操作系统ppt

第1章操作系统概论•操作系统的概念•操作系统的基本特性•研究操作系统的几种观点•操作系统的发展过程•著名的操作系统•操作系统的分类•操作系统的功能第1章操作系统概论一、操作系统的目标与作用计算机系统由硬件和软件组成操作系统在硬件基础上的第一层软件是其他软件和硬件之间的接口计算机系统的组成硬件系统（裸机）：CPU、存储器（主存、辅存）、I/O软件系统：系统软件、应用软件系统软件：管理计算机本身的操作。如操作系统、编译系统应用软件：提供给用户进行工作。如，科学计算、事务管理、办公软件计算机硬件操作系统系统工具应用软件应用用户应用开发人员操作系统开发人员操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）虚拟机器计算机系统的层次结构操作系统做什么？#includestdio.hintmain(intargc,char*argv[]){puts(helloworld);return0;}用户告诉操作系统执行hello程序操作系统找到该程序，检查其类型检查程序首部，找出正文和数据的地址文件系统找到第一个磁盘块父进程需要创建一个新的子进程，执行hello程序操作系统需要将执行文件映射到进程结构操作系统设置CPU上下文环境，并跳到程序开始处程序的第一条指令执行，失败，缺页中断发生操作系统分配一页内存，并将代码从磁盘读入，继续执行更多的缺页中断，读入更多的页面操作系统检查字符串的位置是否正确操作系统找到字符串被送往的设备设备是一个伪终端，由一个进程控制操作系统将字符串送给该进程该进程告诉窗口系统它要显示字符串窗口系统确定这是一个合法的操作，然后将字符串转换成像素窗口系统将像素写入存储映像区视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器（重画屏幕）显示器发射电子束你在屏幕上看到helloworld程序执行系统调用，在文件描述符中写一字符串操作系统的工作（1）程序的执行负责启动每个程序，以及结束程序的工作（2）完成与硬件有关的工作（3）完成与应用无关的工作易于使用，统一性，基本服务（4）计算机系统的效率与安全问题硬件相关：应用程序-----------------------虚拟机器界面操作系统-----------------------物理机器界面硬件假如没有操作系统？怎样输出打印结果？→程序员必须对二进制程序操作从二极发光管读答案硬件相关（续1）：指实现代码中包含存储器的物理地址，包含对设备接口寄存器和设备接口缓冲区的读写等等实现该工作的过程代码和硬件因素密切相关，即需要设置与测试、使用物理地址、设备接口寄存器等等硬件相关必然复杂繁琐、代码量大硬件相关的工作，其实现代码不通用硬件相关（续2）：由于操作系统承担了上述工作，在其之上的各类程序就没有必要直接同硬件打交道了。硬件改变时，操作系统相应变化即可，其他的程序不用作出改变硬件相关还表现在有关硬件的状态必定带来对应代码的变化与应用无关：是指操作系统提供的工作是任何一个程序都需要的、最基本的工作它们具有统一性，工作过程相同与具体应用无直接关系，即与用户所关心的应用目标无直接关系操作系统的目标☺执行用户程序并使用户问题更易解决。以一种有效的方式使用资源（有效性—程序员的观点）。使计算机系统更易于使用（方便性--用户的观点）。现代OS新的结构,易于功能的增、删、改（可扩充性）。各种类型的计算机硬件设备，出自不同的厂家，能够正确、有效地协同工作（开放性）。操作系统的作用（1）OS作为用户/软件与计算机硬件系统之间的接口命令方式系统调用方式图形、窗口方式操作系统的作用（2）OS作为计算机系统资源的管理者管理对象包括：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）；管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）……操作系统的作用（3）OS实现了对计算机资源的抽象在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对CPU）；即OS用作扩充机器(extendedmachine)/虚拟机(virtualmachine)。二、操作系统的定义操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合——这些模块能以有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行有效：系统效率，资源利用率（如：CPU利用的充足与否，内存、外部设备是否忙碌）合理：公平与否，如果不公平则会产生“死锁”或“饥饿”方便：两种角度：用户界面编程接口三、操作系统的基本特征并发(concurrence)共享(sharing)虚拟(virtual)异步性(asynchronism)并发(concurrence)(1)并发：指在计算机系统中同时存在着多道运行的程序（进程）宏观上：多道程序同时在执行微观上：任何时刻只有一道程序在执行，即微观上多道程序在CPU上轮流（交替）执行（单机）并行(parallel)：与并发相似，指多道程序在同一时刻执行，但需多个硬件支持。并发(concurrence)(2)引入进程程序和进程：在多道程序系统中，程序不能独立运行，更不能和其它程序并发执行。引入进程的目的，就是为了使多个程序并发执行。引入线程进程是OS中拥有资源并独立运行的基本单位。引入线程后，把进程作为分配资源的基本单位，把线程作为独立运行和独立调度的基本单位，进一步提高系统的并发性。并发(concurrence)(3)1、程序的并发执行能有效改善系统资源的利用率，但使系统复杂化，因此操作系统必须对并发活动进行控制和管理。2、并发是操作系统最重要的特征，其它特征均以并发为前提。共享(sharing)并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，二者互为存在条件：资源的共享是以程序（进程）的并发执行为条件。程序的并发执行也以资源的共享为条件。指系统中的资源不再为某道程序所独占，而是供多道程序共同使用。资源共享方式：互斥共享方式（打印机）、同时访问方式（磁盘）虚拟(virtual)通过某种技术把一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体——分时（时分复用技术）或分空间（空分复用技术）。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。如：虚拟处理机（分时）、虚拟设备（分时）、虚拟磁盘（分空间）、虚拟存储器（分空间、分时）异步性(asynchronism)也称不确定性，指进程在执行中，其执行时间、顺序、向前推进的速度和完成的时间等都是不可预知的。只要在OS中配置有完善的进程同步机制，且运行环境相同，作业经多次运行都会获得完全相同的结果。所以，异步运行方式是允许的，是OS的一个重要特征。四、研究操作系统的几种观点作为软件来看的观点资源管理的观点进程的观点虚机器观点服务提供者观点1.作为软件来看的观点软件的特性外在特性：软件是种语言,是界面界面:使用方式（命令,系统调用等)内在特性：软件的结构a.由有几部分组成b.每个部分的功能c.部分之间的关系2.资源管理的观点操作系统---资源管理者实现资源共享/方便使用提高资源利用率硬件资源：CPU，内存，外部设备(I/O设备，外存，时钟，网络接口等)软件资源：硬盘上的文件，信息管理资源记录资源使用状况如哪些资源空闲，好坏与否，被谁使用,使用多长时间等合理的分配资源静态分配策略(在程序运行前分配，但效率不高)动态分配策略(在程序运行过程中何时用资源，何时分配。其缺点是会出现死锁)具体完成分配回收资源操作系统功能CPU(进程)管理存储管理文件管理设备管理处理机管理完成处理机资源的分配调度等功能注：处理机的分配和运行以进程为基本单位，因此对处理机的管理可归结为对进程的管理进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等－－主动改变进程的状态进程同步：协调并发进程之间的推进步骤，以协调资源共享；－－交换信息能力弱进程通信：进程之间传送数据，以协调进程间的协作；－－交换信息能力强，也可以用来协调进程之间的推进进程调度：作业和进程的运行切换，以充分利用处理机资源和提高系统性能；－－未必是进程控制操作所引起（可能是时间片轮转、I/O操作）同一类型内的公平性、高效率（吞吐量大）、作业周转时间等存储管理存储分配与回收存储保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如：访问合法性检查、甚至要防止从垃圾中窃取其他进程的信息地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地址的映射内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存利用率、扩大进程的内存空间管理目标：提高利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、方便进程并发运行设备管理设备操作：利用设备驱动程序（通常在内核中）完成对设备的操作。设备独立性：提供统一的I/O设备接口，使应用程序独立于物理设备，提高可适应性设备分配与回收：在多用户间共享I/O设备资源虚拟设备：设备由多个进程共享，每个进程如同独占缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率（单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区）设备管理的目标是：方便的设备使用、提高CPU与I/O设备利用率文件管理文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能目录管理：解决信息检索问题。文件的属性（如文件名）、单一副本赋予多文件名文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。系统设口令、用户分类、文件权限软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和拆除等解决软件资源的存储、共享、保密和保护用户接口操作系统向上提供两种接口：系统命令：命令行、菜单式或GUI（联机）；命令脚本（脱机）编程接口：供用户程序和系统程序调用操作系统功能。系统调用和高级语言库函数目标：提供一个友好的用户访问操作系统的接口3.进程的观点从操作系统运行的角度动态的观察操作系统从这个观点来看：操作系统是由一些可同时独立运行的进程和一个对这些进程进行协调的核心组成4.虚机器观点从操作系统内部结构来看：把操作系统分成若干层1.每一层完成其特定功从而构成一个虚机器，并对上一层提供服务2.通过逐层功能扩充,最终完成整个操作系统虚机器3.最后，操作系统虚机器向用户提供各种功能,完成用户请求5.服务提供者的观点在操作系统之外从用户角度来看：操作系统为用户提供一组功能强大的、方便易用的命令或系统调用五、操作系统的发展过程•无操作系统的计算机系统人工操作方式脱机输入输出方式•批处理系统单道批处理系统多道批处理系统•分时系统•实时系统•微机操作系统•多处理机操作系统•网络操作系统•分布式操作系统•嵌入式操作系统推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力不断提高计算机资源利用率的需要方便用户器件的不断更新换代计算机体系结构的不断发展无操作系统的计算机系统（1）人工操作方式工作流程：（1）由程序员事先穿孔（对应程序和数据）（2）将穿孔的纸带（卡片）装入纸带（卡片)输入机（3）再启动输入机将程序和数据输入计算机，（4）然后启动计算机运行（5）运行完毕取走计算机结果（6）下一位用户人工操作方式带来的矛盾及解决方法缺点：（1）用户独占全机（资源浪费）（2）CPU等待人工操作：装入、取走时CPU及内存等资源空闲。矛盾人机矛盾即人工操作方式与机器利用率的矛盾CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾解决方法缓冲技术脱机输入输出方式（2）脱机输入/输出方式（off-LineI/O）工作流程：（示意图）优点：（1）减少了CPU的空闲时间。（2）提高了I/O速度（与高速的磁盘打交道）输入设备外围机外存输出设备主机外存外存外存外围机高速高速单道批处理系统1、工作流程：（1）作业合成一批输入到外存上，同时在系统中配上监控程序。（2）monitor将作业逐个送入内存并运行。2、特征：（1）自动性（2）顺序性（3）单道性3、优点：减少了人工操作的时间，提高机器的利用率和系统吞吐量。4、缺点：