計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課件操作系統(tǒng)

1、1操作系統(tǒng)基礎(chǔ)信息與通信工程學(xué)院 吳振宇 2本章內(nèi)容現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都要安裝操作系統(tǒng)才能使用未安裝操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)叫裸機(jī)安裝了操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)叫虛擬機(jī)或擴(kuò)展機(jī)操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)原理微機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)用技術(shù)常見(jiàn)操作系統(tǒng)34.1 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的定義 管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源并且方便用戶使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的一組基本程序，是計(jì)算機(jī)與用戶的界面/接口 （interface）界面一般有兩種方式：文本界面GUI界面44.1 操作系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源54.1 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)與其他資源的關(guān)系操作系統(tǒng)的發(fā)展手工階段批處理操作階段分時(shí)系統(tǒng)現(xiàn)代操作系統(tǒng)64.1 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的發(fā)展手工階段：第一代電子計(jì)算機(jī)，

2、作業(yè)、紙帶/卡片機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)程序程序和操作數(shù)據(jù)在紙帶或卡片上打孔將紙帶或卡片送入輸入機(jī)計(jì)算機(jī)執(zhí)行作業(yè)輸出到打印機(jī)手工操作資源獨(dú)占手工用時(shí)比例不大74.1 操作系統(tǒng)概述第二階段：批處理操作階段手工操作的慢速度和計(jì)算機(jī)運(yùn)算的高速度之間形成了一對(duì)矛盾，即所謂人機(jī)矛盾只有設(shè)法去掉人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)的自動(dòng)過(guò)渡，這樣就出現(xiàn)了“成批處理 ”專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)操作員CPU可運(yùn)行監(jiān)督程序控制作業(yè)的輸入、處理和輸出，減少了人工干預(yù)可分為聯(lián)機(jī)批處理和脫機(jī)批處理84.1 操作系統(tǒng)概述聯(lián)機(jī)批處理的特點(diǎn)：作業(yè)的輸入輸出是聯(lián)機(jī)的 作業(yè)從輸入設(shè)備到磁帶，由磁帶調(diào)入內(nèi)存，以及結(jié)果的輸出打印都是由中央處理機(jī)CPU直接控制的。CPU使用

3、效率低。 隨著處理機(jī)速度的不斷提高，處理機(jī)和輸入輸出設(shè)備之間的速度差距就形成了尖銳的矛盾。94.1 操作系統(tǒng)概述脫機(jī)批處理由主機(jī)和衛(wèi)星機(jī)組成。衛(wèi)星機(jī)又稱外圍計(jì)算機(jī)，它不與主機(jī)直接連接，只與外部設(shè)備打交道。脫機(jī)批處理系統(tǒng)的特點(diǎn)主機(jī)擺脫了慢速的輸入輸出工作，可以較充分地發(fā)揮高速計(jì)算能力主機(jī)和衛(wèi)星機(jī)可以并行操作，系統(tǒng)的處理能力大幅度提高存在缺陷： a)衛(wèi)星機(jī)和主機(jī)之間的磁帶裝卸仍需人工完成 b)操作員需要監(jiān)督其狀態(tài)信息 c) 系統(tǒng)沒(méi)有任何保護(hù)自身的措施4.1 操作系統(tǒng)概述脫機(jī)批處理系統(tǒng)10作業(yè)114.1 操作系統(tǒng)概述批處理階段的技術(shù)為了解決脫機(jī)批處理的問(wèn)題（監(jiān)督保護(hù)），兩大硬件技術(shù)基礎(chǔ)：通道和中斷通

4、道：一種硬件，可以接替CPU控制輸入輸出以及與CPU的通信中斷：可以隨時(shí)通知CPU外部設(shè)備的準(zhǔn)備情況，使系統(tǒng)能暫時(shí)中止正在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)向中斷處理程序，一定條件下再恢復(fù)被中止運(yùn)行的程序各種中斷程序及負(fù)責(zé)輸入輸出的控制程序統(tǒng)稱執(zhí)行系統(tǒng)常駐內(nèi)存節(jié)省衛(wèi)星機(jī)；支持主機(jī)和通道、主機(jī)和外設(shè)并行操作；用戶無(wú)法直接啟用輸入輸出，由執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，會(huì)檢查其命令的安全性124.1 操作系統(tǒng)概述多道批處理單道批處理不能完全消除對(duì)輸入輸出的等待多道程序設(shè)計(jì)在批處理系統(tǒng)中采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，形成了多道批處理系統(tǒng)。134.1 操作系統(tǒng)概述第三階段：分時(shí)系統(tǒng)批處理，用戶干預(yù)性差如何讓用戶感覺(jué)自己獨(dú)占并控制自己的作業(yè)或任務(wù)的

5、執(zhí)行？分時(shí)技術(shù)的提出分時(shí)技術(shù)，就是把處理機(jī)的運(yùn)行時(shí)間分成若干很短的時(shí)間片，將多個(gè)用戶任務(wù)輪流分配給各個(gè)時(shí)間片144.1 操作系統(tǒng)概述分時(shí)系統(tǒng)為每個(gè)主機(jī)連接若干終端設(shè)備，每個(gè)用戶在自己的終端上聯(lián)機(jī)使用主機(jī)系統(tǒng)，好像是自己獨(dú)占了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。多道程序和分時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)，標(biāo)志著現(xiàn)代操作系統(tǒng)的正式形成154.1 操作系統(tǒng)概述現(xiàn)代操作系統(tǒng)：1具有較強(qiáng)的分布式處理能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力；2具有更高的安全性和可靠性；3更加符合開(kāi)放性模型；4具有更加友好的用戶界面；5出現(xiàn)了各種適合于不同具體應(yīng)用環(huán)境的操作系統(tǒng)，如手機(jī)上的操作系統(tǒng)等。164.1 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的特性總結(jié)并發(fā)性共享性不確定性與體系結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合（如廣

6、泛使用的馮諾依曼機(jī)）174.1 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的功能簡(jiǎn)言之：管理和控制計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源并為用戶提供交互界面一般來(lái)說(shuō)，有：處理器管理存儲(chǔ)器管理文件管理設(shè)備管理作業(yè)管理更深入的研究-操作系統(tǒng)課程184.1 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的組成文本界面GUI界面194.1 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的分類(lèi)按作業(yè)處理方式進(jìn)行分類(lèi)：批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)按同時(shí)使用操作系統(tǒng)的用戶分類(lèi)：?jiǎn)斡脩舨僮飨到y(tǒng)、多用戶操作系統(tǒng)按應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)：專(zhuān)用操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、微機(jī)(桌面)操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)204.1 操作系統(tǒng)概述按作業(yè)處理方式分類(lèi)（1）批處理操作系統(tǒng)（2）分時(shí)操作系統(tǒng)，如UN

7、IX、Windows（3）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)信息處理兩個(gè)方面，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程控制、軍事指揮、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是提供即時(shí)響應(yīng)，響應(yīng)快，安全可靠，資源利用率較低214.1 操作系統(tǒng)概述按同時(shí)使用的用戶數(shù)目分類(lèi)單用戶操作系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)，只能有一個(gè)用戶可以使用計(jì)算機(jī)的所有資源。MS-DOS、Windows 98、Windows 2000 Professional多用戶操作系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同時(shí)允許多個(gè)用戶通過(guò)自己的終端登陸計(jì)算機(jī)來(lái)使用計(jì)算機(jī)的各種資源。多用戶操作系統(tǒng)一般都是分時(shí)操作系統(tǒng)，而分時(shí)操作系統(tǒng)不一定是多用戶操作系統(tǒng)。如UNIX、Windows

8、 NT Server、Windows 2000 Server224.1 操作系統(tǒng)概述按應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)專(zhuān)用操作系統(tǒng)，應(yīng)用于大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)等的OS網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。提供豐富的通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并且支持多用戶特性。Novell Netware、Microsoft Windows NT家族、Unix/Linux家族。微型機(jī)的操作系統(tǒng)使用得很多，熟知。嵌入式操作系統(tǒng)（EOS，Embedded Operating System）。一般具有精小而高效的內(nèi)核，專(zhuān)為某些特定任務(wù)而設(shè)計(jì)。分布式操作系統(tǒng)。利用網(wǎng)絡(luò)中眾多計(jì)算機(jī)提供的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源，將用戶的計(jì)算任務(wù)按某種策略分散到網(wǎng)絡(luò)中的若干計(jì)算機(jī)結(jié)點(diǎn)上并行處

9、理，以加快計(jì)算速度，如Amoeba、Mach、Chorus和DCE操作系統(tǒng)等。23OSCPU4.2 操作系統(tǒng)主要功能輸入設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器存儲(chǔ)器控制器磁盤(pán)用戶界面接口操作系統(tǒng)的職能是合理組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作流程，有效地管理系統(tǒng)全部資源，并為用戶提供一個(gè)良好的工作環(huán)境和有好的接口處理器管理存儲(chǔ)器管理作業(yè)管理設(shè)備管理文件管理244.2 操作系統(tǒng)主要功能處理器管理目的有效地、合理地分配CPU的資源進(jìn)程引入操作系統(tǒng)并發(fā)和共享特性：同時(shí)處理系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)以上正在執(zhí)行的“程序”程序的并發(fā)性：一組在邏輯上互相獨(dú)立的程序在執(zhí)行過(guò)程中其執(zhí)行時(shí)間在客觀上互相重疊程序是靜態(tài)概念，不足以體現(xiàn)并發(fā)、執(zhí)行等動(dòng)態(tài)含義進(jìn)程就是能

10、和其他程序并發(fā)執(zhí)行的程序段在某個(gè)數(shù)據(jù)集上的一次執(zhí)行過(guò)程。 （執(zhí)行中的程序）進(jìn)程是可以獨(dú)立擁有資源的單位進(jìn)程是可以獨(dú)立調(diào)度的基本單位 處理器管理254.2 操作系統(tǒng)主要功能進(jìn)程與程序的關(guān)系可簡(jiǎn)述如下：（1）進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)概念，而程序則是一個(gè)靜態(tài)概念。程序是指令的有序集合。而進(jìn)程則強(qiáng)調(diào)執(zhí)行的過(guò)程，它動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建，并被調(diào)度執(zhí)行后消亡。（2）進(jìn)程具有并發(fā)特性，而程序沒(méi)有。在不考慮資源共享的情況下，各進(jìn)程的執(zhí)行是獨(dú)立的，各進(jìn)程的執(zhí)行速度也各不相同。（3）進(jìn)程是競(jìng)爭(zhēng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的基本單位，是系統(tǒng)中獨(dú)立存在的實(shí)體。（4）進(jìn)程的存在必然需要程序的存在，但兩者并非一一對(duì)應(yīng)。程序是進(jìn)程的組成部分，多個(gè)進(jìn)程可以包含

11、同一程序，只要該程序所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集不同。而未被執(zhí)行的程序不對(duì)應(yīng)任何進(jìn)程。264.2 操作系統(tǒng)主要功能進(jìn)程與作業(yè)的關(guān)系（1）作業(yè)是用戶需要計(jì)算機(jī)完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)要求計(jì)算機(jī)所做工作的集合，是用戶向計(jì)算機(jī)提交任務(wù)的任務(wù)實(shí)體。在用戶向計(jì)算機(jī)提交作業(yè)之后，系統(tǒng)將它放入外存中的作業(yè)等待隊(duì)列中等待執(zhí)行。而進(jìn)程是完成用戶任務(wù)的執(zhí)行實(shí)體，是向系統(tǒng)申請(qǐng)分配資源的基本單位，只要它被創(chuàng)建，總有相應(yīng)的部分存放在內(nèi)存中。（2）一個(gè)作業(yè)可以由多個(gè)進(jìn)程組成，且至少有一個(gè)進(jìn)程。反之則不成立。（3）作業(yè)的概念應(yīng)用范圍較小，一般多用于批處理系統(tǒng)中。而進(jìn)程的概念范圍較大，幾乎在所有的多道系統(tǒng)中都使用。 274.2 操作系統(tǒng)主要功能進(jìn)程

12、的描述系統(tǒng)中描述進(jìn)程存在和反映其狀態(tài)變化的物理實(shí)體稱之為進(jìn)程的靜態(tài)描述。進(jìn)程的靜態(tài)描述主要包含進(jìn)程控制塊（PCB, Process Control Block）、有關(guān)程序段以及程序段進(jìn)行操作的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)集三部分。 284.2 操作系統(tǒng)主要功能進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程從建立到撤銷(xiāo)，整個(gè)處理過(guò)程可能會(huì)處于不同的狀態(tài)。在進(jìn)程的生命期內(nèi)，一個(gè)進(jìn)程至少有三個(gè)基本狀態(tài)：執(zhí)行狀態(tài)、等待狀態(tài)和就緒狀態(tài)294.2 操作系統(tǒng)主要功能進(jìn)程控制：操作系統(tǒng)使用一些具有特定功能的程序段來(lái)創(chuàng)建、撤銷(xiāo)進(jìn)程，以及完成進(jìn)程各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到多個(gè)進(jìn)程高效率的并發(fā)執(zhí)行和相互協(xié)調(diào)、實(shí)現(xiàn)資源共享的目的進(jìn)程創(chuàng)建、撤銷(xiāo)、阻塞、喚醒進(jìn)程互斥與同步進(jìn)程通信進(jìn)程調(diào)度 304.2 操作系統(tǒng)主要功能線程引入 線程是為了提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率，減少處理機(jī)的空轉(zhuǎn)時(shí)間和調(diào)度切換時(shí)間而引入的，是進(jìn)程內(nèi)的基本調(diào)度單位。進(jìn)程內(nèi)的多個(gè)線程共享這個(gè)進(jìn)程的資源，多個(gè)線程在切換時(shí)不