操作系统原理第1章

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操作系统的基本特性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引入：1、计算机系统的组成控制器中央处理器（CPU）运算器只读存储器（ROM）硬件系统内存储器存储器随机存储器（RAM）外存储器：软盘、硬盘、光盘驱动器、USB等输入设备：键盘、鼠标、光笔、扫描仪、话筒、摄像头等计算机系统输出设备：显示器、打印机、音箱等操作系统系统软件程序设计语言软件系统系统服务程序应用软件各种应用程序：如文字处理、图像处理及用户为特殊用途设计的各种程序第一章操作系统引论引入：2、计算机系统的层次结构第一章操作系统引论引入：3、实用操作系统•Windows系列第一章操作系统引论•Linux(Fedora)第一章操作系统引论其他实用操作系统•IBMSystem/360：1964年IBM•MULTICS（MULTiplexedInformationandComputingService）操作系统：1965-2000年•Unix：1969年贝尔实验室•MSDOS：1981-1994年微软•MACOS：1984年Apple公司第一章操作系统引论你还了解其他操作系统吗？•有线电视机顶盒领域PowerTV•掌上计算机领域Palmos，Windowsmobile•数字影像领域Digita•手机Symbian，SmartPhone，PalmOS•嵌入式Linux：uClinux，MontaVistaLinux，LynxOS第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用1.1.1操作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1.有效性2.方便性3.可扩充性4.开放性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作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：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。第一章操作系统引论•作为用户与计算机硬件系统之间的接口图1－1OS作为接口的从层状示意图计算机硬件操作系统系统调用，命令，图标，窗口应用程序及实用程序系统设计者程序员用户作为用户,你目前会通过几种方式使用计算机?第一章操作系统引论(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。第一章操作系统引论2.OS作为计算机系统资源的管理者在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和软件资源。归纳起来可将资源分为四类：处理器存储器I/O设备信息(数据和程序)相应地，OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理。事实上，当今世界上广为流行的一个关于OS作用的观点，正是把OS作为计算机系统的资源管理者。第一章操作系统引论3.OS用作扩充机器，对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机)，即使其功能再强，也必定是难于使用的。如果我们在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件，用户便可利用它所提供的I/O命令，来进行数据输入和打印输出。在第一层软件上继续覆盖文件管理软件/窗口管理软件…………此时用户所看到的机器，将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。第一章操作系统引论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)图1-2I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节3、OS实现了对计算机资源的抽象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1.不断提高计算机资源利用率2.3.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1.2.1无操作系统的计算机系统1.人工操作方式由用户(即程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即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。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：(1)用户独占全机。(2)CPU等待人工操作。第一章操作系统引论•第一台计算机：ENIAC，美国，1946年。它是为了解决新武器研发中有关弹道问题的许多复杂计算而研制的（由需求引发）。•它采用电子管作为计算机的基本元件，由18000多个电子管，1500多个继电器，10000多只电容器和7000多只电阻构成，占地170m2，重量30吨，每小时耗电30万千瓦,是一个庞然大物，每秒能进行5000次加法运算。由于它使用电子器件来代替机械齿轮或电动机械进行运算，并且能在运算过程中不断进行判断，作出选择，过去需要100多名工程师花费1年才能解决的计算问题，它只需要2个小时就能给出答案。第一章操作系统引论2.脱机输入/输出(Off-LineI/O)这种脱机I/O(1)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图1-2脱机I/O示意图第一章操作系统引论2．脱机输入/输出方式20世纪50年代末出现了脱机输入/输出(Off-LineI/O)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(或卡片机)，在一台外围机的控制下，把纸带(卡片)上的数据(程序)输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上将其高速地调入内存。第一章操作系统引论1.2.2单道批处理系统1.单道批处理系统(SimpleBatchProcessingSystem)的处理过程图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2.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。(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60年代中期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)。在该系统中，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。第一章操作系统引论在OS(1)提高CPU的利用率。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(2)可提高内存和I/O设备利用率。(3)增加系统吞吐量。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。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。(2)系统吞吐量大。(3)平均周转时间长。(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。第一章操作系统引论•操作系统定义操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。第一章操作系统引论1.2.4分时系统1.分时系统(Time-SharingSystem)分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型OS。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。用户的(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•分时系统是指在一台主机上连接了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终端,以交互式使用计算机,共享主机中的资源.第一章操作系统引论分时系统示意图经常应用于查询系统中，满足许多查询用户的需要第一章操作系统引论2.分时系统实现中的关键问题为实现分时系统，其中，最关键的问题是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。此后，用户可继续键入下一条命令，此即人—机交互。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，(1)及时接收。(2)及时处理。第一章操作系统引论3.分时系统的特征(1)多路性。(2)独立性。(3)及时性。(4)交互性。第一章操作系统引论1.2.5实时系统所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(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。1.应用需求(1)实时控制。(2)实时信息处理。第一章操作系统引论2.实时任务1)(1)周期性实时任务。(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：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)(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几种操作系统的比较多道批处理系统分时系统实时系统CPU时间分配作业运行时独占时间段分时事件发生时立即分配内存同时存放多批作业同时存放多道程序存放预置的事件处理程序响应时间运行期间不响应及时响应立即响应特殊要求极大的资源利用率公平面向多用户高可靠性面向用户群委托用户普通用户定向用户第一章操作系统引论1.2.6微机操作系统的发展1．单用户单任务操作系统单用户单任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。这是最简单的微机操作系统，主要配置在8位和16位微机上。最有代表性的单用户单任务微机操作系统是CP/M和MS-DOS。第一章操作系统引论2．单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。目前在32位微机上配置的操作系统基本上都是单用户多任务操作系统，其中最有代表性的是由微软公司推出的Windows。第一章操作系统引论WindowsVista是微软Windows操作系统的一个版本。微软最初在2005年7月22日正式公布了这一名字，之前操作系统开发代号Longhorn。WindowsVista的内部版本是6.0（即WindowsNT6.0），正式版的Build是6.0.6000。在2006年11月8日，WindowsVista开发完成并正式进入批量生产。此后的两个月仅向MSDN用户、电脑软硬件制造商和企业客户提供。在2007年1月30日，WindowsVista正式对普通用户出售，同时也可以从微软的网站下载。WindowsVista距离上一版本WindowsXP已有超过五年的时间，这是Windows版本历史上间隔时间最久的一次发布第一章操作系统引论•正式