操作系统精髓与设计原理-第2章.pptx

1、,第二章 操作系统概述,2.1 操作系统的目标和功能2.2 操作系统的发展2.3 主要成就2.4 现代操作系统的特征2.5 微软的Windows概述,2.1 操作系统的目标和功能操作系统的目标与应用环境有关。例如在查询系统中所用的OS，希望能提供良好的人机交互性；对于应用于工业控制、武器控制以及多媒体环境下的OS，要求其具有实时性；而对于微机上配置的OS，则更看重的是其使用的方便性。,操作系统的目标1.有效性：包含两个方面的含义：（1）提高系统资源利用率。使CPU与I/O设备保持忙碌状态而得到有效利用。使内存与外存中的数据因有序而节省空间。（2）提高系统吞吐量。合理组织计算机工作流程，改善资源

2、利用率，加速程序运行，缩短程序运行周期。2.方便性：使计算机更容易使用。硬件只识别0与1，那么如果没有OS，用户要使用计算机就需要使用单纯的0与1的字符串来操作机器。有了OS，用户可以直接使用OS提供的各种命令来操作机器。3.可扩充性：要能适应计算机硬件、网络、体系结构与应用发展的要求。保持对上接口可扩充。应采用层次化结构，能方便对OS进行扩充。比如现在采用的微内核结构与客户服务器模式。,操作系统的目标1.有效性：包含两个方面的含义：（1）提高系统资源利用率。（2）提高系统吞吐量。2.方便性：使计算机更容易使用。3.可扩充性：要能适应计算机硬件、网络、体系结构与应用发展的要求。,4.开放性：系

3、统能遵循世界标准规范，遵循开放系统互连(OSI)国际标准。随着计算机技术的发展，有效性在最开始的时候更加重要，但后来方便性更加重要，现在随着技术发展，可扩充性与开放性也是必须要考虑的点。,2.1.1 作为用户/计算机接口的操作系统提供的服务：1、程序开发 2、程序运行 3、I/O设备访问 4、文件访问控制 5、系统访问 6、错误检测和响应 7、记账,计算机系统的层次和视图,2.1.2 作为资源管理器的操作系统 操作系统与普通的计算机软件作用相同，它也是由处理器执行的一段程序或一组程序。操作系统经常会释放控制，而且必须依赖处理器才能恢复控制。,图1-1 OS作为接口的示意图,2.1.3 操作系统

4、的易扩展性 1、硬件升级和新型硬件的出现 2、新的服务 3、纠正错误,2.2 操作系统的发展在20世纪50年代中期，出现了第一个简单的批处理OS；60年代中期开发出多道程序批处理系统；不久又推出分时系统，与此同时，用于工业和武器控制的实时OS也相继问世。20世纪70到90年代，是VLSI和计算机体系结构大发展的年代，导致了微型机、多处理机和计算机网络的诞生和发展，与此相应地，也相继开发出了微机OS、多处理机OS和网络OS，并得到极为迅猛的发展。,2.2.1 串行处理1.人工操作方式早期的操作方式是由程序员将事先已穿孔的纸带(或卡片)，装入纸带输入机(或卡片输入机)，再启动它们将纸带(或卡片)上

5、的程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。仅当程序运行完毕并取走计算结果后，才允许下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：(1)用户独占全机，即一台计算机的全部资源由上机用户所独占。(2)CPU等待人工操作。当用户进行装带(卡)、卸带(卡)等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。,2.脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，20世纪50年代末出现了脱机I/O技术。该技术是事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在一台外围机的控制下，把纸带(卡片)上的数据(程序)输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时，再从

6、磁带上高速地调入内存。,2.2.2 简单批处理系统 1.简单批处理系统(Simple Batch Processing System)的处理过程为实现对作业的连续处理，需要先把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序(Monitor)，在它的控制下，使这批作业能一个接一个地连续处理。,图1-4 单道批处理系统的处理流程,2.单道批处理系统的缺点单道批处理系统最主要的缺点是，系统中的资源得不到充分的利用。这是因为在内存中仅有一道程序，每逢该程序在运行中发出I/O请求后，CPU便处于等待状态，必须在其I/O完成后才继续运行。又因I/O设备的低速性，更使CPU的利用率显著降低。图1-5

7、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。,图1-5 单道程序的运行情况,2.2.3 多道程序设计批处理系统1.多道程序设计的基本概念为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在20世纪60年代中期引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统。图1-6示出了四道程序时的运行情况。,图1-6 多道程序的运行情况,2.多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点如下：(1)资源利用率高。引入多道批处理能使多道程序交替运行，以保持CPU处于忙碌状态；在内存中装入多道程序可提高内存的利用率；此外还可以提高I/O设备的利用率。(2)系统吞吐量大。能提高系统吞吐量

8、的主要原因可归结为：CPU和其它资源保持“忙碌”状态；仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。,(3)平均周转时间长。由于作业要排队依次进行处理，因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。(4)无交互能力。用户一旦把作业提交给系统后，直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，修改和调试程序极不方便。,3.多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统是一种十分有效，但又非常复杂的系统，为使系统中的多道程序间能协调地运行，系统必须解决下述一系列问题：(1)处理机争用问题。既要能满足各道程序运行的需要，又要能提高处理机的利用率。(2)内存分配和保护问题。系统应能为每道程序分配必

9、要的内存空间，使它们“各得其所”，且不会因某道程序出现异常情况而破坏其它程序。(3)I/O设备分配问题。系统应采取适当的策略来分配系统中的I/O设备，以达到既能方便用户对设备的使用，又能提高设备利用率的目的。,(4)文件的组织和管理问题。系统应能有效地组织存放在系统中的大量的程序和数据，使它们既便于用户使用，又能保证数据的安全性。(5)作业管理问题。系统中存在着各种作业(应用程序)，系统应能对系统中所有的作业进行合理的组织，以满足这些作业用户的不同要求。(6)用户与系统的接口问题。为使用户能方便的使用操作系统，OS还应提供用户与OS之间的接口。,2.2.4 分时系统(Time Sharing

10、System)1.分时系统的引入如果说推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提高资源利用率和系统吞吐量，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力，则是为了满足用户对人机交互的需求，由此形成了一种新型OS。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。,2.分时系统实现中的关键问题在多道批处理系统中，用户无法与自己的作业进行交互的主要原因是：作业都先驻留在外存上，即使以后被调入内存，也要经过较长时间的等待后方能运行，用户无法与自己的作业进行交互。1)及时接收2)及时处理,3.分时系统的特征分时系统与多道批处理系统相比，具有非常明显的不同特性，可以归纳成以下四个方面：(1)多路

11、性。(2)独立性。(3)及时性。(4)交互性。,2.3 主要的成就操作系统开发中的5个重要的理论进展：1、进程2、内存管理3、信息保护和安全4、调度和资源管理5、系统结构,2.3 主要的成就2.3.1 进程对于进程的定义，从不同的角度可以有不同的定义，其中较典型的定义有：(1)进程是程序的一次执行。(2)进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。(3)进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。,1.进程的三种基本状态由于多个进程在并发执行时共享系统资源，致使它们在运行过程中呈现间断性的运行规律，所以进程在其生命周期内可能具有多种

12、状态。一般而言，每一个进程至少应处于以下三种基本状态之一：(1)就绪(Ready)状态。(2)执行(Running)状态。(3)阻塞(Block)状态。,2.三种基本状态的转换进程在运行过程中会经常发生状态的转换。例如，处于就绪状态的进程，在调度程序为之分配了处理机之后便可执行，相应地，其状态就由就绪态转变为执行态；正在执行的进程(当前进程)如果因分配给它的时间片已完而被剥夺处理机暂停执行时，其状态便由执行转为就绪；如果因发生某事件，致使当前进程的执行受阻(例如进程访问某临界资源，而该资源正被其它进程访问时)，使之无法继续执行，则该进程状态将由执行转变为阻塞。图2-5示出了进程的三种基本状态，

13、以及各状态之间的转换关系。,图2-5 进程的三种基本状态及其转换,2.3 主要的成就2.3.2 内存管理 5个基本的存储器管理责任：1、进程隔离2、自动分配和管理3、支持模块化程序设计4、保护和访问控制5、长期存储,2.3 主要的成就2.3.3 信息保护和安全 分为4类：1、可用性 2、保密性3、数据完整性 4、认证,2.3 主要的成就2.3.4 调度和资源管理 1、公平性 2、有差别的响应性 3、有效性,2.3 主要的成就2.3.5 系统结构,2.4 现代操作系统的特征微内核体系结构 多线程 对称多处理 分布式操作系统 面向对象设计,2.5微软的Windows概述2.5.1 历史 微软自19

14、85年推出Windows 1.0以来，Windows系统经历了十多年变革。从最初运行在DOS下的Windows 3.0，到现在风靡全球的Windows XP、Windows 7、Windows8和最近发布的Windows10。Windows代替了DOS曾经担当的位子。,2.5微软的Windows概述2.5.2 单用户多任务 根据在同一时间使用计算机用户的多少，操作系统可分为单用户操作系统和多用户操作系统。单用户操作系统是指一台计算机在同一时间只能由一个用户使用，一个用户独自享用系统的全部硬件和软件资源，而如果在同一时间允许多个用户同时使用计算机，则称为多用户操作系统。另外，如果用户在同一时间可

15、以运行多个应用程序（每个应用程序被称作一个任务），则这样的操作系统被称为多任务操作系统。如果一个用户在同一时间只能运行一个应用程序，则对应的操作系统称为单任务操作系统。,2.5.3 体系结构,2.5微软的Windows概述 2.5.3 体系结构操作系统组织：A、内核态组件 1、执行体 2、内核 3、硬件抽象层 4、设备驱动 5、窗口和图形系统,2.5微软的Windows概述 2.5.4 客户/服务器模型 客户/服务器模型是所有网络应用的基础。客户/服务器分别指参与一次通信的两个应用实体，客户方主动地发起通信请求，服务器方被动地等待通信的建立。任何一个应用程序当需要进行远程访问时成为客户，这个应用程序也要完成一些本地的计算；一般运行于用户的个人计算机上；向服务器主动发起通信请求；可以访问多个服务器，但一次只能访问一个。,2.5微软的Windows概述 2.5.4 客户/服务器模型 优点：1、简化了执行体 2、提高了可靠性 3、为应用程序与服务器间通过远程过程调用进行通信提供了一致的方法，且没有限制其灵活性。4、为分布式计算机提供了适当的基础。,2.5微软的Windows概述 2.5.5 线程和支持对称多处理,2.5微软的Windows概述 2.5.6 Windows对象,2.5微软的Windows概述 2.5.6 Windows对象 1、分派器对象 2、控制对象,