第三章 操作系统基础(1-2)

第三章操作系统基础下一页上一页下一页结束操作系统1．计算机系统的组成计算机系统=计算机硬件+计算机软件计算机硬件是构成计算机系统的物理部件和设备的总称。硬件的核心是主机；主机的核心是CPU。计算机软件是构成计算机系统的逻辑部件及文档资料的总称。软件的核心是系统软件；系统软件的核心是操作系统。操作系统是系统软件的核心上一页下一页结束操作系统操作系统的地位os与其他各层的关系向下与硬件交互控制CPU的工作、访问存储器、设备驱动、中断处理。向上与用户及各种应用程序交互提供方便的用户界面、提供优质的服务。操作系统的宗旨提高计算机的使用效率方便用户的使用裸机作系操统其他系统软件用户应用程序序程上一页下一页结束操作系统操作系统如同飞机控制盘一样协调计算机内部的各项活动。当你购买了一台微机后，操作系统往往已经在硬盘上预先安装好并准备运行。打开计算机后，你每时每刻都能感受到操作系统的存在，也能感受到操作系统提供的运行程序和管理数据的多种服务。2.操作系统的定义上一页下一页结束操作系统操作系统中央处理机存储器绘图仪打印机显示器键盘网卡Modem文件应用程序用户1用户n┇┇操作命令操作命令应用程序1应用程序n┇┇系统调用系统调用上一页下一页结束操作系统操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部软、硬资源的分配、调度工作，控制和协调并发活动，实现信息的存取和保护。它提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。操作系统使整个计算机系统实现——高度自动化高效率高利用率高可靠性操作系统是整个计算机系统的核心。上一页下一页结束操作系统OperatingSystem（1）定义：操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源、合理组织计算机工作流程、方便用户使用计算机并提高计算机响应速度而设计的一套程序的集合。资源角度：操作系统是计算机资源管理系统，负责计算机系统的全部资源的分配、控制、调度和回收。用户角度：操作系统是计算机与用户之间的接口进程角度：是动态、合理地组织计算机工作流程的软件。(进程就是程序的一次执行过程。)评价（地位和作用）：操作系统是直接与硬件相邻的第一层软件，是其他软件运行的基础，是系统软件中最基本、最核心的部分。2.操作系统的定义上一页下一页结束操作系统面向计算机：管理和操控全部计算机资源(CPU、设备、存储器、文件)；提高系统效率。面向用户：提供人机界面；提供便捷的操作环境。3.操作系统的作用上一页下一页结束操作系统4、操作系统的发展OS是伴随计算机技术的发展而发展的。其发展大致经历了四个阶段。(1)早期阶段，从20世纪40年代末到50年代中期——无操作系统几乎无外部设备,软件只用机器语言，无操作系统。手工操作、系统资源利用率低(2)第2阶段，50年代中期——第1代操作系统把“零散的单一程序处理”变为“集中的成批程序处理”的处理方式。“批处理”操作系统由此而产生.程序员和操作员分工(3)第3阶段——第2代操作系统通道技术、缓冲技术、多道处理技术、中断技术等。由此产生了第二代操作系统。CPU利用率低的矛盾更加激化。(4）第4阶段——第3代操作系统多用户操作系统、网络操作系统、多媒体技术、“客户机/服务器”模式上一页下一页结束操作系统操作系统的形成和发展批处理手工操作阶段联机批处理脱机批处理执行系统操作系统形成实时系统个人计算机操作系统网络操作系统分布式操作系统多道程序系统多道批分时处理系统系统上一页下一页结束操作系统一.手工操作阶段1.特点：无任何软件有人工干预独占性串行性2.问题：人——机矛盾机器作业在机器上人工操操作时间与机器速度计算所需时间作时间有效运行时间之比1万次/秒1小时3分钟1：2060万次/秒1分钟3分钟3：1上一页下一页结束操作系统二.批处理阶段1.联机批处理特点：有监督程序；作业自动过渡问题：CPU高速与I/O慢速的矛盾解决：由卫星机负责I/O上一页下一页结束操作系统特点：主机与卫星机并行操作问题：调度不灵活；保护问题解决：硬件技术的发展——通道技术、中断技术输入机打印机卫星机输出带输入带输出带输入带主机脱机批处理图示2.脱机批处理上一页下一页结束操作系统3.执行系统(1)什么是执行系统借助于通道与中断技术，由主机控制I/O工作。原有的监督程序不仅要负责调度作业自动地运行，而且还要提供I/O控制功能。它常驻主存，称为执行系统。(2)特点主机、外设并行操作；增强了保护能力。(3)问题处理机仍有空闲等待现象上一页下一页结束操作系统三.操作系统的形成1.多道程序设计技术与多道成批处理(1)单道程序程序的工作情况用户程序监督程序I∕O操作计算请求输入启动I∕OI∕O完成继续计算结束中断上一页下一页结束操作系统(2)多道程序程序的工作情况中央处理机外部设备输入结束程序B打印输出光标记阅读输入绘图输出输出结束输出结束程序A输入结束程序A程序B光标记阅读输入外部设备上一页下一页结束操作系统(3)什么是多道程序设计技术在计算机主存中同时存放几道相互独立的程序。这些程序在管理程序控制之下，相互穿插地运行。当某道程序因某种原因不能继续运行下去时(如等待外部设备传输数据)，管理程序便将另一道程序投入运行。(4)多道运行的特征多道宏观上并行微观上串行上一页下一页结束操作系统2.分时技术与分时处理(1)分时技术所谓分时技术，是把处理机时间划分成很短的时间片(如几百毫秒)轮流地分配给各个联机作业使用，如果某个作业在分配的时间片用完之前计算还未完成，该作业就暂时中断，等待下一轮继续计算。(2)分时处理一台计算机与许多终端设备连接，终端用户以联机方式使用计算机。上一页下一页结束操作系统3.实时处理(1)什么是”实时”计算机对外来的信息能够以足够快的速度进行处理，并且在被控对象允许的时间范围内作出快速反应。(2)实时处理以快速反应为特征，对实时信号能在截止期限之内处理并作出反应。上一页下一页结束操作系统四.操作系统的进一步发展单CPU计算机上的——批量操作系统、分时系统向小型化、微型化计算机发展——个人计算机操作系统向网络化发展——网络操作系统向具有并行结构的计算机系统——多处理机操作系统集群系统分布式操作系统上一页下一页结束操作系统操作系统的基本类型一.批处理操作系统1.概念是操作系统的一种类型。该系统把用户提交的作业成批送入计算机，然后由作业调度程序自动选择作业，在系统内多道运行。2.特点系统吞吐率高——脱机操作多道运行合理搭配作业作业周转时间长，用户使用不方便。上一页下一页结束操作系统二.分时操作系统1.分时系统┇主机终端1终端2终端n上一页下一页结束操作系统CPU时间片程序1程序2程序N…...程序1程序3程序3程序排队队列CPU上一页下一页结束操作系统2.分时操作系统的定义是操作系统的另一种类型。它一般采用时间片轮转的办法，使一台计算机同时为多个终端用户服务。该系统对每个用户都能保证足够快的响应时间，并提供交互会话功能。3.分时操作系统的特点多路调制性独占性交互性上一页下一页结束操作系统三.实时操作系统1.实时系统的定义对科学实验、医学成像系统、工业控制系统、武器装备控制系统和特定显示系统进行控制的系统称为实时系统。2.实时系统的分类(1)硬实时系统系统中所有的截止期限(deadline)必须被严格的保证，否则将导致灾难性后果。(2)软实时系统系统中截止期限被错过的情况下，只造成系统性能下降而不会带来严重后果。上一页下一页结束操作系统3.实时操作系统（1）实时操作系统的定义操作系统的又一种类型。实时操作系统对外部输入的信息，能够在规定的时间内处理完毕并作出反应。（2）实时操作系统的特点及时响应高可靠性和安全性（3）实时操作系统的类型实时控制：生产过程控制、作战指挥。实时信息处理：订购机票、情报检索。上一页下一页结束操作系统3.1.2操作系统的功能操作系统功能设备管理文件管理处理机管理存储管理上一页下一页结束操作系统操作系统的特征1.并发并发性是指能处理多个同时性活动的能力。2.共享共享是指多个计算任务对系统资源的共同享用。3.不确定性操作系统能处理大量的、随机的事件序列，使各用户的计算任务正确地完成。4.虚拟性通过使用相应技术，操作系统能将一个物理上的独占型设备等效成多个逻辑上的共享型设备，以提高设备利用率。上一页下一页结束操作系统操作系统的性能指标1.系统的可靠性、可维修性、可用性2.系统吞吐率3.系统响应时间4.系统资源利用率5.可移植性上一页下一页结束操作系统操作系统应解决的基本问题1.提出解决资源分配的策略2.协调并发活动的关系3.保证数据的一致性4.实现数据的存取控制上一页下一页结束操作系统一.处理机管理1.制订调度策略(调度原则)确决将CPU先分给哪个用户程序，它占用多长时间，下一个又该轮到哪个程序运行等问题。2.给出调度算法3.具体的实施处理机分派在调度时机到来时，进行处理机分派上一页下一页结束操作系统程序与进程1．程序（Program）计算机的基本功能是执行程序，程序是为解决某个问题用计算机语言或命令设计、编写的一系列指令的有序集合。2.进程(Process)进程就是程序的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。例：观察Windows操作系统中进程的运行状态在Windows环境下，按Ctrl+Alt+Delete组合键，弹出任务管理器窗口。上一页下一页结束操作系统处理器的分配和执行都是以进程为基本单位；操作系统必须交替执行多个进程，以便最大程度的使用CPU，同时提供合理的响应时间。对处理器的管理最终归结为对进程的管理，包括进程控制和管理、进程调度、进程通信中同步与互斥和进程死锁等。在处理机管理中，最关心的是CPU时间。多数情况下，计算机为了等待I/0操作，而使CPU时间浪费几乎一半。为了提高CPU的利用率，现代操作系统都支持多用户、多任务的共同运行。上一页下一页结束操作系统二.存储器管理1.存储分配和存储无关性确定各应用程序在主存中的位置及所占区域的大小；应用程序无需关系存储细节，由存储管理模块提供地址重定位能力。2.存储保护系统提供基址、界限寄存器等存储保护方法，使各应用程序相互隔离。3.存储扩充系统提供虚拟存储技术，扩大逻辑主存。上一页下一页结束操作系统三.设备管理管理各类外围设备，完成用户提出的I/O请求，加快I/O信息的传送速度，发挥I/O设备的并行性，提高I/O设备的利用率；提供每种设备的设备驱动程序和中断处理程序，向用户屏蔽硬件使用细节。1.设备无关性用户向系统申请和使用的设备与实际操作的设备无关，以达到方便用户、提高设备利用率的目的。2.设备分配为各个应用程序和运行实体分配各种设备。设备分配通常采用三种基本技术：独享、共享及虚拟技术。3.设备的传输控制启动设备、中断处理、结束处理等。上一页下一页结束操作系统四.软件资源管理为用户提供一种简便的、统一的存取和管理信息的方法，并要解决信息的共享、数据的存取控制和保密等问题。信息组织存取方法文件共享文件安全文件完整性磁盘空间分配上一页下一页结束操作系统操作系统的资源管理功能系统资源处理机存储器I/O设备软件资源操作系统功能模块处理机管理存储器管理设备管理文件系统上一页下一页结束操作系统3.1.3操作系统的类型1．批处理系统将用户提交的作业成批地送人计算机，由操作系统来调度和控制作业的执行。2．分时操作系统采用时间片轮转的策略，使一台计算机同时为多个终端用户服务。如:UNIX3．实时操作系统实时控制系统(过程控制系统)和实时处理系统的统称。4．嵌入式操作系统指运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的操作系统。5．个人计算机操作系统是一种单用户的操作系统。如Windows。6．网络操作系统是基于计算机网络的操作系统，它的功能包括网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络应用。NovellNetWare和WindowsNT7．分布式操作系统指通过网络将大量计算机连接在一起，以