计算机操作系统课件(PPT 827页).pptx
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1、南京工业大学信息学院计算机系南京工业大学信息学院计算机系第1页,共827页。总总 目目 录录第第1章章 操作系统引论操作系统引论第第2章章 进程管理进程管理第第3章章 处理机调度与死锁处理机调度与死锁第第4章章 存储器管理存储器管理第第5章章 设备管理设备管理第第6章章 文件管理文件管理第第7章章 操作系统接口操作系统接口2第2页,共827页。课内上机实验课内上机实验1.进程的创建进程的创建2.线程的创建线程的创建3.进程同步进程同步4.进程通信进程通信5.进程调度进程调度6.银行家算法银行家算法7.页面置换算法的模拟页面置换算法的模拟8.磁盘磁盘I/O9.命令解释程序命令解释程序【说明说明】
2、以上以上9个上机实验,共计个上机实验,共计22学时学时(包括包括2个进阶要求的个进阶要求的4学时学时),可以选择其中的可以选择其中的4次实验次实验(共共8学时学时)作为课内上机实验任务。作为课内上机实验任务。第第1次实验次实验(进程管理进程管理)第第2次实验次实验(调度与死锁调度与死锁)第第4次实验次实验(操作系统接口操作系统接口)第第3次实验次实验(存储器管理存储器管理)(设备管理设备管理)(4选选1)(2选选1)(2选选1)3第3页,共827页。第第1 1章章 操作系统引论操作系统引论 1.1 OS的目标和作用的目标和作用1.2 OS的发展过程的发展过程 1.3 操作系统的基本特征操作系统
3、的基本特征 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计第第1章复习题章复习题4第4页,共827页。1.1.1 OS的目标的目标n 有效性有效性n 方便性方便性n 可扩展性可扩展性n 开放性开放性操作系统(操作系统(Operating System,OS)是计算机硬件)是计算机硬件上的第一层软件,是计算机必须配置的最基本、最上的第一层软件,是计算机必须配置的最基本、最重要的系统软件。重要的系统软件。1.1 OS的目标和作用的目标和作用5第5页,共827页。1有效性有效性(早期早期OS的主要目标的主要目标)n有效提高有效提高CPU和和I/O设备利用率
4、设备利用率n提高的方法:提高的方法:合理地组织计算机的工合理地组织计算机的工作流程作流程2方便性方便性(现在现在OS越来越重视方便性越来越重视方便性)n可使计算机系统更容易使用可使计算机系统更容易使用(解释之解释之)方便性和有效性是设计方便性和有效性是设计OS的两个最重要的目标的两个最重要的目标6第6页,共827页。3可扩展性可扩展性n计算机硬件和体系结构的发展,对计算机硬件和体系结构的发展,对OS提出了更高的功提出了更高的功能和性能要求能和性能要求n计算机网络,特别是计算机网络,特别是Internet的发展,也对的发展,也对OS提提出了一系列更高的要求出了一系列更高的要求为什么要有可扩充性?
5、为什么要有可扩充性?因为:因为:OS为了能适应发展的要求,须具有良好的可扩充性。为了能适应发展的要求,须具有良好的可扩充性。如何才有可扩充性?如何才有可扩充性?应采用新的应采用新的OS结构,如微内核结构和客户服务器模式。结构,如微内核结构和客户服务器模式。7第7页,共827页。4开放性开放性v 为什么要有开放性?为什么要有开放性?计算机网络,特别是计算机网络,特别是LANLAN的迅速发展,使的迅速发展,使OSOS的应用环境的应用环境由单机转向网络环境。为使不同厂家的计算机和设备由单机转向网络环境。为使不同厂家的计算机和设备能通过网络加以集成化,并能正确、有效地协同工作,能通过网络加以集成化,并
6、能正确、有效地协同工作,实现应用的可移植性和互操作性,必须具有统一的开实现应用的可移植性和互操作性,必须具有统一的开放环境,进而要求放环境,进而要求OSOS具有开放性。具有开放性。v 什么是开放性?什么是开放性?开放性是指系统能遵循世界标准规范,特别是遵循开放性是指系统能遵循世界标准规范,特别是遵循开放系统互连(开放系统互连(OSIOSI)国际标准。)国际标准。8第8页,共827页。n从用户观点看,从用户观点看,OS是用户和计算机硬件系统之间是用户和计算机硬件系统之间的的接口接口n从资源管理观点看,从资源管理观点看,OS是计算机系统资源(软、是计算机系统资源(软、硬)的硬)的管理者管理者1.1
7、.2 OS的作用的作用1OS作为用户和计算机硬件系统的接口作为用户和计算机硬件系统的接口2OS作为计算机资源的管理者作为计算机资源的管理者3OS实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资源的抽象操作系统的作用操作系统的作用:9第9页,共827页。1.OS作为用户和计算作为用户和计算机硬件系统的接口机硬件系统的接口(用户接口用户接口)用用 户户系统调用系统调用 命令命令 窗口窗口操作系统操作系统应用程序应用程序计算机硬件计算机硬件图图1-1 1-1 操作系统作为用户接口示意图操作系统作为用户接口示意图用户可以通过三种方用户可以通过三种方式使用计算机式使用计算机:命令方式(键盘命令)命令方式(键盘命
8、令)图标、窗口方式图标、窗口方式(GUI)系统调用方式系统调用方式(程序接口程序接口)操作接口操作接口1.1.2 OS的作用的作用10第10页,共827页。n计算机系统资源可归结为四类:处理器、计算机系统资源可归结为四类:处理器、存储器、存储器、I/O设备、信息(数据和程序)设备、信息(数据和程序)nOS的主要功能也正是针对这四类资源进行的主要功能也正是针对这四类资源进行有效管理:有效管理:2.OS作为计算机资源的管理者作为计算机资源的管理者l处理机管理:分配和控制处理机处理机管理:分配和控制处理机l存储器管理:主要是内存分配和回收存储器管理:主要是内存分配和回收lI/O设备管理:设备管理:I
9、/O设备的分配与操纵设备的分配与操纵l文件管理:文件的存取、共享和保护文件管理:文件的存取、共享和保护11第11页,共827页。n完全无软件的计算机完全无软件的计算机裸机。裸机。n“裸机裸机”难于使用。难于使用。n裸机覆盖了一层裸机覆盖了一层I/O设备管理软件如图设备管理软件如图1-2所示,由它来实现对所示,由它来实现对I/O设备操作的细节,并向上提供一组设备操作的细节,并向上提供一组I/O操作命令,如操作命令,如Read和和Write命令,用户可以利用它进行数据输入命令,用户可以利用它进行数据输入/输出,而无需关心输出,而无需关心I/O实现的实现的细节。此时用户所看到的是一台功能显著增强、使
10、用极为方便的的细节。此时用户所看到的是一台功能显著增强、使用极为方便的的机器,它向上提供了一组抽象的机器,它向上提供了一组抽象的I/O设备,称为扩充机或虚拟机。设备,称为扩充机或虚拟机。3.OS实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资源的抽象虚拟性虚拟性是是OSOS的基本特的基本特征之一征之一用户用户用户用户物理接口物理接口硬件硬件物理接口物理接口硬件硬件I/O软件软件I/O操作命令操作命令(Read,Write)机器指令机器指令虚拟机虚拟机图图1-2 I/O软件隐藏了软件隐藏了I/O操作实现的细节操作实现的细节第一层软件第一层软件第二层软件第二层软件12第12页,共827页。为了方便用户使用
11、文件系统,又在第一层软件上再覆盖一为了方便用户使用文件系统,又在第一层软件上再覆盖一层用于文件的管理软件,用它来实现对文件操作的细节,层用于文件的管理软件,用它来实现对文件操作的细节,并向上提供一组对文件进行存取操作的命令。并向上提供一组对文件进行存取操作的命令。第二个层次第二个层次的抽象的抽象。又在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件,用户又在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件,用户便可在窗口环境下方便地使用计算机,形成一台功能更强的便可在窗口环境下方便地使用计算机,形成一台功能更强的虚拟机。虚拟机。由此可知,操作系统是铺设在硬件上的多层系统软件,它们由此可知,操作系统是铺设在
12、硬件上的多层系统软件,它们不仅增强了系统功能,而且还隐藏了对硬件操作的细节,由不仅增强了系统功能,而且还隐藏了对硬件操作的细节,由它们实现对计算机硬件的多个层次的抽象。它们实现对计算机硬件的多个层次的抽象。13第13页,共827页。1.1.3 推动推动OS发展的主要动力发展的主要动力1不断提高计算机资源利用率。不断提高计算机资源利用率。2方便用户方便用户:继续发展的因素继续发展的因素分时系统分时系统(或称或称多用户系统多用户系统)3器件的不断更新换代器件的不断更新换代 4计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展 最初发展的动力。最初发展的动力。批处理系统批处理系统8位机位机16位机位机
13、32位机位机64位机位机(8位位OS 16位位OS.)单机系统单机系统多处理机系统:单机多处理机系统:单机OS多处理机多处理机OS 计算机网络:网络计算机网络:网络OS14第14页,共827页。1.2 OS的发展过程的发展过程 n20世纪世纪50年代中期,第一个简单的批处理年代中期,第一个简单的批处理系统系统 n60年代中期,多道程序批处理系统,随后年代中期,多道程序批处理系统,随后出现分时系统出现分时系统 n上世纪上世纪80年代开始至年代开始至21世纪初,微型机、世纪初,微型机、多处理机、计算机网络大发展年代多处理机、计算机网络大发展年代微机微机OS、多处理机、多处理机OS和网络和网络OS的
14、形成和大发的形成和大发展年代。展年代。15第15页,共827页。1.2.1 无无OS的计算机系统的计算机系统 n人工操作方式人工操作方式 n脱机输入脱机输入/输出(输出(Off-Line I/O)方式)方式(20世纪世纪50年代末年代末)这一时期有两种操作方式:这一时期有两种操作方式:16第16页,共827页。1人工操作方式人工操作方式 n程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据)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(或卡片的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡片输入机);输入机);n再启动输入机将程序和数据输入计算机;再启动输入机将程序和数据输入计算机;n然后启动计
15、算机运行。然后启动计算机运行。n当程序运行完毕并取走计算结果后,才让下当程序运行完毕并取走计算结果后,才让下一个用户上机。一个用户上机。缺点:缺点:n 用户独占全机;用户独占全机;n CPUCPU等待人工操作等待人工操作17第17页,共827页。2脱机输入脱机输入/输出方式输出方式 优点优点:(1)减少了)减少了CPU的空闲时间的空闲时间(2)提高了)提高了I/O速度速度外围机外围机磁带机磁带机磁带机磁带机磁带机磁带机磁带机磁带机外围机外围机输出机输出机主机主机输入设备输入设备图图1-2 脱机脱机I/O示意图示意图18第18页,共827页。1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统 l把一批作业
16、以脱机方式输入到磁带上;把一批作业以脱机方式输入到磁带上;l在监督程序在监督程序(Monitor)控制下使这批作业)控制下使这批作业 一个接一个地连续处理。一个接一个地连续处理。参看下页的图参看下页的图1-3它是它是OS的前身,而非现在人们理解的的前身,而非现在人们理解的OS。1.单道批处理系统的处理过程单道批处理系统的处理过程19第19页,共827页。开始开始还有下一个还有下一个作业?作业?停止停止把下一个作业的源程序把下一个作业的源程序转换为目标程序转换为目标程序源程序有错源程序有错吗?吗?装配目标装配目标程序程序目标程序运行目标程序运行直到结束直到结束否否是是是是否否图图1-3 单道批处
17、理系统的处理流程单道批处理系统的处理流程20第20页,共827页。2.单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征(1)自动性自动性在磁带上的作业能自动地逐个地依次运行,在磁带上的作业能自动地逐个地依次运行,而无需人工干预。而无需人工干预。(2)顺序性顺序性(3)单道性单道性磁带上的各道作业是顺序地进入内存,各道磁带上的各道作业是顺序地进入内存,各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序相同,作业的完成顺序与它们进入内存的顺序相同,即先调入内存的作业先完成。即先调入内存的作业先完成。在内存中仅有一道程序运行,即监督程序每次在内存中仅有一道程序运行,即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存,当该程序
18、从磁带上只调入一道程序进入内存,当该程序完成或发生异常情况时,才换入其后继程序进完成或发生异常情况时,才换入其后继程序进入内存运行。入内存运行。21第21页,共827页。1.2.3 多道批处理系统多道批处理系统n多道程序设计的基本概念多道程序设计的基本概念 20世纪世纪60年代中期年代中期 n 用户提交的作业事先存放在外存上,形成用户提交的作业事先存放在外存上,形成“后备队列后备队列”n 作业调度程序按一定算法从后备队列中选择作业调度程序按一定算法从后备队列中选择若干作业调入内存,使它们共享若干作业调入内存,使它们共享CPU和系统和系统中的各种资源。中的各种资源。好处好处:(1)提高)提高CP
19、U利用率利用率(2)提高内存和)提高内存和I/O设备利用率设备利用率(3)增加系统吞吐量)增加系统吞吐量 22第22页,共827页。多道批处理系统的特征多道批处理系统的特征(1)多道性多道性:多道程序在内存中并发执行。提高了资多道程序在内存中并发执行。提高了资源利用率和系统吞吐量。源利用率和系统吞吐量。(2)无序性无序性:先进入内存的作业可能后完成;后进先进入内存的作业可能后完成;后进入内存的作业可能先完成。入内存的作业可能先完成。(3)调度性调度性:作业从提交到完成,需经过两种调度:作业从提交到完成,需经过两种调度:作业调度作业调度和和进程调度进程调度。23第23页,共827页。多道批处理系
20、统的优缺点:多道批处理系统的优缺点:(1)资源利用率高。)资源利用率高。(CPU(CPU、内存、内存、I/OI/O设备利用率设备利用率)(2)系统吞吐量大。)系统吞吐量大。(3)周转时间长。)周转时间长。(4 4)无交互能力。)无交互能力。系统吞吐量是指系统在单位时间系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。内所完成的总工作量。作业周转时间是指从作业进入系统(提作业周转时间是指从作业进入系统(提交)开始,直至它完成并退出系统为止交)开始,直至它完成并退出系统为止所经历的时间。所经历的时间。对修改和调试程序极对修改和调试程序极不方便。不方便。24第24页,共827页。多道批处理系统需要解决
21、的问题多道批处理系统需要解决的问题 (1)处理机管理问题)处理机管理问题(处理机分配、提高利用率处理机分配、提高利用率)(2 2)内存管理问题)内存管理问题(分配、保护等分配、保护等)(3 3)I/OI/O设备管理问题设备管理问题(方便用户、提高利用率方便用户、提高利用率)(4 4)文件管理问题)文件管理问题(方便用户、数据安全一致方便用户、数据安全一致)(5 5)作业管理问题)作业管理问题(计算型、计算型、I/OI/O型不同处理型不同处理)25第25页,共827页。1.2.4 分时系统分时系统 n分时系统分时系统是指在一台主机上连接多个是指在一台主机上连接多个带有显示器和键盘的带有显示器和键
22、盘的终端终端,同时允许多个,同时允许多个用户通过自己的终端,以交互方式使用计用户通过自己的终端,以交互方式使用计算机,共享主机中的资源。算机,共享主机中的资源。26第26页,共827页。1.分时系统的产生分时系统的产生 是为了满足用户的以下需求而产生的:是为了满足用户的以下需求而产生的:(1)人)人-机交互机交互(2)共享主机)共享主机(3)便于用户上机)便于用户上机 27第27页,共827页。2分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题(1)及时接收及时接收(2)及时处理及时处理 n 用户作业不能先进入磁盘,然后再调入内存用户作业不能先进入磁盘,然后再调入内存n 不允许一个作业长期占用
23、处理机,直至它运行结不允许一个作业长期占用处理机,直至它运行结束或出现束或出现I/O请求后,方才调度其它作业运行请求后,方才调度其它作业运行n 应该规定每个作业只运行一个很短的时间(称应该规定每个作业只运行一个很短的时间(称为为时间片时间片)要做到上述两条,必须彻底改变批处理系统的运要做到上述两条,必须彻底改变批处理系统的运行方式,即:行方式,即:28第28页,共827页。3分时系统的特征分时系统的特征(1)多路性:)多路性:允许一台主机上同时联接多个联机终允许一台主机上同时联接多个联机终端端(2)独立性:)独立性:每个用户各占一个终端,彼此独立每个用户各占一个终端,彼此独立操作,互不干扰。操
24、作,互不干扰。(3)及时性:)及时性:用户的请求能在很短时间内获得响应。用户的请求能在很短时间内获得响应。(4)交互性:)交互性:用户可通过终端与系统进行广泛的对用户可通过终端与系统进行广泛的对话。话。29第29页,共827页。1.2.5 实时系统实时系统 实时系统实时系统(Real-Time System)是指系统能及时响应外部事件的是指系统能及时响应外部事件的请求,在规定时间内完成该事件的处请求,在规定时间内完成该事件的处理,并控制所有实时任务协调一致地理,并控制所有实时任务协调一致地运行。运行。定义:定义:30第30页,共827页。1应用需求应用需求(1)实时控制。)实时控制。飞机或火车
25、的订票系统、情报检索系统等飞机或火车的订票系统、情报检索系统等。(2)实时信息处理。)实时信息处理。实时数据采集处理;执行机构;自动控制实时数据采集处理;执行机构;自动控制31第31页,共827页。2实时任务实时任务 在实时系统中必然存在着若干个实时任务,这些实时任务通在实时系统中必然存在着若干个实时任务,这些实时任务通常与某个(某些)外部设备相关,能反映或控制相应的外部常与某个(某些)外部设备相关,能反映或控制相应的外部设备,因而带有某种程度的紧迫性。设备,因而带有某种程度的紧迫性。周期性周期性实时任务实时任务按指定周期循环执行,以便周按指定周期循环执行,以便周期性地控制某外部设备。期性地控
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