華南理工大學 操作系統(tǒng)ppt課件VIP

.,1,計算機操作系統(tǒng),第1章操作系統(tǒng)概論,.,2,本章知識點,1.1操作系統(tǒng)的作用1.2操作系統(tǒng)的演變1.3操作系統(tǒng)的主要成就1.4操作系統(tǒng)舉例1.5操作系統(tǒng)的主要研究課題,.,3,操作系統(tǒng)是控制應(yīng)用程序執(zhí)行，充當硬件系統(tǒng)和應(yīng)用程序(用戶)之間界面(方便用戶)的軟件。,程序創(chuàng)建。程序執(zhí)行。I/O設(shè)備的訪問?？刂茖ξ募脑L問。系統(tǒng)訪問。查錯和糾錯。簿記。,用戶1n應(yīng)用程序1,2-虛擬機器界面操作系統(tǒng)-物理機器界面硬件（裸機）,1.1操作系統(tǒng)的作用,.,4,操作系統(tǒng)是控制應(yīng)用程序執(zhí)行，（控制和管理資源）充當硬件系統(tǒng)和應(yīng)用程序(用戶)之間界面(方便用戶)的軟件。,.,5,操作系統(tǒng)的定義,操作系統(tǒng)是有效控制和管理計算機硬件和軟件資源、合理地組織計算機工作流程、以及方便用戶使用計算機的程序的集合,.,6,有效：系統(tǒng)效率，資源利用率（如：CPU利用的充足與否，內(nèi)存、外部設(shè)備是否忙碌）人工操作，機械、電子部件速度差異大合理：公平與否，如果不公平則會產(chǎn)生“死鎖”或“饑餓”方便：兩種角度：用戶界面編程接口,操作系統(tǒng)的定義,.,7,1.2操作系統(tǒng)的演變,設(shè)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)對各個計算活動進行調(diào)度。無操作系統(tǒng)（串行處理/人工操作）批處理系統(tǒng)：簡單批處理和多道程序批處理分時系統(tǒng)、實時系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)OS、分布式OS、嵌入式OS,硬件：昂貴便宜人力：便宜昂貴,.,8,1.2.1串行處理系統(tǒng),從20世紀40年代末到50年代中期，沒有OS。用戶既是程序員又是操作員；用戶是計算機專業(yè)人員，直接與硬件接觸由操作員將紙帶（或卡片、詞典）裝入輸入機，把程序和數(shù)據(jù)輸入計算機，當程序行完畢，由用戶取走紙帶和計算結(jié)果后，讓下一個用戶上機操作。特點：用戶獨占全機。串行性人工操作方式缺點：效率非常低，CPU等待人工操作。用戶獨占全機，資源浪費。每一用戶都要自行編寫涉及到硬件的源代碼工作量大，難度高，易出錯，需要大量人力和物力,.,9,1.2.1串行處理系統(tǒng),浪費：CPU與外設(shè)速度不匹配手工操作方式和高速機器之間的不匹配提高資源利用率多部件并行，多任務(wù)共享,.,10,1.2.2簡單批處理系統(tǒng),主要思想是：通過應(yīng)用一種被稱為監(jiān)控器的軟件，使用戶不必再直接接觸機器，而是先通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)組織在一起，構(gòu)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(shè)備上，每當一個程序執(zhí)行完畢返回監(jiān)控器時，監(jiān)控器已自動裝入下一個程序。減少安裝磁帶、裝入程序和返繞磁帶等有關(guān)的工序浪費的時間，因此，也就減少了計算機的空閑時間。,.,11,系統(tǒng)對作業(yè)的處理是成批地進行作業(yè)在系統(tǒng)中配置的監(jiān)督程序控制下，先把磁帶上的第一個作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，并把控制權(quán)交給該作業(yè)，當該作業(yè)處理完后，再由監(jiān)督程序把第二個作業(yè)輸入內(nèi)存,.,12,1.2.2簡單批處理系統(tǒng)的不足,用戶不能與其作業(yè)交互以捕捉程序中的問題。用戶一旦提交作業(yè)就失去了對其運行的控制能力，用戶程序中的所有問題必須事先安排好。安全問題：有意或無意地讀取他人的卡片。建立監(jiān)控和用戶兩種操作態(tài)，使其只有在監(jiān)控態(tài)下才能讀控制卡。通過建立一組僅能在監(jiān)控態(tài)下執(zhí)行的特權(quán)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)。系統(tǒng)利用率還需改進P6圖1.5的例子：讀/寫記錄：1.5msCPU執(zhí)行：0.1ms改進思路：多個程序穿插進行,.,13,1.2.3多道程序批處理系統(tǒng),多道程序設(shè)計技術(shù)：在內(nèi)存中同時保持若干道程序，系統(tǒng)按某種調(diào)度策略交替執(zhí)行這些程序，使CPU保持最少的空閑時間。交替執(zhí)行：已開始運行且尚未結(jié)束的程序，它們交替運行，共享系統(tǒng)中的各種硬、軟資源。在批處理中采用多道程序設(shè)計技術(shù)，就形成了多道批處理系統(tǒng)。,.,14,.,15,為了說明多道程序的優(yōu)點，再來參考Turner提出的例子：某計算機系統(tǒng)，有256KB的主存(不包含操作系統(tǒng))，一個磁盤，一個終端和一臺打印機。同時提交的三個作業(yè)分別命名為JOB1、JOB2、JOB3。,對于簡單批處理情況，這些作業(yè)將按順序執(zhí)行：JOB1運行5min完成，JOB2在等待5min后，運行15min完成，JOB3在等待20min后開始執(zhí)行。三個作業(yè)全部完成需要30min(這三個作業(yè)是一批)。,.,16,采用多道程序設(shè)計技術(shù)，可讓這三個作業(yè)并行運行。由于它們運行中幾乎不同時使用同一資源，所以三個作業(yè)可同時運行：JOB1在進行數(shù)據(jù)處理的同時，JOB2在終端上進行作業(yè)輸入，JOB3在使用磁盤和打印機。因此，JOB1只需5min完成，JOB2需15min完成，JOB3需10min完成。這樣三個作業(yè)全部完成的時間只需15min，顯然系統(tǒng)處理效率明顯提高。,.,17,系統(tǒng)的吞吐量指單位時間內(nèi)系統(tǒng)所處理的作業(yè)個數(shù)，周轉(zhuǎn)時間是指從作業(yè)進入系統(tǒng)到作業(yè)完成退出系統(tǒng)所用的時間，平均周轉(zhuǎn)時間是指同時參與系統(tǒng)運行的幾個作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間的平均值,.,18,多道程序設(shè)計的特點,多道：計算機內(nèi)存中同時存放多道相互獨立的程序。宏觀上并發(fā)執(zhí)行：同時進入系統(tǒng)的幾道程序都處于運行狀態(tài)，但都未運行結(jié)束。微觀上串行運行：各作業(yè)交替使用CPU主要優(yōu)點：通過將用戶的CPU請求和I/O請求重疊起來，以此來提高CPU的利用率。,.,19,多道程序設(shè)計技術(shù)的要求,Memorymanagement(存儲管理)系統(tǒng)必須為若干作業(yè)分派空間CPUscheduling(CPU調(diào)度)系統(tǒng)必須在就緒作業(yè)中挑選Allocationofdevices(設(shè)備分配)Security安全管理,.,20,多道程序設(shè)計的不足,多道程序設(shè)計提高了系統(tǒng)利用率但沒有解決用戶不能與其作業(yè)交互,.,21,1.2.4分時系統(tǒng),分時操作系統(tǒng)：是一種聯(lián)機的多用戶交互式的操作系統(tǒng)。一般采用時間片輪轉(zhuǎn)的方式，使一臺計算機為多個終端服務(wù)。對每個用戶能保證足夠快的響應(yīng)時間，并提供交互會話能力。時間片：是把計算機的系統(tǒng)資源（尤其是CPU時間）進行時間上的分割，每個時間段稱為一個時間片，每個用戶依次輪流使用時間片。,.,22,分時系統(tǒng)的特征,多路性：多用戶同時在各自終端上使用同一CPU。交互性：用戶與系統(tǒng)進行人機對話。獨立性：用戶可彼此獨立操作，互不干擾，互不混淆。及時性：用戶在短時間內(nèi)可得到系統(tǒng)的及時回答。,.,23,分時系統(tǒng)的要求,需要應(yīng)對競爭、通訊、死鎖、安全保護等一系列的新問題,.,24,1.2.5實時系統(tǒng),計算機不但廣泛使用于科學計算和數(shù)據(jù)處理，也廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中的自動控制、實驗室中的實驗過程控制、導(dǎo)彈發(fā)射的控制、票證預(yù)訂管理等方面，通常我們稱之為實時控制?！皩崟r”，是指對隨機發(fā)生的外部事件，作出及時的響應(yīng)并對其進行處理，不然就有可能發(fā)生事故或災(zāi)難。這些隨機發(fā)生的外部事件，并非由于人來啟動和直接干預(yù)而引起的。實時系統(tǒng)就是以此種方式工作的控制和管理系統(tǒng)。,.,25,1.2.5實時系統(tǒng),實時系統(tǒng)是能夠在事先指定或確定的時間內(nèi)，完成系統(tǒng)功能，和對外部（內(nèi)部）、同步（異步）的事件作出響應(yīng)的系統(tǒng)?！笆录?，是指與計算機相連接的設(shè)備向計算機發(fā)出的各種服務(wù)請求。實時系統(tǒng)的正確性，不僅依賴計算的邏輯結(jié)果，也依賴結(jié)果產(chǎn)生的時間。,.,26,1.2.5實時系統(tǒng),實時操作系統(tǒng)主要是為聯(lián)機實時任務(wù)服務(wù)的，相比分時系統(tǒng)它有其自身的特點：(1)與分時系統(tǒng)一樣具有多路性和獨立性。(2)對外部實時信號必須能及時響應(yīng)，響應(yīng)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)中某些特定的專用服務(wù)程序。(5)要求有高可靠性和安全性，系統(tǒng)的效率則放在第二位。,.,27,1.2.5網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)：將計算機互聯(lián)起來，實現(xiàn)通信和相互合作。網(wǎng)絡(luò)OS：為網(wǎng)絡(luò)用戶提供各種服務(wù)的軟件和協(xié)議的集合。三種模式：集中客戶/服務(wù)器對等(PeertoPeer),.,28,1.2.7分布式操作系統(tǒng),分布式計算機系統(tǒng)多個分散的計算機，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接而成的系統(tǒng),分布（Distribution）技術(shù)將某組件分割為多個部分，分散到系統(tǒng)中,.,29,1.2.7分布式操作系統(tǒng),通常用來管理多處理器或者同構(gòu)多處理機，其主要目的是隱藏硬件細節(jié)，管理硬件資源，提供系統(tǒng)接口，使得并發(fā)進程能夠共享系統(tǒng)資源,.,30,1.2.8嵌入式操作系統(tǒng),運行在設(shè)備、裝置、系統(tǒng)中，對整個系統(tǒng)及所有操作部件、裝置等資源進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、處理、指揮和控制的計算機系統(tǒng)軟件實時高效、與硬件相關(guān)依賴、軟件固化、專用例如：在“勇氣號”（2004年1月）、“極地登陸者”號，“深空二號”和火星氣候軌道器等登陸火星探測器上，就采用了VxWorksVxWorks負責火星探測器全部飛行控制，包括飛行糾正、載體自旋和降落時的高度控制等，而且還負責數(shù)據(jù)收集和與地球的通信工作,.,31,當代操作系統(tǒng)的特征,并發(fā)：指兩個或兩個以上事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。（區(qū)別“并行”：兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生，多指硬件支持）,異步性：指內(nèi)存中的多個進程均按照各自獨立的、不可預(yù)知的速度向前推進。,虛擬：指物理上的一個實體變成邏輯上的多個對應(yīng)物。,共享：指系統(tǒng)中硬件和軟件資源可為多個用戶同時使用（互斥共享、同時訪問）。,.,32,小結(jié),1.1OS的作用管理資源、硬件與程序(組織程序流程)和用戶(方便使用)的界面1.2OS的演變無操作系統(tǒng)（串行處理/人工操作）批處理系統(tǒng)：簡單批處理和多道程序批處理分時系統(tǒng)、實時系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)OS、分布式OS、嵌入式OS,.,33,1.3操作系統(tǒng)的主要成就,成就：進程、內(nèi)存管理、信息的保護與安全性、調(diào)度與資源管理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,.,34,1.3.1進程,進程就是：可并發(fā)執(zhí)行的程序,在一個數(shù)據(jù)集合上的運行過程。是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。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(guān)數(shù)據(jù)(變量、工作空間，緩沖區(qū)等)；該程序的執(zhí)行上下文(Context)。,.,35,1.3.1進程,典型的進程實現(xiàn),.,36,1.3.2存儲管理,操作系統(tǒng)的5條存儲管理原則：進程隔離。自動分配和管理。支持組件編程。長時間存儲。保護和存取控制。,.,37,1.3.2存儲管理,(b)操作系統(tǒng)設(shè)計者觀點,(a)用戶觀點,.,38,1.3.3信息保護和安全性,與計算機系統(tǒng)和存儲在其中的信息的存取控制有關(guān)的4種保護策略：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?。,.,39,1.3.3信息保護和安全性,與操作系統(tǒng)有關(guān)的安全和保護工作可分為以下3類：訪問控制。信息流控制。確認。,.,40,1.3.4調(diào)度和資源管理,操作系統(tǒng)的核心任務(wù)之一，就是管理各種可獲得的資源，以及合理地調(diào)度它們。任何資源分配和調(diào)度策略，都必須考慮公平性、不同敏感性（優(yōu)先級）效率。,.,41,1.3.5系統(tǒng)結(jié)構(gòu),隨著操作系統(tǒng)性能的增強，以及基礎(chǔ)硬件復(fù)雜性的增加，操作系統(tǒng)的大小和復(fù)雜性也不斷增加，這就導(dǎo)致了許多問題。為了有效管理系統(tǒng)資源和控制操作系統(tǒng)的復(fù)雜性，人們開始極大地重視操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。對大型操作系統(tǒng)，僅僅組件化編程還是不夠的，現(xiàn)在越來越多地用到體系結(jié)構(gòu)分層和信息抽象技術(shù)。,.,42,1.4操作系統(tǒng)舉例,W