计算机操作系统第三版OS

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第一章操作系统引论11:04第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用有效性改善资源利用率，提高系统吞吐量方便性使计算机系统使用起来更方便可扩充性能够不断适应发展的要求开放性使来自不同厂家的计算机和设备能够有效地协同工作，实现应用的可移植性和互操作性操作系统的目标11:04第一章操作系统引论操作系统的作用OS作为用户与计算机硬件之间的接口OS处于用户和计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统用户可以通过命令方式、系统调用方式和图形、窗口方式使用计算机1.1操作系统的目标和作用用户应用程序系统调用命令图标、窗口操作系统计算机硬件11:04第一章操作系统引论操作系统的作用OS作为计算机系统的资源管理者硬件资源：处理器、存储器、I/O设备信息资源：程序和数据1.1操作系统的目标和作用11:04第一章操作系统引论操作系统的作用OS实现了对计算机资源的抽象当计算机上覆盖了操作系统后，便为用户提供了一台功能显著增强，使用更加方便，效率明显提高的虚拟计算机1.1操作系统的目标和作用用户物理接口硬件用户I/O软件物理接口硬件I/O操作命令（Read,Write）虚机器用户需了解物理接口的实现细节；利用机器指令进行编程用户无需了解物理接口的实现细节；在窗口环境下使用计算机11:04第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用不断提高计算机资源利用率计算机价格昂贵！从单个作业到批处理作业，从单道程序到多道程序，以及SPOOLing，虚拟存储器和网络环境下允许所有网络用户访问文件系统和数据库系统方便用户改善用户上机、调试程序时的环境器件的不断更新换代微电子技术的迅猛发展，推动着计算机器件的更新换代。如芯片从8位→16位→32位→64位。存储设备从磁盘→移动硬盘→闪存盘→扫描仪等。计算机体系结构的不断发展单处理机系统到多处理系统，支持网络的网络操作系统在出现OS后的短短50年中，操作系统取得了很大的发展。规模由原来的数十KB发展到如今的数千万行代码，可将其发展的主要动力归结为如下所述的四个方面：操作系统的发展动力11:04第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用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操作系统操作系统操作系统的发展动力11:04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1.5OS结构设计第一章操作系统引论11:04第一章操作系统引论操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统单道批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统操作系统的发展随着计算机硬件、应用软件的发展而发展。发展的宗旨并未改变，依然是充分利用硬件，提供更好的服务。11:04第一章操作系统引论操作系统的发展过程操作系统形成实时系统多道程序系统多道分时批处系统理系统手工操作阶段单道批处理联机批处理脱机批处理PC机OS网络OS分布式OS多处理OS嵌入式OS11:04第一章操作系统引论手工操作阶段第一台计算机ENIAC的运算速度为每秒5000次，操作者必须用线路连接的方法手工编排程序然后连接电路。无操作系统的计算机系统11:04第一章操作系统引论程序通过插板或卡片装入无操作系统的计算机系统11:04第一章操作系统引论1.特点：无任何软件有人工干预用户独占全机CPU等待人工操作2.问题：人—机矛盾CPU—I/O速度不匹配的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手工操作阶段的优缺点无操作系统的计算机系统11:04第一章操作系统引论20世纪50年代末出现了脱机输入/输出（Off-LineI/O）技术。该技术是事先将装有用户程序和数据的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片机），在一台外围机的控制下，把纸带（卡片）上的数据（程序）输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上将其高速地调入内存。脱机输入/输出方式无操作系统的计算机系统磁带输出设备外围机主机磁带磁带磁带外围机输入设备11:04第一章操作系统引论当CPU需要输出时，可由CPU直接高速地把数据从内存送到磁带上，然后再在另一台外围机的控制下，将磁带上的结果通过相应的输出设备输出。脱机输入/输出方式无操作系统的计算机系统输出设备主机磁带磁带外围机11:04第一章操作系统引论优点：（1）减少了CPU的空闲时间。装带（卡）、卸带（卡）以及将数据从低速I/O设备送到高速磁带（或盘）上，都是在脱机情况下进行的，并不占用主机时间，从而有效地减少了CPU的空闲时间，缓和了人机矛盾。（2）提高了I/O速度。当CPU在运行中需要数据时，是直接从高速的磁带或磁盘上将数据调入内存的，不再是从低速I/O设备上输入，极大地提高了I/O速度，从而缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，进一步减少了CPU的空闲时间。脱机输入/输出方式无操作系统的计算机系统11:04第一章操作系统引论手工操作阶段单道批处理系统联机批处理脱机批处理主机速度人—机矛盾单道批处理系统第一章操作系统引论单道批处理系统工作方式：把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序（Monitor），在它的控制下使这批作业能一个接一个连续处理。工作过程：由监督程序将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行控制权交给该作业。当该作业处理完成时，又把控制权交还给监督程序，在由监督程序把磁带（盘）上的第二个作业调入内存。计算机系统这样一个作业一个作业地进行处理，直至磁带（盘）上的所有作业全部完成。第一章操作系统引论单道批处理系统还有下一个作业?把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？装配目标程序运行目标程序开始是是否否停止第一章操作系统引论单道批处理系统自动性作业能够自动地逐个依次运行，无须人工干预顺序性各道作业的完成顺序与进入内存的顺序相同单道性内存中仅有一道程序运行第一章操作系统引论批处理阶段联机批处理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：由外围机负责I/O脱机批处理主机与外围机并行操作输入机打印机外围机输出带输入带输出带输入带主机脱机批处理图示$END…$LOAD…主机打印机11:04第一章操作系统引论11:04第一章操作系统引论多道批处理系统20世纪60年代中期，引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统（MultiprogrammedBatchProcessingSystem）。用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，作业调度程序按一定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。引入多道程序设计技术可以带来如下好处：（1）提高CPU利用率。（2）可提高内存和I/O设备的利用率（3）增加系统吞吐量。11:04第一章操作系统引论单道程序运行情况用户程序监督程序I/O操作I/O中断请求t1结束中断I/O完成启动I/OI/O中断请求结束中断I/O完成启动I/Ot2t3t4t5t6t7t8从蓝色的实线来看CPU是断续性运作t2~t3、t6~t7时间间隔内CPU空闲11:04第一章操作系统引论多道程序运行情况程序A程序C程序B程序D调度程序AI/O请求AI/O完成A再次被调度BI/O请求CI/O请求DI/O请求程序BI/O完成CI/O完成C再次被调度A完成从蓝色的实线来看CPU是持续性运作11:04第一章操作系统引论多道程序设计原理【多道程序设计原理】：在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相互穿插地运行，共享CPU和外设等资源。采用多道程序设计技术的批处理系统称为多道批处理系统。11:04第一章操作系统引论多道批处理系统的优缺点资源利用率高内存中的多道程序可以共享资源，使得资源充分利用系统吞吐量大CPU及其它资源保持忙碌，切换较少，系统开销小，使得系统在单位时间内所完成的总工作量较大平均周转时间长由于作业需要排队，依次处理，周转时间较长无交互能力用户一旦将作业提交给系统，将不能与自己的作业交互，修改和调试程序不方便11:04第一章操作系统引论多道批处理系统的特征多道性在内存中可驻留多道程序无序性多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间并无严格的对应关系调度性作业从提交给系统开始直至完成需要经历作业调度和进程调度第一章操作系统引论多道批处理系统需要解决的问题处理机管理问题在多道程序之间如何共享处理机，使CPU既能满足各程序运行的需要，又能提高处理机的利用率。内存管理问题多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间并无严格的对应关系I/O设备管理问题有多种类型的I/O设备供多道程序共享，如何分配设备？如何既方便用户使用又能提高设备利用率？文件管理问题如何组织这些以文件形式存在的数据和程序？作业管理问题有的作业是I/O型，有些是计算型，有的要求系统能及时响应。如何组织这些作业？11:04第一章操作系统引论单道和多道批处理的比较多道程序系统和多处理系统(Multi-ProcessingSystem)的区别：前者指多个程序同时在内存中交替运行，后者指多个处理器。单道多道内存使用每次一个作业每次多个作业（充分利用内存）作业次序顺序，先进先出无确定次序11:04第一章操作系统引论多道批处理系统的资源利用多道批处理系统的资源利用效率特征是基于各作业对系统资源的需求差异得到的。例如：有3个作业A、B、C，A是计算作业、B是检索磁带上数据的作业，C是打印作业。3个作业单道运行时间分别为5分钟、15分钟和10分钟。假设可在15分钟内并行完成这3个作业。则各资源的利用率分别为：CPU打印机磁带单道17%33%50%多道33%66%100%单道和多道批处理的比较11:04第一章操作系统引论例：在有一台CPU和两台输入/输出设备（磁盘机和磁带机）的多道程序系统中，同时投入运行2个程序A和B。这2个程序对CPU和磁盘和磁带的使用顺序和使用时间为：程序A：磁带（30S）、CPU（10S）、磁盘（30S）、CPU（10S）、磁带（20S）程序B：磁盘（20S）、CPU（30S）、磁带（40S）假定：CPU、磁盘和磁带都能并行工作试问：在单道和多道两种方式下，1、程序A和B从投入运行到运行完成所用的时间分别是多少？2、CPU、磁盘和磁带的利用率是多少？11:04第一章操作系统引论A、B同时运行的情况程序A程序BCPU磁带磁盘20s30s50sB60sA90sA100s120s11:04第一章操作系统引论资源利用情况单道程序两道程序CPU50/190=26％50/120=42％磁带90/190=47%90/120=75%磁盘50/190=26％50/120=42%11:04第一章操作系统引论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，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。11:04第一章操作系统引论作业补充：有三个程序A、B、C，它们使用同一个设备进行I/O操作，并按A、B、C的优先次序执行。这三个程序的计算机和I/O操作时间如下表所示。假设调度时间可忽略不计，请分别画出单道程序环境和多道程序环境下（假设内存中可同时装入这三道程序），它们运行的时间关系图，并比较它们的总运行时间。11:04第一章操作系统引论程序操作ABC计算306020I/O403040计算101020表程序运行的时间表（单位：ms）11:04第一章操作系统引论