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第一章 操作系统引论,2023/3/27,第一章 操作系统概论,2,教学要求,理解OS系统涵义掌握OS特征、分类、基本功能掌握多道程序设计产生的思想、目的等了解常见操作系统系统的特点了解OS系统的发展趋势,2023/3/27,第一章 操作系统概论,3,内容提要,1.1 操作系统的目标和作用 1.2 操作系统的发展过程 1.3 操作系统的基本特征 1.4 操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计,2023/3/27,第一章 操作系统概论,4,1.1、操作系统目标和作用,一、操作系统的目标二、操作系统的作用,2023/3/27,第一章 操作系统概论,5,DOSLINUXWINDOWSTURBO-CWORDUNIXTURBO-ASMVIPC/M OS/2FreeBSD,你知道下列哪些是操作系统吗?,2023/3/27,第一章 操作系统概论,6,目前常见操作系统,微软：Windows系列（以前MS-DOS）UNIX：Solaris,AIX,HP UX,SVR4,BSD,自由软件：Linux,freeBSD,MinixIBM:AIX,zOS(OS/390),OS/2,OS/4000,PC DOS其他：Mac OS,NetWare,2023/3/27,第一章 操作系统概论,7,你用过的操作系统能做什么?,各种命令：dir copy del format 启动、结束用户程序系统调用：例如INT指令WINDOWS、UNIX 等提供多任务或多用户环境 操作系统为你完成所有“硬件相关、应用无关”的工作，以给你方便、效率、安全,2023/3/27,第一章 操作系统概论,8,硬件相关、应用无关,涉及物理地址、设备接口寄存器、设备接口缓冲区代码量大，需硬件知识、需随硬件的变化而变化提供所有应用、用户共需的东西与应用无直接关系,2023/3/27,第一章 操作系统概论,9,你知道操作系统不能做什么?,不做天气预报不做房屋设计不是编译程序总之，操作系统不直接解决最终具体应用问题，也不负责编译源程序.,2023/3/27,第一章 操作系统概论,10,操作系统如何工作,OS的第1个工作：启动和结束程序OS的第2个工作：用户程序对OS的调用OS的第3个工作：为常用操作提供程序OS的第4个工作：解决效率和安全问题,2023/3/27,第一章 操作系统概论,11,一、OS的目标,内容是什么？子目标之间的关系？1有效性提高系统资源利用率。提高系统的吞吐量。2方便性3可扩充性4开放性,2023/3/27,第一章 操作系统概论,12,二、OS的作用,有哪些基本内容？知识点有哪些？对内是“管理员”，对外是“服务员”1OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口用户在OS帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。,2023/3/27,第一章 操作系统引论,13,图1-1OS作为接口的示意图,2023/3/27,第一章 操作系统引论,14,(1)命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令接口，以允许用户通过键盘输入有关命令来取得操作系统的服务，并控制用户程序的运行。(2)系统调用方式。OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来实现与操作系统的通信，并取得它的服务。(3)图形、窗口方式。这是当前使用最为方便、最为广泛的接口，它允许用户通过屏幕上的窗口和图标来实现与操作系统的通信，并取得它的服务。,2023/3/27,第一章 操作系统引论,15,2OS作为计算机系统资源的管理者在一个计算机系统中，归纳起来可将资源分为四类：处理器、存储器、I/O设备以及信息(数据和程序)。相应地，OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理，即：处理机管理，用于分配和控制处理机；存储器管理，主要负责内存的分配与回收；I/O设备管理，负责I/O设备的分配与操纵；文件管理，负责文件的存取、共享和保护。可见，OS的确是计算机系统资源的管理者。,2023/3/27,第一章 操作系统引论,16,3OS实现了对计算机资源的抽象,图1-2I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节,2023/3/27,第一章 操作系统概论,17,拓展知识：OS的资源管理技术,2023/3/27,第一章 操作系统概论,18,1、资源复用,（1）何谓资源复用？（2）资源复用的种类 A、空分复用共享 该资源可进一步分割成更多和更小的单位供进程使用。B、时分复用共享 并不把资源进一步分割成更小的单位，进程可在一个时间片内独占使用整个物理资源。（3）举例,2023/3/27,第一章 操作系统引论,19,时分复用共享有：（1）教室里的黑板（2）分时系统中的打印机（3）城市里的出租车空分复用共享有：（1）住宅区的土地（2）公共汽车上的椅子（3）C/C+运行时系统的堆栈（4）商品公寓房既是时分复用又是空分复用共享的有：（1）某公共小汽车停车场(说明：使用空分复用来选一个停车位置，使用时分复用来共用单个停车位置)（2）宾馆住房(说明：使用空分复用来选一个房间，使用时分复用来共用单个房间),2023/3/27,第一章 操作系统概论,20,2、资源虚化,（1）何谓资源虚化？（2）资源虚化有何重要意义？（3）举例 虚拟计算机概念（page8-9）虚拟设备 虚拟存储器 虚拟屏幕(终端)等 问题：作为虚拟机的观点来看待有什么好处？方便用户使用计算机，用户可以不必了解计算机硬件工作的细节（在Windows NT 系统中用HAL了屏蔽硬件特性）,2023/3/27,第一章 操作系统概论,21,3、资源抽象,（1）何谓资源抽象 资源抽象用于处理系统的复杂性，重点解决资源的易用性。资源抽象指通过创建软件来屏蔽硬件资源物理特性和接口细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用的一类技术。（2）资源抽象的程度 单级资源抽象与多级资源抽象。（3）举例 磁盘抽象示例,2023/3/27,第一章 操作系统概论,22,3、资源抽象（续1）操作系统中最基础的抽象,（1）进程抽象是对已进入主存正在运行的程序在处理器上操作的状态集的抽象。（2）虚存抽象是对物理主存的抽象，进程可获得一个硕大的连续地址空间来存放可执行程序和数据，可使用虚拟地址来引用物理主存单元。（3）文件抽象是对磁盘之类存储设备的抽象。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,23,文件抽象是操作系统对磁盘设备的多层次抽象 第一层抽象，从磁盘到分区。第二层抽象，从分区到扇区。第三层抽象，从扇区到簇。第四层抽象，从簇到文件系统分区,3、资源抽象（续2）操作系统中最基础的抽象,2023/3/27,第一章 操作系统概论,24,3、资源抽象（续3）操作系统中最基础的抽象,操作系统最基础抽象小结,2023/3/27,第一章 操作系统概论,25,4、组合使用抽象和虚化技术,对于一类资源，操作系统往往同时实施抽象和虚化技术。例1：为打印机既配置“打印函数”(设备驱动程序)，又实施虚拟设备，通过打印函数抽象隐蔽打印机动作细节，实施SPOOLing虚化“扩充”物理打印机数量。例2：软件是对物理终端的虚化和抽象，能为用户提供虚拟终端和方便的I/O服务。,2023/3/27,第一章 操作系统引论,26,三、推动OS发展的主要动力,不断提高计算机资源利用率的需要；方便用户；器件的不断更新换代；计算机体系结构的不断发展。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,27,四、OS的定义,操作系统（Operating System，OS）是管理系统资源、控制程序执行，改善人机界面，提供各种服务，合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算机提供良好运行环境的最基本的一种系统软件。如何理解该定义？（1）从计算机系统的分层观点（2）从资源管理的观点（3）从用户的观点,2023/3/27,第一章 操作系统概论,28,1、OS的定义系统分层观点,2023/3/27,第一章 操作系统概论,29,操作系统与支撑软件及应用软件的区别,操作系统是软件系统的核心，是各种软件的基础运行平台；通用操作系统提供共性功能支持，与硬件相关但和应用领域无关；支撑软件及应用软件不能直接而只能通过操作系统来使用计算机系统的物理资源。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,30,2、OS的定义其他观点,从人机交互的角度OS是用户与计算机的接口，具有友好方便的用户接口界面。从管理者的角度OS是所管理资源的程序扩充。操作系统的工作就是分门别类地管理，并详细记录资源的使用情况，再按一定的策略对资源进行调度分配，为用户服务。从本课程的知识结构的角度OS是计算机技术和管理技术的结合,2023/3/27,第一章 操作系统概论,31,1.2 操作系统的发展和分类,1.2.1 人工操作阶段（自主学习）1.2.2管理程序阶段（自主学习）1.2.3 多道程序设计与操作系统的形成（）1.2.4 操作系统的分类（）,2023/3/27,第一章 操作系统概论,32,1.2.1人工操作阶段（自主学习）,基本要求：1、主要特点2、优缺点,2023/3/27,第一章 操作系统概论,33,1.2.2管理程序阶段（自主学习）,基本要求：1、主要特点2、优缺点,2023/3/27,第一章 操作系统概论,34,1.2.3 多道程序设计与OS的形成（）,一、多道程序设计的硬件支持二、多道程序设计的原理三、多道程序设计的实现,问题：为什么要引入多道程序设计（目的问题+效果问题+优缺点+改进）?,2023/3/27,第一章 操作系统概论,35,一、多道程序设计的硬件支持,1、中断系统 中断的基本概念中断、中断源、开中断、关中断、中断屏蔽、中断向量（存放处理机状态字与中断处理程序入口地址一起构成）中断类型外中断、内中断（陷入活异常）中断处理过程2、通道技术（通道的特点）3、CPU与通道的通信,2023/3/27,第一章 操作系统概论,36,二、多道程序设计的原理,1、多道程序工作机制2、多道程序设计的目的 充分利用资源（内存、CPU等），提高并行性。3、多道程序设计系统与多重处理系统 多重处理系统是指配置了多个物理CPU，能真正同时执行多道程序的系统。要有效地使用多重处理系统，必须采用多道程序设计技术；反过来，多道程序设计不一定要求有多重处理系统支持。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,37,三、多道程序设计的实现,1、采用多道程序设计必须要注意的问题：A、存储保护和地址重定位B、处理机的管理和调度C、资源的管理和分配2、多道程序设计的特征：A、多道性 B、宏观上并行 C、微观上串行,2023/3/27,第一章 操作系统概论,38,三、多道程序设计的实现（续1）,3、实例分析：例题1，page84、练习：在单CPU和两台I/O（I1,I2）设备的多道程序设计环境下，同时投入三个作业运行。它们的执行轨迹如下：Job1：I2(30ms)、CPU(10ms)、I1(30ms)、CPU(10ms)Job2：I1(20ms)、CPU(20ms)、I2(40ms)Job3：CPU(30ms)、I1(20ms)如果CPU、I1和I2都能并行工作，优先级从高到低为Job1、Job2和Job3，优先级高的作业可以抢占优先级低的作业的CPU。求：（1）每个作业从投入到完成分别所需的时间。（2）作业从投入到完成CPU的利用率。（3）I/O设备利用率,2023/3/27,第一章 操作系统概论,39,【参考答案】（1）Job1从投入到运行完成需80ms，Job2从投入到运行完成需90ms，Job3从投入到运行完成需90ms；（2）CPU空闲段：60ms-70ms、80ms-90ms，所以CPU利用率为：（90-20）/90100%=77.78%（3）设备I1空闲段：20ms-40ms，故I1的利用率为：（90-20）/90100%=77.78%设备I2空闲段：30ms-50ms，故I2的利用率为：（90-20）/90100%=77.78%,2023/3/27,第一章 操作系统概论,40,1.2.4 操作系统的分类（）,一、3种基本的操作系统类型（1）批处理操作系统（2）分时操作系统（3）实时操作系统二、操作系统的进一步发展（1）发展动力（2）新一代微机操作系统（3）网络OS（4）分布式OS（5）并行OS（6）嵌入式OS,2023/3/27,第一章 操作系统概论,41,一、3种基本的操作系统类型,思考：1、有哪三种？2、每一种的特征及其优缺点？3、何谓通用操作系统？4、UNIX、Linux、Windows2003属于？,2023/3/27,第一章 操作系统概论,42,（1）批处理操作系统,1、单道批处理系统（早期）特征：自动性、顺序性、单道性,2023/3/27,第一章 操作系统概论,43,多道批处理系统的特征：脱机操作、成批处理、多道性、无序性、调度性多道批处理系统的优点、缺点 优点：资源利用率高，系统吞吐量大 缺点：平均周转时间长，无交互能力,系统吞吐量：指系统在单位时间内所完成的总工作量,周转时间：指从作业进入系统开始，直至完成并退出系统为止所经历的时间,（2）多道批处理操作系统,2023/3/27,第一章 操作系统概论,44,（2）分时操作系统,（1）产生原因：人机交互、共享主机、便于用户上机（2）何为分时系统？,2023/3/27,第一章 操作系统概论,45,（2）分时操作系统（续1）,2023/3/27,第一章 操作系统概论,46,（3）实现关键：及时接收处理（对象是谁？）（4）实现方法：单道分时系统、多道分时系统、具有前台和后台的分时系统,（2）分时操作系统（续2）,2023/3/27,第一章 操作系统概论,47,（5）特征：多路性：允许同一主机联接多台终端。独立性：每一用户独占一个终端。及时性：用户请求能及时响应。交互性：可人机对话。（6）分时系统的响应时间 受用户数、时间片长度、对换量、内存传输速度等因素的影响（如何改进？）,（2）分时操作系统（续3）,2023/3/27,第一章 操作系统概论,48,（3）实时操作系统,三种典型的实时系统:过程控制系统(生产过程控制);信息查询系统(情报检索)；事务处理系统(银行业务)实时系统定义实时：指对随机发生的外部事件能及时做出处理。（所谓事件时指来自与计算机系统相连接的设备所提出的服务要求和采集数据）实时系统：指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。实时操作系统的主要特征：及时响应、高可靠性、专用性、少人工干预,2023/3/27,第一章 操作系统概论,49,实时任务类型：按任务执行时是否出现周期划分：周期性实时任务、非周期性实时任务。根据对截止时间的要求划分：硬实时任务、软实时任务。实时系统与分时系统的比较 多路性、独立性、及时性（面向的对象是谁？）、交互性（资源的范围）、可靠性,（3）实时操作系统（续）,2023/3/27,第一章 操作系统概论,50,二、操作系统的进一步发展,（1）推动操作系统发展的动力：不断提高计算机资源利用率的需要；方便用户；器件的不断更新换代；计算机体系结构的不断发展。（2）新一代操作系统有哪些？,2023/3/27,第一章 操作系统概论,51,（1）新一代微机操作系统,新一代微机操作系统具有以下功能：GUI、多用户和多任务、虚拟存储管理、网络通信支持、数据库支持、多媒体支持、应用编程支持API具有以下特点：1）开放性 2）通用性 3）高性能 4）采用微内核结构,2023/3/27,第一章 操作系统概论,52,（2）并行操作系统,计算机的应用每前进一步都要求增加计算机的处理能力。为达到极高性能，除提高元器件速度外，必须改进计算机系统结构，这主要采用增加同一时间间隔内的操作数量，通过并行处理技术，研究并行计算机。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,53,（3）网络操作系统,A、计算机网络操作系统的模式a.客户/服务器模式（Client/Server）b.对等模式（Peer-to-Peer）B、网络操作系统应该具有的功能a.网络通信b.资源管理c.网络管理d.网络服务,2023/3/27,第一章 操作系统概论,54,（4）分布式操作系统,在以往的系统中，其处理和控制功能都高度集中在一台主机上，所有的任务都由主机处理，这样的系统称为集中式处理系统。所谓分布式系统，是指由多个分散的处理单元经网络的连接而形成的系统。在分布式处理系统中，系统的处理和控制功能都分散在系统的各个处理单元上。系统中的所有任务可以动态地分配到各个处理单元中去。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,55,（4）分布式操作系统（续1）,DOS与NOS的比较分布性：在分布式系统中只有一个分布式操作系统，而在网络系统中各个结点可以有不同的网络操作系统。并行性：分布式系统中可以将一个或多个任务动态分配到不同的单元上，在网络系统中每个用户的一个或多个任务通常都在本地处理。透明性：分布式系统具有透明性，如用户要访问某文件，他只需要知道文件名，无需知道文件在哪个站点。对网络系统来说，用户要访问一个文件时要知道文件名及位置。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,56,（4）分布式操作系统（续2）,共享性：在分布式系统中，各站点的所有资源都可供全系统共享，在网络系统中一般仅有服务器上的部分资源可供全网共享健壮性：分布式系统有健壮性，当某站点出现故障是，正在该站点处理的任务能被自动迁移到好的站点。在网络系统中若服务器故障往往导致全网瘫痪。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,57,（5）嵌入式操作系统,嵌入式(计算机)系统的应用环境带来了对嵌入式系统软件(embedded software)的要求；嵌入式OS指运行在嵌入式(计算机)环境中，对整个系统及所有操作的各种部件、装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制的系统软件嵌入式OS具有通常操作系统的功能，包括：与硬件相关的底层软件、操作系统核心功能，功能强大的还提供图形界面、通信协议、小型浏览器等设施；,2023/3/27,第一章 操作系统概论,58,（5）嵌入式操作系统（续）,嵌入式操作系统特征微型化可定制 实时性 可靠性 易移植性 开发环境,（5）嵌入式操作系统实例(1),VxWorks是美国Wind River公司开发的嵌入式实时操作系统，可靠性高、性能卓越、界面友好，广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，在美国的F-16、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机、爱国者导弹，和火星探测器(97年4月在火星表面登陆)上使用。,（5）嵌入式操作系统实例(2),Windows CE是微软开发的，用于通信、娱乐和移动式计算设备的操作系统(平台)，它是微软“维纳斯”计划的核心。CE是具有开放性的，32位多任务、多线程嵌入式操作系统。Personal Java是SUN公司开发的用于家庭、办公室和移动信息电器创建连网应用的Java应用环境，适宜更新换代快的信息电器的应用开发。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,61,1.3、操作系统的基本特征,一、并发性,二、共享性,三、虚拟性,四、异步性,2023/3/27,第一章 操作系统概论,62,一、并发性,1、何谓并发性？特征：A、多个作业并发执行或一个用户作业的多个程 序段间并发执行：B、多个I/O 设备间并发工作：2、何谓并行性？,2023/3/27,第一章 操作系统概论,63,二、共享性,共享性有：互斥式共享？如：临界资源（打印机、数据结构）同时访问方式 如：磁盘资源 并发和共享是操作系统两个最基本的特征,2023/3/27,第一章 操作系统概论,64,三、虚拟性,1、虚拟的概念2、虚拟的实现主要通过分时使用的方法。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,65,四、异步性,1、多道程序并发执行导致的结果走走停停2、每道程序以一种不可预知的速度向前推进的现象,明确两句话：,2023/3/27,第一章 操作系统概论,66,1.4 OS应具备的功能,OS的基本功能将涉及到四个中心问题,共有哪些？每个功能的基本内容？,2023/3/27,第一章 操作系统概论,67,A、OS是怎样管理计算机系统中各种资源以及保证资源的使用效率。B、OS怎么为用户提供良好的运行环境以方便用户使用计算机系统。C、OS怎样按照用户的要求来控制程序的执行，以保证用户得到满意的服务。D、OS怎样合理分配和管理共享资源，以确保计算机系统的安全可靠。,1、四个问题,2023/3/27,第一章 操作系统概论,68,2、五大功能,处理机管理（进程管理）存储管理设备管理文件管理用户接口（作业管理）,2023/3/27,第一章 操作系统概论,69,2、OS的功能处理机管理,(1)进程控制和管理；(2)进程同步和互斥；(3)进程通信；(4)进程死锁；(5)线程控制和管理；(6)处理器调度，又分高级调度，中级调度和低级调度。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,70,2、OS的功能存储器管理,(1)主存分配；(2)地址转换与存储保护；(3)主存共享；(4)存储扩充。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,71,2、OS的功能设备管理,(1)提供设备中断处理；(2)提供缓冲区管理；(3)提供设备独立性，实现逻辑设备到物理设备之间的映射；(4)设备的分配和回收；(5)实现共享型设备的驱动调度；(6)实现虚拟设备。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,72,2、OS的功能文件管理,(1)提供文件的逻辑组织方法；(2)提供文件的物理组织方法；(3)提供文件的存取和使用方法；(4)实现文件的目录管理；(5)实现文件的共享和安全性控制；(6)实现文件的存储空间管理。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,73,2、OS的功能用户接口,（1）任务（task）管理；（2）界面（interface）管理；（3）人机交互的图形界面（icon）；（4）联机控制（on-line）,脱机控制（off-line）,假脱机（spooler）控制；（5）作业调度及调度算法。,2023/3/27,第一章 操作系统概论,74,1.5 OS的结构设计,1、单机操作系统设计模式 整体式结构设计模式（无结构模式）层次式结构设计模式（自底向上模式）微内核设计模式（现代OS主要采用的模式）由庞大内核精简微内核模式的发展道路,2023/3/27,第一章 操作系统概论,75,2、多计算机系统操作系统设计模式 客户/服务器模式 对象模式 对称多处理机（多个CPU）对称多处理（SMP）：共享内存、多处理机负荷均衡 非对称多处理（ASMP）主从模式，CPU负荷不均衡,2023/3/27,第一章 操作系统概论,76,1.6、小结,2023/3/27,第一章 操作系统概论,77,1.7 课外作业,Page 33,