操作系统第一章详解(考研)

第一章操作系统引论第一章操作系统引论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操作系统的基本特征1.4操作系统的主要功能1.5操作系统的结构设计第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用操作系统(OperatingSystem,缩写OS)：是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理的对各类作业进行调度，以及方便用户使用计算机的程序的集合。（书P9）第一章操作系统引论1.1.1操作系统的目标有效性：提高系统资源的利用率；提高系统的吞吐量（指系统在单位时间内所完成的总工作量）。方便性：配置操作系统后可使计算机系统更容易使用。第一章操作系统引论1.1.1操作系统的目标（续）可扩充性：为了适应计算机硬件和体系结构的迅速发展以及不断扩大的应用要求，现代OS应采用新的OS结构，如微内核和客户服务器模式，以便于方便地增加新的功能和模块，并能修改老的功能和模块。开放性：指系统能遵循世界标准规范，特别是开放系统互连(OSI)国际标准。凡遵循国际标准所开发的硬件和软件，均能彼此兼容，可方便地实现互连。第一章操作系统引论1.1.2操作系统的作用用户的观点：OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口。资源管理的观点：OS作为计算机系统资源的管理者。扩充机器的观点：OS实现了对计算机资源的抽象，隐藏了对硬件操作的细节，使用户能更方便地使用机器。（虚拟机）第一章操作系统引论1.1.2操作系统的作用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。第一章操作系统引论用户通过以下三种方式使用计算机：(1)命令方式：由OS提供了一组联机命令，允许用户通过键盘输入有关命令，来取得OS的服务，并控制用户程序的运行。（用户接口）(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，来实现与OS的通信，并取得它的服务。（程序接口）(3)图形、窗口方式：用户通过屏幕上的窗口和图标来实现与OS的通信，并取得它的服务。（用户接口）第一章操作系统引论图1-1OS作为接口的示意图用户应用程序系统调用命令图标、窗口操作系统计算机硬件第一章操作系统引论2.OS作为计算机系统资源的管理者计算机系统资源：硬件：处理器存储器I/O设备软件：信息（数据和程序）操作系统：处理器(进程)管理存储器管理设备管理文件管理操作系统如何管理这些资源呢：跟踪资源状况、分配资源、回收资源、保护资源第一章操作系统引论3.OS实现了对计算机资源的抽象图1-2I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节物理接口硬件用户用户I/O软件物理接口硬件机器指令虚机器I/O操作命令(Read，Write)裸机第一章操作系统引论3.OS实现了对计算机资源的抽象同样，可以再覆盖一层用于文件管理的软件，由它来实现对文件操作的细节，并向上提供一组对文件进行存取操作的命令，方便用户对文件进行存取。由此可见，OS是铺设在计算机硬件上的多层系统软件，它们不仅增强了系统的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，由它们实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象。第一章操作系统引论3.OS实现了对计算机资源的抽象裸机：完全无软件的计算机系统虚机器（扩充机器）：覆盖了软件的机器。虚机器向用户提供了一个对硬件操作的抽象模型，用户可利用抽象模型提供的接口使用计算机，而无需了解物理接口实现的细节，从而使用户更容易地使用计算机硬件资源。第一章操作系统引论1.1.3推动操作系统发展的主要动力“需求推动发展”1)不断提高资源的利用率——多道批处理系统、SPOOLing、虚拟存储器技术2)方便用户——支持人机交互的分时（多用户）系统、图形用户界面3)器件的不断更新换代4)计算机体系结构的不断发展第一章操作系统引论1.2操作系统的发展过程20世纪50年代中期：单道批处理OS20世纪60年代中期：多道批处理系统分时系统实时OS20世纪80年代—21世纪初：微机OS、多处理机OS、网络OS、分布式OS、嵌入式OS第一章操作系统引论1.2操作系统的发展过程1.2.1无操作系统-人工操作1.2.2单道批处理系统(simplebatchprocessing)1.2.3多道批处理系统(multiprogrammingsystem)1.2.4分时系统(time-sharingsystem)1.2.5实时系统(real-timesystem)1.2.6操作系统的进一步发展第一章操作系统引论1.2.1人工操作方式工作方式由程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据)的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡片输入机)，再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。特点：用户独占全机CPU等待人工操作1946~50年代中期第一章操作系统引论人工操作阶段主要矛盾人机矛盾CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾第一章操作系统引论脱机输入/输出(Off-LineI/O)方式脱机输入输出(Off-lineInputandOutput)技术：指在一台外围机的控制下，预先将程序和数据从低速输入设备输入到磁盘(带)，当CPU需要这些程序和数据时再从磁盘上高速地调入内存。类似地，当CPU需要输出时，先高速地将数据写入磁盘，然后在一台外围机的控制下，通过低速输出设备进行输出。第一章操作系统引论外围机：专门用于与I/O设备打交道，完成面向用户的输入输出（纸带或卡片），中间结果暂存在磁带或磁盘上。外围机（卫星机）第一章操作系统引论输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备图1-2脱机I/O示意图优点：（1）减少了CPU的空闲时间。（2）提高I/O速度。第一章操作系统引论1.2.2单道批处理系统(SimpleBatchProcessingSystem)50年代中期批处理技术：指在系统中配置一个监督程序，并在该监督程序的控制下，能够对脱机输入到磁带(盘)上的一批作业自动进行处理的一种技术。监督程序是OS的雏形。早期采用批处理技术的系统，由于在内存中只能存放一道作业，因而称为单道批处理系统。批处理系统中作业的组成：用户程序、数据、作业说明书用户使用作业控制语言事先写好的，用于控制作业的执行。第一章操作系统引论图1-3单道批处理系统的处理流程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一章操作系统引论单道批处理系统的特征通过脱机输入/输出技术和批处理技术，单道批处理系统提高了系统资源的利用率。特征：(1)自动性(2)顺序性(3)单道性第一章操作系统引论1.2.3多道批处理系统1.多道程序设计的基本概念多道程序设计技术：指在内存中同时存放若干个作业，使它们共享系统资源并同时运行的技术。多道批处理系统(MultiprogrammedBatchProcessingSystem)：采用多道程序设计技术的批处理系统。60年代中期第一章操作系统引论在多道批处理系统中，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调度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。第一章操作系统引论图1-4单道和多道程序运行情况t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O完成启动I/OI/O中断请求I/O完成启动I/OI/O中断请求用户程序监督程序I/O操作(a)单道程序运行情况程序A程序AI/O请求程序AI/O完成程序B程序BI/O请求程序C程序CI/O请求程序D程序DI/O请求CI/O完成C再被调度程序BI/O完成程序A再被调度程序A程序B程序C程序D调度程序(b)四道程序运行情况A完成结束中断第一章操作系统引论引入多道程序设计技术带来的好处(1)提高CPU的利用率在单处理机环境下，多个作业在宏观上同时运行，在微观上交替执行。(2)可提高内存和I/O设备利用率(3)增加系统吞吐量系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。第一章操作系统引论2.多道批处理系统的特征(1)多道性(2)无序性(3)调度性（作业调度，进程调度）第一章操作系统引论3.多道批处理系统的优缺点(1)资源利用率高（CPU、内存、I/O）(2)系统吞吐量大(3)平均周转时间长作业周转时间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(4)无交互能力第一章操作系统引论4.多道批处理系统需要解决的问题(1)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为解决上述问题，应增加这样一组软件：控制和管理四大资源的软件，合理地对各类作业进行调度的软件，以及方便用户使用计算机的软件。第一章操作系统引论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主要动力，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，则是用户的需求。用户的需求具体表现在以下几个方面：(1)人—机交互。(2)共享主机。(3)便于用户上机。第一章操作系统引论主机终端图1-5分时系统示意图第一章操作系统引论分时系统分时系统是指在一台主机上连接有多个带显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。第一章操作系统引论2.分时系统实现中的关键问题关键：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及时处理该命令，再将结果返回给用户。应强调指出，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。配置多路卡，配置缓冲区(2)及时处理。划分时间片第一章操作系统引论时间片将CPU的时间划分成若干个片段,称为时间片，操作系统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务。第一章操作系统引论响应时间响应时间是分时系统的重要指标，它是从用户发出终端命令到系统作出响应之间的时间间隔。假设分时系统中用户数为n，每个用户的运行时间片为q，则系统的响应时间为T＝n×q。第一章操作系统引论一台主机连接多个终端，能同时为多个用户服务多路性交互性独立性及时性用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话每个用户各占一个终端，独立工作，互不干扰。5.分时系统的特征系统按人们所能接受的等待时间（2-3秒）及时响应用户的请求第一章操作系统引论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，并控制所有实时任务协调一致地运行。第一章操作系统引论1.应用需求实时控制（生产过程控制、武器控制等）实时信息处理（早期的订票系统、情报检索系统等）第一章操作系统引论2.实时任务1)按任务执行时是否呈现周期性来划分周期性实时任务。非周期性实时任务。(截止时间)①开始截止时间——任务在某时间以前必须开始执行；②完成截止时间——任务在某时间以前必须完成。第一章操作系统引论2)根据对截止时间的要求来划分(1)硬实时任务(hardreal-timetask)。系统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。第一章操作系统引论3.实时系统与分时系统的特征比较多路性：实时信息处理系统与分时系统一样具有多路性，即系统能同时为多个终端用户服务；而实时控制系统的多路性体现在：系统经常对多路的现场信息进行采集，以及对多个对象或多个执行机构进行控制。独立性：实时信息处理系统与分时系统一样具有独立性，每个终端用户可独立地向实时系统提出服务请求，彼此互不干扰；而实时控制系统对信息的采集和对对象的控制也能独立进行、彼此互不干扰，因此也具有独立性。第一章操作系统引论