1、,計算機操作系統(tǒng),前 言,前言,(1) 認(rèn)識操作系統(tǒng) 從操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的位置來分析 操作系統(tǒng)是什么 ？ 操作系統(tǒng)能做什么 ？ 操作系統(tǒng)如何去做 ？,1,操作系統(tǒng)定義,操作系統(tǒng)的功能,操作系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù),1. 操作系統(tǒng)課程的重要性,前言,(2) 學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)的核心軟件，掌握操作系統(tǒng)采 用的關(guān)鍵技術(shù) 并行處理技術(shù) 虛擬技術(shù),2, 操作系統(tǒng)中的并行處理技術(shù) 并行性和并行處理技術(shù),并行性：處理多個同時性活動的能力,并行處理: 利用多個處理部件為完成一個任務(wù)而同時執(zhí)行。,前言, 多用戶、多任務(wù)同時執(zhí)行(并發(fā)執(zhí)行) 如何描述任務(wù) 如何控制任務(wù)狀態(tài)的變化 多任務(wù)關(guān)系如何協(xié)調(diào) 多任務(wù)如何調(diào)度,3,同

2、步與互斥,進程的引入與進程概念,進程狀態(tài)及控制,進程調(diào)度,前言, 系統(tǒng)資源共享 處理機如何共享 存儲器如何共享 設(shè)備如何共享 信息如何共享,4,存儲分配、地址映射、 虛存、存儲保護,策略、調(diào)度、處理機分派,文件結(jié)構(gòu)、存取方法、 磁盤空間分配、文件共享、 文件保護、文件完整性,設(shè)備分配、虛擬設(shè)備、 設(shè)備驅(qū)動,前言, 操作系統(tǒng)中的虛擬技術(shù) 用戶的邏輯視圖與操作系統(tǒng)所管理的物理視圖分離 邏輯視圖與物理視圖的映射,5,前言,(3) 培養(yǎng)系統(tǒng)軟件的開發(fā)技能,6, 系統(tǒng)軟件 大型的支撐軟件，為其他應(yīng)用軟件提供相對完善、專業(yè) 的開發(fā)和運行的環(huán)境，并提供相應(yīng)的服務(wù)。 系統(tǒng)軟件的例: OS研制、OS功能擴充、網(wǎng)

3、絡(luò)操作系統(tǒng)、 分布式操作系統(tǒng)的研制，還有DBMS的研制等。 應(yīng)用軟件 在系統(tǒng)軟件的支持下開發(fā)的軟件，相對于系統(tǒng)軟件其規(guī) 模要小得多，功能也較為單一、專用。,前言,(4) 為后續(xù)課程打好基礎(chǔ) 如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、分布式系統(tǒng),7,2. 如何學(xué)習(xí)操作系統(tǒng),必須了解操作系統(tǒng)的特點 掌握操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法,前言, 培養(yǎng)目標(biāo) 培養(yǎng)學(xué)生具備系統(tǒng)軟件開發(fā)技能。既能進行統(tǒng)軟件的開 發(fā)，更能勝任應(yīng)用軟件的開發(fā)。,8, 內(nèi)容龐雜、涉及面廣 管理、控制所有硬件 管理所有軟件，控制程 序的執(zhí)行 為用戶提供良好的接口 實踐性強 操作系統(tǒng)原理與實際運行的操作系統(tǒng)的關(guān)系 技術(shù)發(fā)展快 基礎(chǔ)性和先進性的關(guān)系,(1) 操作系

4、統(tǒng)課程的特點,前言, 了解操作系統(tǒng)提供的服務(wù) 操作系統(tǒng)的功能如何體現(xiàn) 掌握操作系統(tǒng)的基本原理 和實現(xiàn)技術(shù) 現(xiàn)代操作系統(tǒng)最本質(zhì)、最 核心的問題是什么？ 理論與實際的結(jié)合 操作系統(tǒng)實例分析 實現(xiàn)操作系統(tǒng)某些功能,9,(2) 如何學(xué)習(xí)操作系統(tǒng),前言,第1章 緒論,緒論,操作系統(tǒng)與計算機體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系 操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展 操作系統(tǒng)定義 操作系統(tǒng)的資源管理功能 計算機體系結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代操作系統(tǒng)類型,10,緒論主要內(nèi)容,操作系統(tǒng)與 計算機體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系,緒論操作系統(tǒng)與計算機體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系,11,緒論操作系統(tǒng)與計算機體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系,1. 操作系統(tǒng)與各層的關(guān)系, 與硬件的關(guān)系 控制CPU的工作 訪問存儲器 設(shè)備

5、 驅(qū)動、中斷處理 與用戶及其他軟件的關(guān)系 控制、管理 提供方便的用戶界面 提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù),計算機系統(tǒng)的組成,(1) OS對各層的管理和控制,12, 用戶和上層軟件的要求 用戶需求 提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù) 方便的用戶界面,緒論操作系統(tǒng)與計算機體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系,計算機系統(tǒng)的組成,(2) 各層對OS的制約和影響, 下層硬件環(huán)境的制約 提供OS運行環(huán)境 限制了OS的功能實現(xiàn),13, CPU 存儲器 I/O設(shè)備,程序計數(shù)器,緒論操作系統(tǒng)與計算機體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系,2. 存儲程序式計算機的結(jié)構(gòu)和特點,(1) 基本部件,集中順序過程控制 過程性： 模擬人們手工操作 集中控制：由CPU集中管理 順序性：,(2) 特點,14

6、,3. 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)的關(guān)系,順序計算模型,如何解決矛盾 ?,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu),緒論操作系統(tǒng)與計算機體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系,(1) 結(jié)構(gòu)特征,(2) OS采用的軟件技術(shù),多道程序設(shè)計技術(shù)、分時技術(shù)、資源分配與調(diào)度等,(3) 計算機體系結(jié)構(gòu)與硬件技術(shù)的變化,操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展,緒論操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展,15,緒論操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展,操作系統(tǒng)形成與發(fā)展過程,16,無任何軟件 有人工干預(yù) 獨占性 串行性,1. 手工操作階段,(1) 特點,當(dāng)CPU速度提高時，出現(xiàn)了 機器 程序處理 人工操 操作時間與機器 速度 所需時間 作時間 有效運行時間之比 1萬次/秒 1小時 3分鐘 1 ：20 60萬次/

7、秒 1分鐘 3分鐘 3 ：1,(2) 問題,人 機矛盾,緒論操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展,2. 批處理階段, 特點 主機與衛(wèi)星機并行操作 問題 調(diào)度不靈活；保護問題 解決辦法 硬件技術(shù)的發(fā)展 通道技術(shù)、中斷技術(shù),監(jiān)督程序,作業(yè)自動過渡,17,(1) 聯(lián)機批處理,(2) 脫機批處理, 特點 問題 CPU高速與I/O慢速的矛盾 解決辦法 由衛(wèi)星機負(fù)責(zé)I/O,緒論操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展,18,借助于通道與中斷技術(shù)，由主機控制I/O工作。原有的監(jiān)督 程序不僅要負(fù)責(zé)調(diào)度作業(yè)自動地運行，而且還要提供I/O控 制功能。它常駐主存，稱為執(zhí)行系統(tǒng)。,3. 執(zhí)行系統(tǒng),(1) 什么是執(zhí)行系統(tǒng),I/O控制功能 調(diào)度,(2) 特

8、點,主機、外設(shè)并行操作；增強了保護能力,(3) 基本功能,(4) 問題,主機與外設(shè)的并行是有限度的，還依賴于程序運行的特征。,緒論操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展,19, 單道程序程序的工作情況,4. 操作系統(tǒng)的形成,單道程序工作示例,(1) 多道程序設(shè)計技術(shù),緒論操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展,20, 多道程序程序的工作情況,多道程序工作示例,緒論操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展,21,在計算機主存中同時存放幾道相互獨立的程序。這些程序在管理程序控制之下，相互穿插地運行。當(dāng)某道程序因某種原因不能繼續(xù)運行下去時(如等待外部設(shè)備傳輸數(shù)據(jù))，管理程序便將另一道程序投入運行。, 什么是多道程序程序設(shè)計技術(shù),多道 宏觀上并行 微觀上串

9、行, 多道運行的特征,緒論操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展,22,所謂分時技術(shù)，是把處理機時間劃分成很短的時間片(如幾百毫秒)輪地 分配給各個應(yīng)用程序使用，如果某個程序在分配的時間片用完之前計 算還未完成，該程序就暫時中斷，等待下一輪繼續(xù)計算。,一個分時系統(tǒng)示例,(2) 分時技術(shù), 什么是分時技術(shù),一臺計算機與許多終端設(shè)備連接，終端用戶以聯(lián)機方式使用計算機。, 分時處理,緒論操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展,23,實時處理以快速反應(yīng)為特征，對實時信號能在截止期限之 內(nèi)處理并作出反應(yīng)。 實時處理具有實時性和可預(yù)測性。,(3) 實時處理, 什么是實時,計算機對于外來信息能夠在被控對象允許的截止期限 (deadline)內(nèi)

10、作出反應(yīng)。, 實時處理,緒論操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展,24,批量操作系統(tǒng) 分時操作系統(tǒng) 實時操作系統(tǒng) 個人計算機操作系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) (計算機網(wǎng)絡(luò)，松耦合) 多處理機操作系統(tǒng) (多處理機系統(tǒng)，緊耦合) 集群操作系統(tǒng) (分布存儲的多計算機系統(tǒng) ),并行分布式系統(tǒng) (分布存儲的多計算機系統(tǒng)) 分布式系統(tǒng) (具有單一用戶界面，支持分布式數(shù)據(jù)處理 ) 分布式實時系統(tǒng) (支持分布式實時數(shù)據(jù)處理 ),5. 計算機體系結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)的關(guān)系,(1) 單CPU計算機配置的操作系統(tǒng),(2) 具有并行結(jié)構(gòu)的計算機系統(tǒng)配置的操作系統(tǒng),緒論操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展,操作系統(tǒng)的定義,緒論操作系統(tǒng)的定義,25,1. 資源共享與資

11、源競爭,多個計算任務(wù)對計算機系統(tǒng)資源的共同享用,用戶請求系統(tǒng)資源的方式,(1) 資源共享,多個計算任務(wù)對計算機系統(tǒng)資源的爭奪,(2) 資源競爭,緒論操作系統(tǒng)的定義,26,操作系統(tǒng)是一個大型的程序系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)計算機系統(tǒng)軟、 硬件資源的分配；控制和協(xié)調(diào)并發(fā)活動；提供用戶接口， 使用戶獲得良好的工作環(huán)境。,2. 操作系統(tǒng)的定義與特征,(1) 操作系統(tǒng)的定義, 并發(fā) 能處理多個同時性活動的能力 共享 多個計算任務(wù)對系統(tǒng)資源的共同享用 不確定性 操作系統(tǒng)能處理大量的、隨機的事件序列，使各用戶的計 算任務(wù)正確地完成。,(2) 操作系統(tǒng)的特征,緒論操作系統(tǒng)的定義,操作系統(tǒng)的資源管理功能,緒論操作系統(tǒng)的資源管

12、理功能,27,緒論操作系統(tǒng)的資源管理功能,確定將CPU先分給哪個用戶程序，它占用多長時間，下一 個又該輪到哪個程序運行等問題。,1. 處理機管理,(1) 提出進程調(diào)度策略,在調(diào)度時機到來時，進行處理機分派。,(2) 給出進程調(diào)度算法,(3) 進行處理機的分派,28,確定各應(yīng)用程序在主存中的位置及所占區(qū)域的大小；應(yīng)用 程序無需關(guān)心存儲細(xì)節(jié)，由存儲管理模塊提供地址重定位 能力。,2. 存儲器管理,(1) 存儲分配和存儲無關(guān)性,系統(tǒng)提供基址、界限寄存器等存儲保護方法，使各應(yīng)用程 序相互隔離。,(2) 存儲保護,系統(tǒng)提供虛擬存儲技術(shù)，擴大邏輯主存。,(3) 存儲擴充,緒論操作系統(tǒng)的資源管理功能,29,

13、設(shè)備無關(guān)性是指用戶向系統(tǒng)申請和使用的設(shè)備與實際操作 的設(shè)備無關(guān)，以達到方便用戶、提高設(shè)備利用率的目的。,3. 設(shè)備管理,(1) 設(shè)備無關(guān)性,操作系統(tǒng)為各應(yīng)用程序和運行實體分配各種設(shè)備。設(shè)備分 配通常采用三種基本技術(shù)：獨享、共享及虛擬技術(shù)。,(2) 設(shè)備分配,設(shè)備的傳輸控制包括：啟動設(shè)備、中斷處理、結(jié)束處理 三個方面,(3) 設(shè)備的傳輸控制,緒論操作系統(tǒng)的資源管理功能,30,文件系統(tǒng)為用戶提供一種簡便的、統(tǒng)一的存取和管理信息的 方法，并解決信息的共享、數(shù)據(jù)的存取控制和保密等問題。 信息組織 存取方法 文件共享 文件安全 文件完整性 磁盤空間分配,4. 信息管理(文件系統(tǒng)),緒論操作系統(tǒng)的資源管理

14、功能,31,系統(tǒng)資源與操作系統(tǒng)的資源管理模塊,5. 操作系統(tǒng)的資源管理觀點,緒論操作系統(tǒng)的資源管理功能,操作系統(tǒng)的基本類型,緒論操作系統(tǒng)的基本類型,批量操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的一種類型。該系統(tǒng)把用戶提交 的程序組織成作業(yè)形式。作業(yè)成批送入計算機，然后由作 業(yè)調(diào)度程序自動選擇作業(yè)，在系統(tǒng)內(nèi)多道運行。 早期計算機一般都配置批量操作系統(tǒng)。,32,1. 批量操作系統(tǒng),(1) 什么是批量操作系統(tǒng),(2) 批量操作系統(tǒng)的特點,緒論操作系統(tǒng)的基本類型,分時操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的另一種類型。它一般采用時間 片輪轉(zhuǎn)的辦法，使一臺計算機同時為多個終端用戶服務(wù)。 該系統(tǒng)對每個用戶都能保證足夠快的響應(yīng)時間，并提供交 互會話

15、功能。,33,2. 分時操作系統(tǒng),(1) 什么是分時操作系統(tǒng),(2) 分時操作系統(tǒng)的特點, 并行性 獨占性 交互性,緒論操作系統(tǒng)的基本類型,配置了實時操作系統(tǒng)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對科學(xué)實驗、醫(yī)學(xué)成像、工 業(yè)控制、武器裝備控制和特定顯示系統(tǒng)進行實時控制的系統(tǒng)。,34,3. 實時操作系統(tǒng),(1) 實時系統(tǒng),系統(tǒng)必須滿足應(yīng)用程序?qū)刂蛊谙?deadline)的要求，若錯過了截止期 限，將導(dǎo)致災(zāi)難性后果。, 實時系統(tǒng)的分類, 硬實時系統(tǒng),系統(tǒng)中截止期限被錯過的情況下，只造成系統(tǒng)性能下降而不會帶來嚴(yán) 重后果。, 軟實時系統(tǒng), 什么是實時系統(tǒng),緒論操作系統(tǒng)的基本類型,實時操作系統(tǒng)對外部輸入的信息，能夠在規(guī)定

16、的時間內(nèi)處 理完畢并作出反應(yīng)。,35, 什么是實時操作系統(tǒng),(2) 實時操作系統(tǒng), 實時操作系統(tǒng)的類型 實時控制 生產(chǎn)過程控制、作戰(zhàn)指揮 實時信息處理 訂購機票、情報檢索, 實時操作系統(tǒng)的特點, 可靠性和安全性 及時響應(yīng),緒論操作系統(tǒng)的基本類型,(1) 概況 個人計算機出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，操作系統(tǒng)的 目標(biāo)： 不再是最大化CPU和外設(shè)的利用率 而是最大化用戶方便性和響應(yīng)速度 各種類型的Windows替代MS-DOS；IBM公司將MS-DOS升級為多任務(wù) OS/2；UNIX運行在個人計算機上； 出現(xiàn)了Linux個人計算機操作系統(tǒng)(類似于UNIX) 個人計算機操作系統(tǒng)得益于

17、大型機操作系統(tǒng)的研制成果。另一方面， 微型計算機硬件費用很低，有些技術(shù)實現(xiàn)可相對簡單。,36,4. 個人計算機操作系統(tǒng),緒論操作系統(tǒng)的基本類型,(2) 個人計算機的代表 磁盤操作系統(tǒng) MSDOS 包括：設(shè)備管理、文件系統(tǒng) Windows系統(tǒng) 圖形用戶界面 多任務(wù)、多線程 可剝奪式調(diào)度 段頁式虛擬存儲管理技術(shù) 動態(tài)連接,37,個人計算機示意圖,緒論操作系統(tǒng)的基本類型,多處理機系統(tǒng)也稱并行系統(tǒng)(parallel system)或緊耦合系統(tǒng)。,38,5. 多處理機系統(tǒng),(1) 多處理機系統(tǒng)的定義, 包含兩個或多個功能相當(dāng)?shù)奶幚砥?所有處理器共享一個公共內(nèi)存 所有處理器共享I/O通道、控制器和外圍設(shè)備

18、 由一個操作系統(tǒng)控制,(2) 多處理機系統(tǒng)的特點, 具有并行處理能力 緊耦合、存在瓶頸、可擴展性差 不支持大規(guī)模并行計算；不支持分布處理,緒論操作系統(tǒng)的基本類型,6. 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),39,計算機網(wǎng)絡(luò)示意圖,線路將一些獨立自治的計算機相互連接形成的一個集合體稱為計算機網(wǎng)絡(luò)。,(1) 計算機網(wǎng)絡(luò)的定義, 多個處理部件 無公共內(nèi)存 具備消息通信 機制,(2) 計算機網(wǎng)絡(luò)的特點,緒論操作系統(tǒng)的基本類型,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)除了具備一般操作系統(tǒng)應(yīng)具有的功能模塊外 (如系統(tǒng)核心、設(shè)備管理、存儲管理、文件系統(tǒng)等)，還要增加一個網(wǎng)絡(luò)通信模塊。該模塊由通信接口中斷處理程序、通信控制程序以及各級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件組成。,40,(3) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng), 不能支持透明的資源存取 不能對網(wǎng)絡(luò)資源進行有效、統(tǒng)一的管理 不能支持合作計算,(4)