操作系统（20世纪70年代）含义：分时是指多个用户分享使用同一台计算机，分时共享含义：分时是指多个用户分享使用同一台计算机，分时共享硬件和软件资源。硬件和软件

18、资源。多个用户分时多个用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而允许：单个用户使用计算机的效率低，因而允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户；多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户；前台和后台程序分时前台和后台程序分时：后台程序不占用终端输入输出，不：后台程序不占用终端输入输出，不与用户交互与用户交互现在的图形用户界面现在的图形用户界面(GUI)，除当前交互，除当前交互的程序的程序(输入焦点输入焦点)之外，其他程序均作为后台；之外，其他程序均作为后台；通常按时间片分配通常按时间片分配：各个程序在：各个程序在CPU上执行的轮换时间。上执行的轮换时间。把处理器的运行时间分成很短

19、的时间片，按时间片轮流把把处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各作业使用。处理机分配给各作业使用。1.2 操作系统的历史操作系统的历史1.2.4 分时操作系统人机交互性好人机交互性好：在调试和运行程序时由用户自己操作：在调试和运行程序时由用户自己操作共享主机共享主机：多个用户同时使用：多个用户同时使用用户独立性用户独立性：对每个用户而言好象独占主机：对每个用户而言好象独占主机现在的许多操作系统都具有分时处理现在的许多操作系统都具有分时处理的功能，在分时系统的基础上，操作的功能，在分时系统的基础上，操作系统的发展开始分化，如实时系统、系统的发展开始分化，如实时系统、通用系

20、统、个人系统等。通用系统、个人系统等。1.2 操作系统的历史操作系统的历史1.2.5 实时操作系统用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域，包用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域，包括实时控制、实时信息处理括实时控制、实时信息处理要求：要求：响应时间短，在一定范围之内；系统可靠性高响应时间短，在一定范围之内；系统可靠性高目前的操作系统，通常具有分时、实时和目前的操作系统，通常具有分时、实时和批处理功能，又称作批处理功能，又称作通用操作系统通用操作系统。可适。可适用于计算、事务处理等多种领域，能运行用于计算、事务处理等多种领域，能运行在多种硬件平台上，如在多种硬件平台上，如 UNIX系统

21、、系统、Windows NT等。等。通用化、小型化通用化、小型化1.2 操作系统的历史操作系统的历史操作系统的进一步发展个人计算机上的操作系统嵌入式操作系统网络操作系统分布式操作系统智能化操作系统第一章第一章 绪论绪论1.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型批处理操作系统（batch processing operating system）分时操作系统（time sharing operating system）实时操作系统（real time operating system）个人计算机操作系统（personal computer operating system）网络操作系统（netw

22、ork operating system）分布式操作系统（distributed operating system）第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型1.3.1 批处理操作系统特征用户脱机使用计算机成批处理多道程序运行提交提交收容收容运行运行就绪就绪等待等待完成完成作业录入作业录入作业调度作业调度作业调度作业调度用户用户第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型1.3.1 批处理操作系统优点资源利用率高（CPU、内存、I/O）系统吞吐量大缺点平均周转时间长无交互能力注意多道程序系统（multiprogramming）与多重处理系统（multiprocessi

23、ng）第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型1.3.2 分时系统分时的定义：把计算机的系统资源（尤其是CPU时间）进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片（time slice），每个用户依次轮流使用时间片。时间片时间片CPU时间时间ABCABCB第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型1.3.2 分时系统分时系统追求的目标：及时响应（依据指标：响应时间）响应时间：从终端发出命令到系统给予回答所经历的时间第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型1.3.2 分时系统特征多路性：允许在一台主机上同时连接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务独立性：每个用户各占一个终端，彼此独立

24、工作及时性：用户的请求在很短的时间内能够获得响应交互性：用户可以通过终端与系统进行广泛的对话分时操作系统是一个联机（on-line）、多用户（multi-user）、交互式（interactive）的操作系统第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型1.3.3 实时系统 实时操作系统主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域，其主要特征是实时性和可靠性。分类实时过程控制，工业控制，军事控制，.实时通信（信息）处理，电讯（自动交换），银行，飞机订票，股市行情第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型1.3.3 实时系统控制过程数据采集：收集、接收和录入系统工作必须的信息加工处理：对进入系统的信息进行加

25、工处理控制操作：根据加工的结果采取适当的措施或动作反馈处理：监督执行机构的执行结果实时时钟管理多个实时任务通过“队列驱动”或“事件驱动”开始工作第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型1.3.3 实时系统实时系统与分时系统特征的比较设计目标：分时系统为给多用户提供通用的交互型开发运行环境，实时系统为特殊用途提供专用系统交互性：分时系统交互性强，实时系统较弱响应时间：分时系统以用户能够接受的响应时间为准，实时系统与受控对象及应用场合有关第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型1.3.4 通用操作系统如果一个操作系统兼有批处理、分时或实时处理的全部或两种功能，该操作系统为通用操作系统1.3.5 微机操

26、作系统开放性：支持不同系统互联、分布式处理多CPU系统通用性：支持应用程序的独立性和在不同平台上的可移植性高性能：支持虚拟存储器、多线程、对称处理器采用微内核结构：提供基本支持功能的内核很小，大部分功能由内核之外的服务程序完成第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型1.3.6 网络操作系统能够控制计算机在网络中方便地传送信息和共享资源，并能为网络用户提供各种所需的服务功能网络通信：在源计算机和目标计算机之间实现无差错的数据传送资源管理：对网络中的硬、软件资源实施管理网络管理：安全控制、性能监测、维护功能网络服务：如e-mail、文件传输、共享设备服务、远程作业录入等第一章 绪论1.3 操作系统的

27、基本类型1.3.6 网络操作系统特征网络是一个互连的计算机系统群体其中的计算机是自治的，每台计算机均有自己的操作系统，各自独立工作，在网络协议控制下协同工作系统互连要通过通信设施实现系统通过通信设施执行信息交换、资源共享、互操作和协作处理，实现多种应用要求第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型1.3.7 分布式操作系统集中式计算机系统：处理和控制能力都高度集中在一台计算机上，所有任务均由它完成。分布式计算机系统：由多台分散的计算机经互联网络连接而成的系统。管理分布式计算机系统的操作系统称为分布式操作系统。分布式计算机系统与单机集中式操作系统区别进程通信：集中式简单，分布式涉及机构、规程和路径算

28、法资源管理：集中式，一类资源由一个管理程序管理；分布式，一类资源由多个管理程序管理，这些程序必须协调一致工作系统结构：分布式，有若干相对独立的部分，分布在各台计算机上第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型1.3.7 分布式操作系统分布式操作系统与网络操作系统的比较耦合程度分布式系统是紧密耦合系统：分布式分布式系统是紧密耦合系统：分布式OS是在各机上统一建立是在各机上统一建立的的“OS同质同质”，直接管理，直接管理CPU、存储器和外设；统一进行全、存储器和外设；统一进行全系统的管理系统的管理网络通常容许网络通常容许异种异种OS互连互连，各机上各种服务程序需按相同网，各机上各种服务程序需按相同网络

29、协议络协议“协议同质协议同质”并行性分布式分布式OS可以将一个进程分散在各机上并行执行可以将一个进程分散在各机上并行执行“进程迁移进程迁移”网络则网络则各机上的进程独立各机上的进程独立第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型1.3.7 分布式操作系统分布式操作系统与网络操作系统的比较透明性：用户是否知道或指定资源在哪个机器上（如CPU、内存或外设）分布式系统的网络资源调度分布式系统的网络资源调度对用户透明对用户透明，用户不，用户不了解所占有资源的位置了解所占有资源的位置网络操作系统中对网络资源的使用要网络操作系统中对网络资源的使用要由用户明确由用户明确指定指定健壮性：分布式系统要求更强的容错能力

30、第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型1.3.8 嵌入式操作系统需求：计算机嵌入式应用嵌入式（计算机）硬件不再以物理上独立的装置或设备出现，而是部分或全部隐藏和嵌入到应用系统中对嵌入式（计算机）系统的软件、即嵌入式软件（embedded software）的需求嵌入式操作系统：运行在嵌入式（计算机）环境中、对整个系统及所有操作的各种部件、装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制的系统软件。第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型1.3.8 嵌入式操作系统特点微型化：内存少（1M以内）、无外存、微处理器字长短（8b、16b）、运行速度有限、能提供的能源少、外设千变万化可定制：能运行在不同微处理器平

31、台上，能针对硬件变化进行结构与功能上的配置实时性：硬实时、软实时、非实时第一章 绪论1.3 操作系统的基本类型1.3.8 嵌入式操作系统特点可靠性：可靠、容错、防故障易移植性：硬件抽象层HAL提供与平台无关的特性，向操作系统上层提供统一接口；板级支撑包BSP保证嵌入时操作系统可在新推出的微处理器硬件平台上运行开发环境：通常提供代码编辑器、编译器和链接器、程序调试器、系统配置器和系统仿真器第一章 绪论1.4 操作系统的体系结构操作系统的体系结构整体式整体式分层式分层式虚拟机虚拟机客户机客户机/服务器结构服务器结构微内核微内核第一章 绪论1.4 操作系统的体系结构操作系统的体系结构1.4.1 整体

32、式整体式第一章 绪论1.4 操作系统的体系结构操作系统的体系结构1.4.2 分层式分层式第一章 绪论1.4 操作系统的体系结构操作系统的体系结构1.4.3 虚拟机虚拟机第一章 绪论1.4 操作系统的体系结构操作系统的体系结构1.4.4 客户机客户机/服务器（服务器（C/S）第一章 绪论1.4 操作系统的体系结构操作系统的体系结构1.4.5 微内核微内核第一章 绪论1.5 人机界面人机界面1.5.1 命令控制界面（命令控制界面（CI）1.5.2 图形用户界面（图形用户界面（GUI）1.5.3 应用程序接口（应用程序接口（API）第一章 绪论总结与思考操作系统与硬件、其它系统软件以及用户之间的关系

33、；推动操作系统形成和发展的主要动力；操作系统的特性及其关系；控制、管理组织流程友好接口需求硬件软件并发 共享异步 虚拟 可扩展第一章 绪论总结与思考多道批处理系统与分时系统的关键技术；联系与区别？多道程序设计技术（成批多道自动转接）时间片技术（多路同时独占交互）共同追求：作业吞吐量大，系统资源利用率高共同追求：作业吞吐量大，系统资源利用率高共同追求：作业吞吐量大，系统资源利用率高共同追求：作业吞吐量大，系统资源利用率高第一章 绪论总结与思考分时系统与实时系统的交互性、及时性及可靠性；网络操作系统和分布式操作系统的联系和区别分时：交互、及时（人可判）实时：可靠、及时（机可判）联系：网络共享区别：是否同质、是否对等、有无协作第一章作业第一章作业习题习题 11、12