操作系统概观.pptx

第一章 操作系统概论1.1操作系统概观1.2操作系统的形成和发展1.3操作系统提供的服务和用户接口1.4操作系统结构和运行模型1.5流行操作系统简介1.1操作系统概观1.1.1 操作系统的定义和目标1.1.2 操作系统的资源管理技术1.1.3 操作系统的作用与功能1.1.4 操作系统的主要特性1.1.1操作系统的定义和目标操作系统是管理系统资源、控制程序执行，改善人机界面，提供各种服务，合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算机提供良好运行环境的最基本的一种系统软件。计算机系统的层次结构(1)财务系统财务系统航空订票航空订票上网浏览上网浏览电子商务电子商务科学计算科学计算(应用软件应用软件)编译程序编译程序汇编程序汇编程序数据库数据库(支撑软件支撑软件)操作系统操作系统(系统软件系统软件)操作系统操作系统(系统软件系统软件)计算机硬件计算机硬件用户用户n n用户用户4 4用户用户3 3用户用户2 2用户用户1 1实用程序实用程序计算机系统的层次结构(2)v硬件层 v 操作系统层 v 支撑软件层v 应用软件层 操作系统的主要目标方便用户使用 扩大机器功能 管理系统资源提高系统效率构筑开放环境操作系统与支撑软件及应用软件的区别v程序意图不同；v操作系统是软件系统的核心，是各种软件的基础运行平台；v通用操作系统提供共性功能支持，与硬件相关但和应用领域无关；v支撑软件及应用软件不能直接而只能通过操作系统来使用计算机系统的物理资源。1.1.2 操作系统的资源管理技术资源复用(解决物理资源数量不足)资源虚化(解决物理资源数量不足，提高服务的能力和水平)资源抽象(处理系统的复杂性，解决资源的易用性)资源管理技术1)资源复用(1)空分复用共享-该资源可进一步分割成更多和更小的单位供进程使用。(2)时分复用共享-并不把资源进一步分割成更小的单位，进程可在一个时间片内独占使用整个物理资源。时分复用共享分类v时分独占式-进程获得时分独占式资源后，对资源执行多个操作，通常使用一个完整的周期后才会释放。v时分共享式-时分共享式资源指进程占用该类资源使用后，很可能随时被剥夺，被另一个进程抡占使用。2)资源虚化v是对资源进行转化、模拟或整合，把物理上的一个资源变成逻辑上的多个对应物的一类技术。v虚化的例子虚拟设备、虚拟存储器、虚拟屏幕(终端)、虚拟信道。3)资源抽象v资源抽象用于处理系统的复杂性，重点解决资源的易用性。v资源抽象指通过创建软件来屏蔽硬件资源物理特性和接口细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用的一类技术。v单级资源抽象与多级资源抽象。4)组合使用抽象和虚化技术v对于一类资源，操作系统往往同时实施抽象和虚化技术。v例1，为打印机既配置“打印函数”(设备驱动程序)，又实施虚拟设备，通过打印函数抽象隐蔽打印机动作细节，实施SPOOLing虚化“扩充”物理打印机数量。v例2，窗口软件是对物理终端的虚化和抽象，能为用户提供虚拟终端和方便的I/O服务。2操作系统中最基础的抽象v进程抽象-是对已进入主存正在运行的程序在处理器上操作的状态集的抽象。v虚存抽象-是对物理主存的抽象，进程可获得一个硕大的连续地址空间来存放可执行程序和数据，可使用虚拟地址来引用物理主存单元。v文件抽象-是对磁盘之类存储设备的抽象。文件抽象是操作系统对磁盘设备的多层次抽象v第一层抽象，从磁盘到分区。v第二层抽象，从分区到扇区。v第三层抽象，从扇区到簇。v第四层抽象，从簇到文件系统分区。操作系统最基础抽象小结文件抽象 虚存抽象 进程抽象 处理器 主存 设备 3 虚拟计算机(1)v什么是虚拟计算机?v什么是操作系统虚拟机?v操作系统虚拟机的组成：1)虚处理器 2)虚拟主存 3)虚拟辅存 4)虚拟设备虚拟计算机(2)操作系统资源管理(复用、虚化、抽象)处 I I 主 辅理 /器 O O 设 设 存 存 备 备 物理计算机 虚 虚 虚 虚处 主 辅 设理 存 存 备器 虚拟机n 进程Pn时分复用共享空分复用共享虚 虚 虚 虚处 主 辅 设理 存 存 备器 虚拟机1 进程P1虚处理器特点(3)v(1)虚处理器没有中断，进程的设计者不再需要有硬件中断的概念，通常进程执行中无需处理中断；v(2)每个进程都有自己的虚处理器，用以实现多进程的并发执行；v(3)虚处理器为进程提供功能强大的指令系统，即由机器非特权指令和系统调用所组成的新指令系统集。虚拟主存特点(4)v虚拟主存是从0开始的连续数字命名的单元序列，由操作系统分割物理主存，分配给虚拟机使用，同时各虚拟机分得的主存空间相互隔离且互不干扰，虚拟主存让进程在获取和使用主存信息时觉得自己拥有整个计算机的主存。v虚拟存储器避免在主存和磁盘之间来回拷贝整个进程地址空间，当运行进程需要信息或信息被更新时，系统在主存与磁盘之间自动地传输当前计算涉及到的一小部分数据。虚拟辅存特点(5)v辅存(磁盘)为信息提供持久性存储，通过空分复用把辅存空间分配给进程使用，有的空间用作主存的扩充，有的空间存放文件，信息以文件为单位被物理地存储在磁盘上。v文件中的字节流被映射到设备的物理块中，进程可通过文件系统调用或映射文件I/O对文件信息进行存储、检索和处理。v操作系统也可提供多个虚拟盘，按需分割物理磁盘的若干磁道，除了容量外，其它各个方面与物理磁盘相同。虚拟设备特点(6)vSPOOLing和文件系统为每台虚拟机提供虚拟读入机和虚拟打印机，分时用户的终端提供虚拟机操作员控制台。v虚拟机的I/O操作与物理计算机的I/O操作完全不同，物理设备接口复杂，物理I/O需要了解设备硬件特性并执行一系列低层动作。故为每类物理设备编写实现信息I/O的设备驱动程序供应用程序调用，以此来抽象物理设备，屏蔽相关细节，执行低层操作。v进程执行I/O实质上是调用相应设备的设备驱动程序，既简单又方便。1.1.3操作系统的作用与功能操作系统的作用 OS作为用户接口和服务提供者 OS作为作为扩展机或虚拟机 OS作为资源管理者和控制者 OS作为程序执行的控制者和协调者操作系统既是“管理员”，又是“服务员”v对内作为“管理员”，做好计算机系统软硬件资源的管理、控制与调度，提高系统效率和资源利用率；v对外作为“服务员”，是用户与硬件的接口和人机界面，为用户提供最友善的运行环境和最佳的服务，操作系统在管理好资源的基础上，向外提供强有力的服务，所以，资源管理是操作系统的一项主要任务。OS作为用户接口和服务提供者v操作系统提供友善的人机接口，使得用户能够方便、可靠、安全、高效地使用硬件和运行应用程序；v操作系统对计算机硬件进行改造和扩充，为用户提供强有力的各种服务；OS作为扩展机或虚拟机v在计算机裸机上加上操作系统来组成整个计算机系统，v操作系统把硬件的复杂性与用户隔离开来，v操作系统与硬件组成一台功能显著增强，使用更加方便，安全可靠性更好的扩展机器或虚拟机。OS作为程序执行的控制者和协调者v进程是支持程序执行的一种系统机制，vOS 需要提供机制，解决并发进程执行时产生的互斥、同步、通信和死锁问题。操作系统作为计算机系统的资源管理者(1)操作系统中，能分配给用户使用的硬件和软件设施总称为资源，包括两类：硬件资源和信息资源。v硬件资源又分：处理器、存储器、I/O设备等；v信息资源又分：程序和数据等。操作系统作为计算机系统的资源管理者(2)也可把操作系统定义为：是能使诸用户有效、方便地共享一套计算机系统资源的一种系统软件。操作系统作为计算机系统的资源管理者(3)操作系统的重要任务之一(1)对资源进行抽象研究，找出各种资源共性和个性，有序地管理计算机中的硬件、软件资源，跟踪资源使用情况，监视资源的状态，满足用户对资源的需求，协调各程序对资源的使用冲突；操作系统作为计算机系统的资源管理者(4)操作系统的重要任务之一(2)研究使用资源的统一方法，让用户简单、有效的使用资源，最大限度地实现各类资源的共享，提高资源利用率，从而，使得计算机系统的效率有很大提高。操作系统的功能v处理机管理v存储管理v设备管理v文件管理v网络与通信管理v用户接口处理机管理v(1)进程控制和管理；v(2)进程同步和互斥；v(3)进程通信；v(4)进程死锁；v(5)线程控制和管理；v(6)处理器调度，又分高级调度，中级调度和低级调度。存储管理v(1)主存分配；v(2)地址转换与存储保护；v(3)主存共享；v(4)存储扩充。设备管理v(1)提供设备中断处理；v(2)提供缓冲区管理；v(3)提供设备独立性，实现逻辑设备到物理设备之间的映射；v(4)设备的分配和回收；v(5)实现共享型设备的驱动调度；v(6)实现虚拟设备。文件管理v(1)提供文件的逻辑组织方法；v(2)提供文件的物理组织方法；v(3)提供文件的存取和使用方法；v(4)实现文件的目录管理；v(5)实现文件的共享和安全性控制；v(6)实现文件的存储空间管理。网络与通信管理v(1)网络资源管理；v(2)数据通信管理；v(3)网络管理。1.1.4操作系统的主要特性第一个特性-并发性第二个特性-共享性第三个特性-异步性 操作系统中的并发性(1)v并发性-指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生v发挥并发性能够消除系统中部件和部件之间的相互等待，有效地改善系统资源的利用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率并发性使系统变得复杂化 v如何从一个活动切换到另一个活动？v怎样将各个活动隔离开来，使之互不干扰，免遭对方破坏？怎样让多个活动协作完成任务？v怎样协调多个活动对资源的竞争？v如何保证每个活动的资源不被其它进程侵犯?v多个活动共享文件数据时，如何保证数据的一致性？操作系统中的并发性(2)操作系统中的并发性(3)v采用并发技术的系统称多任务系统v并发的实质是一个物理CPU(也可以多个物理CPU)在若干道程序之间多路复用，并发性是对有限物理资源强制行使多用户共享以提高效率。v结论结论：实现并发技术的关键之一是如何对系统内的多个活动(进程)进行切换的技术 操作系统中的并发性(4)并行性指-指两个或两个以上的事件或活动在同一时刻发生 并行的事件或活动一定是并发的，但反之并发的事件或活动未必是并行的。并行性是并发性的特例，而并发性是并行性的扩展。操作系统中的共享性共享指操作系统中的资源可被多个并发执行的进程所使用：v透明资源共享：资源隔离与授权访问v显式资源共享：临界资源与独占访问v与共享性有关的问题:资源分配、信息保护、存取控制等，必须要妥善解决好。操作系统中的异步性(1)操作系统中的异步异步性处处可见：(1)进程何时执行？何时暂停？怎样的速度向前推进？都是异步(随机)的。(2)作业到达系统的类型和时间是随机的；(3)操作员发出命令或按按钮的时刻是随机的；(4)程序运行发生错误或异常的时刻是随机的；(5)各种各样硬件和软件中断事件发生的时刻是随机的操作系统中的异步性(2)异步性给系统带来潜在危险,有可能导致与时间有关的错误。操作系统的一个重要任务是必须确保捕捉任何一种随机事件，正确处理可能发生的随机事件，正确处理任何一种产生的事件序列，否则将会导致严重后果。