1.1-操作系统的地位、目标及作用.ppt课件.ppt
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- 1.1 操作系统 地位 目标 作用 ppt 课件
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1、1.1 1.1 操作系统的地位、目标及作用操作系统的地位、目标及作用计算机系统计算机系统( (层次结构层次结构) )软件软件硬件(裸机)硬件(裸机)应用软件应用软件系统软件系统软件编辑软件,编译软件编辑软件,编译软件操作系统操作系统计算机系统的组成计算机系统的组成 :第第1 1章章 引论引论计算机硬件计算机硬件操作系统操作系统系统工具系统工具用户应用用户应用应用用户应用用户应用开发人员应用开发人员操作系统操作系统开发人员开发人员地位:地位: 紧贴系统硬件之上,所有其它软件之下紧贴系统硬件之上,所有其它软件之下(是其它软件的支撑环境)(是其它软件的支撑环境) 有效性有效性(系统管理人员的观点):
2、管理和分配系统管理人员的观点):管理和分配硬件、软件资源,合理地组织计算机的工作流程。硬件、软件资源,合理地组织计算机的工作流程。 方便性方便性(用户的观点):提供良好的、一致的用(用户的观点):提供良好的、一致的用户接口,弥补硬件系统的类型和数量差别。户接口,弥补硬件系统的类型和数量差别。 可扩充性可扩充性(开放的观点):硬件的类型和规模、(开放的观点):硬件的类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间的资源共享和互操作的资源共享和互操作 。目标:目标:作用作用 :几种观点几种观点 (1)(1) OSOS是计算机硬件、软件资源的管理者。是
3、计算机硬件、软件资源的管理者。系统调用(编程接口)系统调用(编程接口)命令命令 命令行命令行图形界面(图形界面(GUI)(2 2)OSOS是用户使用系统的接口是用户使用系统的接口(3)(3) OSOS是扩展机是扩展机( (extended machine)/extended machine)/虚拟机虚拟机( (virtual virtual machine)machine)。在裸机上添加:设备管理、文件管理、存储管理(针对在裸机上添加:设备管理、文件管理、存储管理(针对内存和外存)、处理机管理内存和外存)、处理机管理1.2 操作系统的发展史操作系统的发展史 1.2.1 推动操作系统发展的主要动
4、力推动操作系统发展的主要动力 需求推动了发展需求推动了发展(1)(1) 提高资源的利用率和系统性能提高资源的利用率和系统性能(2)(2) 方便用户方便用户 (3)(3) 器件的发展器件的发展1.2.2 早期的早期的手工操作手工操作 时间时间 1946 50年代(电子管),集中计算(计算中心),计算年代(电子管),集中计算(计算中心),计算机资源昂贵;机资源昂贵;需求需求 二战对武器设计的需要,美国、英国和德国等国家开始二战对武器设计的需要,美国、英国和德国等国家开始了电子数字计算机的研究工作。了电子数字计算机的研究工作。 哈佛大学的哈佛大学的Howard AikenHoward Aiken 普
5、林斯顿高等研究院的普林斯顿高等研究院的John NeumannJohn Neumann(冯冯诺依曼)诺依曼) 宾夕法尼亚大学的宾夕法尼亚大学的J.PresperJ.Presper Eckert Eckert和和William William MauchleyMauchley 德国电话公司的德国电话公司的KonraadKonraad ZuseZuse以及其他一些人都使用真空以及其他一些人都使用真空管成功地建造了运算机器。管成功地建造了运算机器。 没有程序设计语言(没有程序设计语言(甚至没有汇编),更谈甚至没有汇编),更谈不上操作系统。不上操作系统。 程序员提前预约一段程序员提前预约一段时间时间,
6、 ,然后到机房将他的然后到机房将他的插件板插到计算机里。插件板插到计算机里。 期盼着在接下来的时期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会间中几万个真空管不会烧断从而可以计算自己烧断从而可以计算自己的题目。的题目。ENIACENIAC计算机计算机运算速度:运算速度:10001000次次/ /每秒每秒, , 数万个真空管数万个真空管, , 占地占地100100平方米平方米工作方式: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用户:用户既是程序员,又是操作员;用户是计算机专业人员;员;编程语言:机器语言;编程语言:机器语言;输入输出:纸带或卡片;输入输出:纸带或卡片;工作特点:工作特
7、点:1) 用户独占全机:不出现资源被其他用户占用的现象,但资用户独占全机:不出现资源被其他用户占用的现象,但资源利用率低;源利用率低;2)CPU等待用户:计算前,手工装入纸带或卡片;计算完成等待用户: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;后,手工卸取纸带或卡片;CPU利用率低;利用率低;主要矛盾:主要矛盾: 1)计算机处理能力的提高,手工操作的低效率(造成浪费);计算机处理能力的提高,手工操作的低效率(造成浪费); 2)用户独占全机的所有资源;用户独占全机的所有资源;提高效率的途径提高效率的途径专门的操作员,批处理专门的操作员,批处理 1.2.3 单道批处理系统单道批处理
8、系统(simple batch processing) 时间时间 50年代末年代末 60年代中(晶体管):利用磁带把若干个作业年代中(晶体管):利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列,每个批作业由一个专门的监督分类编成作业执行序列,每个批作业由一个专门的监督程序(程序(Monitor)自动依次处理。可使用汇编语言开发。自动依次处理。可使用汇编语言开发。 批处理中的作业的组成:批处理中的作业的组成:l包括用户程序、数据和作业说明书(作业控制语言)包括用户程序、数据和作业说明书(作业控制语言)批处理方式批处理方式(1)(1) 联机批处理联机批处理 问题:输入输出时,问题:输入输出时,CPU处于等
9、待状态。处于等待状态。 早期的联机批处理的硬件控制方式是:作业的输入、计算早期的联机批处理的硬件控制方式是:作业的输入、计算和输出都是在和输出都是在CPUCPU直接控制下进行的。直接控制下进行的。模型:模型: 早期联机批处理早期联机批处理 应用带应用带 系统带系统带主机主机卡片输入卡片输入机机打印机打印机(2)2)脱机批处理(缓冲技术的一种)脱机批处理(缓冲技术的一种) 增加卫星机完成输入增加卫星机完成输入/ /输出功能。主机与卫星输出功能。主机与卫星机可并行工作。机可并行工作。 系统带系统带 应用带应用带输出带输出带输入带输入带卫卫 星星 机机打印机打印机主机主机卡片输入机卡片输入机1.2.
10、4 多道批处理系统多道批处理系统时间:时间:6060年代中年代中 70 70年代中(集成电路)年代中(集成电路) 60 60年代初期,计算机开始采用集成电路,多数厂商有几条年代初期,计算机开始采用集成电路,多数厂商有几条完全不同的生产线,生产不同的计算机。开发和维护完全不完全不同的生产线,生产不同的计算机。开发和维护完全不同的产品,对厂商来说是昂贵的。同的产品,对厂商来说是昂贵的。 另外,新用户,在开始时只需要一台小计算机,随着时间另外,新用户,在开始时只需要一台小计算机,随着时间的推移,业务量的增加,到后来可能需要一台大的计算机,的推移,业务量的增加,到后来可能需要一台大的计算机,而且希望能
11、在新计算机上执行原有的程序。这样,厂家和用而且希望能在新计算机上执行原有的程序。这样,厂家和用户都需要软件在不同型号的计算机之间兼容。户都需要软件在不同型号的计算机之间兼容。目的:目的: 提高资源的利用率。提高资源的利用率。特点:特点:多道:内存中同时存放几个作业(用户程序);多道:内存中同时存放几个作业(用户程序);宏观上并行运行:都处于运行状态,但都未运行完;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:各作业交替使用微观上串行运行:各作业交替使用CPU;tjopjop1 1jopjop2 2jopjop3 3调度程序调度程序jopjop1 1打印打印jopjop1 1再次
12、运行再次运行jopjop2 2读数据读数据使用使用cpucpu使用使用I/OI/O优点:优点: 资源利用率高:资源利用率高:CPU和内存利用率较高;作业吞吐量大:和内存利用率较高;作业吞吐量大:单位时间内完成的工作总量大;单位时间内完成的工作总量大;缺点:缺点: 用户交互性差用户交互性差,不利于调试和修改;不利于调试和修改; 由于所有的计算机都由于所有的计算机都有相同的体系结构和指令有相同的体系结构和指令集在理论上,为一型号编集在理论上,为一型号编写的程序可以在其它型号写的程序可以在其它型号机器上运行。机器上运行。IBMIBM试图一试图一次性地解决上述问题次性地解决上述问题代表机器:代表机器:
13、 1964 1964 年年IBM IBM 宣布推宣布推System/360System/360计算机系统,为第一个计算机系统,为第一个采用小规模集成电路的主流机型。采用小规模集成电路的主流机型。IBM System/360IBM System/360的若干问题:的若干问题: IBMIBM无法写出同时满足互冲突需要的操作系统,其实别无法写出同时满足互冲突需要的操作系统,其实别人也一样不能完成这项工作任务。人也一样不能完成这项工作任务。 IBM OS/360IBM OS/360文件系统中有类型字段,定义文件的类型,文件系统中有类型字段,定义文件的类型,有定长、不定长记录、块状和非块状文件,用户对于
14、输出文有定长、不定长记录、块状和非块状文件,用户对于输出文件的大小,只有通过猜测。件的大小,只有通过猜测。 存储管理有基地址寄存器寻址方式,程序也可以访问存储管理有基地址寄存器寻址方式,程序也可以访问和修改基地址寄存器,但是和修改基地址寄存器,但是CPUCPU生成的却是绝对地址,虽然不生成的却是绝对地址,虽然不用进行动态再分配,但程序却被钉死在调入内存时的物理地用进行动态再分配,但程序却被钉死在调入内存时的物理地址上。址上。IBM System/360, IBM System/360, 庞大的软件怪兽庞大的软件怪兽 数千名程序员写了数百万行汇编语言代码,系统自身数千名程序员写了数百万行汇编语言
15、代码,系统自身占据了大量存储空间和一半的占据了大量存储空间和一半的CPUCPU时间。时间。 数百万行汇编代码中有成千上万处错误数百万行汇编代码中有成千上万处错误 IBMIBM不断发行新的版本试图更正这些错误,每个新版本不断发行新的版本试图更正这些错误,每个新版本在更正老错误的同时又引入新错误。在更正老错误的同时又引入新错误。 随着时间的流逝,错误的数量大致保持不变随着时间的流逝,错误的数量大致保持不变1.2.5 分时系统分时系统时间:时间:7070年代中期至今年代中期至今含义:含义: 多个用户分享使用同一台计算机。每个用户给一定的时多个用户分享使用同一台计算机。每个用户给一定的时间运行,然后切
16、换到另一个用户,一个轮转周期在宏观间运行,然后切换到另一个用户,一个轮转周期在宏观上相当短,用户感觉不到。上相当短,用户感觉不到。主机主机终端终端 占用终端与系统用户交互的作占用终端与系统用户交互的作业业前台作业前台作业系统控制台系统控制台不占用终端的用户(作业)不占用终端的用户(作业)后台作业后台作业特点特点: :(1)(1)人机交互性好。在调试和运行程序时由用户自己操人机交互性好。在调试和运行程序时由用户自己操作。作。(2)(2)共享主机:多个用户同时使用。共享主机:多个用户同时使用。(3)(3) 用户独立性:对每个用户而言逻辑上独占主机。用户独立性:对每个用户而言逻辑上独占主机。 目前许
17、多操作系统都具有分时处理的功能,在分时目前许多操作系统都具有分时处理的功能,在分时系统的基础上,操作系统的发展开始分化,如实时系统、系统的基础上,操作系统的发展开始分化,如实时系统、通用系统、个人系统等。通用系统、个人系统等。 1.2.6 实时系统实时系统(real-time system) 用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域,用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域,包括实时控制、实时信息处理。包括实时控制、实时信息处理。 要求:在一定范围之内,响应时间短;要求:在一定范围之内,响应时间短; 系统可靠性高系统可靠性高1.3 操作系统的特征和服务操作系统的特征和服务 1.3.1 操作
18、系统的特征操作系统的特征 并发并发( (concurrency)concurrency) 多个事件在同一时间段内发生。多个事件在同一时间段内发生。操作系统是一个并发操作系统是一个并发系统,各进程间的并发,系统程序与应用程序间的并系统,各进程间的并发,系统程序与应用程序间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。发。操作系统要完成这些并发过程的管理。并行并行( (parallel)parallel) 是指在同一时刻发生是指在同一时刻发生。在多道程序处理时,宏观上并发,。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)。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
19、件,而动态实体是进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。程(或称作任务),并发指的是进程。 共享共享( (sharing)sharing)l多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要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。段内交替被多个进程所用。l互斥共享(如音频设备):资源分配后到释放前,互斥共享(如音频设备):资源分配后到释放前,不能被其它进程所用。不能被其它进程所用。l同时访问(如可重入代码,磁盘文件)同时访问(如可重入代码,磁盘文件
20、) 虚拟虚拟( (virtual)virtual)l一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体分时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,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。可提高资源利用率。lCPUCPU每个用户(进程)的每个用户(进程)的“虚处理机虚处理机”l存储器每个进程都占有的地址空间(指令数据存储器每个进程都占有的地址空间(指令数据堆栈)堆栈)l显示设备多窗口或虚拟终端显示设备多窗口或虚拟终端( (virtual terminal)virtual terminal) 异步性异步性( (asynchronism
21、asynchronism) )l也称不确定性,指进程的执行顺序和执行时间的不也称不确定性,指进程的执行顺序和执行时间的不确定性;确定性; 进程的运行速度不可预知:分时系统中,多个进进程的运行速度不可预知:分时系统中,多个进程并发执行,程并发执行,“时走时停时走时停”,不可预知每个进程,不可预知每个进程推进的快慢推进的快慢 判据:无论快慢,应该结果相同通过进程互判据:无论快慢,应该结果相同通过进程互斥和同步手段来保证难以重现系统在某个时刻的斥和同步手段来保证难以重现系统在某个时刻的状态(包括重现运行中的错误)状态(包括重现运行中的错误) 性能保证:实时系统与分时系统相似,但通过资性能保证:实时系
22、统与分时系统相似,但通过资源预留以保证性能源预留以保证性能 1.3.2 操作系统的服务操作系统的服务 (1)服务类型)服务类型l程序执行和终止(包括分配和回收资源)程序执行和终止(包括分配和回收资源)lI/O操作操作l文件系统操作文件系统操作l通信:本机内,计算机之间(通常通信服务的使用通信:本机内,计算机之间(通常通信服务的使用者为进程,而不是笼统说者为进程,而不是笼统说“主机主机”)l配置管理:硬件、配置管理:硬件、OS本身、其它软件本身、其它软件l差错检测差错检测 (2 2)服务提供方式:系统命令和系统调用)服务提供方式:系统命令和系统调用 1.4.1 存储管理存储管理 管理目标:提高利
23、用率、方便用户使用、提供足够的管理目标:提高利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、方便进程并发运行。存储空间、方便进程并发运行。l(1)(1)存储分配与回收存储分配与回收l(2)(2)存储保护存储保护 l(3)(3)地址映射地址映射 l(4)(4)内存扩充(覆盖、交换和虚拟存储内存扩充(覆盖、交换和虚拟存储) )1.4.2 处理机管理处理机管理 完成处理机资源的分配调度等功能。完成处理机资源的分配调度等功能。l(1)(1)进程控制进程控制 l(2)(2)进程同步进程同步 l(3)(3)进程通信进程通信 l(4)(4)调度调度1.4 操作系统的功能操作系统的功能 1.4.3 设备管理设备管理
24、 目标:方便设备使用、提高目标:方便设备使用、提高CPUCPU与与I/OI/O设备利用率;设备利用率;l(1)(1)设备操作设备操作 l(2)(2)设备独立性设备独立性l(3)(3)设备分配与回收设备分配与回收1.4.4 信息管理信息管理 解决软件资源的存储、共享、保密和保护。解决软件资源的存储、共享、保密和保护。l(1)(1)文件存储空间管理文件存储空间管理l(2)(2)目录管理目录管理 l(3)(3)文件的读写管理和存取控制文件的读写管理和存取控制 l(4)(4)软件管理软件管理1.4.5 用户接口用户接口 目标:提供一个友好的用户访问操作系统的接口。目标:提供一个友好的用户访问操作系统的
25、接口。 (1) (1)系统命令:供用户用于组织和控制自己的作业运系统命令:供用户用于组织和控制自己的作业运行。命令行、菜单式或行。命令行、菜单式或GUI“GUI“联机联机”;命令脚本;命令脚本“脱机脱机” (2) (2)编程接口:供用户程序和系统程序调用操作系统编程接口: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;(系统调用)功能。系统调用和高级语言库函数;(系统调用) 1.5 操作系统分类操作系统分类 1 1、微机、微机OSOS 单用户单任务单用户单任务MS_DOS单用户多任务单用户多任务Window多用户多任务多用户多任务UNIX版本版本2、多处理机操作系统多处理机操作
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