OS1操作系统概论.ppt

1、操作系统Operating System,计算机教研室 2018年3月,课程特点及要求,计算机操作系统课程特点是：1）涉及较多硬件知识的系统软件课程，在计算机软硬件的体系结构上起到承上启下的作用。2）概念多（进程，作业，文件/文件系统，死锁，中断等）、原理性强、较抽象。,课程介绍,操作系统课程的重要性/目的1）必修课2）基础核心课程3）计算机等级考试/升本/考研/博考试科目4）找工作面试笔试必考内容有利于对计算机系统的理解和软件开发。,课程介绍,操作系统在整个计算机系统中的重要性 每当我们打开计算机，启动成功后，首先映入眼帘的就是操作系统的界面。我们所做的一切的工作都是在操作系统之上来完成的。

2、可是谁也不会去想：为什么鼠标的拖拖曳曳就能完成对文件、磁盘、各种软硬件资源的管理；谁也没意识到是因为有了操作系统的支撑，我么才那么方便的使用计算机。,操作系统这门课程并不是教你如何使用操作系统的，而是讲操作系统内部机制的。操作系统的目标是为用户提供一个良好的界面，方便用户使用计算机，同时对内部各种软硬件资源能够进行有效地管理和分配，使整个系统能高效率得运行。操作系统的五大功能：处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理、用户接口。,每道程序在什么时候使用CPU，这需要合理得分配协调才行。如何存放才能井井有条，互不干扰，而且能充分合理的利用有限空间。使用打印机，只要单击打印机按钮即可将内容传到打印

3、机进行后台打印，轻松的调用外部设备。文件是放在那个道那个扇区上么？有时你不想让自己的文件被外人看到，还可设置权限。Windows中开始菜单下里的运行，可执行命令。,课程定位,操作系统是计算机系统中的重要系统软件，是计算机科学与技术专业重要的专业课程。本课程的目的和任务是使学生全面地了解和掌握操作系统的目标、作用和模型，从资源管理的角度领会操作系统的功能和实现过程。使学生受到系统科学地分析问题和解决问题的训练，提高运用理论知识解决实际问题的能力。,推荐参考书本：,书目：计算机操作系统原理教程与实训（第2版）作 者：周峰等编著出 版 社：北京大学出版社,课程考核,平时成绩（40%）+期末成绩（60

4、%）平时成绩：课堂考勤+课堂纪律（迟到、早退、玩手机等违纪行为）+实验成绩实验成绩：作业完成情况期末考试：采用闭卷考试方式,12,学习目标,理解操作系统的基本概念掌握操作系统的管理功能 处理机管理存储管理设备管理文件管理用户接口如何学习操作系统OS是什么？OS作什么？OS如何做？,计算机工作流程,我是程序员。,输入,数据流,输入设备：输入数据，向计算机发出指令,CPU：处理数据,输出,输出,输出设备：输出处理的结果,其他设备：支撑、连接各个部件,第1章 计算机操作系统概论,本章重点,了解操作系统的结构：了解操作系统的地位什么是操作系统现代操作系统的特征、功能、类型基本概念：批处理、多道程序设计

5、、作业、任务、进程和线程、接口、虚拟存储、文件。,1.1 操作系统的形成与发展 1.2 操作系统的基本概念1.3 操作系统的结构1.4 操作系统的硬件环境1.5 当前主流操作系统简介,1.1.0 OS的形成与发展50年代中期，简单批处理操作系统60年代中期：多道批处理操作系统80年代：个人计算机实时系统的出现,1.1操作系统的形成与发展,1.1.1 人工操作方式缺点：1）资源独占 2）CPU等待人工操作矛盾：CPU与I/O设备之间速度不匹配,1.1操作系统的形成与发展,19,运算速度：5000次/每秒,18000个真空管,占地182平方米，重量130吨，功耗140kW,脱机输入输出过程,控制数

6、据输入输出,高速磁带,1.1.2 脱机输入输出技术 为了解决人机矛盾和cpu与I/O设备之间速度不匹配的问题，出现了脱机输入输出方式。如图所示。,脱机输入输出方式：程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下完成的，脱离了主机的控制。相反在主机的直接控制下进行输入输出的方式为联机输入输出方式。优点：1）减少了CPU的空闲时间。2）提高了I/O速度。不足：输出的时候输入空闲。,1.1.3 批处理技术 为了提高系统的利用率，在系统中开始配备监督程序，在它的控制下把由脱机输入方式输入到高速磁带的一批作业一个个装入内存，并一个个执行，直到处理完毕。在此期间，建立了以监督程序来管理和控制其他程序的方式，形成

7、了操作系统的雏形。这种由监督程序控制的系统称为单道批处理系统。,单道批处理系统的特点：单道批处理系统的内存中只有一道作业，可以成批处理作业。自动性顺序性单道性优点：作业自动转换，提高CPU的利用率缺点：还没有真正形成对作业的控制和管理。作业独占CPU，CPU等待I/O使得CPU利用率低。,24,卡片,早期批处理系统,IBM1401,IBM7094,IBM1401,输入磁带,磁带机,卡片阅读机,输出磁带,打印机,单道批处理系统的处理流程：,1.1.4 多道程序设计技术 过去，内存中只能存放一个用户作业在其中运行。那么CPU等待传输数据的过程中，仍然因无工作可做而处于空闲状态。为了提高批处理技术中

8、程序的并行执行能力，提高资源的利用率，采用作业调度程序同时把几个作业放入内存，并允许它们交替执行，即多道程序设计技术。,多道批处理系统特征,（1）多道性 在内存中可同时驻留多道程序，并允许它们并发执行，从而有效提高了资源的利用率和系统的吞吐量。（2）无序性 多个作业完成的先后顺序与他们进入内存的顺序之间无严格的对应关系。（3）宏观上并行、微观上串行 从宏观上看同时存在于内存中的多道作业都处于运行状态，它们先后开始了各自的运行，但又都未运行完毕，好像多道作业在并行运行。但从微观上看，由于我们讨论的是单CPU系统，内存中的多道作业轮流、交替地使用CPU系统，所以各作业仍是串行的。举例：P3,图1.

9、5 单道程序工作过程示意,图1.6 多道程序执行过程示意,单道和多道批处理的比较,设在内存中有三道程序A、B和C，并按A、B、C的优先次序执行。其内部计算和I/O操作的时间如下表所示：,作业,要求：(1)试画出按多道程序运行的时间关系图(调度程序的执行时间忽略不计)。完成这三道程序共花多少时间？比单道程序运行节省多少时间？(2)若处理调度程序每次进行程序状态转换的时间为1 ms，试画出在处理机调度程序管理下各程序状态转换的时间关系图。,程序A,I/O,计算30秒,I/O40秒,计算60秒,t,单道作业运行情况,计算10秒,程序B,I/O30秒,计算10秒,程序C,总计260秒,总计190秒,调

10、度程序的执行时间不计,考虑调度程序的执行时间为1ms？,考虑有2个I/O通道？,若采用多道方式运行(多个通道)这三道程序，其程序运行时间关系如图1.3(c)所示，总运行时间为:30+40+10+20+20+40+20=180 ms，比单道可节省260180=80 ms。,(2)若处理调度程序每次进行程序状态转换的时间为1 ms，其程序运行时间关系如图1.3(d)所示，这三道程序的总运行时间为：30+1+40+1+10+1+20+1+20+1+40+1+20=186 ms。,操作系统发展过程：,脱机输入输出技术,人工操作方式,批处理技术,多道程序设计技术,无操作系统时代,多道性无序性宏观上并行，

11、微观上串行,内容回顾,1.2 操作系统的基本概念,硬件,软件,完成输入、存储、处理、输出功能的具体设备,控制硬件正确有效地完成各种功能,计算机系统的组成,1.2.1 操作系统的定义,操作系统(Operating System，缩写为OS)就是有效地管理计算机系统中的各种资源，合理地组织计算机的工作流程，以方便用户使用的一组软件的集合。,我们可以从以下3个方面来理解操作系统的概念。(1)当程序在系统中运行时，需要操作系统对程序运行所需要的资源进行调度和分配，以保证系统资源的有效利用。(2)计算机系统内各个工作流程运行次序的协调也是由操作系统来完成的。(3)操作系统是一组软件构成的集合，在计算机系

12、统中设置这组软件的目的在于方便用户，使计算机系统变得更加易于用户使用。,我们也可以从以下3个方面来理解操作系统的概念(1)从用户使用角度来看：既可以直接用命令控制，也可以通过系统编程调用。(2)从资源管理角度来看：操作系统提高系统资源利用率。(3)从发展的角度来看：操作系统可以是一台虚拟机，它是计算机硬件的首次扩充，又是扩展。,1.2.2 操作系统的地位,由此可见，操作系统是计算机硬件的基础上对硬件进行的第一层扩充，它是计算机系统中最核心的系统软件，其他系统软件和应用软件都是在操作系统的基础上构建起来的。,1.2.3 操作系统的特征,1.并发性(Concurrence)在操作系统中，并发是指多

13、个事件在同一时间间隔内发生。对计算机而言，并发是指在一段时间内，多道程序“在宏观上同时运行”。显然，多道和并发是同一个事物的两个方面，正是由于多道程序设计的实现才导致了多个程序的并发执行。并行是指在两个或多个事件在同一时刻发生。,2.虚拟性(Virtual)虚拟是指把一个物理实体映射为多个逻辑意义上的实体。前者是客观存在的，后者是虚构的，是一种感觉性的存在，即主观上的一种假象。例如，在多道程序系统中，虽然只有一个CPU，每次只能执行一道程序，但采用多道程序技术后，在一段时间间隔内，宏观上有多个程序在运行。在用户看来，就好像有多个CPU在各自运行自己的程序。这种情况就是将一个物理的CPU虚拟为多

14、个逻辑上的CPU。逻辑上的CPU称为虚拟处理机，类似的还有虚拟存储器和虚拟设备等。,3.共享性(Sharing)操作系统是多道程序的管理机构。它使多个用户作业共享有限的计算机系统资源。由于资源是共享的，就必然会导致如何在多个作业之间合理地分配和使用资源，并且如何充分发挥计算机系统资源的利用效率的问题。从这个意义上讲，操作系统就是一个计算机系统的资源管理程序。计算机系统的所有资源都是共享的，共享分为互斥共享和同时共享。,4.不确定性(Nondeterministic)所谓操作系统的不确定性，是指在操作系统控制下多道作业的执行顺序和每个作业的执行时间是不确定的。例如，有三个作业，两次或多次运行的执

15、行序列可能不相同，每一个作业占有计算机的时间也可能不相同。,1.2.4 操作系统的功能,本节简单介绍操作系统的五个主要功能：1存储管理（内存管理）2处理机管理（进程管理）3设备管理4文件管理5.用户接口,处理机管理,文件管理,存储管理,设备管理,操作系统,1.2.4 操作系统的功能,存储管理（内存管理）存储管理，实际上就是内存 管理，提高主存的利用率。存储管理应该具备以下功能：内存分配 内存保护 内存映射 内存扩充,1.2.4 操作系统的功能,存储管理（内存管理）内存分配1.内存分配的任务 内存分配的主要任务是为每道程序分配内存空间，使它们各得其所，提高存储器的利用率，以减小不可用的内存空间，

16、允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应和数据动态增长的需要。,1.2.4 操作系统的功能,存储管理（内存管理）内存分配2.内存分配的两种方式（1）静态的分配方式（2）动态的分配方式,1.2.4 操作系统的功能,存储管理（内存管理）内存分配3.内存分配功能的实现为了实现内存分配，需要以下的数据结构和功能。1）内存分配数据结构：该结构记录内存空间的使用情况，作为内存分配的依据。2）内存分配功能:系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存。3）内存回收功能：系统对用户不再需要的内存，通过用户的释放请求，去完成系统的回收功能。,1.2.4 操作系统的功能,存储管理（内存管理）二.内存保护1.内存保护的任务：是确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互相不干扰。2.内存保护的实现：设置两个界限寄存器，分别存放正在执行程序的上界和下界，以便对程序进行越界检查。,1.2.4 操作系统的功能,存储管理（内存管理）三.地址映射1.相对地址与物理地址：一个应用程序经编译之后，通常会形成若干个目标程序，这些目标程序再经过链接而形成可装入程序。这些程序的地址都是从0开始，程序中的其他地址都是相对起始