大学计算机基础第4章-操作系统基础

大学计算机基础第4章操作系统基础第四章操作系统基础4.1操作系统概述4.2操作系统功能4.3典型操作系统4.4中文WindowsXPProfessional4.1操作系统概述4.1.1操作系统基本概念1.操作系统(OperatingSystem)定义操作系统是一种管理计算机系统资源（硬件和软件资源），合理组织计算机的工作流程，方便用户使用计算机的一些程序模块的集合（系统软件）。2.操作系统的作用管理计算机的软硬件资源:硬件资源：处理机、存储器、I/O设备信息资源：文件和文件系统提供人机接口；系统命令(字符命令、GUI)系统调用扩展计算机的功能:将裸机改造成为功能更强大、使用更方便的虚拟机和扩展机。目的：使用户无需了解许多硬件和软件的细节就能使用计算机，提高了工作效率；为了合理的使用计算机系统内包含的的各种资源，提高整个系统的使用效率。虚拟机=裸机+操作系统操统作系41.人工操作•工作方式用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员；编程语言：机器语言；输入输出：纸带或卡片；•计算机的工作特点计算机的全部资源（CPU、内存、外部设备等）由一个用户独占。CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；•缺点：计算机的高处理速度与手工操作的慢速度成为矛盾;CPU和输入输出设备的工作串行进行，计算机工作效率很低。4.1.2操作系统的发展历史5手工操作阶段手工操作阶段（无操作系统）作业程序数据作业说明输入设备主机输出设备计算结果10分钟10分钟1分钟CPU利用率=1/215%6无中断和通道技术控制的串行工作方式输入一个数据处理数据输出数据数据完结束YN2ms外设工作（CPU等待）CPU工作外设工作（CPU等待）1ms2ms5ms输入CPU输出5ms中，3ms在浪费！72.单道批处理方式（BatchProcessing)（1）联机批处理:由CPU直接控制作业的输入输出。减少人工干预，使计算机自动进行输入、编译和运行程序。特点：用户可一次提交多个作业，但系统一次只处理一个作业，处理完一个作业，再调入下一个作业，系统自动完成调度、切换。(2)脱机批处理：增加一台不与主机直接相连而专门用于输入输出的卫星机。卫星机与主机并行工作，使主机摆脱了慢速的输入、输出操作，减少了输入、输出操作对系统的影响，提高了系统的处理能力，缓解了速度不匹配的矛盾。发展历史问题：减少了人工的干预和作业运行前的准备时间，相对提高了CPU的利用率。但是，CPU与I/O设备仍串行工作，单道顺序处理作业，会造成设备空闲，资源利率仍然不高。输入设备输出设备卫星机主机输入带输出带脱机技术83.多道批处理系统通道和中断技术的出现，实现外设与CPU并行工作，操作系统进入了多道程序设计和共享系统阶段。中断是外界（如输入、输出设备，通道等）向主机报告信息的一种通信方式，是CPU对系统中随机事件的响应。•特征：多道：内存中同时存放几个作业；宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；微观上串行运行：各作业交替使用CPU；在当前运行的作业需作I/O处理时，CPU转而执行另一个作业。•优点：资源利用率高，CPU和内存利用率得到显著的提高；作业吞吐量大，单位时间内完成的工作总量增加。•缺点：交互性差：整个作业完成后或中间出错时才与用户交互，不利于调试和修改；响应时间长：短作业的周转时间显著增长，用户响应时间过长。发展历史94.分时系统(TimeSharing)将处理机时间分成很小的时间片，按时间片轮转法分配给多个用户使用。“分时”的含义是多个用户或程序分时共享硬件和软件资源，每个用户或程序在属于自己的时间片内使用计算机，依次轮转。多个用户分时：允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。有用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停，等待下一次用户输入。时间片分配：各个程序在CPU上执行的轮换时间。特点：交互性好：在调试和运行程序时由用户自己操作。共享主机：多个用户同时使用。用户独立性：对每个用户而言好象独占主机。CPU终端1终端2终端3终端4终端1发展历史10要求：足够短的响应时间；系统可靠性高：硬实时：用于过程控制。如武器系统，工业生产。其响应时间要求可达到毫秒以至微秒级乃至纳秒级。软实时：用于事务处理。如联网订票系统、银行管理系统。响应时间一般要求秒级或毫秒级。发展历史5.实时系统(RealTime)实时系统采用时间片分时技术，也具有及时性，多路性，独占性和交互性等四个特征。实时系统与分时系统间的区别：实时系统一般是专用的，其交互能力比较差，它只允许用户访问数量有限的专用程序。116.嵌入式系统•内核可剪裁要求：适合各种专门用途，如手机、各种专用设备。•微内核技术，内核足够小，要求资源少。•适于进行二次开发。•超强工作能力，高可靠性设计。•适合高温、潮湿、震动、寒冷等恶劣的工作环境。发展历史7.操作系统发展方向•通用化：适用于综合用途的操作系统，如个人计算机操作系统，既要满足实时性要求，又要满足多道程序和网络功能的要求。•大型化：分布式操作系统和集群操作系统，甚至是网络操作系统。•微型化：嵌入式操作系统。4.1.3操作系统分类1.按用户界面命令行界面操作系统图形用户界面操作系统2.按用户数单用户操作系统多用户操作系统3.按任务数单任务系统多任务操作系统4.按系统功能批处理系统分时操作系统实时操作系统网络操作系统分布式操作系统134.1.4操作系统的特征•并发性两个或两个以上的事件在同一时间间隔中发生.•共享性多个并发执行的程序可以共同使用系统的资源.•虚拟性通过虚拟技术把一个物理设备虚拟为多个逻辑设备.144.2操作系统的功能裸机操作系统应用程序用户主要功能有：•处理机管理•存储管理•设备管理•信息(文件)管理154.2.1处理机管理完成处理机资源的分配调度，处理机调度的单位可为进程或线程。单道作业环境中程序顺序执行示意图程序A程序B程序C执行执行执行内存时间t任何时刻内存中只有一道程序，一个程序完全运行结束后才能运行下一个程序.16多道程序的特点是：多道：计算机内存中同时存放了几道相互独立的程序。宏观上并行：内存中的几道程序在运行着，宏观上看是并行运行的。微观上串行：微观上，内存中的几道程序，轮流占据CPU,是交替执行的。多道作业环境中程序交替执行示意图程序A程序B程序C执行等待内存时间t执行执行等待等待等待执行等待等待等待执行执行等待指等待CPU或系统资源.处于等待状态的程序虽不占CPU,但仍然驻留内存.17进程是一个正在执行的程序，是一个可并发执行的程序与其数据的一次运行活动，是操作系统资源分配的基本单位。处理机的管理也可以说是对进程的管理。1.进程的概念2.进程与程序的区别(1)进程是动态概念，程序是静止概念。(2)进程的存在是暂时的，程序的存在是永久的。(3)一个程序对应多个进程，而一个进程仅对应一个程序。调C调C进程B进程A程序C(4)进程在结构上是由程序、数据集、进程控制块（PCB）三部分组成的。处理机管理进程（Process)是操作系统中程序的执行过程。18问题:在Windowsxp下如何查看进程的状态?处理机管理3.进程的特征（1）动态性：执行初期被创建，执行结束被撤消。（2）并发性：并发执行提高了计算机的系统资源的利用率。（3）独立性：进程是一个能够独立运行的基本单位。（4）异步性：按各自独立的、不可预知的速度前进。4.进程的状态及其变化就绪运行阻塞就绪阻塞运行等待事件进程基本状态转换图19(1)进程的创建与撤消•通过调用“进程建立”的程序创建新的进程所需要系统表格、为进程分配空间，准备好执行程序和数据。•调用“进程撤消”程序，释放进程所占用的所有系统资源。处理机管理系统使用一些具有特殊功能的程序段来创建、撤销进程以及完成进程各状态的转换，从而达到多进程高效率并发执行和协调、实现资源共享的目的。5进程的控制实现进程的管理使用原语。原语由若干条机器指令构成的，用以完成某一特定功能的一段系统程序。原语在执行期间是不可分割的。（2）进程阻塞与唤醒•进程由于等待某一事件的发生，但发生条件尚不具备而被阻塞，插入到等待队列；•当等待的事件发生时，唤醒等待该事件的进程进入就绪队列。206.进程调度（1）进程调度任务按照一定的算法，动态地把CPU分配给就绪队列的某一进程，并使之执行。（2）进程调度方式剥夺方式：剥夺正在运行的进程的处理机，分配给其他进程。Windows95/98采用剥夺方式。非剥夺方式：一旦占有，一直拥有，直到进程运行完或阻塞，才把处理机使用权分配给其他进程。（Windows3.x采用）（3）进程调度算法1）先来先服务算法（FCFS)根据进程进入就绪队列的次序而选择调度执行，属于不可剥夺策略。目前很少用作主要调度算法。2）优先级调度算法根据进程类型、要求资源数量、运行时间指定一个优先级，高优先级的进程优先调度。确定优先级的方法有静态和动态两种。目前通常采用动态优先数法，随着进程的变化，不断修改优先级。处理机管理213）时间片轮转法将处理机分成固定大小的时间片，调度程序选择就绪队列中的第一个进程运行。使用完一个时间片后，尽管进程还未完成运行，必须释放出处理机给下一个就绪的进程而排到就绪队列的末尾。常用于分时操作系统的调度。4）最高响应比优先算法该算法同时考虑每个作业的等待时间长短和估计需要执行时间的长短，从中选出响应比最高的作业投入执行。优先数=（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间处理机管理227.作业与进程的区别•作业是用户向计算机提交任务的实体，被提交后进入外存的作业等待队列。•进程是系统资源使用者，是完成用户任务的执行实体，是资源分配的基本单位，被创建后，总有相应部分常驻内存；•一个作业至少由一个进程来执行完成，反之不然；•作业的概念主要用于批处理操作系统；而进程的概念几乎用于所有的多道操作系统中。处理机管理通常把用户要计算机完成的一串任务称为作业。进程（Process)是操作系统中程序的执行过程。238.线程(THREAD)的引入处理机管理（1）线程的概念进程是程序的一次执行过程和资源分配的基本单位。线程（或称轻权进程）是一个进程内的基本调度单位。(2)引入线程的目的为了更好地实现并发处理和共享资源，提高CPU的利用率，提高系统的执行效率，减少处理机的空转时间和调度切换的时间，便于系统管理。为了实现进程间的空间共享而引入轻权进程；为了实现进程内的程序并发/并发运行而引入了线程。引入线程概念后，进程成为（除CPU以外）分配单位，线程则是处理机分配单位。在UNIX系统中，进程是CPU的分配单位，在Windows中，线程是CPU的分配单位。线程作CPU分配单位的好处是：充分共享资源，减少内存开销，提高并发性，加快切换速度。24(3)线程的分类.用户级线程.系统级线程（核心级线程）区别：用户级：调度算法和调度过程全部由用户自行选择和确定，与操作系统内核无关。只进行线程上下文的切换，不进行处理机的切换。系统级：由操作系统内核进行管理。25线程举例时间用户程序服务器1服务器2RPC请求1RPC请求2结果1结果2用户程序服务器1服务器2RPC请求1RPC请求2结果1结果2处理机管理用户主机通过网络向2台远程服务器进行远程调用以获得相应结果的执行情况多线程单线程264.2.2存储管理1.存储管理的目标计算机存储器的管理，存储管理的对象是内存以及作为内存的扩展和延伸的外存储器。存储管理的目标是为程序设计人员提供方便、安全和充分大的存储空间，提供一个内外存结合的满足需要的存储空间。2.几个相关概念物理地址和物理空间：•物理地址：内存中存储单元的地址。•物理空间：内存中一系列物理单元的集合。•地址空间：目标程序的逻辑地址的总称为地址空间。•逻辑地址：目标程序存放的地址。273.存储管理的功能（1）内存的分配与回收：为运行的进程分配内存空间,并在不需要时回收它们占据的空间。（2）地址变换：当程序中采用的地址和将其装入内存后的地址不一致时,要完成程序中采用的地址到内存地址的转换,即逻辑地址转