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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
第一章 操作系统引论 1. 1 操作系统的目标和作用 1. 1. 1 操作系统概念 用户 应用程序 操作系统 计算机硬件
第一章 操作系统引论 1. 1 操作系统的目标和作用 1. 1. 1 操作系统的概念 从该结构图可以看出OS(operating system)是一个用 户与硬件的一个接口,或者说为用户提供了一个 作 平台,属于系统软件。 操作系统概念:管理和控制计算机系统软硬件资源, 使用户方便、高效、安全地使用计算机系统的系统软 件。
第一章 操作系统引论 1. 1 操作系统的目标和作用 1. 1. 2 操作系统的目标 1. 方便性:硬件无关性 2. 有效性 3. 可扩充性 4. 开放性
第一章 操作系统引论 1. 1. 3 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作为接口的示意图
第一章 操作系统引论 (1) 命令方式。 (2) 系统调用方式。 (3) 图形、窗口方式。
第一章 操作系统引论 2. OS作为计算机系统资源的管理者 Ø 处理机管理: 用于分配和控制处理机; Ø 存储器管理:主要负责内存的分配与回收; Ø I/O设备管理:负责I/O设备的分配与操纵; Ø 文件管理:负责文件的存取、共享和保护。
第一章 操作系统引论 3. OS实现了资源的抽象 Ø 对于一台完全无软件的计算机系统----裸机。 Ø 在裸机上覆盖上一层I/O设备管理软件,用户便可利 用它所提供的I/O命令,来进行数据输入和打印输出。 Ø 在第一层软件上再覆盖上一层文件管理软件,则用户 可利用该软件提供的文件存取命令,来进行文件的存取。 Ø 在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件, 则用户方便地使用计算机,形成一台功能更强的虚机器。
第一章 操作系统引论 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 操作方式 Ø 过程:由程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据)的纸带 (或卡片)装入纸带输入机(或卡片输入机),再启动它们将程 序和数据输入计算机, 然后启动计算机运行。当程序运行 完毕并取走计算结果后, 才让下一个用户上机。 Ø 缺点: (1) 用户独占全机。 (2) CPU等待人 操作(CPU 60 -70%空闲)。
第一章 操作系统引论 2. 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式 Ø 引入IO脱机技术目的:为解决人机矛盾以及CPU和 IO设备之间速度不匹配的矛盾。 Ø 过程:事先将装有用户程序和数据的的纸带(或卡片) 装入纸带输入机(或卡片输入机),再在外围机的控 制下,把数据和程序输入到高速设备磁带(或磁盘), 当CPU需要这些程序和数据时,再从磁带上高速地调 入内存;输出也是一样。 Ø 脱机输入/输出方式:程序和数据的输入和输出是在 外围机的控制下进行的。 Ø 联机输入/输出方式:程序和数据的输入和输出是在 主机的直接控制下进行的。
第一章 操作系统引论 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: (1) 减少了CPU的空闲时间。 (2) 提高I/O速度。
第一章 操作系统引论 1. 2. 2 单道批处理系统 主要目的:提高系统资源的利用率和系统吞吐量。 1. 单道批处理系统(Simple Batch Processing System)的处理过程 开始 还有下 一个作业? 是 把下一个作业的源程 序转换为目标程序 否 停止 是 源程序 有错吗? 否 运 行 目标程序 装 配 目标程序
第一章 操作系统引论 2. 单道批处理系统的特征 (1) 自动性。 (2) 顺序性。 (3) 单道性。 3. 缺点:资源的利用率低
第一章 操作系统引论 1. 2. 3 多道批处理系统 1. 多道程序设计的基本概念 多道程序设计:允许多个程序同时进入一个计算机系 统的主存储器并启动进行计算的方法。 从宏观上看: 并行 从微观上看: 串行 优点: Ø 提高CPU的利用率。 Ø 可提高内存和I/O设备利用率。 Ø 增加系统吞吐量。
第一章 操作系统引论 图 1 -4 单道和多道程序运行情况
第一章 操作系统引论 2.多道批处理系统概念: 若干作业成批同时装入主存,使一个CPU 轮流地执行各 个作业,各个作业可以同时使用各自所需的外围设备, 计算结果成批输出。 3. 多道批处理系统的特征 (1) 多道性。 (2) 无序性。 (3) 调度性。
第一章 操作系统引论 4. 多道批处理系统的优缺点 u 优点: Ø 系统吞吐量大; Ø 资源利用率高。 u 缺点: Ø 作业平均周转时间较长; Ø 无交互能力(作业执行时用户不能直接干预作业 的执行,当作业执行中发现出错,OS 通知用户重 新修改后再次装入执行)。
第一章 操作系统引论 5. 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。
第一章 操作系统引论 1. 2. 4 分时系统 1. 分时系统(Time-Sharing System)的产生 分时系统形成和发展的主要动力: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。
第一章 操作系统引论 2. 分时系统概念: u 概念:在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘 的终端,同时允许多个用户通过自己的终端以交互方式使 用计算机,共享主机中的资源。 分时处 理 终端请 求 硬件层 Time Sharing OS 终端 终端 …. . . 终端
第一章 操作系统引论 2. 分时系统概念: u 作用:虽然物理上只有一台计算机,但每个用户都 可以得到及时的服务响应,每个用户感觉到是一台计算机 在专门为他服务。 u 本质:主机采用时间片的方式(即分时)轮流的为 各个终端上的用户服务,及时地对用户的服务请求予以响 应。
第一章 操作系统引论 3. 分时系统实现中的关键问题 (1) 及时接收:多路卡和缓冲区 (2) 及时处理:直接内存,时间片轮转运行
第一章 操作系统引论 4. 分时系统的特征 (1) 多路性。 (2) 独立性。 (3) 及时性。 (4) 交互性。
第一章 操作系统引论 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件的处理,并控制所有实时任务协调 一致地运行。 1. 实时系统类型 (1) 业控制系统 (2)信息查询系统。 (3)多媒体系统 (4)嵌入式系统
第一章 操作系统引论 实时控制 A/D Real Time 硬件层 OS t 1 被控对象 D/A t 2
第一章 操作系统引论 实时信息处理 终端 终端 …. …. Real Time 硬件层 OS 终端 特点: (1)响应及时(prompt response) (2)可靠性高(high reliability) 通常为远程终端
第一章 操作系统引论 2. 实时任务 1) 按任务执行时是否呈现周期性来划分 (1) 周期性实时任务。 (2) 非周期性实时任务。 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。
第一章 操作系统引论 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。
第一章 操作系统引论 3. 实时系统与分时系统特征的比较 (1) 多路性。 (2) 独立性。 (3) 及时性。 (4) 交互性。 (5) 可靠性。
第一章 操作系统引论 1.2.6其它操作系统: 1.微机操作系统: ü 单用户单任务操作系统 ü 单用户多任务操作系统 ü 多用户多任务操作系统
第一章 操作系统引论 1.2.6其它操作系统: 1.微机操作系统: ü 近年来,微机操作系统得到了进一步发展,以Windows、OS 2、 MACOS和Linux为代表的新一代微机操作系统具有GUI、多用 户和多任务、虚拟存储管理、网络通信支持、数据库支持、 多媒体支持、应用编程支持API等功能。 还具有以下特点: (1)开放性 ;(2)通用性 ;(3)高性能 ; (4)采用微内核结构。
第一章 操作系统引论 1.2.6其它操作系统: 2、网络操作系统 建立在宿主操作系统之上,提供网络通信、网络资源共 享、网络服务的软件包。 host 1 NOS 1 host 2 NOS 2 DOS 3 host 3 Printer
第一章 操作系统引论 网络操作系统的目标 • 相互通信 • 资源共享(信息,设备) • 提供网络服务 – database server – ftp server – e-mail server – telnet server – etc.
第一章 操作系统引论 1.2.6其它操作系统: 3.分布式操作系统 Ø 它是一种特殊的计算机网络,网络中各类计算机没 有主次之分,网络中任意两台计算机可以通过通信来 交换信息;网络中资源 为用户共享。 Ø 分布式操作系统(多处理机的操作系统):是使系 统中若干台计算机相互协作完成一个共同任务。 如amoeba, mach等 Ø 网络操作系统相比更着重于任务的分配性,它有强 健的分布式算法和动态平衡各站点负载的能力。
第一章 操作系统引论 3、分布式操作系统 • 紧耦合:(tightly coupled) – 由多机系统发展而来(多CPU) – 有公共内存 – 多处理机操作系统 CPU … CPU 内存
第一章 操作系统引论 3、分布式操作系统 • 松散耦合:(loosely coupled) – 由计算机网络发展而来(多Host) – 无公共内存,无公共时钟 host 1 DOS host 2 DOS host 3
第一章 操作系统引论 1. 3 操作系统的基本特性 1. 3. 1 并发(Concurrence) 并行性:指两个或多个事件在同一时刻发生 并发性:指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
第一章 操作系统引论 2.引入进程: 系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。 目的是使多个程序能并发执行 3.引入线程: 作为独立运行和独立调度的基本单位。
第一章 操作系统引论 1. 3. 2 共享(Sharing) 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。
第一章 操作系统引论 1. 互斥共享方式 规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该 资源。比如打印机,磁带机等。学习的教室 临界资源:在一段时间 只允许一个进程访问的资源。 2. 同时访问方式 允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进 行访问。比如磁盘的读文件操作。 “同时”:宏观上同时,微观上交替使用。 比如磁盘。
第一章 操作系统引论 并发和共享的关系: 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。 Ø资源共享是以程序(进程)的并发执行为前提的,若系统不 允许程序并发执行,自然不存在资源共享问题; Ø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。资源共享是并发的保障。
第一章 操作系统引论 1. 3. 3 虚拟(Virtual) 操作系统中的所谓“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。物理实体(前者)是 实的,即实际存在的;而后者是虚的,是用户感觉上的东 西。相应地,用于实现虚拟的技术,称为虚拟技术。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、 虚拟外部设备和虚拟信道等。
第一章 操作系统引论 1.时分复用技术:分时使用方式。 虚拟处理机技术、虚拟设备技术、虚拟存储器 2.空分复用技术: 虚拟磁盘技术
第一章 操作系统引论 1. 3. 4 异步性(Asynchronism) 在多道程序环境下,允许多个进程并发执行, 但只有 进程在获得所需的资源后方能执行。 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。 进程是以人们不可预知的速度向前推进,此即进程 的异步性。
第一章 操作系统引论 1. 4 操作系统的主要功能 1. 4. 1 处理机管理功能 Ø 进程控制:处理机的分配和运行,以进程为单位创建、 撤消和管理 Ø 进程同步:同步机制:互斥和同步 Ø 进程通信:信息的交换 Ø 调度:作业调度和进程调度
第一章 操作系统引论 1. 4. 2 存储器管理功能 Ø内存分配:静态和动态,回收 Ø内存保护:互不干扰,不允许用户访问OS的程序和数据, 也不允许转移到给共享的其它用户程序(界限寄存器的使 用) Ø地址映射:逻辑地址到物理地址的转换 Ø内存扩充:请求调入功能;置换功能。
第一章 操作系统引论 1. 4. 3 设备管理功能 Ø完成用户进程的I/O请求,分配I/O与CPU的利用率,提 高I/O速度,方便使用I/O设备 Ø缓冲管理: Ø设备分配:设备控制表,回收 Ø设备处理:设备驱动程序完成
第一章 操作系统引论 1. 4. 4 文件管理功能 Ø文件存储空间的管理 Ø目录管理:目录创建,快速的目录查询手段 Ø文件的读/写管理和保护
第一章 操作系统引论 1. 4. 5 操作系统和用户之间的接口 1. 用户接口 Ø 联机用户接口 Ø 脱机用户接口 Ø 图形用户接口:
第一章 操作系统引论 2. 程序接口 Ø程序接口:为用户程序在执行中访问系统资源而设置的, 是用户程序取得系统服务的惟一途径。它由一组系统调用 组成。 Ø早期的系统调用都是用汇编语言提供的,但在高级语言 以及C语言中,往往提供了与各系统调用一一对应的库函 数,这样,应用程序便可通过调用对应的库函数来使用系 统调用。 Ø在UNIX 系统中,系统调用本身已成为函数,可直接使用。
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