華南理工大學(xué) 操作系統(tǒng)ppt課件

.,1,計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),第1章操作系統(tǒng)概論,.,2,本章知識(shí)點(diǎn),1.1操作系統(tǒng)的作用1.2操作系統(tǒng)的演變1.3操作系統(tǒng)的主要成就1.4操作系統(tǒng)舉例1.5操作系統(tǒng)的主要研究課題,.,3,操作系統(tǒng)是控制應(yīng)用程序執(zhí)行，充當(dāng)硬件系統(tǒng)和應(yīng)用程序(用戶)之間界面(方便用戶)的軟件。,程序創(chuàng)建。程序執(zhí)行。I/O設(shè)備的訪問?？刂茖?duì)文件的訪問。系統(tǒng)訪問。查錯(cuò)和糾錯(cuò)。簿記。,用戶1n應(yīng)用程序1,2-虛擬機(jī)器界面操作系統(tǒng)-物理機(jī)器界面硬件（裸機(jī)）,1.1操作系統(tǒng)的作用,.,4,操作系統(tǒng)是控制應(yīng)用程序執(zhí)行，（控制和管理資源）充當(dāng)硬件系統(tǒng)和應(yīng)用程序(用戶)之間界面(方便用戶)的軟件。,.,5,操作系統(tǒng)的定義,操作系統(tǒng)是有效控制和管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源、合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程、以及方便用戶使用計(jì)算機(jī)的程序的集合,.,6,有效：系統(tǒng)效率，資源利用率（如：CPU利用的充足與否，內(nèi)存、外部設(shè)備是否忙碌）人工操作，機(jī)械、電子部件速度差異大合理：公平與否，如果不公平則會(huì)產(chǎn)生“死鎖”或“饑餓”方便：兩種角度：用戶界面編程接口,操作系統(tǒng)的定義,.,7,1.2操作系統(tǒng)的演變,設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)主要有兩個(gè)目的：第一，為程序的開發(fā)和執(zhí)行提供一個(gè)方便的環(huán)境；第二，為保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)順利執(zhí)行，操作系統(tǒng)對(duì)各個(gè)計(jì)算活動(dòng)進(jìn)行調(diào)度。無操作系統(tǒng)（串行處理/人工操作）批處理系統(tǒng)：簡單批處理和多道程序批處理分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)OS、分布式OS、嵌入式OS,硬件：昂貴便宜人力：便宜昂貴,.,8,1.2.1串行處理系統(tǒng),從20世紀(jì)40年代末到50年代中期，沒有OS。用戶既是程序員又是操作員；用戶是計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，直接與硬件接觸由操作員將紙帶（或卡片、詞典）裝入輸入機(jī)，把程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，當(dāng)程序行完畢，由用戶取走紙帶和計(jì)算結(jié)果后，讓下一個(gè)用戶上機(jī)操作。特點(diǎn)：用戶獨(dú)占全機(jī)。串行性人工操作方式缺點(diǎn)：效率非常低，CPU等待人工操作。用戶獨(dú)占全機(jī)，資源浪費(fèi)。每一用戶都要自行編寫涉及到硬件的源代碼工作量大，難度高，易出錯(cuò)，需要大量人力和物力,.,9,1.2.1串行處理系統(tǒng),浪費(fèi)：CPU與外設(shè)速度不匹配手工操作方式和高速機(jī)器之間的不匹配提高資源利用率多部件并行，多任務(wù)共享,.,10,1.2.2簡單批處理系統(tǒng),主要思想是：通過應(yīng)用一種被稱為監(jiān)控器的軟件，使用戶不必再直接接觸機(jī)器，而是先通過卡片機(jī)和紙帶機(jī)向計(jì)算機(jī)控制器提交作業(yè)，由監(jiān)控器將作業(yè)組織在一起，構(gòu)成一批作業(yè)，然后將整批作業(yè)放入由監(jiān)控器管理的輸入設(shè)備上，每當(dāng)一個(gè)程序執(zhí)行完畢返回監(jiān)控器時(shí)，監(jiān)控器已自動(dòng)裝入下一個(gè)程序。減少安裝磁帶、裝入程序和返繞磁帶等有關(guān)的工序浪費(fèi)的時(shí)間，因此，也就減少了計(jì)算機(jī)的空閑時(shí)間。,.,11,系統(tǒng)對(duì)作業(yè)的處理是成批地進(jìn)行作業(yè)在系統(tǒng)中配置的監(jiān)督程序控制下，先把磁帶上的第一個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，并把控制權(quán)交給該作業(yè)，當(dāng)該作業(yè)處理完后，再由監(jiān)督程序把第二個(gè)作業(yè)輸入內(nèi)存,.,12,1.2.2簡單批處理系統(tǒng)的不足,用戶不能與其作業(yè)交互以捕捉程序中的問題。用戶一旦提交作業(yè)就失去了對(duì)其運(yùn)行的控制能力，用戶程序中的所有問題必須事先安排好。安全問題：有意或無意地讀取他人的卡片。建立監(jiān)控和用戶兩種操作態(tài)，使其只有在監(jiān)控態(tài)下才能讀控制卡。通過建立一組僅能在監(jiān)控態(tài)下執(zhí)行的特權(quán)指令，操作系統(tǒng)就能保證在任何時(shí)候都能控制整個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用率還需改進(jìn)P6圖1.5的例子：讀/寫記錄：1.5msCPU執(zhí)行：0.1ms改進(jìn)思路：多個(gè)程序穿插進(jìn)行,.,13,1.2.3多道程序批處理系統(tǒng),多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)：在內(nèi)存中同時(shí)保持若干道程序，系統(tǒng)按某種調(diào)度策略交替執(zhí)行這些程序，使CPU保持最少的空閑時(shí)間。交替執(zhí)行：已開始運(yùn)行且尚未結(jié)束的程序，它們交替運(yùn)行，共享系統(tǒng)中的各種硬、軟資源。在批處理中采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，就形成了多道批處理系統(tǒng)。,.,14,.,15,為了說明多道程序的優(yōu)點(diǎn)，再來參考Turner提出的例子：某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有256KB的主存(不包含操作系統(tǒng))，一個(gè)磁盤，一個(gè)終端和一臺(tái)打印機(jī)。同時(shí)提交的三個(gè)作業(yè)分別命名為JOB1、JOB2、JOB3。,對(duì)于簡單批處理情況，這些作業(yè)將按順序執(zhí)行：JOB1運(yùn)行5min完成，JOB2在等待5min后，運(yùn)行15min完成，JOB3在等待20min后開始執(zhí)行。三個(gè)作業(yè)全部完成需要30min(這三個(gè)作業(yè)是一批)。,.,16,采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，可讓這三個(gè)作業(yè)并行運(yùn)行。由于它們運(yùn)行中幾乎不同時(shí)使用同一資源，所以三個(gè)作業(yè)可同時(shí)運(yùn)行：JOB1在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的同時(shí)，JOB2在終端上進(jìn)行作業(yè)輸入，JOB3在使用磁盤和打印機(jī)。因此，JOB1只需5min完成，JOB2需15min完成，JOB3需10min完成。這樣三個(gè)作業(yè)全部完成的時(shí)間只需15min，顯然系統(tǒng)處理效率明顯提高。,.,17,系統(tǒng)的吞吐量指單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)所處理的作業(yè)個(gè)數(shù)，周轉(zhuǎn)時(shí)間是指從作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)到作業(yè)完成退出系統(tǒng)所用的時(shí)間，平均周轉(zhuǎn)時(shí)間是指同時(shí)參與系統(tǒng)運(yùn)行的幾個(gè)作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間的平均值,.,18,多道程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn),多道：計(jì)算機(jī)內(nèi)存中同時(shí)存放多道相互獨(dú)立的程序。宏觀上并發(fā)執(zhí)行：同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的幾道程序都處于運(yùn)行狀態(tài)，但都未運(yùn)行結(jié)束。微觀上串行運(yùn)行：各作業(yè)交替使用CPU主要優(yōu)點(diǎn)：通過將用戶的CPU請(qǐng)求和I/O請(qǐng)求重疊起來，以此來提高CPU的利用率。,.,19,多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的要求,Memorymanagement(存儲(chǔ)管理)系統(tǒng)必須為若干作業(yè)分派空間CPUscheduling(CPU調(diào)度)系統(tǒng)必須在就緒作業(yè)中挑選Allocationofdevices(設(shè)備分配)Security安全管理,.,20,多道程序設(shè)計(jì)的不足,多道程序設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)利用率但沒有解決用戶不能與其作業(yè)交互,.,21,1.2.4分時(shí)系統(tǒng),分時(shí)操作系統(tǒng)：是一種聯(lián)機(jī)的多用戶交互式的操作系統(tǒng)。一般采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式，使一臺(tái)計(jì)算機(jī)為多個(gè)終端服務(wù)。對(duì)每個(gè)用戶能保證足夠快的響應(yīng)時(shí)間，并提供交互會(huì)話能力。時(shí)間片：是把計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源（尤其是CPU時(shí)間）進(jìn)行時(shí)間上的分割，每個(gè)時(shí)間段稱為一個(gè)時(shí)間片，每個(gè)用戶依次輪流使用時(shí)間片。,.,22,分時(shí)系統(tǒng)的特征,多路性：多用戶同時(shí)在各自終端上使用同一CPU。交互性：用戶與系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。獨(dú)立性：用戶可彼此獨(dú)立操作，互不干擾，互不混淆。及時(shí)性：用戶在短時(shí)間內(nèi)可得到系統(tǒng)的及時(shí)回答。,.,23,分時(shí)系統(tǒng)的要求,需要應(yīng)對(duì)競爭、通訊、死鎖、安全保護(hù)等一系列的新問題,.,24,1.2.5實(shí)時(shí)系統(tǒng),計(jì)算機(jī)不但廣泛使用于科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，也廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)控制、實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)過程控制、導(dǎo)彈發(fā)射的控制、票證預(yù)訂管理等方面，通常我們稱之為實(shí)時(shí)控制。“實(shí)時(shí)”，是指對(duì)隨機(jī)發(fā)生的外部事件，作出及時(shí)的響應(yīng)并對(duì)其進(jìn)行處理，不然就有可能發(fā)生事故或?yàn)?zāi)難。這些隨機(jī)發(fā)生的外部事件，并非由于人來啟動(dòng)和直接干預(yù)而引起的。實(shí)時(shí)系統(tǒng)就是以此種方式工作的控制和管理系統(tǒng)。,.,25,1.2.5實(shí)時(shí)系統(tǒng),實(shí)時(shí)系統(tǒng)是能夠在事先指定或確定的時(shí)間內(nèi)，完成系統(tǒng)功能，和對(duì)外部（內(nèi)部）、同步（異步）的事件作出響應(yīng)的系統(tǒng)?！笆录?，是指與計(jì)算機(jī)相連接的設(shè)備向計(jì)算機(jī)發(fā)出的各種服務(wù)請(qǐng)求。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的正確性，不僅依賴計(jì)算的邏輯結(jié)果，也依賴結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間。,.,26,1.2.5實(shí)時(shí)系統(tǒng),實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要是為聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)任務(wù)服務(wù)的，相比分時(shí)系統(tǒng)它有其自身的特點(diǎn)：(1)與分時(shí)系統(tǒng)一樣具有多路性和獨(dú)立性。(2)對(duì)外部實(shí)時(shí)信號(hào)必須能及時(shí)響應(yīng)，響應(yīng)的時(shí)間間隔要足以控制發(fā)出實(shí)時(shí)信號(hào)的那個(gè)環(huán)境。(3)整體性強(qiáng)。(4)有交互性，但這里人與系統(tǒng)的交互僅限于訪問系統(tǒng)中某些特定的專用服務(wù)程序。(5)要求有高可靠性和安全性，系統(tǒng)的效率則放在第二位。,.,27,1.2.5網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)：將計(jì)算機(jī)互聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)通信和相互合作。網(wǎng)絡(luò)OS：為網(wǎng)絡(luò)用戶提供各種服務(wù)的軟件和協(xié)議的集合。三種模式：集中客戶/服務(wù)器對(duì)等(PeertoPeer),.,28,1.2.7分布式操作系統(tǒng),分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多個(gè)分散的計(jì)算機(jī)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接而成的系統(tǒng),分布（Distribution）技術(shù)將某組件分割為多個(gè)部分，分散到系統(tǒng)中,.,29,1.2.7分布式操作系統(tǒng),通常用來管理多處理器或者同構(gòu)多處理機(jī)，其主要目的是隱藏硬件細(xì)節(jié)，管理硬件資源，提供系統(tǒng)接口，使得并發(fā)進(jìn)程能夠共享系統(tǒng)資源,.,30,1.2.8嵌入式操作系統(tǒng),運(yùn)行在設(shè)備、裝置、系統(tǒng)中，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及所有操作部件、裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、處理、指揮和控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)高效、與硬件相關(guān)依賴、軟件固化、專用例如：在“勇氣號(hào)”（2004年1月）、“極地登陸者”號(hào)，“深空二號(hào)”和火星氣候軌道器等登陸火星探測(cè)器上，就采用了VxWorksVxWorks負(fù)責(zé)火星探測(cè)器全部飛行控制，包括飛行糾正、載體自旋和降落時(shí)的高度控制等，而且還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集和與地球的通信工作,.,31,當(dāng)代操作系統(tǒng)的特征,并發(fā)：指兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。（區(qū)別“并行”：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生，多指硬件支持）,異步性：指內(nèi)存中的多個(gè)進(jìn)程均按照各自獨(dú)立的、不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。,虛擬：指物理上的一個(gè)實(shí)體變成邏輯上的多個(gè)對(duì)應(yīng)物。,共享：指系統(tǒng)中硬件和軟件資源可為多個(gè)用戶同時(shí)使用（互斥共享、同時(shí)訪問）。,.,32,小結(jié),1.1OS的作用管理資源、硬件與程序(組織程序流程)和用戶(方便使用)的界面1.2OS的演變無操作系統(tǒng)（串行處理/人工操作）批處理系統(tǒng)：簡單批處理和多道程序批處理分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)OS、分布式OS、嵌入式OS,.,33,1.3操作系統(tǒng)的主要成就,成就：進(jìn)程、內(nèi)存管理、信息的保護(hù)與安全性、調(diào)度與資源管理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,.,34,1.3.1進(jìn)程,進(jìn)程就是：可并發(fā)執(zhí)行的程序,在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上的運(yùn)行過程。是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。進(jìn)程由以下3部分組成：一個(gè)可執(zhí)行的程序；該程序所需的相關(guān)數(shù)據(jù)(變量、工作空間，緩沖區(qū)等)；該程序的執(zhí)行上下文(Context)。,.,35,1.3.1進(jìn)程,典型的進(jìn)程實(shí)現(xiàn),.,36,1.3.2存儲(chǔ)管理,操作系統(tǒng)的5條存儲(chǔ)管理原則：進(jìn)程隔離。自動(dòng)分配和管理。支持組件編程。長時(shí)間存儲(chǔ)。保護(hù)和存取控制。,.,37,1.3.2存儲(chǔ)管理,(b)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者觀點(diǎn),(a)用戶觀點(diǎn),.,38,1.3.3信息保護(hù)和安全性,與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和存儲(chǔ)在其中的信息的存取控制有關(guān)的4種保護(hù)策略：不共享。共享原始程序或數(shù)據(jù)文件。無存儲(chǔ)子系統(tǒng)。控制信息的分布。,.,39,1.3.3信息保護(hù)和安全性,與操作系統(tǒng)有關(guān)的安全和保護(hù)工作可分為以下3類：訪問控制。信息流控制。確認(rèn)。,.,40,1.3.4調(diào)度和資源管理,操作系統(tǒng)的核心任務(wù)之一，就是管理各種可獲得的資源，以及合理地調(diào)度它們。任何資源分配和調(diào)度策略，都必須考慮公平性、不同敏感性（優(yōu)先級(jí)）效率。,.,41,1.3.5系統(tǒng)結(jié)構(gòu),隨著操作系統(tǒng)性能的增強(qiáng)，以及基礎(chǔ)硬件復(fù)雜性的增加，操作系統(tǒng)的大小和復(fù)雜性也不斷增加，這就導(dǎo)致了許多問題。為了有效管理系統(tǒng)資源和控制操作系統(tǒng)的復(fù)雜性，人們開始極大地重視操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。對(duì)大型操作系統(tǒng)，僅僅組件化編程還是不夠的，現(xiàn)在越來越多地用到體系結(jié)構(gòu)分層和信息抽象技術(shù)。,.,42,1.4操作系統(tǒng)舉例,W