操作系统教学课件

MIS系统软件第一章操作系统引论信息管理与信息系统专业核心课程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1.1操作系统的目标和作用1.计算机系统的组成计算机系统硬件系统主机中央处理器运算器控制器内存储器ROM，CACHE，RAM外部设备外存储器硬盘，软盘，光盘，优盘输入设备键盘、鼠标、扫描仪、光笔等总线、接口输出设备显示器、打印机、绘图仪等软件系统系统软件程序设计语言、操作系统、数据库管理系统诊断程序、各种开发工具应用软件用户自己设计的程序各种软件包2.计算机系统的层次结构图1.1计算机系统的层次结构（本质）是一个大型的软件系统；3.操作系统的定义（对内）负责计算机的全部软件、硬件资源的管理，控制和协调并发活动，实现信息的存储和保护；（对外）为用户使用计算机系统提供方便的用户界面；（结果）使计算机系统实现高效率和高自动化。4.操作系统的目标不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点：1.方便性:配置OS后使计算机更容易使用。2.有效性:改善系统的资源利用率及提高系统的吞吐量。3.开放性:要求OS具有统一的开放的环境。4.可扩充性:便于增加新的功能模块和修改老的功能模块。4.操作系统的目标操作系统在计算机系统中充当计算机硬件系统与应用程序之间的界面，所以，操作系统既面向系统资源又面向用户。面向系统资源，操作系统必须尽可能提高资源利用率；面向用户，操作系统必须提供方便易用的用户界面。5.操作系统的地位•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游戏MIS。。。编译器命令解释器网络，数据库操作系统机器语言微程序物理设备操作系统设计者应用软件设计者应用软件设计者6.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处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS，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。命令方式OS提供了一组联机命令（语言），用户通过键盘键入有关的命令，来直接操纵系统。系统调用OS提供一组系统调用，用户在应用程序中通过调用相应的系统调用来操纵系统(API等)。(2)OS作为计算机系统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负责内存的分配与回收I/O设备管理负责I/O设备的分配与操纵文件管理负责文件的存取、共享和保护(3)OS用作扩充机器呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层软件改造的计算机。裸机在最里层，它的外面是操作系统，经过操作系统提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能，将裸机改造成功能更强、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，又称之为虚拟机。7.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•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1.2操作系统的发展过程操作系统四个发展阶段操作系统的发展和计算机硬件技术、体系结构相关，经历了四个发展阶段：第一代(1946年-1955年)：真空管时代，无操作系统第二代(1955年-1965年)：晶体管时代，批处理系统第三代(1965年-1980年)：集成电路时代，多道程序设计第四代(1980年-至今)：大规模和超大规模集成电路时代，分时系统。现代计算机正向着巨型、微型、行、分布、网络化和智能化几个方面发展。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.人工操作方式从第一台计算机诞生(1945年)到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。计算机操作是由用户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。人工操作方式的特点特点:用户独占全机CPU等待人工操作独占性串行性缺点:计算机的有效机时严重浪费效率低2.脱机输入/输出方式在采用脱机输入输出方式时，程序和数据的输入输出都是在外围计算机的控制下完成的，即它们是脱离主机进行的，故称之为脱机输入输出操作。脱机I/O（1）减少了CPU的空闲时间。（2)提高I/O速度。图1-2脱机I/O示意图脱机输入技术为解决低速输入设备与CPU速度不匹配的问题，可将用户程序和数据，在一台外围计算机的控制下，预先从低速输入设备输入到磁带上，当CPU需要这些程序和数据时，再直接从磁带机高速输入到内存，从而大大加快了程序的输入过程，减少了CPU等待输入的时间。脱机输出技术当程序运行完毕或告一段落，CPU需要输出时，无须直接把计算结果送至低速输出设备，而是高速地把结果送到磁带上，然后在另一台外围机地控制下，把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出，着就大大加快了程序的输出过程。1.2.2单道批处理系统1.单道批处理系统的处理过程批处理是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。单道批处理在内存中仅有一道作业。图1-3单道批处理系统的处理流程把一批作业存放在磁带上，这些作业在监督程序控制下，先把磁带上的第一个作业调入内存，并把控制权交给该作业，当该作业处理完后，再由监督程序把第二个作业输入内存按这种方式对磁带上的作业自动地、一个接一个地处理。由于系统对作业的处理是成批地进行，且在内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理系统2.单道批处理系统的原理3.单道批处理系统的特征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。(1)自动性(2)顺序性(3)单道性由系统的监督程序控制一个接一个只有一道程序执行联机批处理：慢速的输入输出处理直接由主机来完成。4.两种批处理方式问题：CPU与I/O串行操作，当输入输出时,CPU处于等待状态。特点：实现了作业的自动定序、自动过渡，缩短了建立作业和人工操作时间。4.两种批处理方式脱机批处理：脱机批处理是通过增加一台不与主机直接连接而专门用于与输入输出打交道的卫星机。利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并行工作。特点：增设卫星机，主机摆脱了I/O操作，通过卫星机使外设与主机并行工作，提高主机的利用率。问题：磁带需要手工拆装，系统的保护不够。5.联机批处理与脱机批处理图示6.单道批处理监督程序工作示意图监督程序标准输入程序编译程序装配程序标准输出和处理程序输入用户作业程序编译后的用户作业程序装配好的用户作业程序执行、输出结果调用子程序转到下一个作业7.单道批处理时处理机使用效率实例分析计算某个数据处理问题，要求从输入机（速度为6400字符／秒）输入500个字符，经处理（费时52毫秒）后，将结果（假定为2000个字符）存到磁带上（磁带机速度为10万字符／秒），然后，再读500个字符处理，直至所有的输入数据全部处理完毕。7.单道批处理时处理机使用效率处理器的利用率为：52/（78十52十20）≈35%总结与引申这个例子说明单道程序工作时，计算机系统的各部件的利用率没有得到充分发挥。为了提高效率，考虑让计算机同时接受两道算题，当第一道程序在等待外围设备的时候，让第二道程序运行，以降低CPU空闲等待时间，那么，处理器的利用率显然可以有所提高。例如，计算机在接受上述算题时还接受了另一道算题：从另一台磁带机上输入2000个字符（磁带机速度为10万字符／秒），经42毫秒的处理后，从行式打印机（速度为1350行／分）上输出两行。总结与引申计算某个数据处理问题，要求从输入机（速度为6400字符／秒）输入500个字符，经处理（费时52毫秒）后，将结果（假定为2000个字符）存到磁带上（磁带机速度为10万字符／秒），然后，再读500个字符处理，直至所有的输入数据全部处理完毕。例如，计算机在接受上述算题时还接受了另一道算题：从另一台磁带机上输入2000个字符（磁带机速度为10万字符／秒），经42毫秒的处理后，从行式打印机（速度为1350行／分）上输出两行。总结与引申20622062不难算出，此时处理器的利用率为：（52+42）/150≈63％1.2.3多道批处理系统1.多道程序设计的基本概念内存中同时存放若干道已开始运行尚未结束的程序，它们交替运行，共享系统中的各种硬、软件资源，从而使处理机得到充分利用。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。图1-6单道和多道程序运行情况2.多道程序的相关知识多道程序设计的目的：提高CPU利用率,改善内存和I/O设备的利用情况。多道程序的运行特点：多道：计算机内存中同时存放多道相互独立的程序。宏观上并发执行：同时进入系统的几道程序都处于运行状态，但都未运行结束。微观上串行运行：各作业交替使用CPU。2.多道程序的相关知识多道程序的优缺点:优点：提高资源利用率，增加了系统对作业的吞吐能力。缺点：在运行程序过程中不允许用户对机器进行交互对话。3.多道批处理系统的特点•多路性每次允许多个用户程序进入内存，它们轮流交替地使用CPU，提高了内存储器和CPU的利用率。•共享性整个系统资源被进入内存的多个程序共享使用，因此整个系统资源的利用率较高。3.多道批处理系统的特点•自动性作业处理期间任何用户不得对系统的工作进行干预。由于没有了作业上、下机时用户手工操作耗费的时间，提高了系统的吞吐量。•封闭性在一批作业处理过程中，用户不得干预系统的工作。即便是某个程序执行中出现一个很小的错误，也只能等到这一批作业全部处理完毕后，才能进行修改，这给用户带来不便。讨论与练习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。用户的需求具体表现在以下几个方面：(1)人—机交互(2)共享主机(3)便于用户上机1.2.4分时系统1.分时系统(Time-SharingSystem)的产生所谓分时系统，即一台计算机与多个终端设备连接，每个用户通过终端向系统发出命令，请求系统为其完成某项工作。系统根据用户的请求完成指定的任务，并把执行结果返回。图1-7分时系统示意图2.分时系统的思想采用时间片轮转的方法，同时为多终端用户服务，对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话的功能。时间片：将CPU的时间划分成若干个片段,称为时间片，操作系统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务.设计目标：对用户的请求及时响应，并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率。实例:杂技表演转盘子，自动餐桌3.分时系统实现中的关键问题最关键的问题: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。即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理:(1)及时接收。(2)及时处理。4.分时系统的特点•多路性在一台主机上连接多个用户终端。从宏观上看，多个用户同时工作，共享系统的资源；从微观上看，各终端程序是轮流使用一个时间片。多路性提高了系统资源的整体利用率。•交互性用户在终端上能随时通过键盘与计算机进行“会话”，从而获得系统的各种服务，并控制作业程序的运行。4.分时系统的特点•独立性每个用户在自己的终端上独立操作，互不干扰，感觉不到其他用户的存在，就如同自己“独占”该系统似的。•及时性用户程序是轮流执行CPU的一个时间片，但由于计算机的高速处理能力，能保证在较短和可容忍的时间内响应和完成处理用户请求。5.影响响应时间的因素终端数目多少调度算法（时间片的选取）信息交换量和信息交换速度机器处理能力请求服务的时间长短及服务请求的分布6.分时系统与多道批处理区别分时操作系统和批处理操作系统都基于多道程序设计技术，但存在下列区别：•目标不同批处理（提高系统资源利用率