操作系统概述.pptx

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1、为什么要学习操作系统为什么要学习操作系统n开发操作系统或修改现有的操作系统n加深对使用的操作系统的理解，有利于深入编程n编程时借鉴操作系统的设计思想和算法n选择使用操作系统第1页/共65页n教学目的:掌握操作系统概念了解操作系统结构熟悉操作系统算法为并发高级程序设计和操作系统使用，管理，开发打基础为其它课程学习提供知识保障锻炼思维n重点与难点：操作系统各种算法的理解和掌握。第2页/共65页第一章 操作系统引论1.0 什么是操作系统1.1 操作系统的目标和作用 1.2 操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特性 1.4 操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计 第3页/共65页1.0

2、1.0 什么是操作系统什么是操作系统1.0.1 计算机系统的组成1.0.2 操作系统的定义1.0.3 操作系统在软硬件层次中的地位 第4页/共65页1.0.1 1.0.1 计算机系统的组成计算机系统的组成计算机系统主要由硬件和软件两部分组成：n硬件部分：指其物理装置本身，包括各种处理器（如中央处理器、输入输出处理和该系统中的其他处理器）、存储器、输入输出设备和通信装置；n软件部分：指由计算机硬件执行以完成一定任务的所有程序及其数据。第5页/共65页输入设备：键盘、鼠标、扫描仪输出设备：显示器、打印机外存：软、硬盘、光盘、闪存网络设备：网卡、调制解调器等计算机系统软件外部设备系统软件应用软件硬件

3、运算器控制器主机内存CPU随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)高速缓冲存储器操作系统：Windows、Unix、Linux语言处理程序：C、Pascal、VB等 实用程序：诊断程序、排错程序等办公软件包、数据库管理系统第6页/共65页1.0.1 1.0.1 计算机系统的组成计算机系统的组成 现代计算机系统主要包含一个或多个处理器、若干主存、时钟、终端、磁盘、网络接口及其他输入/输出设备，是一个非常复杂的系统。物理设备微程序机器语言操作系统编译器编辑器命令解释器银行系统航空订票系统探险游戏应用程序系统程序硬件第7页/共65页1.0.2 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

4、机的全部软、硬资源的分配、调度工作，控制和协调并发活动，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。操作系统使整个计算机系统实现了高效率、高度自动化、高利用率和高可靠性。操作系统（operating system，简称OS）第8页/共65页1.0.3 操作系统在软硬件层次中的地位操作系统在软硬件层次中的地位 硬件层操作系统内核 C库/数学库/图形库/窗口库等数据库应用系统调用库数据库管理器命令解释器编译器编辑器第9页/共65页1.1 操作系统的目标和作用1.1.1 操作系统的目标1.1.2 操作系统的作用1.1.3 推动操作系统发展的主要动力第10页/共65页1.1.1操作

5、系统的目标目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点：1.方便性2.有效性3.可扩充性4.开放性第11页/共65页1.1.2操作系统的作用OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS作为计算机系统资源的管理者OS用作扩充机器第12页/共65页1、OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口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。第13页/共65页OS作为接口的示意图用 户应用程序

6、系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算机硬件1、OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口第14页/共65页用户可以通过以下三种方式来使用操作系统：(1)命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(语言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。(2)系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机。(3)图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。1、OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口第15页/共65页1.1.2操作系统的作用OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS作为计算机系统资源的管理者OS用作扩充机

7、器第16页/共65页n处理机管理：用于分配和控制处理机；n存储器管理：主要负责内存的分配与回收；nI/O设备管理：负责I/O设备的分配与操纵；n文件管理：负责文件的存取、共享和保护。2.OS作为计算机系统资源的管理者第17页/共65页1.1.2操作系统的作用OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS作为计算机系统资源的管理者OS用作扩充机器第18页/共65页3.OS用作扩充机器n把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。nOS包含了若干个层次，因此在裸机上覆盖OS后，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或多层虚机器。第19页/共65页1.1.3推动操作系统发展的主要动力不断提高计

8、算机资源利用率2.方便用户3.器件的不断更新换代4.计算机体系结构的不断发展第20页/共65页1.2 操作系统的发展过程 1.2.1 无操作系统计算机系统1.2.2 单道批处理系统1.2.3 多道批处理系统1.2.4 分时系统1.2.5 实时系统第21页/共65页计算机及操作系统的形成和发展n计算机的发展过程1946-1955：第一代电子管时代1955-1965：第二代晶体管时代1965-1980：第三代集成电路时代1980至今：第四代大规模集成电路时代n操作系统的发展阶段第一代计算机：手工操作阶段（无操作系统）第二代计算机：批处理（早期）、执行系统第三代计算机：操作系统形成批处理操作系统、分

9、时操作系统第四代计算机：个人计算机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统第22页/共65页1.2.1无操作系统的计算机系统1.人工操作方式电子管计算机时代（1945年到50年代中期），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。缺点：(1)用户独占全机(2)CPU等待人工操作。第23页/共65页2.脱机输入/输出(Off-LineI/O)方式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，在外围机的控制下，

10、输入到磁带上，当CPU需要时，从磁带高速调入内存。输出时，CPU直接高速把数据从内存送到磁带，然后在另一台外围机的控制下，将磁带上的结果通过输出设备输出。1.2.1无操作系统的计算机系统第24页/共65页两种输入输出方式：脱机输入/输出（OffLine I/O）方式；在脱离主机的情况下输入输出程序和数据联机输入/输出（OnLine I/O）方式；在主机的直接控制下输入输出程序和数据1.2.1无操作系统的计算机系统第25页/共65页脱机I/O方式的主要优点如下：减少了CPU的空闲时间。(2)提高I/O速度。输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备脱机I/O示意图第26页/共65页1.2 操作系统的发

11、展过程 1.2.1 无操作系统的计算机系统1.2.2 单道批处理系统1.2.3 多道批处理系统1.2.4 分时系统1.2.5 实时系统第27页/共65页1.2.2单道批处理系统(SimpleBatchProcessingSystem)1.单道批处理系统的处理过程单道批处理系统的处理流程图把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？否装 配目标程序还有下一个作业？是否停止运 行目标程序是开始第28页/共65页2.单道批处理系统的特征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

12、特征如下：(1)自动性。(2)顺序性。(3)单道性。第29页/共65页1.2 操作系统的发展过程 1.2.1 无操作系统计算机系统1.2.2 单道批处理系统1.2.3 多道批处理系统1.2.4 分时系统1.2.5 实时系统第30页/共65页1.2.3多道批处理系统123321第31页/共65页1.多道程序设计的基本概念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。为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统。(MultiprogrammedBatchProcessingSystem)多道批

13、处理系统中，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。第32页/共65页在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处：(1)提高CPU的利用率。(2)可提高内存和I/O设备利用率。多道程序设计不能提高任何单个进程（程序）多道程序设计不能提高任何单个进程（程序）的性能，但它能提高整个系统的性能。的性能，但它能提高整个系统的性能。1.多道程序设计的基本概念(3)增加系统吞吐量（在单位时间内完成的总工作量）。第33页/共65页将内存分几个部分，每一部分存放不同的作业，当一个作

14、业等待I/O操作完成时，另一个作业可以使用CPU；如果内存中可以存放足够多的作业，则CPU的利用率可以接近100%。内存中有三个作业的一个多道程序系统 现场保护/恢复:指处理机从一个作业向另一个作业切换时进行的有关寄存器值的保护/恢复。第34页/共65页通道和中断技术60年代初，发展了通道技术和中断技术，这些技术的出现使监督程序在负责作业运行的同时提供I/O控制功能，也使多道程序处理成为可能。n通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传输。启动后可独立于CPU运行，实现CPU与I/O的并行。通道有专用的I/O处理器，可与CPU并行工作可实现 I/O联机处理n中断是指CPU在收到外部中断信号后，停

15、止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。中断处理过程：中断请求，中断响应，中断点（暂停当前任务并保存现场），中断处理例程，中断返回（恢复中断点的现场并继续原有任务可处理算术溢出和非法操作码，死循环（利用时钟中断进行超时限定）n监督程序发展为执行系统(executive system)，常驻内存第35页/共65页2.多道批处理系统的特征多道性(2)无序性(3)调度性作业调度、进程调度第36页/共65页3.多道批处理系统的优缺点系统吞吐量：系统在单位时间内所完成的总工作量。作业的周转时间：是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。优点资源利用率高。系统吞吐量

16、大。平均周转时间长。无交互能力。缺点资源利用率高。系统吞吐量大。平均周转时间长。无交互能力。资源利用率高。系统吞吐量大。平均周转时间长。无交互能力。优点资源利用率高。系统吞吐量大。平均周转时间长。无交互能力。缺点优点资源利用率高。系统吞吐量大。平均周转时间长。无交互能力。缺点优点资源利用率高。系统吞吐量大。平均周转时间长。无交互能力。第37页/共65页4.多道批处理系统需要解决的问题处理机管理问题。(2)内存管理问题。(3)I/O设备管理问题。(4)文件管理问题。(5)作业管理问题。第38页/共65页1.2 操作系统的发展过程 1.2.1 无操作系统计算机系统1.2.2 单道批处理系统1.2.

17、3 多道批处理系统1.2.4 分时系统1.2.5 实时系统第39页/共65页1.2.4 分时系统1.分时系统(Time-SharingSystem)的产生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：（1）人机交互（2）共享主机（3）便于用户上机第40页/共65页主机终端 分时系统是指在一台主机上连接多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的键盘，以交互的方式使用计算机，共享主机中的资源。第41页/共65页2.分时系统实现中的关键问题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

18、及时处理该命令，再将结果返回给用户。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（多路卡和缓冲区）(2)及时处理（作业直接进入内存，划分时间片）第42页/共65页3.分时系统的特征多路性。(2)独立性。(3)及时性。(4)交互性。第43页/共65页1.2 操作系统的发展过程 1.2.1 无操作系统计算机系统1.2.2 单道批处理系统1.2.3 多道批处理系统1.2.4 分时系统1.2.5 实时系统第44页/共65页1.2.5实时系统实时系统(Real-TimeSystem)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，

19、并控制所有实时任务协调一致地运行。1.应用需求实时控制：通常是指以计算机为中心的生产过程控制系统和武器控制系统。(2)实时信息处理：通常是指对信息进行实时处理的系统。第45页/共65页2.实时任务的分类 1)按任务执行时是否呈现周期性来划分周期性实时任务 外部设备发出周期性的激励信号。(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 第46页/共65页2)根据对截止时间的要求来划分(1)硬实时任务(hardreal-timetask)。系统

20、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结果。(2)软实时任务(Softreal-timetask)。它也联系着一个截止时间，但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响也不会太大。第47页/共65页3.实时系统与分时系统特征的比较多路性。(2)独立性。(3)及时性。(4)交互性。(5)可靠性。第48页/共65页1.3 操作系统的基本特性 并发（Concurrence）1.3.2 共享（Sharing）1.3.3 虚拟（Virtual）1.3.4 异步性（Asynchronism）第49页/共65页1.3.1并发(Concurrence)所谓并发是指在内存中放多道作业，

21、在一个时间段上来看，每一道作业都能不同程度地向前推进，但在任何一个时间点上只能有一道占用CPU。与并发相关的两个概念：n串行：在内存中每次只能放一道作业，只有它完全执行完后别的作业才能进入内存执行。n并行：存在于有多个CPU的环境中，在内存中放多道作业，在任一时间点上都可能有多道作业在不同的CPU上同时执行。第50页/共65页1.3.2共享(Sharing)共享：系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用。两种资源共享方式：n互斥共享方式（临界/独占资源）n同时访问方式并发与共享互为条件！第51页/共65页1.3.3虚拟(Virtual)虚拟是指通过某种技术，将一个物理实体变为若

22、干个逻辑上的对应物。用来实现虚拟的技术，被称为虚拟技术。在现代OS中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟存储器和虚拟设备等。第52页/共65页1.3.4异步性(Asynchronism)异步性是指在多道程序的环境下，每个程序不知何时执行、何时暂停，即它们以不可预知的速度向前推进。但同时，操作系统应保证程序的执行结果是可再现的。即只要运行环境相同，一个作业的多次运行都会得到相同的结果。第53页/共65页1.4 操作系统的主要功能 1.4.1 处理机管理功能 1.4.2 存储器管理功能1.4.3 设备管理功能1.4.4 文件系统管理1.4.5 用户接口第54页/共65页1.4.1处理机

23、管理功能处理机是最重要的资源，现代操作系统允许多个程序共享处理机，按照某种算法（分时、优先级）交替地使用处理机。处理机管理包括以下几方面：n进程控制n进程同步（进程互斥方式、进程同步方式）n进程通信n调度第55页/共65页1.4.2存储器管理功能存储器管理主要是为多道程序的运行提供良好的环境。存储器管理要具备下列功能：n内存分配n内存保护：使多道程序间互不干扰n地址映射：把程序中的逻辑地址映射为物理地址n内存扩充：用辅存扩充主存，实现“虚拟存储器”第56页/共65页最庞大、琐碎的部分，因为：n物理设备品种繁多、用法各异n各种外设能和主机并行工作n主机与各类外设速度极不匹配，级差很大1.4.3设

24、备管理功能第57页/共65页设备管理主要是完成用户的I/O请求。它的主要功能包括：缓冲管理：为设备提供缓冲区以缓和CPU同设备的I/O速度不匹配的矛盾。设备分配设备处理第58页/共65页1.4.4文件管理功能文件管理主要是使用户能方便、安全地使用各种信息资源。主要功能包括：文件存储空间的管理目录管理文件的读/写管理和保护第59页/共65页1.4.5用户接口 为方便用户使用计算机，操作系统还应提供友好的用户接口。该接口通常是以下列方式提供给用户的：命令接口程序接口图形用户接口第60页/共65页总 结本章主要讲了：n操作系统的基本概念及发展过程n操作系统的目标和作用n并发、共享、虚拟、异步等基本概

25、念n操作系统的主要功能作业：1、2、12、13、16、17、18、23、24第61页/共65页（1985）（1987）（1990）Windows 95（1995）WindowsMe（2000）Windows 98（1998）WindowsXP（2001）WindowsNT3.1(NT第1版)（1993）WindowsNT3.51(NT第3版)Windows2000(NT5.0)（2000）Windows CE（1998）WindowsNT3.5(NT第2版)WindowsNT4.0(NT第4版)（1996）微软公司Windows操作系统产品线第62页/共65页第一版(1971年)第三版(197

26、3年)第六版(1975年)SYSTEM III(1982年)第七版第八版第九版第十版1989年SYSTEM V(1983年)SVR2(1984年)SVR3(1987年)SVR4(1989年)SUNSolarisIBM AIXHP UX1BSD(1978年)2BSD(1978年)3BSD(1979年)4.0BSD(1980年)4.4BSD(1993年)MACH2.5OSF/1(1989年)DEC OSF/1Digital UNIXTru64 UNIXUNIX发展简图 第63页/共65页Linux和FreeBSD Linux由芬兰赫尔辛基大学计算机系大学生Linus Torvalds，在从1990年底到1991年的几个月中，为了自己的操作系统课程学习和后来上网使用而陆续编写的。在2001年初Linux World大会前夕推出了内核，现在推出了。FreeBSD是美国加利福尼亚洲大学伯克利分校开发的支持POSIX标准的免费操作系统，它基于4.4BSD。第64页/共65页感谢您的观看！第65页/共65页