第一部分原理篇.ppt
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1、第一部分 原理篇 操作系统 陆松年 课件ftp地址: 用户名:snlu口令:public 操作系统网站:http:/:8080/os/ 1 CPU是计算机系统的心脏,操作系统 是计算机系统的大脑。 近半个世纪来操作系统这门软件科学 吸引了世界上一大群最热情、最有智慧 的杰出人材,集中了人类现代创造性思 维活动的精髓。 操作系统是软件世界的万花筒、博览 会,是软件王国中的一顶璀璨的皇冠。 能够有机会走进操作系统这个神奇、 复杂而又充满诱惑的大千世界,理解其 中的基本概念、结构和奥妙的管理机制 是一件十分幸运的事。 2 第一章 操作系统概论 3 1.1 什么是操作系统 n商人眼光中的操作系统 n
2、一般学生误解的操作系统 n计算机科学界定义的操作系统 4 n通常把操作系统定义为用以控制和 管理计算机系统资源,方便用户使 用的程序和数据结构的集合。 n在所有的系统软件中,操作系统是 一种首要的、最基本、最重要的系 统程序,也是最庞大、最复杂的系 统软件。 5 1系统观点计算机资源管理 n计算机是系统的控制中心,是系统的大脑。 CPU是计算机硬件的核心,是计算机系统的心 脏;操作系统则是计算机软件的核心,是计算 机系统的大脑,从而操作系统是整个系统的控 制中心,是计算机或智能控制管理系统中首要 的、最重要的、最复杂的系统软件。 n操作系统的作用类似于城市交通的决策、指挥 、控制和调度中心,它
3、组织和管理整个计算机 系统的硬件和软件资源,在用户和程序之间分 配系统资源,使之协调一致地、高效地完成各 种复杂的任务。 6 2. 用户观点用户使用计算机的界面 n用户几乎不可能使用裸机。如果在裸机之上覆盖一层 I/O设备管理软件,就能使用户较方便地使用外部设备 ;如果在其上再覆盖一层文件管理软件,用户就很容易 存取系统文件和用户文件;每覆盖一层新的软件,就构 造了一台功能更强的虚拟机器。通过OS,计算机能提 供种类更多,质量更高的服务。 n(1)命令方式 :通过键盘输入有关命令。以批处理的 方式连续运行命令 。 n(2)系统调用 :调用操作系统向用户提供的服务程序 。 n(3)图形界面: 用
4、户可以在窗口环境中通过鼠标、按 键、菜单和对话框等方式操纵计算机,这是现代操作系 统向多媒体转化的标志之一。 7 3软件观点 程序和数据结构的集合 n操作系统是直接与硬件相邻的第一层软件,它 是由大量极其复杂的系统程序和众多的数据结 构集成的。在计算机中的所有软件中,它起到 了核心和控制的作用,其他软件的运行都要依 赖它的支持。操作系统是在系统中永久运行的 超级程序。 对用户接待员,对系统管家婆 8 学习操作系统的目的 -需要是人类一切活动的动力的源泉 n为了专门的用途,科研人员不得不设计自己的操作 系统,如特定的监视控制系统。 n需要对现有的系统进行改造,如嵌入式Linux系统。 n用户为了
5、完成特殊的软件设计任务,必须与操作系 统内核作深层次的交互。是学习和提高编制大型系 统控制、处理程序能力的必经之路。 n操作系统中的很多概念、管理思想和技巧可以用到 各行各业中。 n做好工作、找好工作的需要。 n操作系统不仅是一门科学,还充满了艺术的魅力。 9 1.2 操作系统的发展历史 n1.2.1早期的计算机和人工操作方式 在早期的计算机系统中,每一次独立的运行 都需要很多的人工干预,操作过程繁琐,占 用机时多,也很容易产生错误。在一个程序 的运行过程中,要独占系统的全部硬件资源 ,设备利用率很低。 10 1.2.2 脱机输入/输出和批处理系统 1. 脱机输入输出 n需要人工干预的由慢速设
6、备读入程序和数据及由慢速 输出设备打印结果的过程往往占用了用户使用计算机 的大部分时间。 n使用磁带作为输入/输出的中介,这种具体的输入/输 出不需要在主计算机上进行的方式称“脱机输入/输出” 纸带机 读卡机 打印机 卫星机 输入 带 输出 带 输入 带 输出 带 主机 11 2.批处理系统 n基本思想是操作员取来一批作业,将它们输 入到磁带中,操作系统先从磁带上将第一个 作业读进内存,启动它运行,并将运行结果 输出到另一条磁带上;当第一个程序运行完 毕,操作系统能自动地从输入磁带上读进下 一个作业,并予以运行和输出,如此直到整 批作业全部处理完毕。 n批处理系统解决了高速计算机的运算、处理
7、能力与人工干预之间的速度矛盾,实现了作 业自动过渡。 12 1.2.3 缓冲、中断和DMA技术 n1缓冲技术 n2中断技术 n3. DMA技术 一旦收到了DMA发来的中断请求后,处理机在 设置了缓冲区、指针和计数器后,DMA就可以 不需要CPU干预,在内存和设备之间传送整块 数据。这样,通过DMA每传送一个数据块仅需 要一次中断处理,而不是像低速设备那样每传 送一个数据都需要一次中断处理。 13 1.2.4 SPOOLING n当作业要将输出送至打印机时,该输出 实际上是通过系统缓冲区写到磁盘中, 在该作业运行结束后,才由操作系统自 动打印存储在磁盘中的输出结果。 n 这种由操作系统将磁盘模拟
8、为输入/输 出设备的处理方式称为SPOOLING n以磁盘为几乎无限巨大的缓冲区来解决 低速的I/O设备与高速的CPU之间的速 度匹配问题。 14 1.2.5 多道程序设计 n操作系统可将多个作业存放在作业缓冲 池中。在某一时刻,操作系统从缓冲池 中挑选一个作业,并开始执行该作业。 n当执行中的作业因要等待用户键盘输入 或等待其他设备I/O操作时,操作系统 就可在缓冲池中挑选另一个作业,使其 运行。只要系统中总是存在可执行的作 业,CPU就永远不会因无事可干而闲着 。 15 1.3 现代操作系统类型 n1.3.1分时系统 为了降低交互式系统的等待时间和运行时间的比率, 系统通过多台终端同时向很
9、多用户提供运行环境,这 种分时系统就能以合理的成本向用户提供交互式地使 用计算机的方便。 操作系统使用多道程序设计技术来支持在一个计算 机系统内运行多个用户的程序。每一个用户的程序都 驻在内存中,并按某一策略轮流运行。 分时系统具有以下几个基本特征: 1. 多路性 2. 独立性 3 . 交互性 4. 及时性 16 1.3.2 实时操作系统 n能在限定的时间内对输入进行快速处理 并作出响应的计算机处理系统。 n硬实时系统 主要用于工业生产的过程控 制,航天系统的跟踪和控制,武器的制 导等。这类操作系统要求响应速度十分 快,工作极其安全可靠, n还需要有一套后备系统。后备系统又可 分为热备份和冷备
10、份两种。 17 n对响应的速度要求不像硬实时系统那么 高,且时限要求也不那么严密的信息查 询、事务处理领域,如情报资料检索、 订票系统、银行财务管理系统、信用卡 记账取款系统、仓库管理系统等。 n这类系统一般配有大型文件系统或数据 库,涉及金融业的管理系统对系统的安 全、可靠和保密等也提出了极高的要求 。 软实时系统 18 1.3.3 微机操作系统 n早期的微机 设备驱动程序 nCP/M (Control Program Monitor) nMSDOS n工作站 支持多道程序设计,故其功能强得多。使用 速度更快的RISC(Reduced Instruction Set Computer)芯片,
11、较大的屏幕及高分辨率的显示器, 以支持复杂的图像处理工作。采用了分时操作系统UNIX 。 nwindows 3.x windows 95/ 98/2000 XP/2003 nWin 2003是堪称最具工作效率的基础架构平台,Win 2003沿用了Windws 2000 Server的先进技术并使之 更易于部署、管理和应用,可用于构建从工作组到数据 中心级别的IT基础架构,并可提供一个结构高效、安全 且强有力的应用平台。 19 1.3.4 多处理机、分布式和网络操作系统 1. 多处理机系统 分为主从式和对称式。 n主从式操作系统主要驻留并运行在一台称为主处 理机上,它控制所有系统资源,将整个任务
12、分解 成多个子任务并将子任务分配给其他的从处理机 执行,还要协调这些从处理机的运行过程。 n对称式系统在每个处理机中都配有操作系统,它 管理和控制本地资源和过程的运行。该类系统在 一段时间内可以指定一台或几台处理机来执行管 理程序,协调所有处理机的运行。 n很高的运算速度,用微处理器构成的阵列系统, 运算速度可以达到几十万亿次。 20 2. 分布式操作系统 n多计算机系统,这些计算机可以处于不同的 地理位置和拥有不同的硬软件资源,并用通 信线路连接起来,具有独立执行任务的能力 ,但通常不驻有完全独立的操作系统。 n分布式系统具有一个统一的操作系统,它可 以把一个大任务划分成很多可以并行执行的
13、子任务,并按一定的策略将它们动态地分配 给各个计算机执行,并控制管理各个计算机 的资源分配、运行及计算机之间的通信,以 协调任务的并行执行。 n以上所有的管理工作对用户都是透明的。 21 3. 网络操作系统 n计算机网络是指用数据通信系统把分散在不同 地方的计算机群和各种计算机设备连接起来的 集合,它主要用于数据通信和资源共享,特别 是软件和信息共享。 n网络操作系统与分布操作系统不同,不是一个 集中、统一的操作系统,它基本上是在各种各 样自治的计算机原有操作系统基础上加上具有 各种网络访问功能的模块,这些模块使网络上 的计算机能方便、有效地共享网络资源,实现 各种通信服务的有关协议。 22
14、分布式操作系统与网络操作系统的区别 1. 资源管理 n网络操作系统各个主机独立管理自己的资源 n分布式则由一台主机统一管理系统中的资源 2. 用户感觉 n网络操作系统用户面对多台主机 n分布式用户好像在使用同一台主机 3. 操作方式 n网络操作系统是多用户操作 n分布式是单用户操作 23 1.3.5嵌入式操作系统和智能卡操作系统 1嵌入式操作系统 n嵌入式操作系统(Embedded Operating System) 就是运行在嵌入式芯片环境中,对整个芯片以及它所 操作和控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调 度、指挥和控制的系统软件。嵌入式操作系统具有高 可靠性、实时性、占有资源少和低成本
15、等优点。 n嵌入式操作系统通常配有对应的开发环境,用户可以 利用嵌入式操作系统开发环境,设计符合各种应用要 求的定制嵌入式操作系统。 n嵌入式操作系统在工业监控、智能化家电、电子设备 、智能仪器、现代化的轿车、通信系统和导航系统等 领域中的应用非常广泛,嵌入式系统之间并还彼此通 信,组成一个嵌入式系统网络。 24 2智能卡操作系统 n智能卡实际上是一个单片微机系统,包括中央处理机 、存储部件以及对外联络的通信接口。各类智能卡中 都驻留了一个微型的操作系统,又称片内操作系统( Chip Operating System,COS)。 n智能卡操作系统具有四个基本功能:资源管理、通信 管理、安全管理
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