操作系统基础知识.ppt
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1、2023/3/27,计算机操作系统,1,计算机操作系统(Operating System),2023/3/27,计算机操作系统,2,课程要求,平时成绩成绩构成:考勤点名+课堂提问/讨论+其他表现上机实验成绩成绩构成:6次上机实验成绩期末笔试,2023/3/27,计算机操作系统,3,第一章 操作系统引论,2023/3/27,计算机操作系统,4,本章内容提纲,操作系统的概念操作系统的目标操作系统的作用操作系统的发展史操作系统的分类操作系统的基本特征操作系统的主要功能操作系统的结构设计,2023/3/27,计算机操作系统,5,什么是计算机操作系统?,计算机系统是由硬件和软件组成的,操作系统是硬件基础
2、上的第一层软件,是对操作系统的第一层扩充。安装了操作系统的计算机称为虚拟机(virtual machine),是对裸机的扩展.,2023/3/27,计算机操作系统,6,操作系统所在的位置,2023/3/27,计算机操作系统,7,操作系统将丑陋的硬件转变为美丽的抽象,2023/3/27,计算机操作系统,8,操作系统的作用:,用户与计算机硬件系统之间的接口实现了对计算机资源的抽象(uglybeautiful)计算机资源的管理者 处理机、存储器,I/O,信息命令方式 cmd,ping系统调用方式 count=read(fd,buffer,nbytes)图形、窗口方式,2023/3/27,计算机操作系
3、统,9,操作系统的目标:,有效性方便性可扩充性:功能可扩充开放性 linux android,2023/3/27,计算机操作系统,10,操作系统的发展史及分类,无操作系统的计算机系统单道批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统,2023/3/27,计算机操作系统,11,无操作系统的计算机系统,ENIAC计算机(美国宾夕法尼亚大学)运算速度:5000次/每秒 真空管:18000个占地面积:182平方米重 量:130吨功 耗:140kW,2023/3/27,计算机操作系统,12,无操作系统的计算机系统,从第一台计算机诞生(1945年)到50年代中期的计算机,属于第一代,这时还未出现OS。人工操作方
4、式:这时的计算机操作是由用户(即程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统。由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(或卡片输入机),再启动它们将程序和数据输入计算机,然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后,才让下一个用户上机。,2023/3/27,计算机操作系统,13,1张穿孔卡片等于100个字节1MB=10K卡片,这种人工操作方式有以下两方面的缺点:(1)用户独占全机。(2)CPU等待人工操作。,没有输入输出设备,再好的计算机也无法发挥作用,2023/3/27,计算机操作系统,14,脱机输入/输出方式(Off-Line I/O)脱机:通过专门的
5、外围机来控制输入到磁带上和输出到卡片上,当CPU需要这些数据时再从磁带上将其高速调入内存。减少了CPU的空闲时间:输入输出不占用主机时间。提高I/O速度,脱机I/O示意图,2023/3/27,计算机操作系统,15,单道批处理系统(Simple Batch Processing System),批处理过程,2023/3/27,计算机操作系统,16,单道批处理系统的处理流程,2023/3/27,计算机操作系统,17,单道批处理系统的特征单道批处理系统是最早出现的一种OS,严格地说,它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。尽管如此,该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。该系统的主要特
6、征如下:自动性:作业依次运行,无须人为干预 顺序性:作业运行顺序与进入内存的顺序一致,先调入的作业先完成。单道性:内存中只有一道程序运行。,2023/3/27,计算机操作系统,18,单道批处理的问题:,CPU和I/O设备使用不均衡-对计算为主的作业,外设空闲-对I/O为主的作业,CPU空闲解决办法 使用多道程序同时进入内存运行,提高资源利用率,即采用多道程序系统。,2023/3/27,计算机操作系统,19,多道批处理系统(Multiprogrammed Batch Processing System),多道程序设计的概念 同时把多个作业放入内存并允许它们交替执行,共享系统中的各类资源,当一道程
7、序因为某种原因暂停执行时,cpu立刻转去执行另一道程序。多道批处理系统:是使用多道程序设计技术的批处理系统,2023/3/27,计算机操作系统,20,提高CPU的利用率可提高内存和I/O设备利用率增加系统吞吐量,多道程序设计的好处:,2023/3/27,计算机操作系统,21,单多道批处理系统比较,单道和多道程序运行情况,程序A,程序B,程序C,程序D,调度程序,2023/3/27,计算机操作系统,22,单多道批处理系统比较,单道和多道程序运行情况,程序A,程序B,程序C,程序D,调度程序,2023/3/27,计算机操作系统,23,程序运行时间表(单位:ms),有三个程序A,B,C,它们使用同一
8、个设备进行I/O操作,并按A,B,C的优先次序执行。这三个程序的计算和I/O操作时间如表所示,假设调度的时间可忽略不计,请分别画出单道程序环境和多道程序环境下(假设内存中可同时装入这三道程序),它们的运行时间关系图,并比较它们的总运行时间。,2023/3/27,计算机操作系统,24,资源利用率高系统吞吐量大平均周转时间长无交互能力批处理:交互性差-提高对cpu的利用率,多道程序设计的优缺点:,2023/3/27,计算机操作系统,25,多道批处理的需要解决的问题,处理机的管理问题。多个程序之间如何分配以便共享处理机?如何回收?内存管理问题。如何分配作业必需的内存空间,以便他们各得其所而又不会互相
9、重叠?如何防止一个程序破坏其他程序?I/O设备管理问题。I/O设备为所有程序共享,如何协调以提高设备使用效率?文件管理问题。如何管理大量的程序和文件?作业管理问题。各种不同类型的作业如何有效管理?,增加一组软件,对以上问题进行有效处理,这组软件就构成了操作系统。,2023/3/27,计算机操作系统,26,分时系统(Time Sharing System),分时系统的产生:如果说,推动多道批处理系统形成和发展的主要动力,是提高资源利用率和系统吞吐量,那么,推动分时系统形成和发展的主要动力,则是用户的需求。用户的需求具体表现 在以下几个方面:(1)人机交互。(2)共享主机(3)便于用户上机。,每一
10、个用户通过配有输入键盘和输出显示器的终端工作站和主机连接,2023/3/27,计算机操作系统,27,分时系统(Time Sharing System),分时系统实现中的关键问题:为实现分时系统,其中,最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互,即当用户在自己的终端上键入命令时,系统应能及时接收并及时处理该命令,再将结果返回给用户。此后,用户可继续键入下一条命令,此即人机交互。应强调指出,即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令,系统也应能全部地及时接收并处理。及时接收及时处理批处理系统无法满足以上要求,2023/3/27,计算机操作系统,28,分时系统(Time Sharing Syste
11、m),分时系统的特征:多路性:一个机器同时连接多个终端。宏观上多个用户同时工作,微观上则是每个用户作业轮流运行一个时间片。独立性:每个用户使用各自的终端与主机交互,感觉不到其它用户的存在,好像独立使用计算机。用户之间互不干扰。及时性:用户的请求应当在很短时间内响应。交互性:用户通过终端与系统进行对话。,分时系统主要用于软件开发和运行较小的程序。因为在这种环境下用户大部分时间都在思考,不会长期连续地占用CPU,以利于其他用户使用。,2023/3/27,计算机操作系统,29,实时系统(Real-Time System),所谓“实时”,是表示“及时”,而实时系统是指系统能及时(或即时)响应外部事件的
12、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。按任务执行时是否呈现周期性来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来划分硬实时任务(hard real-time task)。系统必须满足任务对截止时间的要求,否则可能出现难以预测的结果。软实时任务(Soft real-time task)。它也联系着一个截止时间,但并不严格,若偶尔错过了任务的截止时间,对系统产生的影响也不会太大。,2023/3/27,计算机操作系统,30,实时系统与分时系统特征的比较,多路性:类似独立性:类似及时性:区别显著交互性:有区别可靠性:区别显著,2023/3/27,计算机
13、操作系统,31,微机操作系统的发展,单用户单任务操作系统MS-DOS单用户多任务操作系统Windows 1.0XP多用户多任务操作系统LinuxUnixSolaris,2023/3/27,计算机操作系统,32,本章内容提纲,操作系统的概念操作系统的目标操作系统的作用操作系统的发展史操作系统的分类操作系统的基本特征操作系统的主要功能,2023/3/27,计算机操作系统,33,本章内容提纲,操作系统的概念操作系统的目标操作系统的作用操作系统的发展史操作系统的分类操作系统的基本特征操作系统的主要功能操作系统的结构设计,2023/3/27,计算机操作系统,34,操作系统的特征,并发性(Concurre
14、nce)共享性(Sharing):虚拟性(Virtual):异步性(Asynchronism):,2023/3/27,计算机操作系统,35,操作系统的特征并发性(Concurrence),并发性:指两个或多个事件在同一时间间隔内发生理解:-在多道程序环境且单处理机系统下,宏观上并行,微观上交替执行。-多处理机系统中,并发可并行执行并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生,并行一定并发,并发不一定并行,2023/3/27,计算机操作系统,36,并发性-串行、并行、并发比较,假设有三个程序A,B,C,串行,并行,并发,2023/3/27,计算机操作系统,37
15、,并发性-进程,线程,进程是系统中能独立运行并作为资源分配的基本单元,是一个能独立运行的活动实体。操作系统需要增设若干进程管理功能。线程是比进程更小的单位,一个进程包含多个线程。是独立运行独立调度的基本单位,2023/3/27,计算机操作系统,38,操作系统的特征共享性(Sharing),共享性(Sharing):系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。由于资源属性的不同,进程对资源共享的方式主要有以下两种资源共享方式。互斥共享同时访问,2023/3/27,计算机操作系统,39,共享性-互斥共享方式,为什么要采用互斥共享?系统中的某些资源,如打印机、磁带机,虽然可以提供给多个
16、进程(线程)使用,但规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源。避免结果不致造成混淆。如何保证互斥共享?临界资源-在一段时间内只允许一个进程访问的资源(也叫独占资源)如何使用临界资源?当一个进程A要访问某资源时,必须先提出请求,只有资源空闲时才可分配给请求进程A使用,此后若再有其它进程也要访问该资源时(只要A未用完)则必须等待。仅当A进程释放该资源后,另一进程才可访问该资源。临界资源有哪些?举例:计算机系统中的大多数物理设备,以及某些软件中所用的栈、变量和表格,2023/3/27,计算机操作系统,40,共享性-同时访问方式,何谓同时?同时并非同步,并行。这里所谓的“同时”往往是宏观上的;
17、微观上,进程可能是交替地对该资源进行访问。可“同时”访问的资源有哪些?典型资源是磁盘设备与互斥共享方式的区别?可以在一段时间内同时使用,不必等待别的进程全部使用完毕。,2023/3/27,计算机操作系统,41,并发性与共享性关系,并发和共享是操作系统的两个最基本的特征,它们又是互为存在的条件。如何互为存在条件?共享性以并发性为条件资源共享是以程序(进程)的并发执行为条件的,若系统不允许程序并发执行,自然不存在资源共享问题;并发性受共享性影响若系统不能对资源共享实施有效管理,协调好诸进程对共享资源的访问,也必然影响到程序并发执行的程度,甚至根本无法并发执行。,2023/3/27,计算机操作系统,
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