操作系统设计与实现第一章PPT格式课件下载.ppt

1、,Kernel of SVR2 of AT&T Unix,Minix OS Structure,操作系统在计算机系统中的地位,操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）,引入操作系统的目标,有效性（系统管理人员的观点）：管理和分配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工作流程方便性（用户的观点）：提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别可扩充性（开放的观点）：硬件的类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间的资源共享和互操作,1.1.2 操作系统的作用,操作系统的作用（1）OS是计算机硬件、软件资源的管理者。管理对象包括：CPU、存储器、

2、外部设备、信息（数据和软件）；管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）。,操作系统的作用（2）OS是用户使用系统硬件、软件的接口。系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口GUI）；系统调用（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）。,操作系统的作用（3）OS是扩展机（extended machine）/虚拟机（virtual machine）。在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对CPU）；另外，为合理组织工作流程：作业管理、进程管理。,OS的定位,操作系统的非形式化定义（关键点）：

3、系统软件，程序模块的集合，资源管理和用户接口功能,1.1.3 操作系统举例,MS OS:MS DOS,Windows 98,Windows XP,Windows 2000，Windows2003，Vista.UNIX:BSD,SRV4,OSF1,SCO UNIX,AIX,Solaris,Minix,Linux,Red Hat,NOS:Novell NetwareRTOS:VxWorks,pSoS,Nucleus,RTOS,1.2 操作系统的发展历史,1.2.1 推动操作系统发展的主要动力1.2.2 手工操作1.2.3 单道批处理系统（simple batch processing）1.2.4

4、多道批处理系统（multiprogramming system）1.2.5 分时系统（time-sharing system）1.2.6 个人计算机1.2.7 MINIX的历史,1.2.1 推动操作系统发展的主要动力,提高资源的利用率和系统性能：计算机发展的初期，计算机系统昂贵，用作集中计算（2）方便用户：用户上机、调试程序，分散计算时的事务处理和非专业用户（商业和办公、家庭）（3）器件的发展：CPU的位宽度（指令和数据）、快速外存,1.2.2 手工操作,1946 50年代（电子管 vacuum tubes），集中计算（计算中心），计算机资源昂贵；工作方式用户：用户既是程序员，又是操作员；用户

5、是计算机专业人员；编程语言：为机器语言；输入输出：纸带或卡片；计算机的工作特点用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率低；CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；,主要矛盾计算机处理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪费）；用户独占全机的所有资源；提高效率的途径专门的操作员，批处理,1.2.3 单道批处理系统,（simple batch processing,uniprogramming）50年代末 60年代中（晶体管）：利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个批作业由一个专门的监督程序（Monitor）自动依次处理。可使用汇

6、编语言开发。批处理中的作业的组成：用户程序数据作业说明书（作业控制语言）批：供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软件（系统带）,两种批处理方式（1）-联机批处理用户提交作业：以纸带或卡片为介质；操作员合成批作业：结果为磁带介质；批作业处理：对批作业中的每个作业进行相同的处理：从磁带读入用户作业和编译链接程序，编译链接用户作业，生成可执行程序；启动执行；执行结果输出。这时的问题：慢速的输入输出处理仍直接由主机来完成。输入输出时，CPU处于等待状态。,两种批处理方式（2）-脱机批处理利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并行工作。卫星机：完成面向用户的输入

7、输出（纸带或卡片），中间结果暂存在磁带或磁盘上。作业控制命令由监督程序（monitor）来执行，完成如装入程序、编译、运行等操作。优点：同一批内各作业的自动依次更替，改善了主机CPU和I/O设备的使用效率，提高了吞吐量。缺点：磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分类，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预才可恢复）。,通道和中断技术,60年代初，发展了通道技术和中断技术，这些技术的出现使监督程序在负责作业运行的同时提供I/O控制功能。通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传输。启动后可独立于CPU运行，实现CPU与I/O的并行。通道有专用的I/O处理器，可与CPU并行工作可实现 I/O联机处

8、理中断是指CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。中断处理过程：中断请求，中断响应，中断点（暂停当前任务并保存现场），中断处理例程，中断返回（恢复中断点的现场并继续原有任务可处理算术溢出和非法操作码，死循环（利用时钟中断进行超时限定）监督程序发展为执行系统（executive system），常驻内存,单道批处理的主要问题,CPU和I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）。对计算为主的作业，外设空闲；对I/O为主的作业，CPU空闲；,1.2.4 多道批处理系统,（multiprogramming system）60年代中 70年代中（集成

9、电路），利用多道批处理提高资源的利用率。多道批处理的运行特征多道：内存中同时存放几个作业；宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；微观上串行运行：各作业交替使用CPU；在当前运行的作业需作I/O处理时，CPU转而执行另一个作业。（I/O完成后是否立刻恢复执行？要等到其他程序再次I/O时）,Memorypartitions,Figure 1-4.A multiprogramming system with three jobs in memory,多道批处理系统的特点,优点：资源利用率高：CPU和内存利用率较高；作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；用户交互性差：整个作业完成后或中间出

10、错时，才与用户交互，不利于调试和修改；作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；批处理：交互性差提高对CPU利用率；分时处理：用户与应用程序随时交互，控制程序运行，适于商业和办公事务处理缩短响应时间,1.2.5 分时系统,（time-sharing system）-70年代中期至今“分时”的含义分时是指多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。多个用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。有用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停，等待下一次用户输入时走时停前台和后台程序（foreground&backgr

11、ound）分时：后台程序不占用终端输入输出，不与用户交互现在的图形用户界面（GUI），除当前交互的程序（输入焦点）之外，其他程序均作为后台通常按时间片（time slice）分配：各个程序在CPU上执行的轮换时间。,分时系统的特点,人机交互性好：在调试和运行程序时由用户自己操作。共享主机：多个用户同时使用。用户独立性：对每个用户而言好象独占主机。现在的许多操作系统都具有分时处理的功能，在分时系统的基础上，操作系统的发展开始分化，如实时系统、通用系统、个人系统等。An Application-MULTICSMULTiplexed Information and Computing Service

12、,1.2.6 个人计算机,Personal Computer Operating System针对单用户使用的个人计算机进行优化的操作系统。个人计算机操作系统的特征应用领域：事务处理、个人娱乐，系统要求：使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信）、效率不必很高。常用的个人计算机操作系统单用户单任务：MS DOS单用户多任务：OS/2,MS Windows 3.x,Windows 95,Windows NT,Windows 2000 Professional多用户多任务：UNIX（SCO UNIX,Solaris x86,Linux,FreeBSD）,分布式操作系统,（Dis

13、tributed Operating System）分布式系统：处理和控制的分散（相对于集中式系统）分布式系统是以计算机网络为基础的，它的基本特征是处理上的分布，即功能和任务的分布。分布式操作系统的所有系统任务可在系统中任何处理机上运行，自动实现全系统范围内的任务分配并自动调度各处理机的工作负载。,网络操作系统,网络操作系统是在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的网络资源共享，提供网络用户所需各种服务的软件和相关规程的集合。网络功能与操作系统的结合程度是网络操作系统的重要性能指标。早期的作法是通常操作系统附加网络软件，过渡到网络功能成为操作系统的有机组成部分。它们的区别在于：网络功能的强弱、使用是否方便等。,分布式操作系统与网络操作系统的比较,耦合程度：分布式系统是紧密耦合系统：分布式OS是在各机上统一建立的OS同质，直接管理CPU、存储器和外设；统一进行全系统的管理；网络通常容许异种OS互连，各机上各种服务程序需按不同网络协议协议同质。并行性：分布式OS可以将一个进程分散在各机上并行执行进程迁移；网络则各机上的进程独立。透明性：用户是否知道或指定资源在哪个