操作系统讲义课件.ppt
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- 操作系统 讲义 课件
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1、操作系统课程的特点:操作系统课程的特点:涉及面广涉及面广:涉及到计算机科学的很多领域涉及到计算机科学的很多领域(计计算机体系结构算机体系结构/硬件硬件 软件设计软件设计 程序设计语程序设计语言言 数据结构数据结构 算法算法 网络网络)实践性强(从实践总结出原理)实践性强(从实践总结出原理)为什么学习操作系统为什么学习操作系统?设计操作系统或者修改现有的系统设计操作系统或者修改现有的系统 加深对使用的加深对使用的OSOS的理解,有利于深入编程的理解,有利于深入编程 用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法编程时借鉴操作系
2、统的设计思想和算法 操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他领域用到其他领域 选择购买操作系统选择购买操作系统 1:Introduction 引论引论What is an operating system?Simple Batch Systems 简单批处理系统简单批处理系统Multiprogramming Batched Systems 多道程序批处理系统多道程序批处理系统Time-Sharing Systems分时系统分时系统Personal-Computer Systems 个人计算机系统个人计算机系统Parallel Systems并行系
3、统并行系统Real-Time Systems实时系统实时系统Distributed Systems分布式系统分布式系统What is an Operating System?A program that acts as an intermediary between a user of a computer and the computer hardware.在计算机用户和计算机硬件之间起媒介作用的一种程序。在计算机用户和计算机硬件之间起媒介作用的一种程序。Operating system goals:操作系统目标操作系统目标nMake the computer system convenie
4、nt to use.使计算机系统更易使用。使计算机系统更易使用。nUse the computer hardware in an efficient manner.以一种效率的方式使用硬件。以一种效率的方式使用硬件。操作系统举例操作系统举例MS OS:MS DOS,MS Windows 3.x,Windows 95,Windows NT,Windows 2000,Windows XPUNIX:BSD,SRV4,OSF1,SCO UNIX,AIX,Solaris,LinuxComputer System Components1.Hardware 硬件硬件 provides basic compu
5、ting resources(CPU,memory,I/O devices).提供基本的运算资源提供基本的运算资源2.Operating system 操作系统操作系统 controls and coordinates the use of the hardware among the various application programs for the various users.在各种应用程序和用户之间控制与协调对硬件的使用在各种应用程序和用户之间控制与协调对硬件的使用3.Applications programs 应用程序应用程序 define the ways in which t
6、he system resources are used to solve the computing problems of the users(compilers,database systems,video games,business programs).定义解决用户问题的资源使用方式(编译器、数据库、视频定义解决用户问题的资源使用方式(编译器、数据库、视频游戏、事务程序等)游戏、事务程序等)4.Users(people,machines,other computers)用户(人、机、其他计算机)用户(人、机、其他计算机).Abstract View of System Compone
7、nts 系统部件的抽象视图系统部件的抽象视图 Operating System Definitions 操作系统定义操作系统定义Resource allocator 资源分配者资源分配者 manages and allocates resources.管理和分配资源管理和分配资源Control program 控制程序控制程序 controls the execution of user programs and operations of I/O devices.控制用户程序的运行和控制用户程序的运行和I/O设备的操作设备的操作Kernel 内核内核 the one program runn
8、ing at all times(all else being application programs).常常驻内存运行的一个程序(所有其它的是应用程序)驻内存运行的一个程序(所有其它的是应用程序)定义:定义:操作系统是一种管理计算机系统资源操作系统是一种管理计算机系统资源、控控制系统工作流程,方便用户使用计算机的系统软件制系统工作流程,方便用户使用计算机的系统软件A short historical review of operating systemOperating systems have developed over the past 40 years.Operating syst
9、ems and computer architecture have had a great deal of influence on each other.操作系统的史前文明操作系统的史前文明-手工操作手工操作工作方式工作方式n用户:用户既是程序员,又是操作员;用户是计算机专业用户:用户既是程序员,又是操作员;用户是计算机专业人员;人员;n编程语言:为机器语言;编程语言:为机器语言;n输入输出:穿孔纸带或卡片;输入输出:穿孔纸带或卡片;计算机的工作特点计算机的工作特点n用户独占全机:不出现资源被其他用户占用,资源利用率用户独占全机:不出现资源被其他用户占用,资源利用率低;低;nCPU等待用户
10、: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;1946 50年代(电子管),集中计算(计算中心),年代(电子管),集中计算(计算中心),计算机资源昂贵;计算机资源昂贵;运算速度:运算速度:50005000次次/每秒每秒,18000,18000个真空管个真空管,占地占地182182平方米,重量平方米,重量130130吨,功耗吨,功耗140kW140kW程序员提前预约一段时间程序员提前预约一段时间,然后到机房运行程序,期盼着在接下然后到机房运行程序,期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会
11、烧断从而可以计算完自己的题目来的时间中几万个真空管不会烧断从而可以计算完自己的题目5050年代早期出现了穿孔卡片年代早期出现了穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机程序写在卡片上然后读入计算机主要矛盾主要矛盾n计算机处理能力的提高,手工操作的低效率计算机处理能力的提高,手工操作的低效率(造成浪费);(造成浪费);n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n专门的操作员,批处理专门的操作员,批处理 Simple Batch Systems 简单批处理系统简单批处理系统50年代末年代末 60年代中(晶体管)年代中(晶体管)Hire an operator雇一个操作
12、员(来操纵计算机)雇一个操作员(来操纵计算机),User 操作员操作员Input device:card reader卡片阅读机、卡片阅读机、tape driversOutput device:line printer、card punches卡片打孔机、卡片打孔机、tape driversReduce setup time by batching similar jobs批量处理同类作业批量处理同类作业减少了设置时间减少了设置时间Simple Batch operating Systems-First rudimentary operating system.第一个原始的操作系统。第一个原始
13、的操作系统。Automatic job sequencing 自动作业调度自动作业调度 automatically transfers control from one job to another.自动把(计算机的)自动把(计算机的)控制从一个作业转到另一个作业。控制从一个作业转到另一个作业。A Resident monitor常驻内存管理程序常驻内存管理程序ninitial control in monitor 管理程序进行管理程序进行初始化初始化ncontrol transfers to job 转换控制到作业转换控制到作业nwhen job completes control tran
14、sfers back to monitor作作业完成后转换控制回管理程序业完成后转换控制回管理程序卡片卡片脱机批处理系统脱机批处理系统IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带输入磁带磁带机磁带机卡片阅读机卡片阅读机输出磁带输出磁带打印机打印机Operating SystemMemory Layout for a Simple Batch System 简单批处理系统的内存布局简单批处理系统的内存布局Multiprogramming Batch Systems 多道程序批处理系统多道程序批处理系统60年代中年代中 70年代中(集成电路)年代中(集成电路)-现代意义上的操作系统出现现代意
15、义上的操作系统出现磁盘技术的引进,系统可以在磁盘上直接存取多个作业磁盘技术的引进,系统可以在磁盘上直接存取多个作业,进行作业调度。进行作业调度。而在主存中可同时有若干个作业,而在主存中可同时有若干个作业,CPU在其中进行切换。在其中进行切换。优点:优点:资源利用率高:资源利用率高:CPU和内存和内存利用率较高;利用率较高;作业吞吐量大:单位时间内作业吞吐量大:单位时间内完成的工作数量多;完成的工作数量多;OS Features Needed for multiprogramming 多道程序对多道程序对OS特点的要求特点的要求Memory management(存储管理存储管理)the sys
16、tem must allocate the memory to several jobs.系统必须为若干作业分派空间系统必须为若干作业分派空间CPU scheduling(CPU调度调度)the system must choose among several jobs ready to run.系统必须在就绪作业中挑选系统必须在就绪作业中挑选Allocation of devices(设备分配设备分配)Time-Sharing Systems 分时系统分时系统70年代中期至今年代中期至今-操作系统进入实用化阶段,操作系统进入实用化阶段,Unix是其中的是其中的代表代表Provide for
17、user interaction(提供用户交互性提供用户交互性:一问一答)一问一答)Allow many users to share the computer simultaneously,each user is given the impression than the entire computer system is dedicated to her use.允许多个用户同时使用允许多个用户同时使用,(但由于计算机速度快(但由于计算机速度快,)每个)每个用户感觉独享整个计算机系统。用户感觉独享整个计算机系统。Use CPU scheduling and multiprogrammin
18、g 采用采用CPU调度和多道程序技术调度和多道程序技术Use time slice 采用时间片(将采用时间片(将cpu时间分成时间片,多个时间分成时间片,多个程序轮流使用)程序轮流使用)More complex:memory management and protection;CPU-scheduling.主机主机终终端端Personal-Computer Systems 个人计算机系统个人计算机系统Personal Computers computer system dedicated to a single user.个人计算机个人计算机-供个人使用的计算机系统供个人使用的计算机系统I/O
19、 devices keyboards,mice,display screens,small printers.使用的使用的 I/O设备设备-键盘、鼠标、显示、小型打印机键盘、鼠标、显示、小型打印机Designed for maximizing User convenience and responsiveness.尽可能提高用户使用方便和响应及时尽可能提高用户使用方便和响应及时Can adopt technology developed for larger operating system.Often individuals have sole use of computer and do
20、not need advanced CPU utilization or protection features.可采用大型操作系统研发的技术,通常个人独占计算机可采用大型操作系统研发的技术,通常个人独占计算机,不需要很不需要很高的高的CPU利用率和保护技术利用率和保护技术常用的个人计算机操作系统常用的个人计算机操作系统n单用户单任务:单用户单任务:MS DOSn单用户多任务:单用户多任务:OS/2,MS Windows 3.x,Windows 95,Windows NT,Windows 2000 Professionaln多用户多任务:多用户多任务:UNIX(SCO UNIX,Solaris
21、 x86,Linux,FreeBSD)Migration of Operating-System Concepts and Features 操作系统概念和特性的变迁操作系统概念和特性的变迁Parallel Systems 并行系统并行系统Multiprocessor systems with more than one CPU in close communication.有紧密通信的、多于一个有紧密通信的、多于一个CPU的的多处理器系统多处理器系统Tightly coupled system processors share memory and a clock;communication
22、 usually takes place through the shared memory.紧耦合系统紧耦合系统-处理器共享内存和时钟;一般通过共享内存处理器共享内存和时钟;一般通过共享内存进行通信进行通信Advantages of parallel system:并行系统的优点并行系统的优点nIncreased throughput 增大吞吐量增大吞吐量nEconomical 经济经济nIncreased reliability提高可靠性提高可靠性wgraceful degradation(有故障时)适度的降低性有故障时)适度的降低性能能wFault tolerant systems 容错
23、系统容错系统Parallel Systems 并行系统并行系统(Cont.)Symmetric multiprocessing(SMP)对称多处理对称多处理 器器nEach processor runs an identical copy of the operating system;they are peers.每个处理器运行操作系统的相同副本每个处理器运行操作系统的相同副本;彼此地位平等。彼此地位平等。nMany processes can run simultaneously without a significant performance deterioration.许多进程可以并
24、行运行许多进程可以并行运行,不会有性能的明显降低。不会有性能的明显降低。nMost modern operating systems support SMP 大多数现代操作系统支持大多数现代操作系统支持SMPAsymmetric multiprocessing 非对称多处理器非对称多处理器nEach processor is assigned a specific task;master processor schedules and allocates work to slave processors.每个处理器赋予一个特定任务;主处理器为从处理器调度和分配每个处理器赋予一个特定任务;主处理
25、器为从处理器调度和分配作业作业Symmetric Multiprocessing Architecture 对称多处理器体系结构对称多处理器体系结构Real-Time Systems 实时系统实时系统Often used as a control device in a dedicated application such as controlling scientific experiments,medical imaging systems,industrial control systems,and some display systems.通常作为通常作为控制设备在诸如控制科学实验、医
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