01第一章 操作系统概述1

操作系统(OperatingSystems)第一章操作系统概述操作系统的概念操作系统的历史操作系统的特性操作系统的类型操作系统的运行环境操作系统的界面形式操作系统的运行机理研究操作系统的几种观点1.1操作系统概念操作系统地位操作系统作用操作系统定义Whatisoperatingsystem?计算机系统=硬件+软件裸机=未配置任何软件的计算机用户所用计算机系统=经过若干层软件改造的系统操作系统（OS：OperatingSystem）：位于各种软件的最底层1.1.1操作系统地位硬件抽象层（HAL）之上所有其它软件层之下硬件（HAL）OS其它系统软件层应用软件层应用软件层系统软件层硬件层用户银行系统、航空订票系统、……编译软件、编辑软件、命令解释程序操作系统裸机运行视图系统库(lib)可调用操作系统，执行硬件指令应用程序可以调用lib和操作系统，执行硬件指令硬件(HAL)操作系统系统库应用程序机器指令系统调用库调用由图中可看出，操作系统：是与计算机硬件关系最为密切的系统软件，是硬件的第一层软件扩充，其它软件运行的基础；是一些程序模块的集合——★用于管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，★合理地组织计算机工作流程，★有效地利用这些资源为用户提供一个功能强、使用方便的工作环境，★从而在计算机与其用户之间起到接口的作用；是现代计算机系统中必不可少的最重要的系统软件。1.1.2操作系统的作用计算机系统中的操作系统有两个重要的作用：（1）管理系统中的各种资源。资源=硬件(所有的硬件部件,如CPU、存储器、输入输出设备）+软件(程序和数据等信息)。从微观上看，使用计算机系统=使用各种硬件资源和软件资源。特别在多道程序系统中:同时有多个程序在运行，它们在执行的过程中可能会要求使用系统中的各种资源。操作系统=资源的管理者和仲裁者，由它负责：资源在各个程序之间的调度，保证：系统中的各种资源得以有效利用。（2）为用户提供良好的界面。使用户：无需了解许多有关硬件和系统软件的细节，就能方便灵活地使用计算机。★因此，现代任何一种计算机系统都必须配置一种或多种操作系统，才能正常高效地工作。1.1.3操作系统定义操作系统是位于硬件层(HAL)之上，所有其它软件层之下的一个系统软件，是管理系统中各种软硬件资源，方便用户使用计算机系统的程序集合。Operatingsupervisormonitoringprogram1.2操作系统的历史操作系统的产生手工操作阶段成批处理阶段执行系统阶段操作系统的完善多道批处理系统分时系统实时处理系统通用操作系统操作系统的发展网络操作系统分布式操作系统多处理机操作系统单用户操作系统面向对象操作系统嵌入式操作系统智能卡操作系统1.手工操作（无操作系统）★1946年第一台计算机诞生--20世纪50年代中期.未出现操作系统，计算机工作采用手工操作方式。★其过程见图3：结果纸带、卡片程序、数据输入机计算机输出机用户图3手工操作计算机用户（程序员）：★将对应于程序和数据的已穿孔的纸带（或卡片）装入输入机★启动输入机把程序和数据输入计算机内存★通过控制台开关启动程序针对数据运行★计算完毕，打印机输出计算结果★用户取走结果并卸下纸带（或卡片）★让下一个用户上机。手工操作方式两大特点：（1）用户独占全机。不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源的利用率低。（2）CPU等待手工操作。CPU的利用不充分。★20世纪50年代后期，出现人机矛盾：手工操作的慢速度和计算机的高速度之间形成了尖锐矛盾，手工操作方式已严重损害了系统资源的利用率（使资源利用率降为百分之几，甚至更低），不能容忍。★唯一的解决办法：只有摆脱人的手工操作，实现作业的自动过渡。成批处理2．批处理系统★批处理系统：加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的作业。★作业=程序+数据+命令。1）联机批处理系统★是首先出现的批处理系统，监督程序作业用户结果纸带、卡片作业输入机磁带主机图4联机批处理系统输出机★主机与输入机之间增加一个存储设备：磁带，★在运行于主机上的监督程序的自动控制下，计算机可自动完成：★成批地把输入机上的用户作业读入磁带，★依次把磁带上的用户作业读入主机内存并执行并把计算结果向输出机输出。★完成了上一批作业后，监督程序又从输入机上输入另一批作业，保存在磁带上，并按上述步骤重复处理。优：监督程序不停地处理各个作业，从而★实现了作业到作业的自动转接，★减少了作业建立时间和手工操作时间，有效克服了人机矛盾，提高了计算机的利用率。缺：在作业输入和结果输出时，主机的高速CPU仍处于空闲状态，等待慢速的输入/输出设备完成工作：主机处于“忙等”状态。★改进2）脱机批处理系统★为克服与缓解：高速主机与慢速外设的矛盾，提高CPU的利用率，又引入了脱机批处理系统，★脱机：输入/输出脱离主机控制。如图5所示。★增加一台卫星机：不与主机直接相连而专门用于与输入/输出设备打交道。★其功能是：（1）从输入机上读取用户作业并放到输入磁带上。（2）从输出磁带上读取执行结果并传给输出机。★这样，主机：不直接与慢速的输入/输出设备打交道，而与速度相对较快的磁带机发生关系，有效缓解了主机与设备的矛盾。★主机与卫星机可并行工作，二者分工明确，可以充分发挥主机的高速计算能力。监督程序输入机卫星机输出机高速磁带高速磁带主机图5脱机批处理系统★脱机批处理系统:★优：极大缓解了人机矛盾及主机与外设的矛盾。IBM-7090/7094：配备的监督程序就是脱机批处理系统，是现代操作系统的原型。★缺：每次主机内存中仅存放一道作业，每当它运行期间发出输入/输出（I/O）请求后，高速的CPU便处于等待低速的I/O完成状态，致使CPU空闲。★为改善CPU的利用率，又引入了多道程序系统。3.多道程序系统1）多道程序设计技术★所谓多道程序设计技术，就是：允许多个程序同时进入内存并运行。即：★同时把多个程序放入内存，并允许它们交替在CPU中运行，它们共享系统中的各种硬、软件资源。当一道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一道程序。★单道程序与多道程序的运行过程如图6和图7所示。★在A程序计算时，I/O空闲，★A程序I/O操作时，CPU空闲（B程序也是同样）；★必须A工作完成后，B才能进入内存中开始工作，★两者是串行的，全部完成共需时间=T1+T2。★改进A程序计算AI/O请求A计算B程序计算BI/O请求B计算T1T2AI/O操作BI/O操作CPU工作I/O工作图6单道程序工作示例★可将A、B两道程序同时存放在内存中，它们在系统的控制下，可相互穿插、交替地在CPU上运行：★当A程序因请求I/O操作而放弃CPU时，B程序就可占用CPU运行，这样：★CPU不再空闲，而正进行AI/O操作的I/O设备也不空闲，★显然，CPU和I/O设备都处于“忙”状态，★大大提高了资源的利用率，从而也提高了系统的效率,★A、B全部完成所需时间T1+T2。T2AI/O请求BI/O请求BI/O操作A计算B计算A计算B计算T1AI/O操作CPU工作图7多道程序工作示例★多道程序设计技术优：使CPU得到充分利用，改善I/O设备和内存的利用率，提高了整个系统的资源利用率和系统吞吐量（单位时间内处理作业（程序）的个数）提高了整个系统的效率。★单处理机系统中多道程序运行时的特点：（1）多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序；（2）宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕；（3）微观上串行：实际上，各道程序轮流地用CPU，交替运行。2）多道批处理系统(1.4.1)★20世纪60年代初期，在前述的批处理系统中，引入多道程序设计技术后形成多道批处理系统（简称：批处理系统）。★两个特点：（1）多道：系统内可同时容纳多个作业。这些作业放在外存中，组成一个后备队列，系统按一定的调度原则每次从后备作业队列中选取一个或多个作业进入内存运行，运行作业结束、退出运行和后备作业进入运行均由系统自动实现，从而在系统中形成一个自动转接的、连续的作业流。（2）成批：在系统运行过程中，不允许用户与其作业发生交互作用，即：作业一旦进入系统，用户就不能直接干预其作业的运行。★批处理系统的追求目标：提高系统资源利用率和系统吞吐量，以及作业流程的自动化。★批处理系统的一个重要缺点：不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。★用户欢迎：手工操作阶段的联机工作方式。用户独占全机资源，并且直接控制程序的运行，可以随时了解程序运行情况。★但：这种工作方式因独占全机造成资源效率极低。★一种新的追求目标：既能保证计算机效率，又能方便用户使用计算机。★20世纪60年代初/中期，计算机技术和软件技术的发展使这种追求成为可能。4.分时系统(1.4.2)★由于：CPU速度不断提高、采用分时技术。★一台计算机可同时连接多个用户终端，★而每个用户可在自己的终端上联机使用计算机，好象自己独占机器一样。见图8所示。分时技术：把处理机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联机作业使用。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一作业使用，等待下一轮时再继续其运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转得很快，给每个用户的印象是，好象他独占了一台计算机。而每个用户可以通过自己的终端向系统发出各种操作控制命令，在充分的人机交互情况下，完成作业的运行。终端终端终端终端主机用户用户用户用户………………图8分时系统★具有上述特征的计算机系统称为分时系统，其允许多个用户同时联机使用计算机。★特点有4(课本上是前3点)：（1）多路性。若干个用户同时使用一台计算机。微观上看是各用户轮流使用计算机；宏观上看是各用户并行工作。（2）交互性。用户可根据系统对请求的响应结果，进一步向系统提出新的请求。这种能使用户与系统进行人机对话的工作方式，明显地有别于批处理系统，因而，分时系统又被称为交互式系统。（3）独立性。用户之间可以相互独立操作，互不干扰。系统保证各用户程序运行的完整性，不会发生相互混淆或破坏现象。（4）及时性(补充)。系统可对用户的输入及时作出响应。分时系统性能的主要指标之一是响应时间，它是指：从终端发出命令到系统予以应答所需的时间。★分时系统的主要目标：对用户响应的及时性，即：不至于用户等待每一个命令的处理时间过长。★分时系统：可以同时接纳数十个甚至上百个用户，★由于内存空间有限，往往采用对换（又称交换）方式的存储方法。即：将未“轮到”的作业放入磁盘，一旦“轮到”，再将其调入内存；而时间片用完后，又将作业存回磁盘（俗称“滚进”、“滚出“法），使同一存储区域轮流为多个用户服务。★多用户分时系统是当今计算机操作系统中最普遍使用的一类操作系统。5.实时系统(1.4.3)★多道批处理系统和分时系统：能获得较令人满意的资源利用率和系统响应时间，不能满足实时控制与实时信息处理两个应用领域的需求★实时系统：系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。★实时系统在一个特定的应用中常作为一种控制设备来使用:物理设备模数转换数模转换计算机状态控制实时系统可分成两类：（1）实时控制系统。当用于飞机飞行、导弹发射等的自动控制时，要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据，及时地对飞机或导弹进行控制，或将有关信息通过显示终端提供给决策人员。当用于轧钢、石化等工业生产过程控制时，也要求计算机能及时处理由各类传感器送来的数据，然后控制相应的执行机构。（2）实时信息处理系统。当用于预定飞机票、查询有关航班、航线、票价等事宜时，或当用于银行系统、情报检索系统时，都要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。此类对响应及时性的要求稍弱于第一类。实时操作系统的主要特点：（1）及时性。每一个信息接收、分析处理和发送的过程必须在