计算机操作系统第三版课件.ppt

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1、第一章第一章 操作系统引论操作系统引论v1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用v1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程v1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性v1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能v1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计第一章 操作系统引论*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用v有效性有效性 改善资源利用率，提高系统吞吐量改善资源利用率，提高系统吞吐量 v方便性方便性 使计算机系统使用起来更方便使计算机系统使用起来更方便v可扩充性可扩充性 能够不断适应发展的要求能够不断适应发展的要求v开放性开

2、放性 使来自不同厂家的计算机和设备能够有效地协同工作，使来自不同厂家的计算机和设备能够有效地协同工作，实现应用的可移植性和互操作性实现应用的可移植性和互操作性操作系统的目标*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论操作系统的作用vOS作为用户与计算机硬件之间的接口作为用户与计算机硬件之间的接口OSOS处于用户和计算机硬件系统之间，用户通过处于用户和计算机硬件系统之间，用户通过OSOS来使用来使用计算机系统计算机系统用户可以通过命令方式、系统调用方式和图形、窗口方用户可以通过命令方式、系统调用方式和图形、窗口方式使用计算机式使用计算机1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用用户用户应用程序

3、应用程序系统调用系统调用 命令命令 图标、窗口图标、窗口操作系统操作系统计算机硬件计算机硬件*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论操作系统的作用vOS作为计算机系统的资源管理者作为计算机系统的资源管理者硬件资源：处理器、存储器、硬件资源：处理器、存储器、I/OI/O设备设备信息资源：程序和数据信息资源：程序和数据1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论操作系统的作用OS实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资源的抽象 当计算机上覆盖了操作系统后，便为用户提供了一台功能当计算机上覆盖了操作系统后，便为用户提供了一台功能显著增强，使用更加方便，效率

4、明显提高的虚拟计算机显著增强，使用更加方便，效率明显提高的虚拟计算机1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用用户物理接口硬件用户I/O软件物理接口硬件I/O操作命令操作命令（Read,Write）虚机器虚机器用户需了解用户需了解物理接口的物理接口的实现细节；实现细节；利用机器指利用机器指令进行编程令进行编程用户无需了用户无需了解物理接口解物理接口的实现细节；的实现细节；在窗口环境在窗口环境下使用计算下使用计算机机*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 操作系统的目标和作用v不断提高计算机资源利用率不断提高计算机资源利用率 计算机价格昂贵！从单个作业到批处理作业，从单道程序到多道

5、程序，以及计算机价格昂贵！从单个作业到批处理作业，从单道程序到多道程序，以及SPOOLing，虚拟存储器和网络环境下允许所有网络用户访问文件系统和数，虚拟存储器和网络环境下允许所有网络用户访问文件系统和数据库系统据库系统v方便用户方便用户 改善用户上机、调试程序时的环境改善用户上机、调试程序时的环境v器件的不断更新换代器件的不断更新换代 微电子技术的迅猛发展，推动着计算机器件的更新换代。如芯片从微电子技术的迅猛发展，推动着计算机器件的更新换代。如芯片从8 8位位1616位位 3232位位6464位。存储设备从磁盘位。存储设备从磁盘移动硬盘移动硬盘闪存盘闪存盘扫描仪等。扫描仪等。v计算机体系结构

6、的不断发展计算机体系结构的不断发展 单处理机系统到多处理系统，支持网络的网络操作系统单处理机系统到多处理系统，支持网络的网络操作系统在出现在出现OSOS后的短短后的短短5050年中，操作系统取得了很大的发展。年中，操作系统取得了很大的发展。规模由原来的数十规模由原来的数十KBKB发展到如今的数千万行代码，可将发展到如今的数千万行代码，可将其发展的主要动力归结为如下所述的四个方面：其发展的主要动力归结为如下所述的四个方面：操作系统的发展动力*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论1.1 操作系统的目标和作用v不断提高计算机资源利用率不断提高计算机资源利用率v方便用户方便用户v器件的不断更新换代器

7、件的不断更新换代v计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展操操作作系系统统操操作作系系统统操作系统的发展动力*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论v1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用v1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程v1.3 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性v1.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能v1.5 OS1.5 OS结构设计结构设计第一章 操作系统引论*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论操作系统的发展过程v无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统v单道批处理系统单道批处理系统v多道批处理系统多道批处理系

8、统v分时系统分时系统v实时系统实时系统操作系统的发展随着计算机硬件、应用软件的发展操作系统的发展随着计算机硬件、应用软件的发展而发展。发展的宗旨并未改变，依然是充分利用硬件，而发展。发展的宗旨并未改变，依然是充分利用硬件，提供更好的服务。提供更好的服务。*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论操作系统的发展过程手手工工操操作作阶阶段段PC机机OS网络网络OS分布式分布式OS多处理多处理OS嵌入式嵌入式OS*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论手工操作阶段第一台计算机第一台计算机ENIAC的运算速度为每秒的运算速度为每秒5000次，操作次，操作者必须用线路连接的方法手工编排程序然后连接电路。者

9、必须用线路连接的方法手工编排程序然后连接电路。无操作系统的计算机系统*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论程序通过插板或卡片装入程序通过插板或卡片装入无操作系统的计算机系统*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论 1.1.特点：特点：无任何软件无任何软件 有人工干预有人工干预 用户独占全机用户独占全机 CPUCPU等待人工操作等待人工操作 2.2.问题：问题：人人 机矛盾机矛盾 CPUCPUI/OI/O速度不匹配的矛盾速度不匹配的矛盾 机器机器 作业在机器上作业在机器上 人工操人工操 操作时间与机器操作时间与机器 速度速度 计算所需时间计算所需时间 作时间作时间 有效运行时间之比有效运行时间

10、之比 1 1万次万次/秒秒 1 1小时小时 3 3分钟分钟 1 1 ：2020 60 60万次万次/秒秒 1 1分钟分钟 3 3分钟分钟 3 3 ：1 1手工操作阶段的优缺点无操作系统的计算机系统*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论 2020世纪世纪5050年代末出现了脱机输入年代末出现了脱机输入/输出（输出（Off-Line I/OOff-Line I/O）技术。该技）技术。该技术是事先将装有用户程序和数据的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或术是事先将装有用户程序和数据的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片机），在一台外围机的控制下，把纸带（卡片）上的数据（程序）卡片机），在一台外围机的控

11、制下，把纸带（卡片）上的数据（程序）输入到磁带上。当输入到磁带上。当CPUCPU需要这些程序和数据时，再从磁带上将其高速地需要这些程序和数据时，再从磁带上将其高速地调入内存。调入内存。脱机输入/输出方式无操作系统的计算机系统磁带磁带输出设备输出设备外围机外围机主机主机磁带磁带磁带磁带磁带磁带外围机外围机输入设备输入设备*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论 当当CPUCPU需要输出时，可由需要输出时，可由CPUCPU直接高速地把数据从内存送直接高速地把数据从内存送到磁带上，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

12、。通过相应的输出设备输出。脱机输入/输出方式无操作系统的计算机系统输出设备输出设备主机主机磁带磁带磁带磁带外围机外围机*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论优点：优点：（1 1）减少了）减少了CPUCPU的空闲时间。装带（卡）、卸带的空闲时间。装带（卡）、卸带（卡）以及将数据从低速（卡）以及将数据从低速I/OI/O设备送到高速磁带设备送到高速磁带（或盘）上，都是在脱机情况下进行的，并不占用（或盘）上，都是在脱机情况下进行的，并不占用主机时间，从而有效地减少了主机时间，从而有效地减少了CPUCPU的空闲时间，缓的空闲时间，缓和了人机矛盾。和了人机矛盾。（2 2）提高了）提高了I/OI/O速度。

13、当速度。当CPUCPU在运行中需要数据时，在运行中需要数据时，是直接从高速的磁带或磁盘上将数据调入内存的，是直接从高速的磁带或磁盘上将数据调入内存的，不再是从低速不再是从低速I/OI/O设备上输入，极大地提高了设备上输入，极大地提高了I/OI/O速速度，从而缓和了度，从而缓和了CPUCPU和和I/OI/O设备速度不匹配的矛盾，设备速度不匹配的矛盾，进一步减少了进一步减少了CPUCPU的空闲时间。的空闲时间。脱机输入/输出方式无操作系统的计算机系统*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论手工操作阶段主机速度主机速度人人机矛盾机矛盾单道批处理系统第一章第一章 操作系统引论操作系统引论单道批处理系统

14、工作方式：工作方式：把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序（监督程序（MonitorMonitor），在它的控制下使这批作业能一个接一个连续），在它的控制下使这批作业能一个接一个连续处理。处理。工作过程：工作过程：由监督程序将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行控制权交给由监督程序将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行控制权交给该作业。当该作业处理完成时，又把控制权交还给监督程序，在由该作业。当该作业处理完成时，又把控制权交还给监督程序，在由监督程序把磁带（盘）上的第二个作业调入内存。监督程序把磁带（盘）上的第二个作业调入内存。

15、计算机系统这样一个作业一个作业地进行处理，直至磁带（盘）上计算机系统这样一个作业一个作业地进行处理，直至磁带（盘）上的所有作业全部完成。的所有作业全部完成。第一章第一章 操作系统引论操作系统引论单道批处理系统还有还有下一个作业下一个作业?把下一个作业的把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序转换为目标程序源程序源程序有错吗？有错吗？装配目标程序装配目标程序运行目标程序运行目标程序开始开始是是是是否否否否停止停止第一章第一章 操作系统引论操作系统引论单道批处理系统v自动性自动性 作业能够自动地逐个依次运行，无须人工干预作业能够自动地逐个依次运行，无须人工干预v顺序性顺序性 各道作业的完成顺序与进

16、入内存的顺序相同各道作业的完成顺序与进入内存的顺序相同v单道性单道性 内存中仅有一道程序运行内存中仅有一道程序运行第一章第一章 操作系统引论操作系统引论批处理阶段联机批处理联机批处理 特点：有监督程序；作业自动过渡特点：有监督程序；作业自动过渡 问题：问题：CPUCPU高速与高速与I/OI/O慢速的矛盾慢速的矛盾 解决：由解决：由外围机负责外围机负责I/OI/O脱机批处理脱机批处理 主机与外围机并行操作主机与外围机并行操作输入机输入机打印机打印机外围机外围机输出带输出带输入带输入带输出带输出带输入带输入带主主机机脱机批处理图示脱机批处理图示$END$LOAD主机主机打印机打印机*第一章第一章

17、操作系统引论操作系统引论*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论多道批处理系统多道批处理系统2020世纪世纪6060年代中期，引入了多道程序设计技术，由此形成了多道年代中期，引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统（批处理系统（Multiprogrammed Batch Processing SystemMultiprogrammed Batch Processing System）。）。用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，作业调用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，作业调度程序按一定算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它度程序按一定算法从后备队列中选择若干

18、个作业调入内存，使它们共享们共享CPUCPU和系统中的各种资源。和系统中的各种资源。引入多道程序设计技术可以带来如下好处：引入多道程序设计技术可以带来如下好处：（1 1）提高）提高CPUCPU利用率。利用率。（2 2）可提高内存和）可提高内存和I/OI/O设备的利用率设备的利用率（3 3）增加系统吞吐量。）增加系统吞吐量。*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论单道程序运行情况单道程序运行情况用户程序用户程序监督程序监督程序I/O操作操作I/OI/O中断请求中断请求t t1 1结束中断结束中断I/OI/O完成完成启动启动I/OI/OI/OI/O中断请求中断请求结束中断结束中断I/OI/O完成完

19、成启动启动I/OI/Ot t2 2t t3 3t t4 4t t5 5t t6 6t t7 7t t8 8从蓝色的实线来看从蓝色的实线来看CPUCPU是断续性运作是断续性运作t2t3t2t3、t6t7t6t7时间间隔内时间间隔内CPUCPU空闲空闲*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论多道程序运行情况程序程序A程序程序C程序程序B程序程序D调度程序调度程序A I/O请求请求A I/O完成完成A再次被调度再次被调度B I/O请求请求C I/O请求请求D I/O请求请求程序程序B I/O完成完成C I/O完成完成C再次被调度再次被调度A 完成完成从蓝色的实线来看从蓝色的实线来看CPUCPU是持续

20、性运作是持续性运作*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论多道程序设计原理多道程序设计原理【多道程序设计原理多道程序设计原理】：在计算机内存中同时存放在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相几道相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相互穿插地运行，互穿插地运行，共享共享CPUCPU和外设等资源和外设等资源。采用多道程采用多道程序设计技术的批处理系统称为多道批处理系统序设计技术的批处理系统称为多道批处理系统。*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点v资源利用率高资源利用率高 内存中的多道程序可以共享资源，使得资源充分利用内存中

21、的多道程序可以共享资源，使得资源充分利用v系统吞吐量大系统吞吐量大 CPUCPU及其它资源保持忙碌，切换较少，系统开销小，使及其它资源保持忙碌，切换较少，系统开销小，使得系统在单位时间内所完成的总工作量较大得系统在单位时间内所完成的总工作量较大v平均周转时间长平均周转时间长 由于由于 作业需要排队，依次处理，周转时间较长作业需要排队，依次处理，周转时间较长v无交互能力无交互能力 用户一旦将作业提交给系统，将不能与自己的作业交互，用户一旦将作业提交给系统，将不能与自己的作业交互，修改和调试程序不方便修改和调试程序不方便*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论多道批处理系统的特征多道批处理系统的特

22、征v多道性多道性 在内存中可驻留多道程序在内存中可驻留多道程序v无序性无序性 多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间并无多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间并无严格的对应关系严格的对应关系v调度性调度性 作业从提交给系统开始直至完成需要经历作业调度和进程作业从提交给系统开始直至完成需要经历作业调度和进程调度调度第一章第一章 操作系统引论操作系统引论多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统需要解决的问题v处理机管理问题处理机管理问题 在多道程序之间如何共享处理机，使在多道程序之间如何共享处理机，使CPUCPU既能满足各程序运行的需既能满足各程序运行的需要，又能提高处理机的利用

23、率。要，又能提高处理机的利用率。v内存管理问题内存管理问题 多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间并无严格的对多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间并无严格的对应关系应关系vI/OI/O设备管理问题设备管理问题 有多种类型的有多种类型的I/OI/O设备供多道程序共享，如何分配设备？如何既方便用户使用设备供多道程序共享，如何分配设备？如何既方便用户使用又能提高设备利用率？又能提高设备利用率？v文件管理问题文件管理问题 如何组织这些以文件形式存在的数据和程序？如何组织这些以文件形式存在的数据和程序？v作业管理问题作业管理问题 有的作业是有的作业是I/OI/O型，有些是计算型，有的要

24、求系统能及时响应。如型，有些是计算型，有的要求系统能及时响应。如何组织这些作业？何组织这些作业？*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论单道和多道批处理的比较 多道程序系统和多处理系统多道程序系统和多处理系统(Multi-Processing(Multi-Processing System)System)的区别：前者指多个程序同时在内存中交替的区别：前者指多个程序同时在内存中交替运行，后者指多个处理器。运行，后者指多个处理器。单道单道多道多道内存使用内存使用每次一个作业每次一个作业每次多个作业（充分利用每次多个作业（充分利用内存）内存）作业次序作业次序顺序，先进先出顺序，先进先出无确定次序无确

25、定次序*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论多道批处理系统的资源利用多道批处理系统的资源利用多道批处理系统的资源利用效率特征是基于各作多道批处理系统的资源利用效率特征是基于各作业对系统资源的需求差异得到的。业对系统资源的需求差异得到的。例如：例如：有有3 3个作业个作业A A、B B、C C，A A是计算作业、是计算作业、B B是检索磁是检索磁带上数据的作业，带上数据的作业，C C是打印作业。是打印作业。3 3个作业单道运行时间个作业单道运行时间分别为分别为5 5分钟、分钟、1515分钟和分钟和1010分钟。假设可在分钟。假设可在1515分钟内并行分钟内并行完成这完成这3 3个作业。则各资源

26、的利用率分别为：个作业。则各资源的利用率分别为：CPUCPU打印机打印机磁带磁带单道单道17%17%33%33%50%50%多道多道33%33%66%66%100%100%单道和多道批处理的比较*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论例：在有一台例：在有一台CPUCPU和两台输入和两台输入/输出设备（磁盘机和磁带机）的输出设备（磁盘机和磁带机）的多道程序系统中，同时投入运行多道程序系统中，同时投入运行2 2个程序个程序A A和和B B。这。这2 2个程个程序对序对CPUCPU和磁盘和磁带的使用顺序和使用时间为：和磁盘和磁带的使用顺序和使用时间为：程序程序A A：磁带（：磁带（30S30S）、）

27、、CPUCPU（10S10S）、磁盘（）、磁盘（30S30S）、）、CPUCPU（10S10S）、磁带（）、磁带（20S20S）程序程序B B：磁盘（：磁盘（20S20S）、）、CPUCPU（30S30S）、磁带（）、磁带（40S40S）假定：假定：CPUCPU、磁盘和磁带都能并行工作、磁盘和磁带都能并行工作试问：在单道和多道两种方式下，试问：在单道和多道两种方式下，1 1、程序、程序A A和和B B从投入运行到运行完成所用的时间从投入运行到运行完成所用的时间 分别是多少？分别是多少？2 2、CPUCPU、磁盘和磁带的利用率是多少？、磁盘和磁带的利用率是多少？*第一章第一章 操作系统引论操作系

28、统引论A、B同时运行的情况程序程序A程序程序BCPUCPU磁带磁带磁盘磁盘20s20s 30s30s50s50sB60s60sA90s90sA100s100s120s120s*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论资源利用情况资源利用情况单道程序两道程序CPU50/190=2650/120=42磁带90/190=47%90/120=75%磁盘50/190=2650/120=42%*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论操作系统的定义操作系统的定义操作系统是一组控制和管理计算机硬操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使

29、用的程序的行调度，以及方便用户使用的程序的集合。集合。*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论作业补充：有三个程序补充：有三个程序A、B、C，它们使用同一个设备，它们使用同一个设备进行进行I/O操作，并按操作，并按A、B、C的优先次序执行。这的优先次序执行。这三个程序的计算机和三个程序的计算机和I/O操作时间如下表所示。假操作时间如下表所示。假设调度时间可忽略不计，请分别画出单道程序环境设调度时间可忽略不计，请分别画出单道程序环境和多道程序环境下（假设内存中可同时装入这三道和多道程序环境下（假设内存中可同时装入这三道程序），它们运行的时间关系图，并比较它们的总程序），它们运行的时间关系图，并比较它们的总运行时间。运行时间。*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论 程序程序操作操作ABC计算计算306020I/O403040计算计算101020表表 程序运行的时间表程序运行的时间表 （单位：（单位：msms）*第一章第一章 操作系统引论操作系统引论The End