操作系統(tǒng)課件第1章 緒論

操作系統(tǒng),第一章緒論,本章總體綱要,1.1什么是操作系統(tǒng)？1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.3操作系統(tǒng)的分類1.4操作系統(tǒng)的功能1.5計(jì)算機(jī)硬件1.7研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn),你所用過(guò)的操作系統(tǒng),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成,1.1操作系統(tǒng)概念,1.1操作系統(tǒng)的概念,什么是操作系統(tǒng)？計(jì)算機(jī)硬件與用戶軟件之間的中間件程序集合OS是一個(gè)資源管理程序OS是一個(gè)控制調(diào)度程序OS一般有一個(gè)內(nèi)核（kernel)程序，開(kāi)機(jī)后一直運(yùn)行提供用戶和計(jì)算機(jī)之間的接口,引入操作系統(tǒng)的目的,用戶觀點(diǎn)：計(jì)算機(jī)為用戶提供最好的服務(wù)，構(gòu)建用戶與計(jì)算機(jī)間和諧交互環(huán)境。系統(tǒng)管理觀點(diǎn)：合理組織計(jì)算機(jī)工作流程，管理和分配計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件及軟件資源，使之能為多個(gè)用戶高效率共享。發(fā)展觀點(diǎn)：給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展提供支撐平臺(tái)，使之在追加新的服務(wù)和功能時(shí)更容易而不影響原有服務(wù)與功能。,操作系統(tǒng)的定義,操作系統(tǒng)（operatingsystem，簡(jiǎn)稱OS）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)系統(tǒng)軟件，它是這樣一些程序模塊的集合它們管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的軟件和硬件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，以便有效地利用這些資源為用戶提供一個(gè)功能強(qiáng)大、使用方便和可擴(kuò)展的工作環(huán)境，從而在計(jì)算機(jī)與其用戶之間起到接口的作用。,本章總體綱要,1.1什么是操作系統(tǒng)？1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.3操作系統(tǒng)的分類1.4操作系統(tǒng)的功能1.5計(jì)算機(jī)硬件1.7研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn),1.2操作系統(tǒng)發(fā)展歷史操作系統(tǒng)因由客觀的需要而產(chǎn)生，它伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展而逐漸發(fā)展和不斷完善，它與運(yùn)行其上的計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)休戚與共，它的功能由弱到強(qiáng)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位不斷提高，至今，它已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。,計(jì)算機(jī)發(fā)展分為四個(gè)階段：194650年代末：第一代，電子管時(shí)代，無(wú)操作系統(tǒng)。50年代末60年代中：第二代，晶體管時(shí)代，批處理系統(tǒng)。60年代中70年代中：第三代：集成電路時(shí)代，多道程序設(shè)計(jì)。70年代中期至今：第四代：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時(shí)代，分時(shí)系統(tǒng)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)正向著普適計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算以及巨型、微型、并行、分布、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和生物信息化幾方面發(fā)展。,1.2.1手工操作階段電子管計(jì)算機(jī)，無(wú)操作系統(tǒng)，由手工控制作業(yè)的輸入輸出,通過(guò)控制臺(tái)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)程序運(yùn)行。用戶使用計(jì)算機(jī)的過(guò)程大致如下：先把程序紙帶裝上輸入機(jī)，啟動(dòng)輸入機(jī)把程序和數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，然后通過(guò)控制臺(tái)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)程序運(yùn)行，計(jì)算完畢后，用戶拿走打印結(jié)果，并卸下紙帶。,手工交互方式的缺點(diǎn)手工裝卸、人工判斷、手工修改與調(diào)試內(nèi)存指令等造成CPU空閑；提前完成造成剩余預(yù)約時(shí)間內(nèi)的CPU完全空閑；I/O設(shè)備的慢速與CPU的速度不匹配造成的CPU空閑等待時(shí)間。,1.2.2早期批處理(batchprocessing)晶體管計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)的雛形，稱為監(jiān)督程序。把若干個(gè)作業(yè)合成一批，調(diào)入計(jì)算機(jī)執(zhí)行，完成后再調(diào)入下一批作業(yè)。早期的批處理：聯(lián)機(jī)批處理,脫機(jī)批處理,批處理系統(tǒng)的工作過(guò)程用戶將作業(yè)交到機(jī)房，操作員將一批作業(yè)輸入到輔存（如磁帶）上，形成一個(gè)作業(yè)隊(duì)列。當(dāng)需要調(diào)入作業(yè)時(shí)，監(jiān)督程序從這一批中選一道作業(yè)調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行。當(dāng)這一作業(yè)完成時(shí)，監(jiān)督程序調(diào)入另一道程序，直到這一批作業(yè)全部完成。,批處理系統(tǒng)的分類聯(lián)機(jī)批處理：由CPU直接控制作業(yè)輸入輸出。脫機(jī)批處理：由外圍機(jī)控制作業(yè)輸入輸出。,聯(lián)機(jī)批處理和脫機(jī)批處理,通道和中斷技術(shù)60年代初，發(fā)展了通道技術(shù)和中斷技術(shù)，這些技術(shù)的出現(xiàn)使監(jiān)督程序在負(fù)責(zé)作業(yè)運(yùn)行的同時(shí)提供I/O控制功能。通道：用于控制I/O設(shè)備與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸。啟動(dòng)后可獨(dú)立于CPU運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)CPU與I/O的并行。中斷：是指CPU在收到外部中斷信號(hào)后，停止原來(lái)工作，轉(zhuǎn)去處理該中斷事件，完畢后回到原來(lái)斷點(diǎn)繼續(xù)工作。監(jiān)督程序發(fā)展為執(zhí)行系統(tǒng)(executivesystem)，常駐內(nèi)存。,對(duì)批處理階段的評(píng)價(jià)作業(yè)轉(zhuǎn)換時(shí)間大大減小，系統(tǒng)運(yùn)行效果提高（自動(dòng)性、順序性）。存在I/O慢造成的CPU空閑等待時(shí)間（單道）。程序員（和非編程用戶）無(wú)法同計(jì)算機(jī)交互。一個(gè)操作系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成只能在一種機(jī)器上運(yùn)行。,1.2.3多道程序系統(tǒng)操作系統(tǒng)發(fā)展史上革命性變革。多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)：在內(nèi)存中放多道程序,使它們?cè)诠芾沓绦虻目刂葡孪嗷ゴ┎宓剡\(yùn)行。,單道和多道程序工作過(guò)程比較,多道程序運(yùn)行的特點(diǎn)多道。宏觀上并行：同時(shí)有多道程序在內(nèi)存運(yùn)行，某一時(shí)間段上，各道程序不同程度地向前推進(jìn)。微觀上串行：任一時(shí)刻最多只有一道作業(yè)占用CPU，多道程序交替使用CPU。,1.2.4分時(shí)系統(tǒng)推動(dòng)多道批處理系統(tǒng)形成和發(fā)展的動(dòng)力是提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。推動(dòng)分時(shí)系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要?jiǎng)恿κ怯脩舻男枰航换?、共享主機(jī)、方便上機(jī)。分時(shí)系統(tǒng)是指在一臺(tái)主機(jī)上連接多個(gè)帶有顯示器和鍵盤的終端，同時(shí)允許多個(gè)用戶通過(guò)自己的鍵盤，以交互的方式使用計(jì)算機(jī)，共享主機(jī)中的資源。,分時(shí)系統(tǒng)的特征多路性：允許同一主機(jī)聯(lián)接多臺(tái)終端。獨(dú)立性：每一用戶獨(dú)占一個(gè)終端。及時(shí)性：用戶請(qǐng)求能及時(shí)響應(yīng)。交互性：可進(jìn)行廣泛的人機(jī)對(duì)話。,1.2.5實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)（RealTimeSystem）是指系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。實(shí)時(shí)控制：如工業(yè)控制、武器的控制等。實(shí)時(shí)信息處理：如聯(lián)網(wǎng)訂票系統(tǒng)。,實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征：多路性獨(dú)立性及時(shí)性交互性可靠性,1.2.6通用操作系統(tǒng)各種操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，致使操作系統(tǒng)日益完善，出現(xiàn)了通用操作系統(tǒng)。通用操作系統(tǒng)兼有多道批處理、分時(shí)、實(shí)時(shí)處理的功能。,操作系統(tǒng)的發(fā)展概述,本章總體綱要,1.1什么是操作系統(tǒng)？1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.3操作系統(tǒng)的分類1.4操作系統(tǒng)的功能1.5計(jì)算機(jī)硬件1.7研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn),1.3操作系統(tǒng)的基本類型,批處理系統(tǒng)個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng),脫機(jī)使用,批處理，多道程序設(shè)計(jì),價(jià)格便宜，CPU利用率低，聯(lián)網(wǎng)，安全保護(hù),多媒體,Novell公司的NetWare,按照網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng),基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,用于實(shí)時(shí)控制以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理,交互性、多用戶、獨(dú)占性,多道程序設(shè)計(jì)與多重處理系統(tǒng)的區(qū)別,多道批處理系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)的區(qū)別,本章總體綱要,1.1什么是操作系統(tǒng)？1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.3操作系統(tǒng)的分類1.4操作系統(tǒng)的功能1.5計(jì)算機(jī)硬件1.7研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn),處理機(jī)管理,處理機(jī)是最重要的資源，現(xiàn)代操作系統(tǒng)允許多個(gè)程序共享處理機(jī)，按照某種算法（分時(shí)、優(yōu)先級(jí)）交替地使用處理機(jī)。處理機(jī)管理包括以下幾方面：進(jìn)程控制、進(jìn)程同步、進(jìn)程通信、調(diào)度。,存儲(chǔ)管理,第二重要資源。存儲(chǔ)器管理要具備下列功能：內(nèi)存分配。地址映射：把程序中的邏輯地址映射為物理地址。存儲(chǔ)保護(hù)：使多道程序間互不干擾。存儲(chǔ)擴(kuò)充：用輔存擴(kuò)充主存，實(shí)現(xiàn)“虛擬存儲(chǔ)器”。,設(shè)備管理,最龐大、瑣碎的部分，因?yàn)椋何锢碓O(shè)備品種繁多、用法各異。各種外設(shè)能和主機(jī)并行工作。主機(jī)與各類外設(shè)速度極不匹配，級(jí)差很大。,設(shè)備管理主要任務(wù),完成用戶進(jìn)程提出的I/O請(qǐng)求為用戶進(jìn)程分配其所需的I/O設(shè)備提高CPU和I/O設(shè)備的利用率提高I/O速度方便用戶使用I/O設(shè)備,設(shè)備管理的功能,緩沖管理：為設(shè)備提供緩沖區(qū)以緩和CPU與設(shè)備的I/O速度不匹配的矛盾。設(shè)備分配。設(shè)備驅(qū)動(dòng)：為設(shè)備提供驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備獨(dú)立性和虛擬設(shè)備。,文件系統(tǒng)管理,文件系統(tǒng)管理的功能：文件存儲(chǔ)空間管理。目錄管理：為了用戶方便找到他所需的文件。文件的讀寫管理和存取控制：存取控制就是防止文件被非法使用。,用戶接口,作業(yè)一級(jí)接口：為了便于用戶直接或間接地控制自己的作業(yè)。（聯(lián)機(jī)用戶接口與脫機(jī)用戶接口）程序一級(jí)接口：為用戶程序在執(zhí)行中訪問(wèn)系統(tǒng)資源而設(shè)置的。由一組系統(tǒng)調(diào)用組成。,本章總體綱要,1.1什么是操作系統(tǒng)？1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.3操作系統(tǒng)的分類1.4操作系統(tǒng)的功能1.5計(jì)算機(jī)硬件1.7研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn),1.5計(jì)算機(jī)硬件簡(jiǎn)介,計(jì)算機(jī)基本的硬件元素處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出控制、總線、外部設(shè)備處理器單個(gè)處理器，稱之為單機(jī)系統(tǒng)多個(gè)處理器，稱之為多機(jī)系統(tǒng),1.5.1計(jì)算機(jī)基本的硬件元素,存儲(chǔ)器內(nèi)存外存：光盤、磁盤、硬盤高速緩存（cache）輸入輸出控制器與緩沖主要用來(lái)控制和暫時(shí)存儲(chǔ)外部設(shè)備與計(jì)算機(jī)內(nèi)存之間交換的數(shù)據(jù)和程序。,外部設(shè)備是獲取和輸出數(shù)據(jù)程序的基本單位，包括數(shù)字設(shè)備和模擬設(shè)備。總線總線是連接計(jì)算機(jī)各部件的通信線路。單總線：處理機(jī)、外設(shè)、存儲(chǔ)器都連接在一起。多總線：CPU與內(nèi)存分開(kāi)連接，外設(shè)與外存也分開(kāi)連接。,1.5.2與操作系統(tǒng)有關(guān)的幾種寄存器,寄存器與操作系統(tǒng)密切相關(guān)，在處理機(jī)中交換數(shù)據(jù)的速度比內(nèi)存更快、體積更小，而價(jià)格又更貴的暫存器件。處理機(jī)中寄存的功能分為二類用戶可編程存器控制與狀態(tài)寄存器：被用來(lái)對(duì)處理機(jī)的優(yōu)先級(jí)、保護(hù)模式或用戶程序執(zhí)行時(shí)的調(diào)用關(guān)系等進(jìn)行控制和操作,典型的用戶可編程寄存器包括以下幾種：數(shù)據(jù)寄存器地址寄存器條件碼寄存器典型的控制與狀態(tài)寄存器包括以下幾種：程序計(jì)數(shù)器PC指令寄存器程序狀態(tài)字PSW中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)寄存器過(guò)程調(diào)用堆棧,指令的執(zhí)行與中斷應(yīng)用程序必須通過(guò)指令執(zhí)行才能完成。執(zhí)行指令的基本過(guò)程分為兩步：處理機(jī)從內(nèi)存把指令讀入的過(guò)程和執(zhí)行的過(guò)程。讀指令是根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC所指的地址讀入，而執(zhí)行的指令則是指令寄存器IR中的指令。我們把指令的讀入和執(zhí)行過(guò)程稱為一個(gè)執(zhí)行周期。,本章總體綱要,1.1什么是操作系統(tǒng)？1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.3操作系統(tǒng)的分類1.4操作系統(tǒng)的功能1.5計(jì)算機(jī)硬件1.7研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)&小結(jié),1.7研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn),操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)資源的管理者用戶界面的觀點(diǎn)進(jìn)程管理的觀點(diǎn),總結(jié),什么是操作系統(tǒng)？引入操作系統(tǒng)的目的操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史操作