第一部分操作系统引论教学课件.ppt
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1、 第一章 操作系统引论 第一章 操作系统引论 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 操作系统的基本特性 1.4 操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计 1.1 操作系统的目标和作用 1.计算机系统的组成 硬件系统(裸机):CPU、存储器(主存、 辅存)、I/O、I/O控制系统 软件系统:系统软件、应用软件 系统软件:管理计算机本身的操作。如操 作系统、编译. 应用软件:提供给用户进行解题。如,科 学计算、事物管理 2.计算机系统的层次结构 图 1.1 计算机系统的层次结构 3.操作系统的目标 目前存在着多种类型的OS,不同类型的 OS,其目标各有所侧重。通常
2、在计算机硬件 上配置的OS,其目标有以下几点: 1. 方便性 2. 有效性 3. 可扩充性 4. 开放性 4. 操作系统的地位 计算机系统由硬件和软件组成 操作系统在硬件基础上的第一层软件 是其他软件和硬件之间的接口 操作系统设计者 应用软件设计者 应用软件设计者 5. 操作系统的作用 OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 OS作为计算机系统资源的管理者 OS用作扩充机器 6. 推动操作系统发展的主要动力 不断提高计算机资源利用率 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 1.2 操作系统的发展过程 1.2.1 无操作系统的计算机系统 1. 人工操作方式 从第一台计算机诞生(1
3、945年)到50年代 中期的计算机,属于第一代,这时还未出 现OS。计算机操作是由用户采用人工操作 方式直接使用计算机硬件系统,即由程序 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。 2.人工操作方式的特点 特点: 用户独占全机 CPU等待人工操作 独占性 串行性 缺点: 计算机的有效机时严重浪费 效率低 3. 脱机输入/输出方式 在采用脱机输入输出方式时,程序和数据的输 入输出都是在外围计算机的控制下完成的,即它们 是脱离主机进行的,故称之
4、为脱机输入输出操作。 脱机I/O方式的主要优点如下: (1)减少了CPU的空闲时间。 (2) 提高I/O速度。 图 1-2 脱机I/O示意图 脱机输入技术 为解决低速输入设备与CPU速 度不匹配的问题,可将用户程序和 数据,在一台外围计算机的控制下 ,预先从低速输入设备输入到磁带 上,当CPU需要这些程序和数据时 ,再直接从磁带机高速输入到内存 ,从而大 大加快了程序的输入过 程,减少了CPU等待输入的时间。 脱机输出技术 当程序运行完毕或告一段落, CPU需要输出时,无须直接把计算 结果送至低速输出设备,而是高速 地把结果送到磁带上,然后再另一 台外围机地控制下,把磁带上的计 算结果由相应的
5、输出设备输出,着 就大大加快了程序的输出过程。 1.2.2 单道批处理系统 1. 单道批处理系统的处理过程 批处理是指计算机系统对一批作业自动进行处 理的一种技术。 单道批处理在内存中仅有一道作业。 图 1-3 单道批处理系统的处理流程 2. 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。 该系统的 主要特征如下: (1) 自动性 (2) 顺序性 (3) 单道性 1.2.3 多道批处理系统 1. 多道程序设计的基本概念 在计算机内存中同时存放若干道已开始运行 尚未结束的程序,它们交替运行,共享系统中的 各种硬、软件资
6、源,从而使处理机得到充分利用 。 在该系统中, 用户所提交的作业都先存放在 外存上并排成一个队列,称为“后备队列”;然 后,由作业调度程序按一定的算法从后备队列中 选择若干个作业调入内存,使它们共享CPU和系统 中的各种资源。 卡片 IBM 1401 IBM 7094 IBM 1401 输入磁带 磁带机 卡片阅读机 输出磁带 打印机 图14 早期批处理系统 $END $RUN Data for program $LOAD Fortran program $FORTRAN $JOB, 10,429754 Cherry Chen 图15 典型的FMS JOB 结构 图 1-6 单道和多道程序运行情
7、况 2.多道批处理系统的特点 多道: 多道指某个作业占用CPU,若由于 某种原因暂时不用CPU 则系统让 第二个作业占用CPU 成批处理: 用户自己不能干预自己作业的运 行,一旦发现作业错误不能及时 改正,并延长开发软件时间,所 以适用于成熟的程序。 无序性 调度性 3.多道批处理系统的优缺点 (1) 资源利用率高 (2) 系统吞吐量大 (3)可提高内存和I/O设备利用率 (4)平均周转时间长 (5)无交互能力。 适合大型科学计算、数据处理。 4.多道批处理需要解决的问题 (1) 处理机管理问题。 (2) 内存管理问题。 (3) I/O设备管理问题。 (4) 文件管理问题。 (5) 作业管理问
8、题。 1.2.4 分时系统 1. 分时系统(Time-Sharing System)的产生 分时系统是为了满足用户需求所形成的一 种新型OS。它与多道批处理系统之间,有着截 然不同的性能差别。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 主机 终 端 图 1-7 分时系统示意图 2.分时系统的思想 采用时间片轮的方法,同时为许多终端用户服务 ,对每个用户能保证足够快的响应时间,并提供 交互会话的功能。 时间片:将CPU的时间划分成若干个片段,称为时 间片,操作系统以时间片为单位,轮流为每个终端 用户服务 设计目标:对用户的请求及时响应,并在可能
9、条 件下尽量提高系统资源的利用率。 适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会 话的场合。 3.分时操作系统工作方式 一台主机连接了若干个终端 每个终端有一个用户在使用 交互式的向系统提出命令请求 系统接受每个用户的命令 采用时间片轮转方式处理服务请求 并通过交互方式在终端上向用户显示结果 用户根据上步结果发出下道命令 4.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。 即使有多个用户同时通过自己的键
10、盘键入命令, 系统也应能全部地及时接收并处理: (1) 及时接收。 (2) 及时处理。 5.分时操作系统特点 多路性 交互性 “独占”性 及时性 同时有多个用户使用一台计算机 宏观上:是多个人同时使用一个CPU 微观上:多个人在不同时刻轮流使用CPU 用户根据系统响应结果进一步 提出新请求(用户直接干预每一步) 用户感觉不到计算机为其他人服务 (OS提供虚机器,各个用户的虚 机器互不干扰) 系统对用户提出的请求及时响应 6.影响响应时间的因素 终端数目多少 调度算法(时间片的选取) 信息交换量和信息交换速度 机器处理能力 请求服务的时间长短及服务请求的分布 1.2.5 实时系统 “实时”,是表
11、示“及时”,而实时系 统(Real-Time System)是指系统能及时 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。 特点:及时性要求高,系统可靠性高。 1.实时操作系统的分类 实时控制系统:通常是指以计算机为中心 的生产过程控制系统,又称计算机控制系 统。 如:钢铁冶炼和钢板轧制的自动控制、炼 油、化工生产过程的自动控制,军事控制等 。 实时信息处理系统:计算机及时接收从远 程终端发来的服务请求,根据用户提出的 问题对 信息进行检索和处理,并在很短时 间内对用户做出正确回答。例如:银行, 机票订购系统、股市行情实时信息处理系 统等。 2.
12、实时操作系统主要追求目标 对外部请求在严格时间范围内作出反应 高可靠性 安全性 完整性 实时系统必须和先进的技术装备相结合 (1)多路性 (2)独立性 (3)及时性 (4)交互性 (5)可靠性 3.实时系统与分时系统特征的比较 1.2.6 操作系统的发展 操作系统(包括其前身)成为独立 的程序,已有40年的历史,它经过60和 70年代的大发展时期,到80年代虽已趋 于成熟,但它仍继续沿着两个方向继续 向前发展,一个是随着计算机系统结构 的发展,形成多处理机操作系统、网络 操作系统和分布式操作系统;另一个则 是把操作系统应用于微机,形成微机操 作系统。 1.多处理机操作系统 在1975年前后,打
13、破了以单处理机 体系结构为主的局面,形成了由多台处 理机通过互连网络连接在一起的计算机 系统。近年来所推出的大、中、小型机 ,大多数都在采用多处理机体系结构, 甚至在高档微机中也出现了这种趋势。 多处理机结构 紧密耦合(Tightly Coupled)多处 理机结构 松散耦合(Loosely Coupled)多处 理机结构 多处理机类型 主从式 独立管理程序系统 浮动式管理程序控制方式 2. 网络操作系统 网络操作系统是建立在主机操作系 统基础上,用于管理网络通信和共享资 源,协调各主机上任务地运行,并向用 户提供统一的、有效的网络接口的软件 集合。 按网络所覆盖的地理范围和互连计 算机之间的
14、距离的不同,可把计算机网 络分为两种: 广域网WAN(Wide Area Network) 局域网LAN(Local Area Network) 网络操作系统的基本功能 网络通信 资源管理 提供多种网络服务 提供网络接口 网络操作系统 网络服务 应用程序 通信软件( 协议支持) 单机 操作系统 用户应用程序 图18 局域网操作系统的结构 通信软件( 协议支持) 1)分布式操作系统的功能 资源管理 任务分配 分布式进程同步和通信 管理程序浮动 3. 分布式操作系统 2) 要解决的关键问题 分布式OS设计过程中要解决的 关键问题: (1)通信原语的设计 (2)资源管理 (3)系统容错 3)分布式操
15、作系统特征 1.系统内只有一个全局操作系统,采用分布式控 制的办法,负责全系统的资源管理和运行控制 。 2.资源进一步共享:系统内包含有多个物理资源和 逻辑资源,它们可以动态地分配给各个任务 3.透明性: 资源共享,分布。系统对用户提供一 个透明的、一体化的用户界面。 4.自治性: 处于分布式系统的多个主机处于平等 地位,无主从关系所有资源都必须高度自治而 相互配合地工作,它们之间不存在层次控制或 主从控制的关系。 5.处理能力增强、速度更快、可靠性增强 4) 网络和分布式的区别 (1) 分布具有各个计算机间相互通讯, 无主从关系;网络有主从关系 (2) 分布式系统资源为所有用户共享; 而网络
16、有限制地共享 (3) 分布式系统中若干个计算机可相互 协作共同完成一项任务 4.微型机(个人)操作系统 计算机在某一时间内为单用户服务, 其追求目标是界面友好,使用方便, 丰富的应用软件。 (1) MS-DOS (2)微机多任务操作系统 微机多任务操作系统的分类 按系统结构分: 内在式(built-in) 贴附式(bolt-on ) 按任务调度方式分:先决式(preemptive) 协作式(cooperative ) 微型机操作系统(续) 1)内在式是指操作系统开始设计就把多任 务功能构筑. 其中,如 OS/2和UNIX操 作系统。 2)贴附式是指把多任务功能附加到一个单 任务操作系统中而形
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