清華計算機操作系統(tǒng)第01章ppt課件

1、第第1章章 操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)概論 本章知識點：本章知識點：1.1 操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的作用 1.2 操作系統(tǒng)的演化操作系統(tǒng)的演化 1.3 操作系統(tǒng)的主要成就操作系統(tǒng)的主要成就1.4 操作系統(tǒng)舉例操作系統(tǒng)舉例(略略)1.5 操作系統(tǒng)的主要研討課題操作系統(tǒng)的主要研討課題 1.1 操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)是計算機用戶和計算機硬件之間的接口程序模塊，它是計算機系統(tǒng)的中心控制軟件， 其職能是控制和管理系統(tǒng)內各種資源，有效地組織多道程序的運轉，從而為用戶提供良好的任務環(huán)境，到達運用方便、資源分配合理、平安可靠等目的。 操作系統(tǒng)是現(xiàn)有軟件系統(tǒng)中最復雜的軟件之一。Denning以為，到目前

2、為止，在操作系統(tǒng)的研討開發(fā)方面主要獲得了進程、內存管理、信息維護與平安、調度與資源管理和系統(tǒng)構造等五項成就。 1.1.1 硬件系統(tǒng)和運用程序間的硬件系統(tǒng)和運用程序間的界面界面 由操作系統(tǒng)定義的軟、硬件和數(shù)據(jù)，給程序員提供了方便的界面，使程序員和運用程序更容易獲取和運用計算機系統(tǒng)中的資源、工具和效力。1.1.1 硬件系統(tǒng)和運用程序間的界面硬件系統(tǒng)和運用程序間的界面OS具有如下功能： 程序創(chuàng)建。 程序執(zhí)行。 I/O設備的訪問。 控制對文件的訪問。 系統(tǒng)訪問。 查錯和糾錯。 簿記。 1.1.2 作為資源管理者作為資源管理者 作為資源管理器的操作系統(tǒng)： I/O 設 備內 存處 理 器處 理 器I/O

3、控 制 器I/O 控 制 器I/O 控 制 器操 作 系 統(tǒng)軟 件程 序 和數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)程 序O S1.1.3 推進操作系統(tǒng)開展的要素推進操作系統(tǒng)開展的要素 操作系統(tǒng)的演化主要基于以下要素：硬件晉級以及新的硬件類型；新效力；修補；1.2 操作系統(tǒng)的演化操作系統(tǒng)的演化 操作系統(tǒng)開展至今已有三十多年。設計操作系統(tǒng)主要有兩個目的：第一，為程序的開發(fā)和執(zhí)行提供一個方便的環(huán)境；第二，為保證計算機系統(tǒng)順利執(zhí)行，操作系統(tǒng)對各個計算活動進展調度。 1.2.1 串行處置系統(tǒng)串行處置系統(tǒng) 最早的計算機，從20世紀40年代末到50年代中期，程序員直接與硬件接觸，根本沒有OS。計算機運轉在一個集成了指示器、各種開關、

4、一些輸入設備以及一個打印機的控制臺之上。早期的這種系統(tǒng)存在兩個問題： (1)上機安排 (2)啟動時間 1.2.2 簡單批處置系統(tǒng)簡單批處置系統(tǒng)簡單批處置系統(tǒng)是專業(yè)計算機操作員或機器按作業(yè)的性質將作業(yè)按類分成假設干組，然后一組一組地來運轉作業(yè)。 在早期計算機系統(tǒng)中，引進簡單批處置系統(tǒng)可以減少安裝磁帶、裝入程序和返繞磁帶等有關的工序浪費的時間，因此，也就減少了計算機的空閑時間。 批處置系統(tǒng)本質上不提供用戶和程序之間的交互功能。程序中的一切問題必需事先安排好，也不能進展聯(lián)機修正。 。1.2.2 簡單批處置系統(tǒng)簡單批處置系統(tǒng) 簡單批處置系統(tǒng)的中心思想是，經過運用一種被稱為監(jiān)控器的軟件，運用戶不用再直接

5、接觸機器，而是先經過卡片機和紙帶機向計算機控制器提交作業(yè)，由監(jiān)控器將作業(yè)組織在一同構成一批作業(yè)，然后將整批作業(yè)放入由監(jiān)控器管理的輸入設備上，每當一個程序執(zhí)行終了前往監(jiān)控器時，監(jiān)控器已自動裝入下一個程序。 1.2.2 簡單批處置系統(tǒng)簡單批處置系統(tǒng) 批處置系統(tǒng)存在很多不方便之處，主要有：用戶不能與其作業(yè)交互以捕捉程序中的問題。用戶程序中的一切問題必需事先安排好，否那么程序的排錯就能夠在轉儲信息上盲目地進展。此外，對一個用戶作業(yè)而言，能夠需求較長的周轉時間。 在批處置系統(tǒng)中，為了防止有意或無意地讀取他人的卡片，必需建立監(jiān)控和用戶兩種操作態(tài)，使其只需在監(jiān)控態(tài)下才干讀控制卡。經過建立一組僅能在監(jiān)控態(tài)下執(zhí)

6、行的特權指令，操作系統(tǒng)就能保證在任何時候都能控制整個系統(tǒng)。1.2.3 多道程序批處置系統(tǒng)多道程序批處置系統(tǒng) 多道程序設計技術就是在內存中同時堅持假設干道程序，系統(tǒng)按某種調度戰(zhàn)略交替執(zhí)行這些程序，使CPU堅持最少的空閑時間。 多道程序設計的主要優(yōu)點是經過將用戶的CPU懇求和I/O懇求重疊起來的方法來有效地運用CPU。它設法讓CPU總有事情可做，以此來提高CPU的利用率。 1.2.3 多道程序批處置系統(tǒng)多道程序批處置系統(tǒng) 想象一臺電腦配備256KB的可用內存空間(未被OS占用的)，一個磁盤，一個終端和一臺打印機。3個程序JOB1、JOB2和JOB3，同時被提交執(zhí)行，如下表所列。 JOB1 JOB2

7、 JOB3 作業(yè)類型偏重計算偏重計算偏重計算執(zhí)行時間偏重I/O偏重I/O偏重I/O所需內存偏重I/O偏重I/O偏重I/O能否需求磁盤5 min5 min5 min能否需求終端15 min15 min15 min能否需求打印機10 min10 min10 min1.2.3 多道程序批處置系統(tǒng)多道程序批處置系統(tǒng)多道程序設計在提高資源利用率方面產生的效果 單道程序設計多道程序設計處置機運用17%33%內存運用30%67%磁盤運用33%67%打印機運用33%67%經過時間30 min15 min吞吐率6 jobs/h12 jobs/h平均呼應時間18 min10 min1.2.4 分時系統(tǒng)分時系統(tǒng) 分

8、時系統(tǒng)是一種由調度戰(zhàn)略和多道程序設計技術所構成的、同時供兩個或多個用戶運用的一種經濟實惠的系統(tǒng)。 分時系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：當程序正在執(zhí)行時，允許用戶與計算機交互，從而大大縮短了系統(tǒng)的呼應時間，添加了用戶調試程序和控制程序運轉的靈敏性。1.2.4 分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)通常采用的實現(xiàn)方法是：先對每一用戶作業(yè)分定一個時間片，再按輪轉方式來執(zhí)行這些作業(yè)。用戶作業(yè)可以繼續(xù)運轉直至其時間片執(zhí)行完或發(fā)生一個I/O中斷，才暫停此作業(yè)的運轉而讓另一作業(yè)運轉，暫停的作業(yè)那么等到再次輪到它時又可繼續(xù)運轉下去，系統(tǒng)中的作業(yè)都用這種方式輪轉執(zhí)行。 1.2.5 實時系統(tǒng)實時系統(tǒng) 實時系統(tǒng)是在呼應時間方面有嚴厲制約的公用

9、系統(tǒng)。實時系統(tǒng)與其他普通的系統(tǒng)之間的最大不同之處就是要滿足處置與時間的關系。 實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)的區(qū)別在于：在分時系統(tǒng)中，快速呼應是需求的，但不是必需的；在實時系統(tǒng)中，處置事務必需在適宜于此系統(tǒng)的特定時間限額內完成。 1.2.5 實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)主要是為聯(lián)機實時義務效力的，相比分時系統(tǒng)它有其本身的特點：(1)與分時系一致樣具有多路性和獨立性。 (2)對外部實時信號必需能及時呼應，呼應的時間間隔要足以控制發(fā)出實時信號的那個環(huán)境。(3)整體性強。 (4)有交互性，但這里人與系統(tǒng)的交互僅限于訪問系統(tǒng)中某些特定的公用效力程序。(5)要求有高可靠性和平安性，系統(tǒng)的效率那么放在第二位。 1.3

10、 操作系統(tǒng)的主要成就操作系統(tǒng)的主要成就操作系統(tǒng)是現(xiàn)有軟件系統(tǒng)中最復雜的系統(tǒng)軟件之一。到目前為止，操作系統(tǒng)已獲得了5項主要成就：進程、內存管理、信息的維護與平安性、調度與資源管理、系統(tǒng)構造。 。 1.3.1 進程進程 進程是操作系統(tǒng)構造的根底。進程就是：可并發(fā)執(zhí)行的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運轉過程。進程由以下3部分組成：一個可執(zhí)行的程序；該程序所需的相關數(shù)據(jù)(變量、任務空間，緩沖區(qū)等)；該程序的執(zhí)行上下文(Context)。1.3.1 進程進程典型的進程實現(xiàn) ibh進 程 索 引上 下 文進 程 表 列內 存 數(shù) 據(jù)程 序上 下 文數(shù) 據(jù)程 序j進 程A進 程Bi寄 存 器P C基 址 寄 存 器

11、b限 制 寄 存 器h 其 他 寄 存 器1.3.2 存儲管理存儲管理 操作系統(tǒng)的操作系統(tǒng)的5 5條存儲管理原那么：條存儲管理原那么： 進程隔離。進程隔離。 自動分配和管理。自動分配和管理。 支持組件編程。支持組件編程。 長時間存儲。長時間存儲。 維護和存取控制。維護和存取控制。 1.3.2 存儲管理存儲管理對待存儲系統(tǒng)的兩種不同觀念對待存儲系統(tǒng)的兩種不同觀念虛擬 處理器讀、 寫復制文件虛擬 存儲器長期 存儲設備(b) (b) 操作系統(tǒng)設計者觀念操作系統(tǒng)設計者觀念實 際處 理 器虛 擬地 址映 射器(地址 轉 換器)存 儲器地 址內 存交 換輔 存(a) (a) 用戶觀念用戶觀念1.3.3 信息維護和平安性信息維護和平安性 同計算機系統(tǒng)和存儲在其中的信息的存取控制有關的4種維護戰(zhàn)略：不共享。 共享原始程序或數(shù)據(jù)文件。無存儲子系統(tǒng)?？刂菩畔⒌姆植?。 1.3.3 信息維護和平安性信息維護和平安性 同操作系統(tǒng)有關的平安和維護任務可分為以下3類：訪問控制。 信息流控制。確認。 1.3.4 調度和資源管理調度和資源管理 操作系統(tǒng)的中心義務之一就是管理各種可獲得的資源以及合理地調度它們。任何資源分配和調度戰(zhàn)略都必需思索公平性、不同敏感性以及效率。1.3.5 系統(tǒng)構造系統(tǒng)構造 隨著操作系統(tǒng)性能的加強，以及根底硬件復雜性的添加，操作系統(tǒng)的大小和復雜性也不斷添加，這就導