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1、第一章 操作系统概论,1.1 什么是操作系统1.2 多道程序设计的概念1.3 操作系统的功能和主要特征1.4 操作系统的结构1.5 操作系统的分类,1.1 什么是操作系统一、计算机系统组成,中央处理机（CPU）内存 I/O设备（键盘、显示器、打字机、鼠标）外部设备 存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带）其它设备（MODEM、通信口）系统软件（操作系统、语言编译器、数据库管理系统）应用软件（CAD、MIS、用户自己开发的系统等）工具软件（软、硬件检测疹断程序）,1.1 什么是操作系统一、计算机系统组成,硬件是计算机系统的基础，软件是提高计算机系统效率和方便用户使用计算机的程序，它们二者相互依赖、相互
2、促进、共同发展。裸机（硬件）是僵尸，软件是幽灵.,1.1 什么是操作系统二、软件与硬件的关系,方便用户 提高计算机系统资源的使用效率,1.1 什么是操作系统三、在计算机系统中必须配备操作系统的目标,1.1 什么是操作系统,操作系统是控制和管理计算机系统的硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程及方便用户使用的程序和数据的集合。,计算机系统的层次结构,图 1.1 计算机系统的层次结构,操作系统是系统软件的重要组成部分,系统软件由一组控制计算机系统并管理其资源的程序组成，用于计算机的管理、控制、维护，以支持应用程序的运行。操作系统、各种语言处理程序(汇编程序、编译程序等、连接装配程序)、系统实用程
3、序以及系统维护程序等，都可算是系统软件，但是最为重要、最为基本的系统软件便是我们所要讲的操作系统。,操作系统作为资源管理器,操作系统的任务是如何在相互竞争的作业或程序之间进行有效地控制和管理，使系统资源得到充分有效的利用，实现对计算机系统工作流程的控制。具体地说：跟踪资源状态。分配资源。回收资源。保护资源。,操作系统作为虚拟机,操作系统是对硬件层的第一次扩充，它建立了一种简单的高度抽象，使用户在使用计算机时可以不涉及硬件细节。这种抽象就是为用户提供一台等价的扩展计算机，即虚拟计算机，简称虚拟机。,1.2 多道程序设计的概念,两个重大的进展,60年代计算机硬件获得两个重大的进展：通道技术和中断技
4、术通道:是一种专用部件，负责外部设备与内存之间信息的传输。中断：指主机接到外界的信号（来自CPU外部或内部）时，立即中止原来的工作，转去处理这一外来事件，处理完后，主机又回到原来工作点继续工作。,现代操作系统是中断驱动的,中断指的是：对异步或例外事件的一种响应；这一响应自动地保存CPU状态以便将来重新启动；自动转入中断处理程序。,图 1.2 中断的处理过程,中断的类型,在计算机系统中，一般将中断分为如下几种类型：I/O中断。这是外部设备完成了预定I/O操作或在I/O操作中出错所引起的中断。程序中断。这是由程序中的错误引起的中断。硬件故障中断，或称机器检验中断。外中断。外中断来自外部信号，这些信
5、号可能来自其它机器。外中断还包括时钟中断，以及来自键盘的中断。访管中断。由机器中的访管指令引起的中断。,通道技术,通道又称I/O处理机，代替CPU对I/O操作进行控制，实现CPU与外部设备的并行工作。,CPU和通道的通信,采用通道方式实现数据传输的过程如下：(1)当运行的程序要求数据传输时，CPU向通道发I/O指令，命令通道工作(2)通道接收到CPU的I/O指令后，从内存中取出相应的通道程序，通过执行通道程序完成I/O操作(3)当I/O操作完成(或出错)时，通道以中断方式中断CPU正在执行的程序，请求CPU的处理,图 1.4 多道程序运行概念图,多道程序设计原理,图 1.5 多道程序执行过程的
6、时间图,多道程序设计的特点,多道：即主存中有两道或两道以上的程序，它们都处于执行的开始点和结束点之间，也就是说，它们在任一时刻必处于就绪、运行、阻塞三种状态之一。宏观上并行：从宏观上看，它们在同时执行。微观上串行：从微观上看，它们在交替、穿插地执行，因为在任一时刻，在一台处理机上只能执行一道程序的一条指令。,思考题：,假定有两个程序A和B要执行。A程序的执行顺序是：在CPU上执行10秒、在设备DEV1上执行5秒、在CPU上执行5秒、在设备DEV2上执行10秒、在CPU上执行10秒，共需要40秒时间。B程序的执行顺序是：在设备DEV2上执行10秒、在CPU上执行10秒、在设备DEV1上执行5秒、
7、在CPU上执行5秒、在设备DEV2上执行10秒，共需要40秒时间。计算在顺序环境下，CPU、设备DEV1和DEV2的利用率分别是多少？在并发环境下，CPU、设备DEV1和DEV2的利用率分别是多少？,思考题:,假定有两个程序A和B要执行程序A要求从输入机输入1000个字符（速度为6400字符/秒），经47毫秒处理后由磁带机输出（10万字符/秒），然后再读1000个字符处理，直到所有的输入数据处理完毕。程序B要求从磁带机输入1000个字符，经31毫秒处理后，从打印机输出两行（1350行/分钟）。计算采用多道程序设计方法时，处理器的利用率为多少？,多道程序设计的实现,为实现多道程序设计，必须妥善解
8、决以下三个问题：(1)存储保护和地址重定位。(2)处理机管理和调度。(3)资源的管理和分配。,图 1.6 多道程序设计环境下各程序的 执行和状态的转换,1.3 操作系统的功能和主要特征,操作系统的功能：处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理、用户接口操作系统的主要特征并发性、共享性、虚拟性、不确定性,处理机管理,处理机管理的主要工作如下：（1）记住系统中当前每个作业程序的状态。这样，在需要对CPU重新进行分配时，就在候选的程序中选取。（2）指定处理机调度策略，它是在候选程序中进行挑选时应遵循的原则。,处理机管理,（3）实施CPU分配（也就是处理机调度），以便让获得CPU的作业程序真正投入运行
9、。在有的操作系统中，实行处理机的两级调度.第一级是作业调度，涉及作业管理；第二级才是处理机调度，属于处理机管理。,存储管理,操作系统中的存储管理是针对内存而言的。也就是说，存储管理的对象是内存，其主要工作如下：（1）记住内存各部分的使用情况，哪些已经分配，哪些为待分配。（2）制定内存的分配策略，实施内存的具体分配和回收。,存储管理,（3）保证内存中各独立作业程序的安全，互不侵扰。（4）解决“作业程序比内存大时，也能正确运行”的存储扩充问题。,设备管理,计算机系统中，除了处理机和内存外，全都是设备管理的对象，主要是一些输入/输出设备和外存。设备管理是操作系统中最为复杂、庞大的部分。设备管理的主要
10、工作如下：（1）记住各类设备的使用状态，按各自不同的性能特点进行分配和回收。,设备管理,（2）为各类设备提供相应的设备驱动程序、启动程序、初始化程序以及控制程序等，保证输入/输出操作的顺利完成。（3）利用中断、通道等技术，尽可能地使CPU与外部设备、外部设备与外部设备之间并行工作，以提高整个系统的工作效率。（4）根据不同的设备特点，采用优化策略，使对具体设备的使用更趋合理和有效。,文件管理,程序与数据都是以文件的形式存放在外存（如硬盘、软盘）上，是计算机系统的软件资源。用户是通过文件的名称来访问所需要的文件的，这就是所谓的“按名存取”方式。操作系统文件管理的主要工作如下：（1）维持一个目录表，
11、里面登记有每一个文件的名称和有关信息（这就是该文件的目录项）。,文件管理,（2）由于文件都存放在外存，要随时记住外存上文件存储空间的使用情况，哪些已经分配，哪些为待分配。（3）制定文件存储空间的分配策略，实施具体的分配和回收。（4）确保存放在外存上文件的安全、保密和共享。（5）提供一系列文件使用命令，以便用户能对文件进行存取、检索和更新等操作。,用户接口,目标：提供一个友好的用户访问操作系统的接口。操作系统向上提供两种接口：系统命令：供用户用于组织和控制自己的作业运行。命令行、菜单式或GUI联机；命令脚本脱机编程接口：供用户程序和系统程序调用操作系统功能。系统调用和高级语言库函数；,并发(co
12、ncurrency),多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发系统，各进程间的并发，系统与应用间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。并行(parallel)是指在同一时刻发生。在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。程序的静态实体是可执行文件，而动态实体是进程（或称作任务），并发指的是进程。,共享(sharing),多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。资源在一个时间段内交替被多个进程所用互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用。同时访问（如可重入代码，磁盘文件）资源分配难以达到最优化问题：资源的分
13、配、对数据同时存取的保护。,虚拟(virtual),一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体分时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。CPU每个用户（进程）的虚处理机存储器每个进程都占有的地址空间（指令数据堆栈）显示设备多窗口或虚拟终端(virtual terminal),不确定性(asynchronism),从用户运行程序的要求的角度看，操作系统必须是确定的，即用户给定一个程序和相应的初始数据，无论在什么时候，在什么计算机系统上运行，产生的结果都应是相同的。从另一个角度看操作系统又存在不确定性：这是由共享和并发引起的。在操作系统中可运行多道用户程序，而每个用户程序的
14、运行时间、要使用哪些系统资源、使用多长时间、使用的资源是共享还是独占的，操作系统在程序运行前是不知道的。这就要求操作系统的设计要很好地解决并发和共享的问题，否则，将会产生不可重现的错误，这种不可重现的错误称为不确定性。例如两个用户共享一台打印机。,1.4 操作系统的结构,操作系统的结构指操作系统各部分程序之间的存在方式和相互关系。操作系统的内核提供基本的一些操作，如：进程、线程管理、存储管理、I/O管理、文件管理等。,传统的操作系统结构设计模式,传统的操作系统结构有：整体式结构层次式结构 微内核结构,整体式结构,操作系统是一个有多种功能的系统程序，是一个统一的整体模块。整体式结构的优点是：结构
15、紧密、接口简单、系统效率高。整体式结构存在一些缺点：内部模块互相牵连，独立性差，系统结构不清晰。系统的扩展性差，一部分的改动会对其他部分产生不利的影响。系统的可适应性差。,MS DOS的体系结构,UNIX系统的体系结构,层次式结构,将操作系统分成若干层，每一层有若干模块，在特定层次上的代码只能调用较低层次上的代码。层次式结构将模块间的复杂依赖关系转变为单向依赖关系，给维护和调试操作系统带来了方便。,IBM OS/2的层次结构,微内核结构,微内核的设计目标使操作系统的内核尽可能小，操作系统的其他部分放在核外用户级完成。,多处理机系统中的操作系统结构,客户/服务器模式简化了基本操作系统、提高了可靠
16、性、适合分布式计算环境对象模式对称多处理模式,1.5 操作系统的分类,操作系统的分类方法很多，大致可以分为：单用户(微机)操作系统；批处理系统；分时系统；实时系统；网络操作系统；分布式操作系统；多处理机操作系统。,图 1.11 MS-DOS的结构,单用户(微机)操作系统,图 1.12 批处理系统中的作业状态及其转换,批处理系统,图 1.13 分时系统的概念图,分时系统,分时系统,分时计算机系统：由于中断技术的使用，使得一台计算机能连接多个用户终端，用户可通过各自的终端使用和控制计算机，我们把一台计算机连接多个终端的计算机系统称为分时计算机系统，或称分时系统。分时技术：把处理机的响应时间分成若于
17、个大小相等（或不相等）的时间单位，称为时间片（如100毫秒），每个终端用户获得CPU，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运行，当时间片到（用完），用户程序暂停运行，等待下一次运行。例如：我们上课。,分时系统,分时系统的特点,同时性：若干用户可以同时操作，共同使用同一系统的资源。独立性：每个用户都有一种“独占感”。及时性：用户的请求能得到及时响应。交互性：它是分时系统的主要属性，所以分时系统也称交互作用系统。,实时操作系统：,实时操作系统是又一种类型的操作系统，对外部的请求，实时操作系统能够在规定的时间内处理完毕。实时：指计算机对于用户请求能足够快地进行处理，并做出反映。要求毫秒、微秒级。实时
18、操作系统的应用：实时控制：工业过程控制、防空系统等实时信息处理：情报检索和查询、飞机订票系统、银行信用卡系统。,实时系统,实时系统大多具有专用性、种类多、用途各异的特点，在设计实时系统应注意：实时时钟管理连续人机对话过载的防护高可靠性,网络操作系统,网络操作系统除了基本功能外，还应提供以下功能：实现网络中各节点机之间的通信；实现网络中硬、软件资源的共享；提供多种网络服务软件；提供网络用户的应用程序接口。,图 1.14 网络操作系统Windows-NT的结构,分布式系统,分布式系统是以计算机网络为基础的计算机系统，包含多台处理机，每台处理机完成系统中指定的一部分功能。分布式计算机系统，可以是共享
19、存储器，也可以是分布式的存储器，即每台计算机都有自己的存储器。从硬件上讲，它与计算机局域网没有任何区别。关键是软件。,分布式操作系统,分布式系统的主要特点是：各节点的自治性；资源共享的透明性；各节点间的协同性；系统的坚定性。分布式操作系统的主要特点是：系统状态的不精确性。控制机构的复杂性。通信开销引起性能的下降。,多处理机操作系统,多处理机系统是由多台处理器组成的计算机系统。多处理机系统也称为并行计算机系统。并行机性能的发挥在一定程度上依赖于操作系统的支持。多处理机系统可分成两大类：基于共享存储的多处理机系统和基于分布存储的多处理机系统。前者称为紧耦合多处理机系统，而后者称为松耦合多处理机系统。,
