第一讲概论(操作系统)

计算机操作系统主讲：广西民族大学黄珍生第一讲操作系统概论※操作系统名称的由来：监控（督）程序（系统）（Monitor)执行系统（程序）(ExecutiveSystem(program))控制系统（程序）(ControlSystemprogram))管理程序(Supervisor,SupervisorySystem)核心程序(Kernel)操作系统(OperatingSystem)你所见到的操作系统是什么样的？或是干什么用的？•计算机系统管理中心(相当于社会中的政府地位)；•最复杂最精确的人工开发的管理系统；•在计算机系统中不可缺少，少了操作系统，用户不可能上机使用计算机资源。1.1什么是操作系统一、操作系统概念1、操作系统作为扩展机器•裸机仅提供机器语言。程序员用机器语言使用计算机有三难：难记、难用、难懂。•在裸机之上安装操作系统之后，就把硬件细节与程序员隔离开。程序员用命令使用计算机。•通过在裸机之上覆盖各种软件，从而形成功能更强、使用更方便的机器称为扩展机器或虚拟机。•★问题：什么叫虚拟机？(虚拟的计算机)2、操作系统作为资源管理者•OS的主要工作有：•监视各种资源，随时记录它们的状态；•实施某种策略以决定谁获得资源，何时获得，获得多少；•分配资源供需求者使用；•回收资源，以便再分配。•资源管理包含资源复用（或共享），分为:•时间复用（时间上重复使用）（如：多道程序轮流使用CPU）•空间复用（空间上重复使用）（如：多道程序分区使用内存）3、操作系统的用户观点和系统观点•用户观点•操作系统处于用户与计算机硬件系统之间，为用户提供使用计算机系统的接口。•系统观点•操作系统是硬件之上的第一层软件，它要管理计算机系统中的各种硬件资源和软件资源的分配问题。•4、操作系统作为服务提供者•(1)操作系统提供的服务•程序执行•I/O操作•文件系统管理•出错检测•通信•资源分配•统计•保护•5、操作系统可定义综述为：•★操作系统是能有效地控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，合理地组织多道程序运行,并向用户提供各种服务功能,使用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效地运行的一组程序模块的集合。•定义中强调有效、合理、方便：•“有效”——提高系统运行效率、资源利用率、特别是处理器利用率。•“合理”——系统对于不同用户程序要“公平”，以保证系统不发生“死锁”和“饥饿”的现象。•“方便”——人机界面方便，包括用户使用界面和程序设计接口要易用、易学、易维护。•二、★操作系统的主要功能•1、处理机管理（进程管理，CPU管理）功能)•进程控制（进程创建、撤消、封锁、唤醒等）•进程同步•进程通信•进程调度2、存储管理功能•内存分配•地址映射•内存保护•内存扩充•3、设备管理功能•设备分配•设备控制•★设备的无关性（独立性）•4、文件管理功能•文件存储空间管理•目录管理•文件的读写管理•文件的存取控制•防止未经核准的用户存取文件•防止冒名顶替存取文件•防止以不正确的方式使用文件•5、用户接口（界面）•（1）命令接口•通过键入命令使用计算机•如：在MS-DOS中，命令MDABC表示建立名为ABC的文件夹；命令DIRD：表示列出D盘的文件目录等。•（2）图形接口•通过鼠标、图标、窗口、菜单等使用计算机•（3）程序接口（也称系统调用界面）•程序接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径。它由一组系统调用组成。每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序。例：在汇编语言程序中，有如下读取系统时间的汇编程序：读取系统时间源程序上例中，我们并未编写如何获取系统时间的程序，而当我们使用以下语句调用：MOVAH，2CHINT21H执行后，系统的时间的小时数已存放在CH寄存器，分钟数存放在CL寄存器中，秒数存放在DH中，供我们读取，这就是系统调用。•三、操作系统的地位1.2操作系统的发展历程和类型授课目的与要求：了解操作系统基本技术及出台的背景。授课重点与难点：各发展阶段的主要技术及操作系统的类型。1.2操作系统的发展历程和类型•1.2.1第一代计算机上没有操作系统•1.2.2第二代计算机上有了监控系统•1.2.3第三代计算机操作系统得到极大发展•1.2.4第四代计算机操作系统向多元化方向发展•1.2.1第一代计算机上没有操作系统•计算机刚问世,除硬件和应用软件外,几乎没有中间层软件，没有操作系统；（人工管理：人工操作系统）。•1.人工操作方式的缺点•（1）用户独占全机。用户独占机器或由系统操作员控制机器。（通过控制台一步一步地操作控制）•（2）CPU等待人工操作。•人工操作方式存在两大问题•（1）上机安排（预约）问题上机请求：须预约机器时间。如运行超过了预约时间未完成，会被中止。•（2）启动时间（过长）问题每启动一次占用很多时间。2.采用脱机输入/输出技术利用卫星机将慢速介质转到快速介质,加速作业在输入/输出时的速度.★（1）作业的概念：•用户的一次上机行为称为作业。•（2）卫星机的作用：实现脱机输入输出•脱机I/O方式的优点：•（1）减少了CPU的空闲时间。•（2）提高I/O速度。输出带主机卫星机卫星机卡片机打印机输入带系统带执行带•1.2.2第二代计算机上有了监控系统一、单道批处理时代1、基本思想：系统有一常驻内存的监督程序(第一代操作系统)，操作员有选择地把若干作业合成一批,安装在输入设备上,并启动监督程序,然后由监督程序依次顺序启动这批作业,以单道方式运行。（监督程序也称监视器）。处理流程见下图。单道批处理的处理流程图示：2、单道批处理系统的特征•（1）自动性。一批作业自动依次运行，无需人工干预。•（2）顺序性。各道作业依次进入内存运行。•（3）单道性。每次只有一个程序在内存运行。•1.2.3第三代计算机操作系统得到极大发展一、多道批处理操作系统一、多道程序设计的基本概念•1.多道思想•存储空间中有一个操作系统和多个用户程序（作业），这些作业共享计算机系统资源，同时得到运行。2.多道程序设计日常生活中的例子：出差住旅馆问题(1)单道程序设计：如果你一个人住一个房间，那么屋内的床、沙发、电视、卫生间等等你一个人独用，你想睡就睡，乐于干什么就干什么，乐于看什么节目就看什么节目。•单道程序设计----你想如何设计就如何设计。(2)多道程序设计：如果是两个人合住一个房间，屋内的物品共用，彼此的活动就要受到对方的影响。•如果你占用电视，我可以占用卫生间，只要互不冲突，便可同时进行。•如果你想洗澡我刚好也想洗澡（受对方的制约），怎么办？这时，协商是必要的。•一起洗？------共享使用•轮流-----并发使用（一方先做其他事情）•多道程序设计----我的设计受其他设计的影响和制约，大家的设计必须谐调，避免冲突。•如何实现多道程序设计？•挑选使用不同资源的人安排在同一个房间，让资源的使用不互相冲突，可同时进行。•管理关键：做好作业的时间安排和调度•多道程序设计的例子。例子1：单道程序运行情况图中粗线表示CPU工作，细线表示设备工作。CPU在启动用户程序的I/O请求后，处于空闲状态。例子1：两道程序运行情况图中用不同的粗线表示程序A（有磁盘操作），程序B（有磁带操作）和监督程序在CPU上工作，细线表示磁盘操作，细点划线表示磁带操作。例子2：3道程序设计的例子假设有一台电脑配备256K的可用内存空间（未被OS占用），有一个磁盘，一个终端和一台打印机，3个程序JOB1、JOB2和JOB3，同时被提交执行，如下表所列。JOB1JOB2JOB3作业类型偏重计算偏重I/O偏重I/O执行时间5MIN15MIN10MIN所需内存50KB100KB80KB是否要磁盘NONOYES是否要终端NOYESNO是否要打印机NONOYESCPU内存磁盘终端打印机051015202530JOB1JOB2JOB35分钟15分钟10分钟50/256100KB/256KB80KB/256KB10分钟单道程序设计的时间执行图单道程序设计设备利用率处理机使用17%（5/30）内存使用30%（50+100+80）/256/3磁盘使用33%（10min/30min）打印机使用33%（10min/30min）经过时间30min吞吐率6job/h平均响应时间18min(5+20+30)/3CPU内存磁盘终端打印机051015202530JOB1JOB2JOB35分钟15分钟10分钟230/25610分钟多道程序设计的时间执行图180/256100/256多道程序设计设备利用率处理机使用33%(5/15)内存使用66.7%(230+180+100)/256/3磁盘使用67%(10/15)打印机使用67%(10/15)经过时间15min吞吐率12job/h平均响应时间10min(5+15+10)/3•3.多道程序设计可带来以下好处•①提高CPU的利用率。•②可提高内存和1/O设备利用率。•③增加系统吞吐率。•4.多道批处理系统的特点多道性无序性调度性。（两次调度，作业调度与进程调度）二、分时系统•1.分时系统的基本思想：•是让多个用户同时通过终端使用系统，而操作系统则在系统内部分时处理用户程序。2.分时系统示意图主机终端•3.基本概念：•（1）终端设备：键盘与显示器•（2）交互式系统：操作系统提供终端命令语言及解析器.用户通过终端命令指导作业运行。•4.分时系统的实质：•交互式系统与多道程序设计结合的产物。•举例：现实生活中的分时系统？•幼儿园里，幼儿园老师喂幼儿吃饭，让小朋友排排座，从头开始一个小朋友喂一匙羹，喂完一轮再从头来第二轮……。保证每个小朋友都在吃饭而不用等很久。•再举一例：现实生活中的分时系统？•一个象棋高手（快棋手）同时与多人对弈，每人分别摆一盘棋，象棋高手从第一个开始轮流地和一个选手走一步棋，下完一步再与下一个下一步，……周而复始，直至下棋结束。•5.分时系统的基本特征•(1)多路性（同时性）•若干用户可同时上机使用计算机系统；•(2)交互性•用户能方便地与系统进行人—机对话；•5.分时系统的基本特征•(3)独立性•系统中各用户可以彼此独立地操作，互不干扰或破坏；•(4)及时性•用户能在很短时间内得到系统的响应。三、实时系统•实时系统：是在响应时间方面有严格制约的专用系统，是能满足快速响应要求作业运行的多道程序设计系统。•三种典型的实时系统：•（1）过程控制•如：工业生产的自动控制•（2）信息查询系统•如：仓库管理系统和医护信息系统•（3）事务处理系统•如：飞机订票和银行财务系统•★实时系统与分时系统的区别：•（1）交互能力弱，系统专用；•（2）响应时间更严格、及时；•在分时系统中，快速响应是需要的，但不是必须的；在实时系统中，处理事务必须在适合于系统的特定时间限额内完成。•（3）可靠性要求更高。1.2.4第四代计算机操作系统向多元化方向发展•一、操作系统的进一步发展1、微机操作系统–(1)单用户单任务操作系统•CP/M•MS-DOS•(2)单用户多任务操作系统•OS/2•WINDOWS•LINUX.(3)多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统最主要的是UNIX系统以及各种类UNIX系统。二、网络操作系统计算机网络——将分布在各处的计算机和终端设备通过数据通信系统联结在一起的系统。计算机网络的两大支柱计算机技术和通信技术。计算机网络具有如下特征：(1)分布性。网上的结点机可以位于不同地点，各自执行自己的任务。根据要求，一项大任务可划分为若干子任务，分别由不同的计算机执行。(2)自治性。网上的每台计算机都有自己的内存、I/O设备和操作系统等，能够独立地完成自己承担的任务。网络系统中的各个资源之间多是松散耦合的，并且不具备整个系统统一任务调度的功能。(3)互连性。利用互连网络把不同地点的资源（包括硬件资源和软件资源）在物理上和逻辑上连接在一起，在统一的网络操作系统控制下，实现网络通信和资源共享。(4)可见性。计算机网络中的资源对用户是可见的。用户任务通常在本地机器上运行，利用网络操作系统提供的服务可共享