中原工学院操作系统第1章-引论课件.ppt

1、u先导问题：先导问题：=整体了解整体了解OS 操作系统？操作系统？分类？分类？特征？特征？功能？功能？系统结构？系统结构？操作系统操作系统2023-8-272目录目录1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性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 操作系统操作系统2023-8-273计算机系统的组成结构及计算机系统的组成结构及OS在系统中的地位在系统中的地位:软件与硬件的关系软件与硬件的关系:硬件是软件的运行基础,软件对硬件功能进行扩充.虚拟机虚

2、拟机的概念:裸机经软件扩充后的功能更强的计算机称为虚拟机.(因不直接对应一台物理机)操作系统操作系统2023-8-274 一、一、目标目标 措施措施 1.方便性方便性:方便用户使用方便用户使用 用户用户-OS-硬件硬件 2.有效性有效性:资源得到有效应用资源得到有效应用 资源管理资源管理(处理机处理机.存储器存储器.设备设备.文件文件)增强系统的处理能力增强系统的处理能力 组织工作流程组织工作流程(调度，调度，I/O-CPU)3.可扩充性可扩充性:增加新增加新/修改老功能修改老功能 系统结构系统结构（模块，层次）（模块，层次）4.开放性开放性:兼容兼容 互连互连 世界标准世界标准OSI 1.1

3、 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用操作系统操作系统2023-8-275二、作用二、作用 (2种基本观点)操作系统操作系统2023-8-2761.2 操作系统的形成操作系统的形成 操作系统操作系统2023-8-2771.无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统:45年年(诞生诞生)50年代中期年代中期 史前年代史前年代计算机刚问世计算机刚问世,除硬件和应用软件外除硬件和应用软件外,几乎没有中间层软件（操作系统）几乎没有中间层软件（操作系统）用户独占机器或由系统操作员控制机器用户独占机器或由系统操作员控制机器;（1）人工操作方式）人工操作方式:（2）脱机输入输出方式）脱机输入输出方式（

4、50年代末）年代末）一一.操作系统的形成操作系统的形成操作系统操作系统2023-8-278方式方式:用户用户 计算机硬件计算机硬件外存条件外存条件:纸带纸带,卡片卡片过程过程:装装 启动启动 卸卸 (纸带纸带,卡片卡片)(输入输入,运行运行)(运行结果运行结果)缺点缺点:用户独占全机用户独占全机资源利用率低资源利用率低 CPU 等待人工操作等待人工操作CPU利用率低利用率低 即即:人机矛盾人机矛盾 CPU与与I/O矛盾矛盾 (通道技术通道技术,缓冲技术缓冲技术,脱机脱机I/O)（1）人工操作方式）人工操作方式:操作系统操作系统2023-8-279（2）脱机输入输出方式）脱机输入输出方式:50年

5、代末年代末u目的：缓解目的：缓解CPU与与I/O速度不匹配的矛盾速度不匹配的矛盾u外存条件外存条件:磁带磁带 速度远大于纸带和卡片速度远大于纸带和卡片利用它进行中转利用它进行中转操作系统操作系统2023-8-2710输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备操作系统操作系统2023-8-27112.2.单道批处理系统单道批处理系统:对一批作业对一批作业(作业流作业流)自动进行处理的一种技术自动进行处理的一种技术目的目的:减少人机操作减少人机操作过程：过程：把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？否装 配目标程序还有下一个作业？是否停止运 行目标程序是开始操作系统操作系统2023-8-2712

6、特征：特征：自动性、顺序性、单道性。自动性、顺序性、单道性。管理程序管理程序:监督程序监督程序 定序定序几个概念：几个概念：作业：作业：用户的一次上机行为。用户的一次上机行为。作业步：作业步：作业的执行步骤。作业的执行步骤。作业控制语言：作业控制语言：用于说明作业如何执行的语言用于说明作业如何执行的语言。作业控制说明书：作业控制说明书：用作业控制语言编写的作业执行程序。用作业控制语言编写的作业执行程序。操作系统操作系统2023-8-27133.多道批处理系统多道批处理系统:提高资源利用率和系统吞吐量t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求I/O 完成启动

7、 I/OI/O 中断请求用户程序监督程序I/O 操作(a)单道程序运行情况程序A程序A I/O 请求程序A I/O 完成程序B程序B I/O 请求程序C程序C I/O 请求程序D程序D I/O 请求C I/O 完成C 再被调度程序B I/O 完成程序A再被调度程序A程序B程序C程序D调度程序(b)四道程序运行情况A完成结束中断操作系统操作系统2023-8-2714多道程序设计的基本思想：多道程序设计的基本思想：内存同时保持多道程序内存同时保持多道程序(作业作业),处理机处理机(单处理机单处理机)以交以交替的方式同时处理多道程序。替的方式同时处理多道程序。从宏观上看从宏观上看,已有多道程序开始运

8、行且尚未结束；已有多道程序开始运行且尚未结束；从微观上看从微观上看,某一时刻处理机只运行某道作业。某一时刻处理机只运行某道作业。示例文档-格式操作系统操作系统2023-8-2715操作系统操作系统2023-8-2716特特 征：征：多道性、无序性、调度性。多道性、无序性、调度性。优缺点：优缺点：利用率高、吞吐量大、平均周转时间长、无交互能力。利用率高、吞吐量大、平均周转时间长、无交互能力。需解决问题：需解决问题：处理机、内存、处理机、内存、I/O设备、文件、作业。设备、文件、作业。OS定义定义是一组控制和管理计算机硬件和软是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理的对各类作业进行调度，方便用件

9、资源，合理的对各类作业进行调度，方便用户使用的程序的集合。户使用的程序的集合。操作系统操作系统2023-8-27174.分时系统分时系统产生产生=用户需求：用户需求：人机交互，共享主机，方便用户上机。人机交互，共享主机，方便用户上机。关键问题：关键问题：用户与其作业及时交互（及时接受，及时处理）用户与其作业及时交互（及时接受，及时处理）关键技术：关键技术：多路卡多路卡 时间片轮转（时间片，轮转周期）时间片轮转（时间片，轮转周期）单道分时系统的实现：单道分时系统的实现：内存中一道程序，调进调出内存中一道程序，调进调出/滚进滚出滚进滚出特征：特征：多路性、独立性、及时性、交互性。多路性、独立性、及

10、时性、交互性。关键技术指标：关键技术指标：响应时间响应时间=发出请求发出请求-给出响应给出响应 长短确定：长短确定：合适（理论上短好，实际上太短系统性能下降）合适（理论上短好，实际上太短系统性能下降）影响因素：影响因素：系统开销，用户数，时间片，对换信息量系统开销，用户数，时间片，对换信息量操作系统操作系统2023-8-2718u几个概念：几个概念：实时：及时，快实时：及时，快 外部事件：来自外部的服务请求或数据采集外部事件：来自外部的服务请求或数据采集 实时系统：以实时方式工作的控制或管理系统实时系统：以实时方式工作的控制或管理系统u应用需求与分类：应用需求与分类：实时控制实时控制(卫星发射

11、卫星发射)，实时信息处理，实时信息处理(售票系统售票系统)u实时任务：实时任务：周期性：周期周期性：周期 ;非周期非周期-截止时间（开始，完成）截止时间（开始，完成）截止时间：硬截止时间：硬，软，软u实时系统的特征：实时系统的特征：及时性、交互性、多路系、独立性、可靠性及时性、交互性、多路系、独立性、可靠性u比较：比较：5.实时系统实时系统-指系统能及时及时响应外部事件的请求，在规定时间内规定时间内完成对事件的处理，并控制所有时实任务协调一致协调一致的运行。操作系统操作系统2023-8-2719OS的基本类型：的基本类型：批处理，分时，时实批处理，分时，时实（特点,适用场合,解决问题）实际系统

12、往往是几种基本类型的结合基本类型的结合：总结：总结：操作系统操作系统2023-8-2720操作系统操作系统2023-8-2721网络操作系统操作系统操作系统2023-8-2722推动操作系统发展的主要动力：推动操作系统发展的主要动力：1.不断提高计算机资源利用率的需求：不断提高计算机资源利用率的需求：人工，单批，多批人工，单批，多批 2.方便用户：人机交互的分时系统多用户系统方便用户：人机交互的分时系统多用户系统 3.器件的不断更新换代：器件的不断更新换代：8-16-32-64位位 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:单机，多机，网络单机，多机，网络操作系统操作系统2023-

13、8-27231.3 操作系统的基本特性操作系统的基本特性并发并发 Concurrence：并行并行(parallel)与并发；与并发；程序、进程、线程；程序、进程、线程；共享共享 Sharing：互斥共享发式互斥共享发式(打印机打印机)；同步访问方式同步访问方式(读存储器读存储器)；虚拟虚拟 Virtual：1物理实体物理实体虚拟技术虚拟技术若干逻辑对应物若干逻辑对应物 （计算机中的虚拟资源：虚拟机，虚存，虚拟设备）（计算机中的虚拟资源：虚拟机，虚存，虚拟设备）异步异步 Asynchronism：走走停停、逻辑要求、不可预知的速度向前推进走走停停、逻辑要求、不可预知的速度向前推进=不确定性（执

14、行的开始、顺序、完成时间都不确定）不确定性（执行的开始、顺序、完成时间都不确定）操作系统操作系统2023-8-27241.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能处理机管理：处理机管理：进程控制，进程同步，进程通信，进程调度。进程控制，进程同步，进程通信，进程调度。存储器管理存储器管理：内存分配，内存保护，地址映射，内存扩充。内存分配，内存保护，地址映射，内存扩充。设备管理：设备管理：缓冲管理，设备分配，设备处理。缓冲管理，设备分配，设备处理。文件管理：文件管理：文件存储空间的管理，目录管理，文件的读文件存储空间的管理，目录管理，文件的读/写管理和保护。写管理和保护。用户接口：用户接口

15、：命令接口（联机，脱机），程序接口，图形接口。命令接口（联机，脱机），程序接口，图形接口。（也即（也即OS的组成部分）的组成部分）操作系统操作系统2023-8-2725一、一、windows系列和系列和MS-DOS：DOS,Windows 3.x,Window 95,Windows NT,Windows XP；二、二、UNIX家族：家族：SVR4、BSD、Solaris、AIX、HP UX三、自由软件三、自由软件Linux和和freeBSD等等16 主要操作系统介绍主要操作系统介绍（补充补充）盖茨发明人发明人操作系统操作系统2023-8-2726返回返回操作系统操作系统2023-8-2727操

16、作系统操作系统2023-8-2728操作系统操作系统2023-8-2729Linux和和freeBSDLinux是由芬兰赫尔辛基大学计算机系大学生是由芬兰赫尔辛基大学计算机系大学生Linus Torvalds，从，从1990年底到年底到1991年的几个年的几个月中，为了自己的操作系统课程学习和后来上网月中，为了自己的操作系统课程学习和后来上网使用而陆续编写的。在使用而陆续编写的。在2001年初，在年初，在Linux World大会前夕推出了大会前夕推出了Linux2.4内核内核。FreeBSD是美国加利福尼亚洲大学伯克利分校是美国加利福尼亚洲大学伯克利分校开发的、免费支持开发的、免费支持POS

17、IX标准的操作系统，它标准的操作系统，它基于基于4.4BSD。操作系统操作系统2023-8-273017操作系统的运行环境操作系统的运行环境 操作系统操作系统2023-8-2731操作系统操作系统2023-8-2732操作系统操作系统2023-8-2733操作系统操作系统2023-8-2734操作系统操作系统2023-8-2735操作系统操作系统2023-8-2736操作系统操作系统2023-8-2737操作系统操作系统2023-8-2738操作系统操作系统2023-8-2739操作系统操作系统2023-8-2740操作系统操作系统2023-8-2741操作系统操作系统2023-8-2742操

18、作系统操作系统2023-8-2743操作系统操作系统2023-8-2744操作系统操作系统2023-8-2745操作系统操作系统2023-8-2746操作系统操作系统2023-8-2747中断基本概念 所谓中断，就是指CPU在执行程序的过程中，由于某种外部或内部事件的作用（如外部设备请求与CPU传送数据或CPU在执行程序的过程中出现了异常），强迫CPU停止当前正在执行的程序而转去为该事件服务，待事件服务结束后，又能自动返回到被中断了的程序中继续执行。由于CPU正在执行的原程序被暂停执行，所以称为中断。操作系统操作系统2023-8-2748中断基本概念 相对被中断的原程序来说，中断处理程序是临时

19、嵌入的一段程序，所以，一般将被中断的原程序称为主程序，而将中断处理程序称为中断子程序（或中断服务子程序）。能够引起计算机中断的事件，称为中断源。主程序被中止的地方，称为断点，也就是下一条指令所在内存的地址。中断服务子程序一般存放在内存中一个固定的区域内，它的起始地址称为中断服务子程序的入口地址。操作系统操作系统2023-8-2749操作系统操作系统2023-8-2750中断系统的组成 设置中断源：中断源是系统中允许请求中断的事件。设置中断源就是确定中断源的中断请求方式。中断源识别：当中断源有请求时，CPU能够正确地判别中断源，并能够转去执行相应的中断服务子程序。中断源判优：当有多个中断源同时请

20、求中断时，系统能够自动地进行中断优先权判断，优先权最高的中断请求将优先得到CPU的响应和处理。中断处理与返回：能自动地在中断服务子程序与主程序之间进行跳转，并对断点进行保护。操作系统操作系统2023-8-2751中断系统的作用中断系统的作用 故障检测和自动处理。计算机系统出现故障和程序执行错误都是随机事件，事先无法预料。如电源掉电、存储器出错、运算溢出等，采用中断技术可以有效地进行系统的故障检测和自动处理。实时信息处理。在实时信息处理系统中，需要对采集的信息立即做出响应，以避免丢失信息，采用中断技术可以进行信息的实时处理。并行操作。当外部设备与CPU以中断方式传送数据时，可以实现CPU与外部设

21、备之间的并行操作,使系统更加有效地发挥效能，提高效率。分时处理。现代操作系统具有多任务处理功能，使同一个微处理器可以同时运行多道程序，通过定时和中断方式，将CPU按时间分配给每个程序，从而实现多任务之间的定时切换与处理。操作系统操作系统2023-8-2752操作系统操作系统2023-8-2753操作系统操作系统2023-8-2754访管指令、特权指令、系统调用访管指令、特权指令、系统调用 当用户程序需要调用系统功能时，就在其程序的适当位置安排一条系统调用命令，当执行到该指令时便产生访管中断，中断的硬件装置开始响应中断，保存原来的PSW到内存的固定单元，再从内存的另一个固定单元中取出新的PSW送

22、入PSW寄存器。由于新PSW中已事先设置了系统状态为管态，从而使处理机进入管态，在管态下执行中断处理程序。由于在管态下可以使用特权指令，所以用户要求操作系统提供的服务就很容易地被完成。中断处理程序结束后，通过恢复旧的PSW到PSW寄存器，于是又可返回到被中断的用户程序，即从管态又回到算态。操作系统操作系统2023-8-2755操作系统操作系统2023-8-2756操作系统操作系统2023-8-2757操作系统操作系统2023-8-2758操作系统操作系统2023-8-2759向量中断方式识别中断源 所谓向量中断是指中断服务子程序的入口地址由中断事件本身提供的中断。中断事件在提出中断请求的同时，

23、通过硬件向CPU提供中断向量。中断服务子程序的入口地址称为中断向量。系统为每一个外设都预先指定一个中断向量，当CPU识别出某一个设备请求中断并予以响应时，中断控制逻辑就将设备的中断向量送给CPU，而转去执行相应的中断服务子程序 操作系统操作系统2023-8-2760操作系统操作系统2023-8-2761操作系统操作系统2023-8-2762操作系统操作系统2023-8-2763操作系统操作系统2023-8-2764操作系统操作系统2023-8-2765操作系统操作系统2023-8-2766操作系统操作系统2023-8-2767操作系统操作系统2023-8-2768操作系统的结构设计操作系统的结

24、构设计 软件，是指当计算机运行时，能提供所要求的功能和性能的指令和程序的集合，该程序能够正确地处理信息的数据结构；作为规范软件，还应具有描述程序功能需求以及程序如何操作使用的文档。软件工程是指运用系统的、规范的和可定量的方法，来开发、运行和维护软件；或者说，是采用工程的概念、原理、技术和方法，来开发与维护软件，其目的是为了解决在软件开发中所出现的编程随意、软件质量不可保证以及维护困难等问题。操作系统操作系统2023-8-2769传统的操作系统结构传统的操作系统结构无结构操作系统无结构操作系统 功能的实现和获得高的效率上,OS是为数众多的一组过程的集合，各过程之间可以相互调用.程序调试工作困难；

25、维护负担重。操作系统操作系统2023-8-2770模块化模块化OS结构结构进程控制进程调度内存分配内存保护磁盘管理目录管理进程管理存储器管理文件管理操作系统模块子模块uOS按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。每个模块具有某方面的管理功能;u进一步将各模块细分为若干个具有一定管理功能的子模块.操作系统操作系统2023-8-2771分层式分层式OS结构结构 1)有序分层的基本概念 分层式结构设计的基本原则是：每一层都仅使用其底层所提供的功能和服务.2)层次的设置 (1)程序嵌套;(2)运行频率;(3)公用模块;(4)用户接口。操作系统操作系统2023-8-2772微内核微内核OS结构结

26、构 为了提高OS的灵活性和可扩充性而将OS划分为两部分：一部分是用于提供各种服务的一组服务器(进程)，运行在用户态。另一部分是内核，用来处理客户和服务器之间的通信。客户进程客户进程进程服务器终端服务器文件服务器存储器服务器用户方式核心方式回答核心请求操作系统操作系统2023-8-2773微内核技术 微内核技术，是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核，它与一般的OS(程序)不同，它更小更精炼，它不仅运行在核心态，而且开机后常驻内存，它不会因内存紧张而被换出内存。微内核并非是一个完整的OS，而只是为构建通用OS提供一个重要基础。由于在微内核OS结构中，通常都采用了客户/服务器模式，因此OS的大部分功能和服务，都是由若干服务器来提供的，如文件服务器、作业服务器和网络服务器等。操作系统操作系统2023-8-2774微内核的基本功能 微内核所提供的功能，通常都是一些最基本的功能，如进程管理、存储器管理、进程间通信、低级I/O功能。(1)进程管理。(2)存储器管理。(3)进程通信管理。(4)I/O设备管理。