OS1操作系统概论PPT课件.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,单击此处编辑母版标题样式,操作系统,Operating System,计算机教研室 201,8,年3月,课程特点及要求,计算机操作系统课程特点是：,1,）涉及较多硬件知识的系统软件课程，在计算机软硬件的体系结构上起到承上启下的作用。,2,）概念多（进程，作业，文件,/,文件系统，死锁，中断等）、原理性强、较抽象。,2,课程介绍,操作系统课程的重要性/目的,1）必修课,2）基础核心课程,3）计算机等级考试/升本/考研/博考试科目,4）找工作面试笔试必考内容,有利于对计算机系统的理解和软件开发。,3,课程介绍,操作系统在整个计算机系统中的重要性,每当我们打开计算机，启动成功后，首先映入眼帘的就是操作系统的界面。我们所做的一切的工作都是在操作系统之上来完成的。可是谁也不会去想：为什么鼠标的拖拖曳曳就能完成对文件、磁盘、各种软硬件资源的管理；谁也没意识到是因为,有了操作系统的支撑，我么才那么,方便,的使用计算机,。,4,操作系统这门课程并不是教你如何使用操作系统的，而是,讲操作系统内部机制,的。操作系统的目标是为用户提供一个,良好的界面,，方便用户使用计算机，同时对内部各种软硬件资源能够进行有效地管理和分配，使整个系统能高效率得运行。,操作系统的五大功能：处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理、用户接口。,5,每道程序在什么时候使用,CPU,，这需要合理得分配协调才行。,如何存放才能井井有条，互不干扰，而且能充分合理的利用有限空间。,使用打印机，只要单击打印机按钮即可将内容传到打印机进行后台打印，轻松的调用外部设备。,文件是放在那个道那个扇区上么？有时你不想让自己的文件被外人看到，还可设置权限。,Windows,中开始菜单下里的运行，可执行命令。,6,用户：我要打印这份报告。,裸机：听不懂！,打印机：没反应！,7,我要打印这份报告。,用户,接收用户输入的文档内容；驱动打印机；将文档放入缓冲；文档送至打印机！,安装了操作系统的计算机,工作！打印！,打印机,8,课程定位,操作系统是计算机系统中的重要系统软件，是计算机科学与技术专业重要的专业课程。,本课程的目的和任务是使学生全面地了解和掌握操作系统的目标、作用和模型，从资源管理的角度领会操作系统的功能和实现过程。使学生受到系统科学地分析问题和解决问题的训练，提高运用理论知识解决实际问题的能力。,9,推荐参考书本：,书目,：,计算机操作系统原理教程与实训,（第,2,版）,作 者：周峰等编著,出 版 社：,北京大学出版社,10,课程考核,平时成绩（40%）+期末成绩（60%）,平时成绩：课堂考勤+课堂纪律（迟到、早退、玩手机等违纪行为）+实验成绩,实验成绩：作业完成情况,期末考试：采用闭卷考试方式,11,学习目标,理解操作系统的基本概念,掌握操作系统的管理功能,处理机管理,存储管理,设备管理,文件管理,用户接口,如何学习操作系统,OS,是什么？,OS,作什么？,OS,如何做？,12,CPU,控制器,运算器,计算机工作流程,我是程序员。,输入,数据流,输入设备：输入数据，向计算机发出指令,CPU,：处理数据,输出,输,出,输出设备：输出处理的结果,其他设备：支撑、连接各个部件,内存条,硬盘,13,第,1,章 计算机操作系统概论,14,本章重点,了解操作系统的结构：了解操作系统的地位,什么是操作系统,现代操作系统的特征、功能、类型,基本概念：批处理、多道程序设计、作业、任务、进程和线程、接口、虚拟存储、文件。,15,1.1,操作系统的形成与发展,1.2,操作系统的基本概念,1.3,操作系统的结构,1.4,操作系统的硬件环境,1.5 当前主流操作系统简介,16,1.1.0 OS,的形成与发展,50,年代中期，简单批处理操作系统,60,年代中期：多道批处理操作系统,80,年代：个人计算机,实时系统的出现,1.1,操作系统的形成与发展,17,1.1.1,人工操作方式,缺点：,1,）资源独占,2,）,CPU,等待人工操作,矛盾：,CPU,与,I/O,设备之间速度不匹配,1.1,操作系统的形成与发展,18,19,运算速度：,5000,次,/,每秒,18000,个真空管,占地,182,平方米，重量,130,吨，功耗,140kW,19,脱机输入输出过程,控制数据输入输出,高速磁带,1.1.2,脱机输入输出技术,为了解决人机矛盾和,cpu,与,I/O,设备之间速度不匹配的问题，出现了脱机输入输出方式。如图所示。,20,脱机输入输出方式,：程序和数据的输入输出都是在外围机的控制下完成的，脱离了主机的控制。相反在主机的直接控制下进行输入输出的方式为联机输入输出方式。,优点：,1,）减少了,CPU,的空闲时间。,2,）提高了,I/O,速度。,不足：输出的时候输入空闲。,21,1.1.3,批处理技术,为了提高系统的利用率，在系统中开始配备,监督程序,，在它的控制下把由脱机输入方式输入到高速磁带的一批作业,一个个,装入内存，并,一个个,执行，直到处理完毕。在此期间，建立了以监督程序来管理和控制其他程序的方式，形成了操作系统的雏形。,这种由监督程序控制的系统称为,单道批处理系统,。,22,单道批处理系统的特点：,单道批处理系统的内存中只有一道作业，可以成批处理作业。,自动性,顺序性,单道性,优点：作业自动转换，提高,CPU,的利用率,缺点：还没有真正形成对作业的控制和管理。作业独占,CPU,，,CPU,等待,I/O,使得,CPU,利用率低。,23,24,卡片,早期批处理系统,IBM1401,IBM7094,IBM1401,输入磁带,磁带机,卡片阅读机,输出磁带,打印机,24,单道批处理系统的处理流程：,25,1.1.4,多道程序设计技术,过去，内存中只能存放,一个用户作业,在其中运行。那么,CPU,等待传输数据的过程中，仍然因无工作可做而处于空闲状态。,为了提高批处理技术中程序的并行执行能力，提高资源的利用率，采用,作业调度程序,同时把,几个作业,放入内存，并允许它们交替执行，即,多道程序设计技术,。,26,多道批处理系统特征,（,1,）多道性,在内存中可同时驻留多道程序，并允许它们并发执行，从而有效提高了资源的利用率和系统的吞吐量。,（,2,）无序性,多个作业完成的先后顺序与他们进入内存的顺序之间无严格的对应关系。,（,3,）宏观上并行、微观上串行,从宏观上看同时存在于内存中的多道作业都处于运行状态，它们先后开始了各自的运行，但又都未运行完毕，好像多道作业在并行运行。但从微观上看，由于我们讨论的是单,CPU,系统，内存中的多道作业轮流、交替地使用,CPU,系统，所以各作业仍是串行的。,举例：,P3,27,图1.5 单道程序工作过程示意,28,图1.6 多道程序执行过程示意,29,单道和多道批处理的比较,30,设在内存中有三道程序,A,、,B,和,C,，并按,A,、,B,、,C,的优先次序执行。其内部计算和,I/O,操作的时间如下表所示：,操 作,A,B,C,计算,30,60,20,I/O,40,30,40,计算,10,10,20,程 序,作业,31,要求：,(1),试画出按多道程序运行的时间关系图,(,调度程序的执行时间忽略不计,),。完成这三道程序共花多少时间？比单道程序运行节省多少时间？,(2),若处理调度程序每次进行程序状态转换的时间为,1 ms,，试画出在处理机调度程序管理下各程序状态转换的时间关系图。,32,程序,A,I/O,计算,30,秒,I/O40,秒,计算,60,秒,t,单道作业运行情况,计算,10,秒,程序,B,I/O30,秒,计算,10,秒,程序,C,程序,A 80,秒,程序,B 100,秒,程序,C 80,秒,总计,260,秒,I/O,程序,A,程序,B,程序,C,三道作业运行情况,启动盘,结束中断,计算,30,秒,I/O40,秒,计算,10,秒,计算,40,秒,计算,20,秒,I/O30,秒,计算,20,秒,计算,10,秒,I/O40,秒,计算,20,秒,程序,操作,A,B,C,计算,30,60,20,I/O,40,30,40,计算,10,10,20,总计,190,秒,调度程序的执行时间不计,考虑调度程序的执行时间为,1ms,？,考虑有,2,个,I/O,通道？,33,34,若采用多道方式运行,(,多个通道,),这三道程序，其程序运行时间关系如图,1.3(c),所示，总运行时间为,:,30+40+10+20+20+40+20=180 ms,，比单道可节省,260,180=80 ms,。,35,(2),若处理调度程序每次进行程序状态转换的时间为,1 ms,，其程序运行时间关系如图,1.3(d),所示，这三道程序的总运行时间为：,30+1+40+1+10+1+20+1+20+1+40+1+20=186 ms,。,36,操作系统发展过程：,脱机输入输出技术,人工操作方式,批处理技术,多道程序设计技术,无操作系统时代,多道性,无序性,宏观上并行，微观上串行,内容回顾,37,1.2,操作系统的基本概念,硬件,软件,完成输入、存储、处理、输出功能的具体设备,控制硬件正确有效地完成各种功能,38,计算机系统的组成,39,1.2.1,操作系统的定义,操作系统,(Operating System,，缩写为,OS),就是有效地管理计算机系统中的各种资源，合理地组织计算机的工作流程，以方便用户使用的,一组软件的集合。,40,我们可以从以下,3,个方面来理解操作系统的概念。,(1),当程序在系统中运行时，需要操作系统对程序运行所需要的,资源进行调度和分配,，以保证系统资源的有效利用。,(2),计算机系统内各个工作流程,运行次序的协调,也是由操作系统来完成的。,(3),操作系统是一组软件构成的集合，在计算机系统中设置这组软件的目的在于,方便用户,，使计算机系统变得更加易于用户使用。,41,我们也可以从以下,3,个方面来理解操作系统的概念,(1),从用户使用角度来看：既可以直接用命令控制，也可以通过系统编程调用。,(2),从资源管理角度来看：操作系统提高系统资源利用率。,(3),从发展的角度来看：操作系统可以是一台虚拟机，它是计算机硬件的首次扩充，又是扩展。,42,1.2.2,操作系统的地位,由此可见，操作系统是计算机硬件的基础上对硬件进行的第一层扩充，它是计算机系统中最核心的系统软件，其他系统软件和应用软件都是在操作系统的基础上构建起来的。,应用系统,其他系统软件,操作系统,硬件,最终用户,计算机系统抽象层次示意图,43,1.2.3,操作系统的特征,1.,并发性,(Concurrence),在操作系统中，,并发是指多个事件在同一时间间隔内发生。,对计算机而言，并发是指在一段时间内，多道程序,“,在宏观上同时运行,”,。显然，多道和并发是同一个事物的两个方面，,正是由于多道程序设计的实现才导致了多个程序的并发执行,。,并行,是指在两个或多个事件在,同一时刻,发生。,44,2.,虚拟性,(Virtual),虚拟是指把一个物理实体映射为多个逻辑意义上的实体。,前者是客观存在的，后者是虚构的，是一种感觉性的存在，即主观上的一种假象。例如，在多道程序系统中，虽然只有一个,CPU,，每次只能执行一道程序，但采用多道程序技术后，在一段时间间隔内，宏观上有多个程序在运行。在用户看来，就好像有多个,CPU,在各自运行自己的程序。这种情况就是将一个物理的,CPU,虚拟为多个逻辑上的,CPU,。逻辑上的,CPU,称为虚拟处理机，类似的还有虚拟存储器和虚拟设备等。,45,3.,共享性,(Sharing),操作系统是多道程序的管理机构。它使,多个用户作业共享有限的计算机系统资源,。由于资源是共享的，就必然会导致如何在多个作业之间合理地分配和使用资源，并且如何充分发挥计算机系统资源的利用效率的问题。从这个意义上讲，操作系统就是一个计算机系统的资源管理程序。,计算机系统的所有资源都是共享的，共享分为,互斥共享,和,同时共享,。,46,4.,不确定性,(Nondeterministic),所谓操作系统的不确定性，是指在操作系统控制下,多道作业的执行顺序和每个作业的执行时间是不确定的,。例如，有三个作业，两次或多次运行的执行序列可能不相同，每一个作业占有计算机的时间也可能不相同。,47,1.2.4,操作系统的功能,本节简单介绍操作系统的五个主要功能：,1,存储管理（内存管理）,2,处理机管理（进程管理）,3,设备管理,4,文件管理,5.用户接口,处理机管理,文件管理,存储管理,设备管理,操作系统,48,1.2.4,操作系统的功能,存储管理（内存管理）,存储管理，实际上就是内存 管理，提高主存的利用率。存储管理应该具备以下功能：,内存分配,内存保护,内存映射,内存扩充,49,1.2.4,操作系统的功能,存储管理（内存管理）,内存分配,1.,内存分配的任务,内存分配的主要任务是为每道程序分配内存空间，使它们各得其所，提高存储器的利用率，以减小不可用的内存空间，允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应和数据动态增长的需要。,50,1.2.4,操作系统的功能,存储管理（内存管理）,内存分配,2.,内存分配的两种方式,（,1,）静态的分配方式,（,2,）动态的分配方式,51,1.2.4,操作系统的功能,存储管理（内存管理）,内存分配,3.,内存分配功能的实现,为了实现内存分配，需要以下的数据结构和功能。,1,）内存分配数据结构：该结构记录内存空间的使用情况，作为内存分配的依据。,2,）内存分配功能,:,系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存。,3,）内存回收功能：系统对用户不再需要的内存，通过用户的释放请求，去完成系统的回收功能。,52,1.2.4,操作系统的功能,存储管理（内存管理）,二,.,内存保护,1.,内存保护的任务：,是确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互相不干扰。,2.,内存保护的实现：,设置两个界限寄存器，分别存放正在执行程序的上界和下界，以便对程序进行越界检查。,53,1.2.4,操作系统的功能,存储管理（内存管理）,三,.,地址映射,1.,相对地址与物理地址：,一个应用程序经编译之后，通常会形成若干个目标程序，这些目标程序再经过链接而形成可装入程序。这些程序的地址都是从,0,开始，程序中的其他地址都是相对起始地址计算的；由这些地址所形成的地址范围称为“地址空间”，其形成的地址称为“逻辑地址”或者相对地址。此外，由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为“内存空间”，其中的地址称为“物理地址”,。,54,1.2.4,操作系统的功能,存储管理（内存管理）,三,.,地址映射,2.,地址映射：,在多道程序环境下，,地址空间中的逻辑地址和内存中的物理地址是不可能一致的,。因此，存储器管理必须提供地址映射功能，以将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。地址映射应在硬件的支持下完成。,55,1.2.4,操作系统的功能,存储管理（内存管理）,三,.,内存扩充,1.,内存扩充：,内存扩充的任务是借助于虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量，使得系统能够提供比物理内存大的容量。,2.,为了从逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制，以实现下述功能：,请求调入功能,置换功能,56,1.2.4,操作系统的功能,处理机管理（进程管理）,处理机管理的主要任务，是对处理机进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。,一,.,进程控制：创建进程，撤销进程,二,.,进程同步：,1.,共享资源的进程以互斥的方式访问临界资源。,2.,相互合作的进程之间能以正确的顺序相互推进。,三,.,进程通信,四,.,进程调度,进程调度,-,分配处理机,57,1.2.4,操作系统的功能,设备管理功能,设备管理主要完成用户的,I/O,请求，为用户分配,I/O,设备,.,为了完成这些任务，设备管理应该具备以下功能。,一,.,缓冲管理,：管理各种缓冲区,二,.,设备分配,：分配用户,I/O,所需要的设备,三,.,设备处理,：由设备驱动程序来实现,CPU,与设备控制器之间的通信。,四,.,设备独立性和虚拟设备,。,58,1.2.4,操作系统的功能,文件管理功能,文件管理实际上就是使用户对文件进行按名字存取。,一,.,文件存储空间管理：分配存储空间，回收存储空间。,二,.,目录管理：为每个文件建立目录项（包括文件名，文件属性，文件在磁盘上的物理位置等信息），并对众多目录项进行有效组织。,三,.,文件读写管理。,四,.,文件存取控制。,59,1.2.4,操作系统的功能,用户接口,OS,为用户提供相应的接口，通过这些接口达到方便用户使用计算机的目的。,一,.,命令接口,二,.,程序接口,三,.,图形接口,60,1.2.5,操作系统的基本类型,1.,批处理系统,批处理系统也称为作业流处理系统，主要用在,科学计算的大中型机,上。它的特点是采用脱机技术将众多的作业送入计算机系统，然后由批处理系统按批选择作业进行处理。在作业处理的过程中不需要用户的控制和干预，它所追求的目标是,系统吞吐量大,，作业周转时间短，资源使用效率高等。批处理系统可以分为单道批处理、多道批处理。,61,1.2.5,操作系统的基本类型,1.,批处理系统,1).,单道批处理操作系统：,单道批处理操作系统是早期的计算机系统中配置的一种操作系统类型,.,a.,作业依照在外存中排定的顺序依次进入系统，不需要作业调度和进程调度。,b.,内存中仅有一道作业在运行,c.,作业完成次序依赖于进入系统的次序，即按顺序进行。,62,1.2.5,操作系统的基本类型,1.,批处理系统,1).,多道批处理操作系统：,多道批处理操作系统是结合多道程序设计技术的批处理系统具有如下特征。,a.,作业进入系统并执行需要经过二次调度，即作业调度和进程调度,b.,内存中可同时驻留多道作业，这些作业的运行，在宏观上并行，微观上串行。,c.,作业完成次序与进入系统的次序无关。,63,2.,分时系统,1,）分时系统的产生：,人机交互,共享主机,便于用户上机,64,主机,终端,多个用户分享同一台计算机,计算机的,CPU,时间被划分为时间片，时间片轮流分配给多个用户，使每个用户的感觉如同自己独占计算机,65,2,）分时系统实现中的关键问题,及时接收,：及时接收用户的命令或数据，解决办法是配置多路卡。,及时处理,：及时处理用户命令，应该使所有的用户作业都直接进入内存；在很短的时间内使每个作业都运行一次。,66,3,）分时系统的特点,同时性,：若干用户同时操作，共同使用系统同一资源,独立性,：用户在各自的终端上工作互不干扰,及时性,：用户的请求能得到及时响应,交互性,：系统以对话方式为各个终端用户服务,67,3.,实时系统,实时系统一般总是以专用系统的身份出现，可分为实时控制系统和实时信息处理系统两种类型。,a.,实时控制系统,如：火炮的自动控制系统、飞机的自动驾驶系统，以及导弹的制导系统等,b.,实时信息处理系统,如：,：飞机订票系统及情报检索系统等,68,4.,网络操作系统,简单地说，网络操作系统就是在计算机网络环境下具有网络功能的操作系统。,5.,分布式操作系统,分布式计算机系统,(,简称分布式系统,),是由多台计算机组成的系统。,69,无序模块式：,早期的,OS,大多采用无序模块结构，结构复杂。无序模块结构的操作系统,模块之间可以直接相互调用,其内部的运行是并行的,.,1.3,操作系统的结构,70,分层次结构,这种结构法将操作系统的模块分成多个层次，各层次之间是单向依赖关系。单向依赖关系是只允许上层模块调用下层模块，不能反向调用。,操作系统分层结构图,71,客户,/,服务器模型,采用客户服务器模型构造的操作系统的基本思想是把操作系统划分为若干进程，其中每个进程实现单独的一套服务 功能。例如文件服务、进程服务、处理机调度服务及存储服务等。每一个服务对应一个服务器，每个服务器都运行在用户态，并执行一个循环，在执行循环过程中不断检查是否有客户请求该服务器提供的某种服务。,客户,/,服务器操作系统,72,客户,/,服务器模型,在这种模型中，内核只执行很少的任务，称为微核或微内核。,采用客户 服务器模型的好处有如下几点。,1,）简化操作系统核心。可以把很多功能作为独立的服务器进程移出核心,2,）改进可靠性和独立性。每个服务器在自己的地址空间中独立运行，因而防止了受其他进程的影响。此外，由于服务器运行在用户态，它们不直接访问硬件或者修改执行体的内存空间。,3,）完全适宜于分布式计算模型。由于联网的计算机是以客户 服务器模型为基础，并且使用消息来通信，本地服务器可以容易地发送消息给客户应用程序的远程计算机。客户不需要知道某些请求是在本地得到服务还是在远程得到服务。,73,通道：,通道又称,I/O,处理机，完成主存与外设之间的信息传输，与,CPU,并行操作。,1.4,操作系统的硬件环境,74,75,中断：,中断是指对异步或例外事件的一种响应，该响应自动保存状态，自动转入中断处理程序。,中断的引进，最初是为了实现外部设备和的并行工作，这一概念后来被扩展了。,76,中断：,在计算机系统中，一般将中断分为以下几种类型。,I/O,中断。中断是外部设备完成了预定操作或操作中出错所引起的中断。程序中断。,程序中断。是程序中的错误引起的中断。,硬件故障中断，或称机器检验中断。,外中断。外中断来自外部信号，这些信号可能来自其他的机器。外中断还包括时钟中断，以及来自键盘的中断。,访管中断。访管中断是由机器中的访管指令引起的中断。,77,管台和目态（两种处理机状态）：,管态,（系统态,）,：系统软件运行状态，可以修改机器状态,目态,（用户态,）,：用户程序运行状态，不允许擅自修改,设置管态和目态的目的是赋予操作系统特权执行某些特殊指令，以保证计算机系统的安全工作。,78,1.DOS :,是微软公司研制的、配置在个人计算机上的单用户命令行界面操作系统。,2.Windows,：,是基于图形用户界面的操作系统。,3.Unix,：,具有很好的移植性，可运行在不同类型的计算机上。分时操作系统。,4.Linux,：,是一种源代码开放的操作系统。与,UNIX,兼容，支持多任务、多进程和多,CPU,。,5.OS/2,：,1987,年由,IBM,公司推出。,6.Mac OS,：,最早的基于图形用户界面的操作系统,(,基于,BSD Unix),。,1.5,当前主流操作系统,79,7.Android:,一种基于,Linux,的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备。,8.IOS,（,基于,Mac OS,Mac OS,的内核是,BSD,BSD,是一种类,UNIX,操作系统,）,9.Windows Phone,（,微软发布的一款手机操作系统）,结束,80,本章习题,课堂练习习题1，习题2,课下作业习题2的第（1）、（2）、（8）小题。,81,