操作系統(tǒng)引論培訓(xùn)課件.ppt

1、第一章操作系統(tǒng)引論主要內(nèi)容操作系統(tǒng)的目標(biāo)、作用和模型操作系統(tǒng)的發(fā)展過程操作系統(tǒng)的基本特征 OS（Operating Systems)的主要功能OS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)、作用和模型操作系統(tǒng)概念（p9）一組控制和管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源、合理地對(duì)各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)度以及方便用戶的程序集合。 方便性計(jì)算機(jī)只能識(shí)別0、1；用戶熟悉的是各種語(yǔ)言。有效性使計(jì)算機(jī)的各類資源在系統(tǒng)的管理下得到更有效的利用，提高系統(tǒng)吞吐量?？蓴U(kuò)充性便于修改和增加功能（如何設(shè)計(jì)？）。開放性系統(tǒng)能支持世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。1.1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo) 1.1.2 操作系統(tǒng)的作用(1)作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口圖11 OS作

2、為接口的從層狀示意圖計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用，命令，圖標(biāo)，窗口應(yīng)用程序及實(shí)用程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)者程序員用戶操作系統(tǒng)的作用(2)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者處理機(jī)管理：分配和控制處理機(jī)存儲(chǔ)器管理：分配及回收內(nèi)存I/O(Input/Output)設(shè)備管理：I/O分配與操作文件管理：文件存取、共享和保護(hù) 作為擴(kuò)充機(jī)器把覆蓋了軟件的機(jī)器稱為擴(kuò)充機(jī)或虛擬機(jī)。分層擴(kuò)充的特點(diǎn)。不斷提高計(jì)算機(jī)資源利用率的需要如批處理系統(tǒng)的出現(xiàn)方便用戶如分時(shí)交互式系統(tǒng)的出現(xiàn)器件的不斷更新?lián)Q代8位163264.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展：?jiǎn)螜C(jī)OS多機(jī)OS網(wǎng)絡(luò)OS1.1.3 操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無(wú)操作

3、系統(tǒng)時(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)人工操作方式如紙帶輸入機(jī)。特點(diǎn)是用戶獨(dú)占全機(jī)及CPU等待人工操作。脫機(jī)I/O方式（圖1.2）引入I/O機(jī)的概念，解決前者的缺點(diǎn)。特點(diǎn)是減少了CPU的空閑時(shí)間且提高I/O速度。圖1-2脫機(jī)I/O示意圖輸入設(shè)備外圍機(jī) 磁盤 磁盤 磁盤主機(jī) 磁盤外圍機(jī)輸出設(shè)備1.2.2 單道批處理系統(tǒng)處理過程（圖1.3）監(jiān)督程序（monitor）概念：系統(tǒng)對(duì)作業(yè)的處理都是成批進(jìn)行的、且內(nèi)存中始終只保持一道作業(yè)，稱為單道批處理系統(tǒng)（simple batch system）。批處理系統(tǒng)的引入是為了提高系統(tǒng)資源的利用率和吞吐量概念：運(yùn)行控制權(quán)特征自動(dòng)性、順序性、單道性圖13還有下一個(gè)作業(yè)？把下一個(gè)作業(yè)的

4、源程序轉(zhuǎn)換為目標(biāo)程序源程序有錯(cuò)嗎？裝配目標(biāo)程序運(yùn)行目標(biāo)程序開始是否停止是否1.2.3 多道批處理系統(tǒng) 基本概念多道：系統(tǒng)中同時(shí)駐留多個(gè)作業(yè)多道引入的優(yōu)點(diǎn)：提高CPU利用率（圖1.4）提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率提高了系統(tǒng)吞吐量特征多道性、無(wú)序性、調(diào)度性：作業(yè)調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度缺點(diǎn)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)、無(wú)交互能力圖14用戶程序監(jiān)督程序I/O操作I/O中斷請(qǐng)求啟動(dòng)I/OI/O完成結(jié)束中斷I/O中斷請(qǐng)求啟動(dòng)I/OI/O完成結(jié)束中斷t1t2t3t4t5t6t7t8(a)單道程序運(yùn)行情況圖14程序A調(diào)度程序I/O請(qǐng)求(b)四道程序運(yùn)行情況程序B程序C程序DI/O請(qǐng)求I/O請(qǐng)求I/O請(qǐng)求I/O完成I/O完成I/O完成

5、A完成表示獲得CPUC再運(yùn)行多道批處理系統(tǒng) (2)需解決的問題處理機(jī)管理問題內(nèi)存管理問題I/O管理問題文件管理問題作業(yè)管理問題1.2.4分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)生概念：指一臺(tái)主機(jī)上連接了多個(gè)帶有顯示器和鍵盤的終端，同時(shí)允許多個(gè)用戶共享主機(jī)中的資源，各個(gè)用戶都可通過自己的終端以交互方式使用計(jì)算機(jī)。是用戶的需求：人機(jī)交互性 共享主機(jī) 便于用戶上機(jī)分時(shí)系統(tǒng)（2）分時(shí)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題及時(shí)接收：多終端卡、輸入緩沖區(qū)及時(shí)處理：交互作業(yè)應(yīng)在內(nèi)存、響應(yīng)時(shí)間應(yīng)短分時(shí)系統(tǒng)(3)分時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法交互式作業(yè)直接進(jìn)入內(nèi)存以分配時(shí)間片方式實(shí)現(xiàn)類型：?jiǎn)蔚婪謺r(shí)系統(tǒng)具有前、后臺(tái)的分時(shí)系統(tǒng)僅當(dāng)前臺(tái)無(wú)作業(yè)或在調(diào)進(jìn)、出時(shí)，才運(yùn)行

6、后臺(tái)批處理作業(yè)。多道分時(shí)系統(tǒng)不需要調(diào)入、出開銷。分時(shí)系統(tǒng)(4)分時(shí)系統(tǒng)的特征多路性、獨(dú)立性、及時(shí)性、交互性1.2.5實(shí)時(shí)系統(tǒng) 引入：要求及時(shí)處理的場(chǎng)合概念：系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理。類型實(shí)時(shí)控制實(shí)時(shí)信息處理實(shí)時(shí)系統(tǒng)(2)實(shí)時(shí)任務(wù)類型按任務(wù)執(zhí)行是否呈現(xiàn)周期性來(lái)劃分周期性的（聯(lián)系周期）；非周期性的（聯(lián)系開始或完成截止時(shí)間）根據(jù)對(duì)截止時(shí)間的要求來(lái)劃分硬實(shí)時(shí)任務(wù)軟實(shí)時(shí)任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)(3)實(shí)時(shí)、分時(shí)的比較多路性：相同獨(dú)立性：相同及時(shí)性：實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求更高交互性：分時(shí)系統(tǒng)交互性更強(qiáng)可靠性：實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求更高1.3 操作系統(tǒng)的基本特征 并發(fā)并行是指兩或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生。并

7、發(fā)是兩或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。進(jìn)程：系統(tǒng)中能獨(dú)立運(yùn)行并作為資源分配的基本單位。引入線程后，獨(dú)立運(yùn)行的單位變?yōu)榫€程。操作系統(tǒng)的基本特征(2)共享系統(tǒng)中資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用互斥共享：一段時(shí)間只允許一個(gè)進(jìn)程訪問該資源同時(shí)訪問：微觀上仍是互斥的操作系統(tǒng)的基本特征(3)虛擬通過某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物。若n是某一物理設(shè)備所對(duì)應(yīng)的虛擬的邏輯設(shè)備數(shù)，則虛擬設(shè)備的速度必然是物理設(shè)備速度的1/n。異步運(yùn)行進(jìn)度不可預(yù)知。1.4 OS的主要功能1.4.1處理機(jī)管理功能多道環(huán)境下，處理機(jī)的運(yùn)行及分配都是以進(jìn)程為單位，因此處理機(jī)管理可歸結(jié)為進(jìn)程管理。 一、進(jìn)程控制創(chuàng)建/

8、撤消進(jìn)程遷移進(jìn)程狀態(tài)一般由進(jìn)程控制原語(yǔ)完成OS的主要功能(2)二、進(jìn)程同步為使多個(gè)進(jìn)程有條不紊地運(yùn)行，應(yīng)建立同步機(jī)制。包括進(jìn)程互斥/同步，次序協(xié)調(diào)。三、進(jìn)程通信源于進(jìn)程合作，如：輸入進(jìn)程、計(jì)算進(jìn)程、打印進(jìn)程相互間有信息傳遞類型：直接通信：進(jìn)程A發(fā)message，進(jìn)程B收message間接通信：進(jìn)程A發(fā)message到中間實(shí)體（如mailbox），進(jìn)程B從中間實(shí)體收messageOS的主要功能(3)四、調(diào)度（作業(yè)與進(jìn)程）作業(yè)調(diào)度：為作業(yè)分配必要資源，調(diào)入內(nèi)存建立進(jìn)程，并使之進(jìn)入就緒隊(duì)列。進(jìn)程調(diào)度：從就緒隊(duì)列中選出進(jìn)程，分配CPU，使之運(yùn)行。調(diào)度算法：FCFS、優(yōu)先權(quán)等OS的主要功能(4)1.4.

9、2 存儲(chǔ)管理目的：方便用戶使用，且提高存貯器利用率一、內(nèi)存分配靜態(tài)分配：動(dòng)態(tài)分配：作業(yè)在內(nèi)存中可移動(dòng)為此，需內(nèi)存分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)存分配和回收功能 OS的主要功能(5)二、內(nèi)存保護(hù)例：設(shè)置上、下界寄存器，每條指令進(jìn)行越界檢查（一般是硬件實(shí)現(xiàn)）三、地址映射地址范圍地址邏輯空間邏輯地址相對(duì)地址（）物理空間物理地址（絕對(duì)地址）OS的主要功能(6)四、內(nèi)存擴(kuò)充利用虛存技術(shù)，從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量系統(tǒng)應(yīng)有：請(qǐng)求調(diào)入/置換功能以支持虛存技術(shù)OS的主要功能(7)1.4.3 設(shè)備管理功能任務(wù)：提高I/O利用率和速度，方便用戶一、緩沖管理緩沖區(qū)：用來(lái)解決CPUI/O矛盾，如：CPU快則應(yīng)多創(chuàng)建緩沖區(qū)。二、設(shè)備分配

10、包括：設(shè)備，設(shè)備控制器，I/O通信的分配和回收OS的主要功能(8)1.4.3 設(shè)備管理功能三、設(shè)備處理指控制設(shè)備進(jìn)行實(shí)際的操作，包括讀、寫等以及向CPU發(fā)中斷。設(shè)備處理/驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)能根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求，自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。四、設(shè)備獨(dú)立性和虛擬設(shè)備獨(dú)立性，即program與設(shè)備無(wú)關(guān)性，使program易于重定向，增加了可移植性。虛擬設(shè)備OS的主要功能(9)1.4.4文件管理的功能任務(wù)：方便用戶，提供安全性一、文件存貯空間的管理例：creatfile：文件系統(tǒng)根據(jù)文件長(zhǎng)度自動(dòng)分配連續(xù)或離散的扇區(qū)，并提供“一句柄”表示該文件。二、目錄管理使用戶按名存取，提高速度。三、文件的讀、寫管理和存取控制（保

11、護(hù)）OS的主要功能(10)1.4.5 用戶接口一、命令接口由一組“命令”集組成，分為聯(lián)機(jī)和脫機(jī)用戶接口1.聯(lián)機(jī)用戶接口由一組鍵盤操作命令及命令解釋程序所組成2.脫機(jī)（批處理用戶接口）用JCL寫作業(yè)說明書OS的主要功能(11)二、程序接口系統(tǒng)調(diào)用高級(jí)語(yǔ)言的庫(kù)函數(shù)三、圖形接口如 win的copy文件，采用“拖”來(lái)完成，生動(dòng)，不需記憶 1.5 OS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)結(jié)構(gòu)模塊式層次式微內(nèi)核1.5.1 軟件工程的基本概念 軟件：軟件工程：運(yùn)用系統(tǒng)、規(guī)范和可定量的方法開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)軟件。1.5.2 傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.無(wú)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)一組過程集，各過程可相互調(diào)用，也叫整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)：邏輯復(fù)雜，維護(hù)困難.傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2）2、模塊化操作系統(tǒng)通過分解來(lái)控制大型軟件復(fù)雜度。如：進(jìn)程模塊、內(nèi)存模塊，各模塊內(nèi)進(jìn)一步劃分子模塊。優(yōu)點(diǎn)：提高了OS設(shè)計(jì)的可維護(hù)性增強(qiáng)的OS的可適應(yīng)性加速了OS的開發(fā)過程：并行開發(fā)模塊缺點(diǎn)：接口不易確定模塊依賴關(guān)系可能復(fù)雜（對(duì)于大型軟件而言）傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（3）3、分層式操作系統(tǒng)有序分層的基本概念可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜度下層為上層提供服務(wù)層次的設(shè)置應(yīng)考慮的因素程序嵌套：各模塊間嵌套關(guān)系復(fù)雜運(yùn)行頻率：隨層次的增高，相應(yīng)軟件的運(yùn)行速度就隨