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1、第一章 操作系统引论,主要内容,操作系统的目标、作用和模型 操作系统的发展过程 操作系统的基本特征 OS(Operating Systems)的主要功能 OS的结构设计,1.1 操作系统的目标、作用和模型,操作系统概念(p9) 一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度以及方便用户的程序集合。,方便性 计算机只能识别0、1;用户熟悉的是各种语言。 有效性 使计算机的各类资源在系统的管理下得到更有效的利用,提高系统吞吐量。 可扩充性 便于修改和增加功能(如何设计?)。 开放性 系统能支持世界标准规范。,1.1.1 操作系统的目标,1.1.2 操作系统的作用(1),作为用户与计算
2、机硬件系统之间的接口,图11 OS作为接口的从层状示意图,计算机硬件,操作系统,系统调用,命令,图标,窗口,应用程序及实用程序,系统设计者,程序员,用户,操作系统的作用(2),作为计算机系统资源的管理者 处理机管理:分配和控制处理机 存储器管理:分配及回收内存 I/O(Input/Output)设备管理:I/O分配与操作 文件管理:文件存取、共享和保护 作为扩充机器 把覆盖了软件的机器称为扩充机或虚拟机。 分层扩充的特点。,不断提高计算机资源利用率的需要 如批处理系统的出现 方便用户 如分时交互式系统的出现 器件的不断更新换代 8位163264. 计算机体系结构的不断发展: 单机OS多机OS网
3、络OS,1.1.3 操作系统发展的主要动力,1.2 操作系统的发展过程,1.2.1无操作系统时的计算机系统 人工操作方式 如纸带输入机。 特点是用户独占全机及CPU等待人工操作。 脱机I/O方式(图1.2) 引入I/O机的概念,解决前者的缺点。 特点是减少了CPU的空闲时间且提高I/O速度。,图1-2脱机I/O示意图,输入设备,外围机,磁盘,磁盘,磁盘,主机,磁盘,外围机,输出设备,1.2.2 单道批处理系统,处理过程(图1.3) 监督程序(monitor) 概念:系统对作业的处理都是成批进行的、且内存中始终只保持一道作业,称为单道批处理系统(simple batch system)。 批处理
4、系统的引入是为了提高系统资源的利用率和吞吐量 概念:运行控制权 特征 自动性、顺序性、单道性,图13,还有下一 个作业?,把下一个作业 的源程序转换 为目标程序,源程序 有错吗?,装配目标程序,运行目标程序,开始,是,否,停止,是,否,1.2.3 多道批处理系统,基本概念 多道:系统中同时驻留多个作业 多道引入的优点: 提高CPU利用率(图1.4) 提高内存和I/O设备利用率 提高了系统吞吐量 特征 多道性、无序性、调度性:作业调度、进程调度 缺点 平均周转时间长、无交互能力,图14,用户程序,监督程序,I/O操作,I/O中断请求,启动I/O,I/O完成,结束中断,I/O中断请求,启动I/O,
5、I/O完成,结束中断,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,(a)单道程序运行情况,图14,程序A,调度程序,I/O请求,(b)四道程序运行情况,程序B,程序C,程序D,I/O请求,I/O请求,I/O请求,I/O完成,I/O完成,I/O完成,A完成,表示获得CPU,C再运行,多道批处理系统 (2),需解决的问题 处理机管理问题 内存管理问题 I/O管理问题 文件管理问题 作业管理问题,1.2.4分时系统,分时系统的产生 概念:指一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端,同时允许多个用户共享主机中的资源,各个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机。 是用户的需求: 人机交互性 共
6、享主机 便于用户上机,分时系统(2),分时系统在实现中的关键问题 及时接收:多终端卡、输入缓冲区 及时处理:交互作业应在内存、响应时间应短,分时系统(3),分时系统的实现方法 交互式作业直接进入内存 以分配时间片方式实现 类型: 单道分时系统 具有前、后台的分时系统 仅当前台无作业或在调进、出时,才运行后台批处理作业。 多道分时系统 不需要调入、出开销。,分时系统(4),分时系统的特征 多路性、独立性、及时性、交互性,1.2.5实时系统,引入:要求及时处理的场合 概念: 系统能及时响应外部事件的请求,在规定时间内完成对该事件的处理。 类型 实时控制 实时信息处理,实时系统(2),实时任务类型
7、按任务执行是否呈现周期性来划分 周期性的(联系周期); 非周期性的(联系开始或完成截止时间) 根据对截止时间的要求来划分 硬实时任务 软实时任务,实时系统(3),实时、分时的比较 多路性:相同 独立性:相同 及时性:实时系统要求更高 交互性:分时系统交互性更强 可靠性:实时系统要求更高,1.3 操作系统的基本特征,并发 并行是指两或多个事件在同一时刻发生。 并发是两或多个事件在同一时间间隔内发生。 进程:系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。引入线程后,独立运行的单位变为线程。,操作系统的基本特征(2),共享 系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用 互斥共享:一段时间只允许一个进程
8、访问该资源 同时访问:微观上仍是互斥的,操作系统的基本特征(3),虚拟 通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。若n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数,则虚拟设备的速度必然是物理设备速度的1/n。 异步 运行进度不可预知。,1.4 OS的主要功能,1.4.1处理机管理功能 多道环境下,处理机的运行及分配都是以进程为单位,因此处理机管理可归结为进程管理。 一、进程控制 创建/撤消进程 迁移进程状态 一般由进程控制原语完成,OS的主要功能(2),二、进程同步 为使多个进程有条不紊地运行,应建立同步机制。 包括进程互斥/同步,次序协调。 三、进程通信 源于进程合作,如:输入进程、计算
9、进程、打印进程相互间有信息传递 类型: 直接通信:进程A发message,进程B收message 间接通信: 进程A发message到中间实体(如mailbox),进程B从中间实体收message,OS的主要功能(3),四、调度(作业与进程) 作业调度: 为作业分配必要资源,调入内存建立进程,并使之进入就绪队列。 进程调度: 从就绪队列中选出进程,分配CPU,使之运行。 调度算法: FCFS、优先权等,OS的主要功能(4),1.4.2 存储管理 目的:方便用户使用,且提高存贮器利用率 一、内存分配 静态分配: 动态分配:作业在内存中可移动 为此,需内存分配的数据结构及内存分配和回收功能,OS的
10、主要功能(5),二、内存保护 例:设置上、下界寄存器,每条指令进行越界检查(一般是硬件实现) 三、地址映射 地址范围 地址 逻辑空间 逻辑地址相对地址() 物理空间 物理地址(绝对地址),OS的主要功能(6),四、内存扩充 利用虚存技术,从逻辑上扩充内存容量 系统应有:请求调入/置换功能以支持虚存技术,OS的主要功能(7),1.4.3 设备管理功能 任务:提高I/O利用率和速度,方便用户 一、缓冲管理 缓冲区:用来解决CPUI/O矛盾,如:CPU快则应多创建缓冲区。 二、设备分配 包括:设备,设备控制器,I/O通信的分配和回收,OS的主要功能(8),1.4.3 设备管理功能 三、设备处理 指控
11、制设备进行实际的操作,包括读、写等以及向CPU发中断。 设备处理/驱动程序应能根据用户的I/O请求,自动地构成通道程序。 四、设备独立性和虚拟设备 独立性,即program与设备无关性,使program易于重定向,增加了可移植性。 虚拟设备,OS的主要功能(9),1.4.4文件管理的功能 任务:方便用户,提供安全性 一、文件存贮空间的管理 例:creatfile:文件系统根据文件长度自动分配连续或离散的扇区,并提供“一句柄”表示该文件。 二、目录管理 使用户按名存取,提高速度。 三、文件的读、写管理和存取控制(保护),OS的主要功能(10),1.4.5 用户接口 一、命令接口 由一组“命令”集
12、组成,分为联机和脱机用户接口 1.联机用户接口 由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成 2.脱机(批处理用户接口) 用JCL写作业说明书,OS的主要功能(11),二、程序接口 系统调用 高级语言的库函数 三、图形接口 如 win的copy文件,采用“拖”来完成,生动,不需记忆,1.5 OS的结构设计,无结构 模块式 层次式 微内核,1.5.1 软件工程的基本概念,软件: 软件工程:运用系统、规范和可定量的方法开发、运行和维护软件。,1.5.2 传统的操作系统结构,1.无结构操作系统 一组过程集,各过程可相互调用,也叫整体系统结构。 缺点:逻辑复杂,维护困难.,传统的操作系统结构(2),2、模块
13、化操作系统 通过分解来控制大型软件复杂度。 如:进程模块、内存模块,各模块内进一步划分子模块。 优点: 提高了OS设计的可维护性 增强的OS的可适应性 加速了OS的开发过程:并行开发模块 缺点: 接口不易确定 模块依赖关系可能复杂(对于大型软件而言),传统的操作系统结构(3),3、分层式操作系统 有序分层的基本概念 可简化设计的复杂度 下层为上层提供服务 层次的设置应考虑的因素 程序嵌套:各模块间嵌套关系复杂 运行频率:随层次的增高,相应软件的运行速度就随之下降 公用模块:低层 用户接口:高层,1.5.3 微内核操作系统结构,客户进程,进程服务器,终端服务器,文件服务器,存储服务器,核心,请求,回答,C/S服务器模式,提高了系统的灵活性和可扩充性 提高了软件的可靠性 适合于分布式系统,面向对象的程序设计技术 概念: 优点: a.可扩展性 b.继承性 微内核技术 引入:提高系统的灵活性; 采用C/S模式 基本功能 进程、内存、IPC等基本管理功能,微内核操作系统结构(2),
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