一章节操作系统引论.ppt
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1、第一章 操作系统引论,操作系统做什么?,#include int main(int argc, char *argv) puts(“hello world“); return 0; ,用户告诉操作系统执行hello程序 文件系统找到hello程序的第一个磁盘块 操作系统为hello程序创建进程,填写进程控制块pcb 设置cpu上下文环境,跳到程序开始处 产生缺页中断,操作系统分配内存,调入页面 执行系统调用,将字符串送给输出进程 你在屏幕上看到hello world,为什么学习操作系统?,设计操作系统 或者 修改现有的系统 存在人们意识不到的大量“操作系统” 嵌入式系统(Embedded OS
2、) 加深对使用的OS的理解,有利于深入编程 用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法 操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应 用到其他领域,OS在计算机系统中的地位,计算机由硬件和软件两部分组成,操作系统OS(Operating System)是配置在计算机硬件上的第一层软件,是对硬件系统的第一次扩充。它在计算机系统中占据了特殊重要的地位,其它所有的软件如汇编程序,数据库管理系统等系统软件等及大量的应用软件,都将依赖于操作系统的支持。操作系统已成为从大型机直至微机都必须配置的软件。,Layers of Computer System,游戏,MIS,编译器、
3、DBMS、 命令解释器,DOS、Windows Unix,计算机硬件,1.1 操作系统的目标、作用和模型 1.1.1 操作系统的目标,目前存在着许多种类型的OS,不同类型的OS其目标各有所侧重,在计算机硬件上的OS的目标有以下几点: 1、方便性 以命令(或图形方式)方式代替手工方式(或程序方式)操作机器 机器语言高级语言 dOSWindows 2、有效性 使CPU几各I/O设备有效利用(充分忙碌) 3、可扩充性 层次化,便于修改或增加功能 4、开放性 软件在各种硬件设备上的移植性和互操作性,要求OS具有开放性,1.1.2 操作系统的作用,一、OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 由图可以看出
4、,用户可以通过两种方式来使用计算机: (1)命令方式(用户接口)命令行、菜单式或GUI (2)系统调用方式API,INT调用(编程接口),1.1.2 操作系统的作用,二、OS作为计算机系统资源的管理者: 硬件资源: CPU,内存,外部设备(I/O设备,外存,时钟,网络接口等) 软件资源: 硬盘上的文件,信息,管理资源,记录资源使用状况 如 哪些资源空闲,好坏与否,被谁使用,使用多长时间等 合理的分配资源 静态分配策略 (在程序运行前分配,但效率不高) 动态分配策略 (在程序运行过程中何时用资源,何时分配。其缺点是会出现死锁) 具体完成分配 回收资源,1.1.2 操作系统的作用,三、OS用作扩充
5、机器: 通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。 从操作系统内部结构来看:把操作系统分成若干层。每一层完成其特定功能,从而构成一个虚机器,并对上一层提供支持。通过逐层功能扩充,最终完成整个操作系统虚机器。而操作系统虚机器向用户提供各种功能,完成用户请求,1.1.3 操作系统的层次模型:,1、OS的对象:(处理机、存储器、设备、文件和作业) 2、对对象操纵和管理的软件集合(处理机、存储器、设备、文件) 3.用户接口(命令接口、程序接口、图形用户接口),1.2 操作系统的发展过程,50年代中期出现了第一个简单的批处理操作系统;60年代中期出现了多道批处理,分时系统。80年代后出现微机OS和LA
6、N OS。,1.2.1推动操作系统发展的主要动力,1、不断提高计算机资源利用率的需要。 2、方便用户。 3、器件的不断更新换代。 4、计算机体系结构的不断发展。,1.2.2无操作系统时的计算机系统 一、人工操作方式,从第一代计算机诞生(1945年)到50年代中期的计算机尚属第一代,还未出现OS。 (1)用户独占全机; (2)CPU等待人工操作。,一次完成一个功能(计算,I/O,用户思考/反应),程序通过卡片装入 用户在控制台前调试程序,50年代早期出现了穿孔卡片 程序写在卡片上然后读入计算机,二、脱机输入输出方式(off-line I/O),优点:(1)减少了CPU的空闲时间; (2)提高了I
7、/O的速度。,程序卡片被拿到机房后 能够很快将一作业从卡片读入磁盘 任何时刻当一作业运行结束 操作系统就将一新作业从磁盘读出 装入空出的内存区运行 Spooling技术 (Simultaneous Peripheral Operation On Line) 该技术也用于输出,1.2.3 单道批处理系统(Simple Batch System)(50年代),一、系统中配置监督程序(Monitor),把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上,在Monitor的控制下,使作业能一个接一个地连续处理。 二、特征:是OS的前身,并非现在所说的OS,卡片,早期批处理系统,IBM1401,IBM7094,IBM
8、1401,输入磁带,磁带机,卡片阅读机,输出磁带,1.2.4 多道批处理系统(60年代中期),在IBM 7094机上,若当前作业因等待I/O而暂停, CPU只能踏步直至该I/O完成 对于CPU操作密集科学计算问题,浪费时间少 对于商业数据处理,I/O等待时间常占8090 解决办法 将内存分几个部分,每部分放不同的作业 当一个作业等待I/O时,另一个作业可以使用CPU 在主存中同时驻留多个作业需要硬件进行保护 以避免信息被窃取或攻击,一、处理过程: 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,该队列被称为“后备队列”;然后有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
9、存,使它们共享CPU和系统中的各种资源,以达到提高资源利用率和系统吞吐量的目的。 1) 提高CPU的利用率 2) 可提高内存和I/O的利用率 3) 增加系统吞吐量,二、多道批处理系统的特征: (1)多道性; (2)无序性; (3)调度性 作业调度(外存 内存) 进程调度(内存 分配处理机),例题:有两道程序A、B,按下图以多道程序方式运行,要求在右图画出它们的运行轨迹,并计算在60ms内,CPU的利用率,假设起始时首先运行B,并允许忽略监督程序切换A、B的时间。,解:,B,A,I/O,I/O,10,60,t,20,30,40,50,25,35,45,例 R. Turner 提出的例子更具说服力
10、,为了说明多道程序的优点,不妨参考R Turner 提出的例子:某计算机系统,有256KB的主存(不包含操作系统),一个磁盘,一个终端和一台打印机。同时提交的三个作业分别命名为JOB1、JOB2、JOB3。各作业运行时间分别为5min、15min和10min。它们对资源的使用情况如下表所示:,作业名,作业类型,所需主存/KB,所需磁盘,所需终端,所需打印机,运用时间/min,JOB1,CPU型,50,不用,不用,不用,5,JOB2,I/O型,100,不用,需要,不用,15,JOB3,I/O型,80,需要,不用,需要,10,三个作业的执行要求 P7 Tab1-1,假定JOB1主要使用CPU处理数
11、据,JOB2主要使用终端进行作业的输入,JOB3运行时主要使用磁盘和打印机,后两作业都只需要较少的CPU时间。对于简单批处理情况,这些作业将按顺序执行。JOB1运行5min完成,JOB2在等待5min后,运行15min完成,JOB3在等待20min后开始执行。三个作业全部完成需要30min(这三个作业是一批)。,采用多道程序设计技术,可让这三个作业并行运行。由于它们运行中几乎不同时使用同一资源,所以三个作业可同时运行。JOB1在进行数据处理的同时,JOB2在终端上进行作业输入,JOB3在使用磁盘和打印机。因此,JOB1只需5min完成,JOB2需15min完成,JOB3需10min完成。这样三
12、个作业全部完成的时间只需15min,显然系统处理效率明显提高。,CPU利用率,主存利用率,磁盘利用率,打印机利用率,全部作业完成时间/min,吞吐量/(作业 h1),单 道,17%=5/(5+15+10),30%=(50+100+80)/256/3,33%=10/30,33%=10/30,30=5+15+10,6=3/(30/60),多道 (三道作业),多道程序与单道程序的平均资源利用率 P8 Tab1-2,平均周转时间/min,18=(5+20+30)/3,33%=(5/15),90%=(50+100+80)/256,67%=10/15,67%=10/15,15,12=3/(15/60),1
13、0=(5+15+10)/3,吞吐量:单位时间(1小时)内系统所处理的作业个数。,周转时间:从作业进入系统到作业完成退出系统所用的时间。,平均周转时间:同时参与系统运行的几个作业的周转时间的平均值。,4.几个概念,三、多道批处理系统的优缺点 (1)主要优点:资源利用率高,系统吞吐量大。 (2)缺点:平均周转时间长,无交互能力。 四、多道批处理系统需要解决的问题 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、作业管理问题,1.2.5 分时系统:(Time-Sharing System) 一、分时系统的产生,分时系统使指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终
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