计算机操作系统.ppt
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1、1,计算机操作系统,2,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,3,1.1 操作系统的目标和作用,1.1.1 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。通常在计算机硬件上配置的OS,其目标有以下几点: 方便性 -方便用户 有效性 -系统管理效率 扩展性 -体系结构:软硬件结构发展 开放性 -体系结构:软硬件结构兼容性,权衡,4,1.1.2 操作系统的作用,1. OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 - OS处于用户与计算机硬件系统之间,
2、用户通过OS来使用计算机系统。 - OS是一个系统软件,因而这种接口是软件接口。,5,图 1-1 OS作为接口的示意图,6,计算机系统组成部分的层次图,7,(1) 命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令(语言), 用户可通过键盘输入有关命令,来直接操纵计算机系统。 (2) 系统调用方式。OS提供了一组系统调用,用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用,来操纵计算机。 (3) 图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。,人机接口接口的不同使用方式:,8,OS作用 2. OS作为计算机系统资源的管理者 可将资源分为四类: 处理器、存储器、 I/O设备以及信息(
3、数据和程序)。 OS的主要功能是针对这四类资源进行有效的管理,即: 处理机管理, 用于分配和控制处理机; 存储器管理,主要负责内存的分配与回收; I/O设备管理,负责I/O设备的分配与操纵; 文件管理,负责文件的存取、共享和保护。,9,3. OS用作扩充机器 以OS软件扩充硬件性能,得到功能更强大的系统。 通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。,10,1.1.3 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 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,11,OS发展历史背景,First generation 1945 - 1955 vacuum tu
4、bes电子管 Second generation 1955 - 1965 transistors, batch systems 晶体管时代/批处理 Third generation 1965 1980 ICs and multiprogramming 集成电路/多道程序设计 Fourth generation 1980 present personal computers 个人计算机时代,12,1.2 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 1945年到50年代中期,第一代计算机,尚未出现OS。 使用 穿孔纸带(或穿孔卡片) 。 人工操作方式有以下两方面的缺
5、点: (1) 用户独占全机。 (2) CPU等待人工操作。,13,2. 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式,这种脱机I/O方式的主要优点如下: 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,14,Early batch system bring cards to 1401 read cards to tape put tape on 7094 which does computing put tape on 1401 which prints output,早期批处理系统的例子,15,1.2.2 单道批处理系统,1. 单道批处理系统(Simple
6、 Batch Processing System)的处理过程,图 1-3 单道批处理系统的处理流程,监督程序 Monitor,16,2. 单道批处理系统的特征 是最早出现的一种OS,只能算作是OS的前身。 最大进步在于替代了人工操作。 该系统的主要特征如下: (1) 自动性。 (2) 顺序性。 (3) 单道性。,17,1.2.3 多道批处理系统,1. 多道程序设计的基本概念 为提高资源的利用率和系统吞吐量,在60年代中期引入了多道程序设计技术,形成了多道批处理系统。 (Multiprogrammed Batch Processing System)。 后备队列 作业调度程序 作业调度 算法,1
7、8,Multiprogramming system 示意图 three jobs in memory,19,图 1-4 单道和多道程序运行情况,20,(2) 可提高内存和I/O设备利用率。 在内存中装入多道程序, 并允许它们并发执行,则大大提高内存和I/O设备的利用率。 (3) 增加系统吞吐量。在保持CPU、I/O设备不断忙碌的同时,也必然会大幅度地提高系统的吞吐量,从而降低作业加工所需的费用。,(1)提高CPU的利用率。 图 1-4(a)示出了单道程序的运行情况,从图可以看出:在t2t3、 t6t7时间间隔内CPU空闲。 在引入多道程序设计技术后, 程序交替运行, 保持了CPU处于忙碌状态。
8、,21,2. 多道批处理系统的特征,多道性。 (2) 无序性。 (3) 调度性。,22,3. 多道批处理系统的优缺点,资源利用率高。 (2) 系统吞吐量大。 (3) 平均周转时间长。 (4) 无交互能力。,23,4. 多道批处理系统需要解决的问题,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。,24,1.2.4 分时系统,1. 分时系统(Time-Sharing System)的产生 多道程序系统、批处理系统提供了提高资源(CPU,内存,设备)利用率和系统吞吐量的环境,但是没有为用户提供与计算机直接交互的能力。 推动分时系
9、统形成和发展的主要动力,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。,1.2 操作系统的发展过程,25,2. 分时系统实现中的关键问题,分时系统是多道程序设计的自然延伸,虽然CPU还是通过在多个作业之间的切换来执行多个作业,但是由于切换的速度非常快,用户可以在每个程序运行期间与之进行交互。 时间片,(1) 及时接收。,(2) 及时处理。,1.2 操作系统的发展过程,26,3. 分时系统的特征,多路性。 (2) 独立性。 (3) 及时性。 (4) 交互性。,1.2 操作系统的发展过程,27,分时系统的思想1959年在MIT提出
10、每个用户有一个联机终端 调试程序的用户常常只发出简短的命令 很少有长的费时命令 计算机能够为许多用户提供交互式、快速服务 同时在CPU空闲时还能在后台运行大作业 第一个分时系统(CTSS)由 MIT的Fernando Corbato 等1961年在一改装的IBM 7090/94机上开发成功(有32个交互式用户) 第一个有虚拟存储器(virtual memory)和页面调度(paging) 的机器,第一个分时操作系统CTSS,28,1.2.5 实时系统,所谓“实时”,是表示“及时”,而实时系统(Real-Time System)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求,在规定的时间内完成对该事
11、件的处理,并控制所有实时任务协调一致地运行。,1. 应用需求,实时控制。 (2) 实时信息处理。,1.2 操作系统的发展过程,当对处理器的操作或数据传输有着严格地时间要求时需要使用实时系统。 常用来控制特定设备,或者特定数据传输控制。,29,2. 实时任务,1) 按任务执行时是否呈现周期性来划分 周期性实时任务。 (2) 非周期性实时任务。 截止时间(Deadline)。分为: 开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行; 完成截止时间任务在某时间以前必须完成。,1.2 操作系统的发展过程,30,2) 根据对截止时间的要求来划分 (1) 硬实时任务(hard real-time task)。系统
12、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。 (2) 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。,1.2 操作系统的发展过程,31,3. 实时系统与分时系统特征的比较 多路性。 (2) 独立性。 (3) 及时性。 (4) 交互性。 (5) 可靠性。,32,并发特征(Concurrence) 并发与并行 共享特征(Sharing) 互斥共享 同时访问 虚拟特征(Virtual) 异步性(Asynchronism),1.3 操作系统的基本特性,33,1.3.1 并发(Concu
13、rrence),并行性和并发性: 并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生; 而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 宏观与微观 为使多个程序能并发执行,必须分别为每个程序建立进程。 线程 进一步提高并发程度,34,1.3.2 共享(Sharing) 在操作系统环境下,所谓共享是指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。 共享因资源属性不同而采用不同方式:,35,1. 互斥共享方式 - 资源分配后到释放前,不能被其他进程所用。 把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。 2. 同时访问方式 资源允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。 典
14、型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备,一些用重入码编写的文件,也可以被“同时”共享,即若干个用户同时访问该文件。,36, 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。 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; 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。,37,1.3.3 虚拟(Virtual) 所谓“虚拟”,是指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。 在OS中利用了多种虚拟技术,分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、 虚拟外部
15、设备和虚拟信道等。,38,1.3.4 异步性(Asynchronism),由于资源等因素的限制,使进程的执行通常都不是“一气呵成”,而是以“停停走走”的方式运行。 进程之间由于竞争或合作,以不可预知的速度向前推进。(不确定性),39,1.4 操作系统的主要功能,1.4.1 处理机管理功能,1. 进程控制 进程控制的主要功能是为作业创建进程、撤消已结束的进程,以及控制进程在运行过程中的状态转换。 在现代OS中,进程控制还应具有为一个进程创建若干个线程的功能和撤消(终止)已完成任务的线程的功能。,40,2. 进程同步 进程同步的主要任务是为多个进程(含线程)的运行进行协调。 两种协调方式: 进程互
16、斥方式, 这是指诸进程(线程)在对临界资源进行访问时, 应采用互斥方式; 进程同步方式,指在相互合作去完成共同任务的诸进程(线程)间,由同步机构对它们的执行次序加以协调。 为了实现进程同步,系统中必须设置进程同步机制。 例如:锁、信号量,41,3. 进程通信 常见于多个合作进程(线程)相互交换信息。 例如,有三个相互合作的进程, 它们是输入进程、计算进程和打印进程。 当相互合作的进程(线程)处于同一计算机系统时,通常在它们之前是采用直接通信方式,即由源进程利用发送命令直接将消息(message)挂到目标进程的消息队列上,以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。,42,4. 调度 作业
17、调度:从后备队列中按照一定的算法,选择出若干个作业,为它们分配其必需的资源(首先是分配内存)。 当代操作系统基本不需要作业调度。 进程调度:是从进程的就绪队列中选出一新进程,把处理机分配给它,并为它设置运行现场, 使进程投入执行。 在多线程OS中,通常是把线程作为独立运行和分配处理机的基本单位.,43,1.4.2 存储器管理功能,1. 内存分配,静态分配方式:每个作业的内存空间是在作业装入时确定的;在作业装入后的整个运行期间, 不允许该作业再申请新的内存空间,也不允许作业在内存中“移动”; 动态分配方式:每个作业所要求的基本内存空间, 也是在装入时确定的,但允许作业在运行过程中,继续申请新的附
18、加内存空间,以适应程序和数据的动态增涨,也允许作业在内存中“移动”。,44,内存分配的机制中应具有的结构和功能: 内存分配数据结构 ;如段表、页表 内存分配功能 ;分配策略、算法 内存回收功能 。,45,2. 内存保护 任务:是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行,彼此互不干扰。 为了确保每道程序都只在自己的内存区中运行,必须设置内存保护机制。 一种比较简单的内存保护机制,是设置两个界限寄存器,分别用于存放正在执行程序的上界和下界。越界检查。,46,3. 地址映射 将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。 逻辑地址空间 物理地址空间 : 源程序(编译) 目标程序(链接)
19、 可装入程序【逻辑地址】 装入到内存【物理地址】 ,47,4. 内存扩充 虚拟存储技术,从逻辑上去扩充内存容量。 为了能在逻辑上扩充内存,系统必须具有内存扩充机制, 用于实现下述各功能: (1) 请求调入功能。 (2) 置换功能。,48,存储体系举例,操作系统课程主要介绍主存储器的管理,但整个存储体系还有更多的层次,49,1.4.3 设备管理功能 主要任务: 完成用户进程提出的I/O请求; 为用户进程分配其所需的I/O设备;提高CPU和I/O设备的利用率;提高I/O速度;方便用户使用I/O设备。 设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理,以及虚拟设备等功能。,50,1. 缓冲管理 CPU运行
20、的高速性和I/O低速性间的矛盾. 现代计算机系统中, 都毫无例外地在内存中设置了缓冲区,而且还可通过增加缓冲区容量的方法,来改善系统的性能。 最常见的缓冲区机制有单缓冲机制、能实现双向同时传送数据的双缓冲机制,以及能供多个设备同时使用的公用缓冲池机制。,51,2. 设备分配 基本任务- 根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略,为之分配其所需的设备。如果在I/O设备和CPU之间,还存在着设备控制器和I/O通道时,还须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。,52,3. 设备处理【设备驱动程序】 - 实现CPU和设备控制器之间的通信. 处理过程: 检查I/O请求的合法
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