ch1-1.1操作系統(tǒng)概觀

操作系統(tǒng)教程(第4版)

第一章操作系統(tǒng)概論

高等教育出版社出版第一章操作系統(tǒng)概論1.1操作系統(tǒng)概觀1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.3操作系統(tǒng)提供的服務(wù)和用戶接口1.4操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模型

1.5流行操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.1操作系統(tǒng)概觀1.1.1操作系統(tǒng)的定義和目標(biāo)1.1.2操作系統(tǒng)的資源管理技術(shù)1.1.3操作系統(tǒng)的作用與功能1.1.4操作系統(tǒng)的主要特性1.1.1操作系統(tǒng)的定義和目標(biāo)

操作系統(tǒng)是管理系統(tǒng)資源、控制程序執(zhí)行、改善人機(jī)界面、提供各種服務(wù)，合理組織計(jì)算機(jī)工作流程和為用戶有效使用計(jì)算機(jī)提供良好運(yùn)行環(huán)境的最基本的一種系統(tǒng)軟件。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)(1)

財(cái)務(wù)系統(tǒng)航空訂票上網(wǎng)瀏覽電子商務(wù)科學(xué)計(jì)算(應(yīng)用軟件)編譯程序匯編程序數(shù)據(jù)庫(kù)(支撐軟件)操作系統(tǒng)(系統(tǒng)軟件)操作系統(tǒng)(系統(tǒng)軟件)計(jì)算機(jī)硬件………用戶n用戶4用戶3用戶2用戶1實(shí)用程序計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)(2)

硬件層操作系統(tǒng)層支撐軟件層應(yīng)用軟件層操作系統(tǒng)與支撐軟件及應(yīng)用軟件的區(qū)別

程序意圖不同；操作系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的核心，是各種軟件的基礎(chǔ)運(yùn)行平臺(tái)；通用操作系統(tǒng)提供共性功能支持，與硬件相關(guān)，但和應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)關(guān)；支撐軟件及應(yīng)用軟件，不能直接、而只能通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物理資源。操作系統(tǒng)的主要目標(biāo)方便用戶使用擴(kuò)大機(jī)器功能管理系統(tǒng)資源提高系統(tǒng)效率構(gòu)筑開(kāi)放環(huán)境

1.1.2操作系統(tǒng)的資源管理技術(shù)資源復(fù)用(解決物理資源數(shù)量不足

)資源虛化(解決物理資源數(shù)量不足

，提高服務(wù)的能力和水平)資源抽象

(處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，解決資源的易用性)

資源管理技術(shù)1)資源復(fù)用

(1)空分復(fù)用共享。該資源可進(jìn)一步分割成更多和更小的單位供進(jìn)程使用。(2)時(shí)分復(fù)用共享。并不把資源進(jìn)一步分割成更小的單位，進(jìn)程可在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)獨(dú)占使用整個(gè)物理資源。2)資源虛化

是對(duì)資源進(jìn)行轉(zhuǎn)化、模擬或整合，把物理上的一個(gè)資源變成邏輯上的多個(gè)對(duì)應(yīng)物的一類技術(shù)。

虛化的例子：虛擬設(shè)備、虛擬存儲(chǔ)器、虛擬屏幕(終端)、虛擬信道

。3)資源抽象資源抽象用于處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，重點(diǎn)解決資源的易用性。資源抽象指通過(guò)創(chuàng)建軟件來(lái)屏蔽硬件資源物理特性和接口細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)化對(duì)硬件資源的操作、控制和使用的一類技術(shù)。

單級(jí)資源抽象與多級(jí)資源抽象。4)組合使用抽象和虛化技術(shù)對(duì)于一類資源，操作系統(tǒng)往往同時(shí)實(shí)施抽象和虛化技術(shù)。例1，為打印機(jī)既配置“打印函數(shù)”(設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序)，又實(shí)施虛擬設(shè)備，通過(guò)打印函數(shù)抽象隱蔽打印機(jī)動(dòng)作細(xì)節(jié)，實(shí)施SPOOLing虛化“擴(kuò)充”物理打印機(jī)數(shù)量。例2，窗口軟件是對(duì)物理終端的虛化和抽象，能為用戶提供虛擬終端和方便的I/O服務(wù)。2操作系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的抽象進(jìn)程抽象--是對(duì)已進(jìn)入主存正在運(yùn)行的程序在處理器上操作的狀態(tài)集的抽象。虛存抽象--是對(duì)物理主存的抽象，進(jìn)程可獲得一個(gè)碩大的連續(xù)地址空間來(lái)存放可執(zhí)行程序和數(shù)據(jù)，可使用虛擬地址來(lái)引用物理主存單元。文件抽象--是對(duì)磁盤(pán)之類存儲(chǔ)設(shè)備的抽象。文件抽象是操作系統(tǒng)對(duì)磁盤(pán)設(shè)備的多層次抽象

第一層抽象，從磁盤(pán)到分區(qū)。第二層抽象，從分區(qū)到扇區(qū)。第三層抽象，從扇區(qū)到簇。第四層抽象，從簇到文件系統(tǒng)和文件。操作系統(tǒng)最基礎(chǔ)抽象小結(jié)

文件抽象虛存抽象進(jìn)程抽象處理器主存設(shè)備3虛擬計(jì)算機(jī)(1)什么是虛擬計(jì)算機(jī)?什么是操作系統(tǒng)虛擬機(jī)?操作系統(tǒng)虛擬機(jī)的組成：

1)虛處理器

2)虛擬主存

3)虛擬輔存

4)虛擬設(shè)備虛擬計(jì)算機(jī)(2)操作系統(tǒng)資源管理(復(fù)用、虛化、抽象)處II主輔理//器OO

設(shè)設(shè)存存?zhèn)鋫?/p>

物理計(jì)算機(jī)

虛虛虛虛處主輔設(shè)理存存?zhèn)淦?/p>

虛擬機(jī)n

進(jìn)程

Pn時(shí)分復(fù)用共享空分復(fù)用共享…虛虛虛虛處主輔設(shè)理存存?zhèn)淦?/p>

虛擬機(jī)1

進(jìn)程

P1

1.1.3操作系統(tǒng)的作用與功能

操作系統(tǒng)的作用

OS作為用戶接口和服務(wù)提供者

OS作為程序執(zhí)行的管理者和協(xié)調(diào)者

OS作為作為擴(kuò)展機(jī)或虛擬機(jī)

OS作為資源管理者和控制者OS作為用戶接口和服務(wù)提供者操作系統(tǒng)提供友善的人機(jī)接口，使得用戶能夠方便、可靠、安全、高效地使用硬件和運(yùn)行應(yīng)用程序；操作系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行改造和擴(kuò)充，為用戶提供強(qiáng)有力的各種服務(wù)。OS作為程序執(zhí)行的控制者和協(xié)調(diào)者引入進(jìn)程概念，支持程序執(zhí)行，以進(jìn)程方式組織用戶使用計(jì)算機(jī)。以進(jìn)程機(jī)制，統(tǒng)一調(diào)度系統(tǒng)資源，控制程序協(xié)調(diào)執(zhí)行。協(xié)調(diào)并發(fā)程序的資源競(jìng)爭(zhēng)性使用，解決同步、通信和死鎖等問(wèn)題，支持多道程序。OS作為擴(kuò)展機(jī)或虛擬機(jī)在計(jì)算機(jī)裸機(jī)上加上操作系統(tǒng)來(lái)組成整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)把硬件的復(fù)雜性與用戶隔離開(kāi)來(lái)，操作系統(tǒng)與硬件組成一臺(tái)功能顯著增強(qiáng)，使用更加方便，安全可靠性更好的擴(kuò)展機(jī)器或虛擬機(jī)。OS既是“管理員”，又是“服務(wù)員”

對(duì)內(nèi)作為“管理員”，做好計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件資源的管理、控制與調(diào)度，提高系統(tǒng)效率和資源利用率；對(duì)外作為“服務(wù)員”，是用戶與硬件的接口和人機(jī)界面，為用戶提供最友善的運(yùn)行環(huán)境和最佳的服務(wù)；操作系統(tǒng)在管理好資源的基礎(chǔ)上，向外提供強(qiáng)有力的服務(wù)，所以，資源管理是操作系統(tǒng)的一項(xiàng)主要任務(wù)。操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者(1)

操作系統(tǒng)中，能分配給用戶使用的硬件和軟件設(shè)施總稱為資源，包括兩類：硬件資源和信息資源。硬件資源又分：處理器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備等；信息資源又分：程序和數(shù)據(jù)等。操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的

資源管理者(2)

也可把操作系統(tǒng)定義為：是能使諸用戶有效、方便地共享一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的一種系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的

資源管理者(3)

操作系統(tǒng)的重要任務(wù)之一(1)

對(duì)資源進(jìn)行抽象研究，找出各種資源共性和個(gè)性，有序地管理計(jì)算機(jī)中的硬件、軟件資源，跟蹤資源使用情況，監(jiān)視資源的狀態(tài)，滿足用戶對(duì)資源的需求，協(xié)調(diào)各程序?qū)Y源的使用沖突；操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的

資源管理者(4)

操作系統(tǒng)的重要任務(wù)之一(2)

研究使用資源的統(tǒng)一方法，讓用戶簡(jiǎn)單、有效的使用資源，最大限度地實(shí)現(xiàn)各類資源的共享，提高資源利用率，從而，使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率有很大提高。

操作系統(tǒng)的功能

處理機(jī)管理存儲(chǔ)管理設(shè)備管理文件管理處理機(jī)管理

(1)進(jìn)程控制和管理；(2)進(jìn)程同步和互斥；(3)進(jìn)程通信；(4)進(jìn)程死鎖；(5)線程控制和管理；(6)處理器調(diào)度，又分高級(jí)調(diào)度、中級(jí)調(diào)度和低級(jí)調(diào)度。存儲(chǔ)管理

(1)主存分配；(2)地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)；(3)主存共享；(4)存儲(chǔ)擴(kuò)充。設(shè)備管理(1)提供設(shè)備中斷處理；(2)提供緩沖區(qū)管理；(3)提供設(shè)備抽象(驅(qū)動(dòng)程序)，實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備到物理設(shè)備之間的映射；(4)實(shí)現(xiàn)共享型設(shè)備的驅(qū)動(dòng)調(diào)度；(5)設(shè)備的分配和回收；設(shè)備獨(dú)立性(6)實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備。文件管理(1)提供文件的邏輯組織方法；(2)提供文件的物理組織方法；(3)提供文件的存取和使用方法；(4)實(shí)現(xiàn)文件的目錄管理；(5)實(shí)現(xiàn)文件的共享和安全性控制；(6)實(shí)現(xiàn)文件的存儲(chǔ)空間管理。1.1.4操作系統(tǒng)的主要特性

第一個(gè)特性--并發(fā)性第二個(gè)特性--共享性第三個(gè)特性--異步性

操作系統(tǒng)中的并發(fā)性(1)

并發(fā)性指兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件或活動(dòng)在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生發(fā)揮并發(fā)性能夠消除系統(tǒng)中部件和部件之間的相互等待，有效地改善系統(tǒng)資源的利用率，改進(jìn)系統(tǒng)的吞吐率，提高系統(tǒng)效率

并發(fā)性使系統(tǒng)變得復(fù)雜化

如何從一個(gè)活動(dòng)切換到另一個(gè)活動(dòng)？如何保證每個(gè)活動(dòng)的資源不被其它進(jìn)程侵犯?怎樣將各個(gè)活動(dòng)隔離開(kāi)來(lái)，使之互不干擾，免遭對(duì)方破壞？怎樣讓多個(gè)活動(dòng)協(xié)作完成任務(wù)？怎樣協(xié)調(diào)多個(gè)活動(dòng)對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)？多個(gè)活動(dòng)共享文件數(shù)據(jù)時(shí)，如何保證數(shù)據(jù)的一致性？操作系統(tǒng)中的并發(fā)性(2)操作系統(tǒng)中的并發(fā)性(3)采用并發(fā)技術(shù)的系統(tǒng)稱多任務(wù)系統(tǒng)并發(fā)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)物理CPU(也可以多個(gè)物理CPU)在若干道程序之間多路復(fù)用，并發(fā)性是對(duì)有限物理資源強(qiáng)制行使多用戶共享以提高效率。結(jié)論：實(shí)現(xiàn)并發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵之一是如何對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)活動(dòng)(進(jìn)程)進(jìn)行切換的技術(shù)

操作系統(tǒng)中的并發(fā)性(4)

?并行性指兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件或活動(dòng)在同一時(shí)刻發(fā)生。

?并行的事件或活動(dòng)一定是并發(fā)的，但反之并發(fā)的事件或活動(dòng)未必是并行的。

?并行性是并發(fā)性的特例，而并發(fā)性是并行性的擴(kuò)展。操作系統(tǒng)中的共享性

共享指操作系統(tǒng)中的資源可被多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程所使用：透明資源共享：資源隔離與授權(quán)訪問(wèn)

顯式資源共享：臨界資源與獨(dú)占訪問(wèn)與共享性有關(guān)的問(wèn)題:資源分配、信息保護(hù)、存取控制等，必須要妥善解決好。操作系統(tǒng)中的異步性(1)

操作系統(tǒng)中的異步性處處可見(jiàn)：(1)進(jìn)程何時(shí)執(zhí)行？何時(shí)暫停？怎樣的速度向前推進(jìn)？都是異步(隨機(jī))的