操作系统原理方敏操作系统概论.ppt
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1、第一章第一章 操作系统概述操作系统概述操作系统课程组操作系统课程组操作系统课程组操作系统课程组讨论问题讨论问题什么是操作系统?什么是操作系统?我们为什么要使用操作系统?我们为什么要使用操作系统?2一、什么是操作系统?一、什么是操作系统?其实现在并无精确定义其实现在并无精确定义不同的观点不同的观点v用户角度:操作系统是用户使用计算机的界面。提供用用户角度:操作系统是用户使用计算机的界面。提供用户与计算机硬件之间的接口,一般可以分为三种:命令户与计算机硬件之间的接口,一般可以分为三种:命令方式,系统调用,图形界面。方式,系统调用,图形界面。v软件角度:操作系统是程序和数据结构的集合。它是直软件角度
2、:操作系统是程序和数据结构的集合。它是直接和硬件相邻的第一层软件,是由大量极其复杂的系统接和硬件相邻的第一层软件,是由大量极其复杂的系统程序和众多的数据结构集成的。程序和众多的数据结构集成的。3一、什么是操作系统?一、什么是操作系统?v系统观点:操作系统是对计算机资源管理,这些资源包系统观点:操作系统是对计算机资源管理,这些资源包括硬件和软件。操作系统向用户提供了高级而调用简单括硬件和软件。操作系统向用户提供了高级而调用简单的服务,掩盖了绝大部分硬件设备复杂的特性和差异,的服务,掩盖了绝大部分硬件设备复杂的特性和差异,使得用户可以免除大量的乏味的杂务,而把精力集中在使得用户可以免除大量的乏味的
3、杂务,而把精力集中在自己所要处理的任务上。自己所要处理的任务上。教材中的定义教材中的定义操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源、合操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地组织和管理计算机的工作流程以方面用户使用理地组织和管理计算机的工作流程以方面用户使用的程序的集合。的程序的集合。4计算机系统的结构计算机系统的结构二、为什么要使用操作系统?二、为什么要使用操作系统?裸机裸机5二、为什么要使用操作系统?二、为什么要使用操作系统?OS的地位的地位v位于硬件(裸机)之上,所有其他软件之下。它是对硬位于硬件(裸机)之上,所有其他软件之下。它是对硬件系统功能的首次扩充。件系统功能的首次扩充。引
4、入操作系统的目标(特性)引入操作系统的目标(特性)v方便:提供一个用户与计算机硬件之间的接口,使计算方便:提供一个用户与计算机硬件之间的接口,使计算机更易于操作;机更易于操作;v有效:以更有效的方式使用计算机软硬件资源;有效:以更有效的方式使用计算机软硬件资源;v改善性能:合理的组织计算机系统的工作流程,以改善改善性能:合理的组织计算机系统的工作流程,以改善系统性能;系统性能;v提供扩展能力:支持可扩展的体系结构,可以方便的引提供扩展能力:支持可扩展的体系结构,可以方便的引进新的功能,支持可移植性和互操作性。进新的功能,支持可移植性和互操作性。6三、现代操作系统的特征三、现代操作系统的特征 并
5、发(并发(concurrence)v并发性:指两个或者多个事件在并发性:指两个或者多个事件在同一时间间隔同一时间间隔内发生。内发生。v并行性(并行性(parallel):指两个或者多个事件在):指两个或者多个事件在同一时刻同一时刻发发生(同时发生)。生(同时发生)。共享(共享(sharing)v系统中有限的资源不在为某个用户独占,而是可供多个系统中有限的资源不在为某个用户独占,而是可供多个用户共享。共享的方式:用户共享。共享的方式:1)互斥共享:一段时间内某一资源只允许一个用户使)互斥共享:一段时间内某一资源只允许一个用户使用,当使用完后,其他用户才能使用。例如:打印机、用,当使用完后,其他用
6、户才能使用。例如:打印机、扫描仪等。扫描仪等。2)非互斥共享:一个资源在一段时间内可以供多个用)非互斥共享:一个资源在一段时间内可以供多个用户户“同时同时”使用。依旧是:宏观上的并行,微观上的串行。使用。依旧是:宏观上的并行,微观上的串行。例如例如CPU,内存等。内存等。7三、现代操作系统的特征三、现代操作系统的特征虚拟(虚拟(virtual)v一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体分时或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。提高资源利用率。8三、现代操作系统的特征三、现代操作
7、系统的特征不确定性(不确定性(uncertainty)v操作系统的不确定性也称为异步性操作系统的不确定性也称为异步性(asynchronism),指在并发环境下程序的执行顺序、开始时间和执行时间指在并发环境下程序的执行顺序、开始时间和执行时间是不确定性(不可准确预知)。是不确定性(不可准确预知)。v特点:在相同的环境下,无论程序执行的顺序如何,何特点:在相同的环境下,无论程序执行的顺序如何,何时开始执行,也无论执行多少时间,只要输入相同,则时开始执行,也无论执行多少时间,只要输入相同,则结果总是相同的。结果总是相同的。9四、操作系统的发展四、操作系统的发展操作系统的发展和计算机体系结构有着密切
8、联系操作系统的发展和计算机体系结构有着密切联系v第一台机械计算机:差分机第一台机械计算机:差分机由英国数学家由英国数学家Charles Babbage设计设计10四、操作系统的发展四、操作系统的发展v第一代电子计算机(第一代电子计算机(19461955):人工操作方式):人工操作方式 11四、操作系统的发展四、操作系统的发展v第二代计算机(第二代计算机(1955-1965):脱机和批处理系统):脱机和批处理系统结构:使用晶体管,体积减小,可靠性提高,可以批结构:使用晶体管,体积减小,可靠性提高,可以批量生产,仅有少数大公司、主要的政府部门和大学买量生产,仅有少数大公司、主要的政府部门和大学买得
9、起。得起。12四、操作系统的发展四、操作系统的发展v第三代计算机(第三代计算机(1965-1980):多道程序设计):多道程序设计结构:小规模集成电路芯片,性价比有较大提升,典结构:小规模集成电路芯片,性价比有较大提升,典型的有型的有IBM360系列,它提出了软件兼容的概念,可系列,它提出了软件兼容的概念,可在科学计算和商用计算领域通用。在科学计算和商用计算领域通用。13四、操作系统的发展四、操作系统的发展IBM360的操作系统的操作系统OS/360以失败而告终,但是它提以失败而告终,但是它提出了两项非常重要的技术:出了两项非常重要的技术:1)多道程序设计技术。极大的提高了)多道程序设计技术。
10、极大的提高了CPU的利用率。的利用率。2)Spooling(Simultaneous Peripheral Operation On Line)技术。)技术。多道程序设计技术的出现给系统的管理提出了挑战,多道程序设计技术的出现给系统的管理提出了挑战,例如:内存管理问题、处理机等资源共享问题、文件例如:内存管理问题、处理机等资源共享问题、文件检索和存储问题等。为了解决这些问题,系统中必须检索和存储问题等。为了解决这些问题,系统中必须设置一套管理软件以方便用户使用,于是便形成了操设置一套管理软件以方便用户使用,于是便形成了操作系统。因此我们说:作系统。因此我们说:多道程序设计技术是操作系统多道程序
11、设计技术是操作系统形成的标志。形成的标志。这一时期著名的操作系统有这一时期著名的操作系统有:MIT:CTSS(第一个分时(第一个分时系统,系统,1963年);年);Bell实验室实验室:UNIX。14四、操作系统的发展四、操作系统的发展v第四代计算机(第四代计算机(1980-1990):个人计算机):个人计算机结构:大规模集成电路,体积很小,功能强大。结构:大规模集成电路,体积很小,功能强大。这一时期操作系统技术日趋完善,典型的有:这一时期操作系统技术日趋完善,典型的有:1)Microsoft:MS-DOS,windows系列系列2)UNIX和和Linux 15五、操作系统的分类五、操作系统的
12、分类 微机操作系统微机操作系统v单用户微机操作系统单用户微机操作系统CP/M:早期:早期8位系统位系统(75年年),配置在,配置在Intel8080,8085机器上。机器上。MS-DOS:81年,年,16位系统,配置在位系统,配置在IBM-PC机上。机上。OS/2:87年,年,IBM推出,单用户、多任务,运行在推出,单用户、多任务,运行在80286,80386机器上。机器上。v多用户微机操作系统多用户微机操作系统MS:Windows系列系列UNIX,Linux16五、操作系统的分类五、操作系统的分类批处理系统批处理系统v单道批处理系统:早期的操作系统类型,作业排好队,单道批处理系统:早期的操作
13、系统类型,作业排好队,一个一个运行,一次运行一个。如一个一个运行,一次运行一个。如 IBSYS(IBM7409)。v多道批处理系统:内存中可以同时放入多个作业运行,多道批处理系统:内存中可以同时放入多个作业运行,作业的执行需要调度,有了进程的概念。如作业的执行需要调度,有了进程的概念。如UNIX。v远程批处理系统:依靠网络运行,可以远程处理作业,远程批处理系统:依靠网络运行,可以远程处理作业,是分布式系统的基本条件。是分布式系统的基本条件。v优点:系统吞吐量大,资源利用率高。优点:系统吞吐量大,资源利用率高。v缺点:无实时交互能力;作业周转时间长缺点:无实时交互能力;作业周转时间长(作业必须一
14、次作业必须一次运行完运行完)。17五、操作系统的分类五、操作系统的分类分时系统分时系统v“分时分时”的定义:指把计算机的系统资源的定义:指把计算机的系统资源(尤其是尤其是CPU时间时间)进行时间上的分割,每个时间段称为一个时间片,每个进行时间上的分割,每个时间段称为一个时间片,每个用户依次轮流使用时间片。用户依次轮流使用时间片。v典型的分时系统:典型的分时系统:早期:早期:CTSS,MULTICS现代:现代:Windows,UNIX,Linux分时系统分时系统独立性独立性交互性交互性及时性及时性同时性同时性18五、操作系统的分类五、操作系统的分类 实时操作系统实时操作系统v概念:在限定的时间内
15、对输入进行快速处理并作出响应概念:在限定的时间内对输入进行快速处理并作出响应的计算机处理系统。主要用于过程控制、事务处理等有的计算机处理系统。主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域,其主要特征是实时要求的领域,其主要特征是实时性实时性和和可靠性可靠性。v实时系统与分时系统的区别实时系统与分时系统的区别设计目标不同设计目标不同实时系统多是专用系统,分时系统通常是通用实时系统多是专用系统,分时系统通常是通用系统。系统。交互性强弱不同交互性强弱不同实时系统大都是特殊的专用系统,外界操作是实时系统大都是特殊的专用系统,外界操作是严格控制的,因此交互性弱。分时系统一般都严格控制的,因此交互性弱。分
16、时系统一般都是通用型很强的系统,允许系统和用户之间有是通用型很强的系统,允许系统和用户之间有较强的会话能力,交互性强。较强的会话能力,交互性强。响应时间长短不同响应时间长短不同实时系统以控制过程中信息处理能接受的延迟实时系统以控制过程中信息处理能接受的延迟为标准。分时系统以人能接受的等待时间为标为标准。分时系统以人能接受的等待时间为标准。准。19五、操作系统的分类五、操作系统的分类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并行操作系统并行操作系统20五、操作系统的分类五、操作系统的分类嵌入式操作系统嵌入式操作系统(Embeded Operating System)v定义定义IEEE:
17、An Embedded system is the devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants.嵌入式系统一般指非嵌入式系统一般指非 PC 系统,有计算机功能但又不系统,有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心,软称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心,软硬件可裁减的,适应应用系统对功能、可靠性、成本、硬件可裁减的,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
18、简单地说,嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体,单地说,嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体,类似于类似于 PC 中中 BIOS 的工作方式,其软件代码小、自的工作方式,其软件代码小、自动化程度高、响应速度快,特别适合于要求实时和多动化程度高、响应速度快,特别适合于要求实时和多任务的体系。任务的体系。21五、操作系统的分类五、操作系统的分类v应用:几乎包括了生活中的所有电器设备,典型的如手应用:几乎包括了生活中的所有电器设备,典型的如手机、机、PDA、汽车、微波炉、数码相机、电梯、工业自动、汽车、微波炉、数码相机、电梯、工业自动化设备等。化设备等。v特点特点嵌入式系统通常是面向特定应用的。
19、嵌入式嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式CPU与通与通用型用型CPU的最大不同就是前者大多工作在为特定用户的最大不同就是前者大多工作在为特定用户群设计的系统中,具有低功耗、体积小、集成度高的群设计的系统中,具有低功耗、体积小、集成度高的特点,能够把通用特点,能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,从而有利于嵌入式系统设计小型化,移在芯片内部,从而有利于嵌入式系统设计小型化,移动能力大大增强,跟网络的耦合也越来越紧密。动能力大大增强,跟网络的耦合也越来越紧密。嵌入式系统是将先进技术嵌入式系统是将先进技术(计算机技术计算机技术,半导体技术半导体技术,电电
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