计算机操作系统_第1章_引论new11

操作系统南京工业大学信息学院刘联欢工大计算机系计算机操作系统2第1章操作系统引论操作系统（OperatingSystem,OS）是计算机硬件上的第一层软件，是计算机必须配置的最基本、最重要的系统软件。1.1OS的目标和作用1.2OS的发展过程1.3操作系统的类型1.4操作系统的特征1.5操作系统的主要功能工大计算机系计算机操作系统31.1OS的目标和作用1．方便性：可使计算机系统更容易使用2．有效性：有效提高CPU和I/O设备利用率合理地组织计算机的工作流程，从而改善资源的利用率和提高系统的吞吐量方便性和有效性是设计OS的两个最重要的目标1.1.1OS的目标工大计算机系计算机操作系统43．可扩展性计算机硬件和体系结构的发展，对OS提出了更高的功能和性能要求计算机网络，特别是Internet的发展，也对OS提出了一系列更高的要求1.1.1OS的目标OS必须具有良好的可扩充性，方能适应发展的要求（为什么要有可扩充性？）OS应采用层次结构（如何才有可扩充性？）以便增加新的功能层次和模块并能修改老的功能层次和模块工大计算机系计算机操作系统54．开放性为什么要有开放性？计算机网络，特别是LAN的迅速发展，使OS的应用环境由单机转向网络环境。为使不同厂家的计算机和设备能通过网络加以集成化，并能正确、有效地协同工作，实现应用的可移植性和互操作性，必须具有统一的开放环境，进而要求OS具有开放性。什么是开放性？开放性是指系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连（OSI）国际标准。工大计算机系计算机操作系统6从用户观点看，OS是用户和计算机硬件系统之间的接口从资源管理观点看，OS是计算机系统资源（软、硬）的管理者1.1.2OS的作用1．OS作为用户和计算机硬件系统的接口2．OS作为计算机资源的管理者3．OS用作扩充机器作用:工大计算机系计算机操作系统71.OS作为用户和计算机硬件系统的接口(用户接口)用户系统调用命令窗口操作系统应用程序计算机硬件图1-1操作系统作为用户接口示意图用户可以通过三种方式使用计算机：命令方式（键盘命令）图标、窗口方式（GUI）系统调用方式（程序接口）操作接口1.1.2OS的作用工大计算机系计算机操作系统8计算机系统资源可归结为四类：处理器、存储器、I/O设备、信息（数据和程序）OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效管理：2.OS作为计算机资源的管理者处理机管理：分配和控制处理机存储器管理：主要是内存分配和回收I/O设备管理：I/O设备的分配与操纵文件管理：文件的存取、共享和保护1.1.2OS的作用工大计算机系计算机操作系统9完全无软件的计算机——裸机。“裸机”难于使用。覆盖了软件的机器称为扩充机或虚拟机。裸机上覆盖了OS后，便获得一台功能显著增强、使用极为方便的多层扩充机（或多层虚拟机）3.OS用作扩充机器虚拟性是OS的基本特征之一1.1.2OS的作用工大计算机系计算机操作系统10•操作系统的定义操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，以及方便用户使用的程序的集合。无统一的定义工大计算机系计算机操作系统111.2OS的发展过程20世纪50年代中期，第一个简单的批处理系统60年代中期，多道程序批处理系统，随后出现分时系统80-90年代，微型机、多处理机、计算机网络大发展年代→微机OS、多处理机OS和网络OS的形成和大发展年代。工大计算机系计算机操作系统121.2.1无OS的计算机系统人工操作方式脱机输入/输出（Off-LineI/O）方式（20世纪50年代末）这一时期有两种操作方式：工大计算机系计算机操作系统131.2.2单道批处理系统单道批处理系统的特征：（1）自动性在磁带上的作业能自动地逐个地依次运行，而无需人工干预。（2）顺序性（3）单道性磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序相同，即先调入内存的作业先完成。在内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。工大计算机系计算机操作系统141.2.3多道批处理系统多道程序设计的基本概念20世纪60年代中期用户提交的作业事先存放在外存上，形成“后备队列”作业调度程序按一定算法从后备队列中选择若干作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。好处：（1）提高CPU利用率（2）提高内存和I/O设备利用率（3）增加系统吞吐量工大计算机系计算机操作系统151.2.4分时系统分时系统——是指在一台主机上连接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，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。工大计算机系计算机操作系统161.2.4分时系统(2)分时系统（Time-SharingSystem）的特点（1）同时性（2）交互性（3）独立性（4）及时性工大计算机系计算机操作系统171.2.5实时系统实时系统（Real-TimeSystem）——是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。定义：工大计算机系计算机操作系统181.2.6推动OS发展的主要动力1．不断提高计算机资源利用率。最初发展的动力。批处理系统2．方便用户继续发展的因素分时系统（或称多用户系统）3．器件的不断更新换代8位机→16位机→32位机4．计算机体系结构的不断发展单机系统→多处理机系统：单机OS→多处理机OS计算机网络：网络OS工大计算机系计算机操作系统191.3操作系统的类型1.批处理系统2.分时系统5.网络操作系统3.实时系统4.嵌入式操作系统6.分布式操作系统工大计算机系计算机操作系统201.4操作系统的特征1并发性（Concurrence）OS最重要的特征，其它三个特征都以并发为前提的。并行与并发：并行性——两个或多个事件在同一时刻发生。并发性——两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却只能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。若计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执行的程序可被分配到多个处理机上，实现并行执行。工大计算机系计算机操作系统212共享性（sharing）共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用。允许在一段时间内由多个进程“同时”对它进行访问。这里所说的“同时”往往是宏观上的，而微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。共享资源工大计算机系计算机操作系统22并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们是互为存在条件的。资源的共享是以进程的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。工大计算机系计算机操作系统233.虚拟性（Virtual）虚拟——是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。OS中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等。工大计算机系计算机操作系统244不确定性（Asynchronism）由于资源等因素的限制，使进程的执行通常不是“一气呵成”，而是以“停停等等”的方式运行。内存中的每个进程在何时能获得处理机运行，何时又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度向前推进，每道程序总共需要多少时间才能完成等等，都是不可预知的。进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的不确定性。工大计算机系计算机操作系统251.5操作系统的主要功能处理机管理功能存储器管理功能设备管理功能文件管理功能用户接口工大计算机系计算机操作系统261.5操作系统的主要功能(2)处理机管理功能在传统的多道程序设计系统中，处理机的分配和运行，都是以进为基本单位的，因而对处理机的管理，可以归结为对进程的管理。在引入线程的OS中，还包含对线程的管理。工大计算机系计算机操作系统271.5操作系统的主要功能(3)处理机管理的主要功能是：•创建和撤消进程（线程）•对诸进程（线程）的运行进行协调•实现进程（线程）之间的信息交换•按照一定的算法把处理机分配给进程（线程）进程控制进程同步进程通信进程调度（处理机调度）工大计算机系计算机操作系统281.5操作系统的主要功能(4)存储器管理存储器管理应具有以下功能：1．内存分配(静态、动态分配方式)2．内存保护(硬件检查越界，软件处理)3．地址映射(逻辑、物理地址，硬件支持)4．内存扩充(虚拟存储技术)工大计算机系计算机操作系统291.5操作系统的主要功能(5)设备管理功能主要任务：完成进程提出的I/O请求；为用户进程分配其所需的I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。工大计算机系计算机操作系统301.5操作系统的主要功能(6)设备管理应具有以下功能：1．缓冲管理——在设备和CPU之间引入缓冲，可有效地缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，进而提高系统的吞吐量。2．设备分配3．设备处理——设备处理程序又称为设备驱动程序。工大计算机系计算机操作系统311.5操作系统的主要功能(7)文件管理主要任务：对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。文件管理应具有以下功能：1．文件存储空间的管理2．目录管理3．文件的读/写管理和保护工大计算机系计算机操作系统321.5操作系统的主要功能(8)用户接口1．命令接口(联机命令、脱机命令)2．程序接口(系统调用)3．图形接口（GUI）