第一章操作系統(tǒng)引論(第1、2、3講)

計算機(jī)操作系統(tǒng)計算機(jī)與信息學(xué)院晁妍2/6/20231阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院成績評定作業(yè)+實驗報告：20%期末考試：70%上課出勤率及回答問題：10%

學(xué)習(xí)建議要牢記概念要理解功能要聯(lián)系實際要前后貫通2/6/20232阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院第一章操作系統(tǒng)引論1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3操作系統(tǒng)的基本特征1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計2/6/20233阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用管理信息系統(tǒng)、飛機(jī)訂票系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、CAD系統(tǒng)、數(shù)字計算機(jī)軟件包等…測試工具、編程工具、項目管理工具、DFD編輯器、語言轉(zhuǎn)換工具、界面測試工具等…語言編譯程序、連續(xù)裝配程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件…操作系統(tǒng)計算機(jī)硬件應(yīng)用軟件支撐軟件用戶用戶用戶用戶···系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)是在硬件基礎(chǔ)上的第一層軟件操作系統(tǒng)是其他軟件和硬件之間的接口2/6/20234阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)有效性(系統(tǒng)管理人員的觀點)：合理地組織計算機(jī)的工作流程，管理和分配硬件、軟件資源，提高資源的利用率;提高系統(tǒng)的吞吐量。方便性(用戶的觀點)：使計算機(jī)系統(tǒng)更易于使用?？蓴U(kuò)充性(開放的觀點)：給計算機(jī)系統(tǒng)的功能的擴(kuò)展提供開放式的支撐平臺。開放性：可移植性和互操作性其中有效性和方便性是設(shè)計OS時最重要的兩個目標(biāo)，設(shè)計現(xiàn)代OS的主要目標(biāo)也是對提高資源利用率和方便用戶。2/6/20235阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院1.1.2操作系統(tǒng)的作用1.OS作為用戶與計算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口

使用方式命令方式系統(tǒng)調(diào)用方式圖形、窗口方式用戶應(yīng)用程序系統(tǒng)調(diào)用命令圖形、窗口操作系統(tǒng)計算機(jī)硬件2/6/20236阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院2.OS作為計算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者

CPU處理器管理內(nèi)存+外存存儲器管理設(shè)備I/O設(shè)備管理信息(數(shù)據(jù)和程序)文件管理1.1.2操作系統(tǒng)的作用資源主要功能2/6/20237阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院OS實現(xiàn)了對計算機(jī)資源的抽象

OS是鋪設(shè)在裸機(jī)上的多層軟件，它不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能，而且還隱藏了對硬件操作的細(xì)節(jié)，從而實現(xiàn)了對計算機(jī)資源的抽象。1.1.2操作系統(tǒng)的作用2/6/20238阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院1.人工操作方式工作方式：用戶：既是程序員又是操作員；是計算機(jī)專業(yè)人員編程語言：機(jī)器語言輸入輸出：紙帶或卡片計算機(jī)的工作特點：用戶獨(dú)占全機(jī)和CPU等待用戶主要矛盾：人機(jī)矛盾、CPU與I/O設(shè)備速度不匹配提高效率的途徑：脫機(jī)輸入/輸出技術(shù)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機(jī)系統(tǒng)2/6/20239阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院

磁帶輸入設(shè)備外圍機(jī)主機(jī)輸出設(shè)備外圍機(jī)2.脫機(jī)輸入/輸出(Off-LineI/O)方式磁帶磁帶磁帶主要優(yōu)點：減少了CPU的空閑時間緩和了人機(jī)矛盾2/6/202310阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院單道批處理系統(tǒng)的處理過程單道批處理系統(tǒng)：作業(yè)成批處理內(nèi)存中只有一道。1.2.2單道批處理系統(tǒng)2.單道批處理系統(tǒng)的特征自動性、順序性、單道性不足：無法充分利用系統(tǒng)中的所有的資源2/6/202311阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院多道批處理系統(tǒng)

是采用多道程序設(shè)計技術(shù)的批處理系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)中的多道程序能協(xié)調(diào)地運(yùn)行，必須配置一組軟件，來解決多道程序?qū)ο到y(tǒng)資源的共享和爭用問題，并對作業(yè)進(jìn)行合理的組織和調(diào)度。——就形成了現(xiàn)代意義上的OS1.2.3多道批處理系統(tǒng)2/6/202312阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院單道程序工作示例：多道程序工作示例：1.2.3多道批處理系統(tǒng)2/6/202313阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院2.多道批處理系統(tǒng)的特征：調(diào)度性：

作業(yè)調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度在該系統(tǒng)中，作業(yè)在外存的“后備隊列”，由作業(yè)調(diào)度程序選擇若干調(diào)入內(nèi)存，共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源。無序性

多道性：內(nèi)存中可同時存放多個作業(yè)1.2.3多道批處理系統(tǒng)2/6/202314阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院優(yōu)點：資源利用率高；系統(tǒng)吞吐量大；

缺點：平均周轉(zhuǎn)時間長；無交互能力；3.多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點：1.2.3多道批處理系統(tǒng)2/6/202315阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院4.多道批處理系統(tǒng)需解決的問題處理機(jī)管理問題內(nèi)存管理問題設(shè)備管理問題文件管理問題作業(yè)管理問題1.2.3多道批處理系統(tǒng)2/6/202316阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院例題有兩個程序A和B，A程序執(zhí)行時所做的工作按次序需要的時間為：cpu計10s，設(shè)備1計5s，cpu計5s,設(shè)備2計10s，cpu計10s。B程序執(zhí)行時所做的工作按次序需要的時間為：設(shè)備1計10s，cpu計10s，設(shè)備2計5s，cpu計5s，設(shè)備2計10s。問在單道方式下和多道并發(fā)環(huán)境下執(zhí)行A和B兩程序，CPU的利用率各為多少？2/6/202317阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院活動列表A:10sB:10sA:5sB:5sA:10sCPUB:10sA:5s設(shè)1B:5sA:10sB:10s設(shè)2010152025303545時間（單位s）A和B程序運(yùn)行的甘特圖2/6/202318阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院

分時系統(tǒng)是指在一臺主機(jī)上連接了多個帶有顯示器和鍵盤的終端，同時允許多個用戶通過自己的終端，以交互方式使用計算機(jī)，共享主機(jī)中的資源。1.2.4分時系統(tǒng)1.分時系統(tǒng)的產(chǎn)生2/6/202319阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院分時系統(tǒng)的設(shè)計思想（1）采用分時技術(shù)（2）設(shè)計目標(biāo)：系統(tǒng)能及時響應(yīng)用戶的終端命令（3）實現(xiàn)中的最關(guān)鍵問題：使用戶能與自己的作業(yè)進(jìn)行交互。（及時接收、及時處理）3.改變批處理系統(tǒng)的運(yùn)行方式：作業(yè)直接進(jìn)入內(nèi)存系統(tǒng)采用時間片輪轉(zhuǎn)方式處理服務(wù)請求1.2.4分時系統(tǒng)2/6/202320阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院4.分時系統(tǒng)的特征：多路性：一臺主機(jī)上連有多個終端，能同時為多個用戶服務(wù)。獨(dú)立性：各用戶獨(dú)立操作，互不干擾。及時性：通過時間片技術(shù)和輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法保證及時響應(yīng)。交互性：能進(jìn)行廣泛的人機(jī)交互。1.2.4分時系統(tǒng)2/6/202321阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院1.2.5實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)及其類型

（1）實時系統(tǒng)指系統(tǒng)能及時(或即時)響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行（2）分類實時控制系統(tǒng)實時信息處理系統(tǒng)2/6/202322阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院2.

實時任務(wù)的類型按任務(wù)執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性來劃分周期性實時任務(wù)非周期性實時任務(wù)——截止時間根據(jù)對截止時間的要求來劃分硬實時任務(wù)軟實時任務(wù)1.2.5實時系統(tǒng)2/6/202323阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院多路性獨(dú)立性及時性交互性可靠性批處理系統(tǒng)無無差差一般分時系統(tǒng)多終端服務(wù)有好最好可靠實時系統(tǒng)多路采集、多路控制有最好一般高度可靠3.三種基本操作系統(tǒng)的比較：1.2.5實時系統(tǒng)2/6/202324阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院1.3操作系統(tǒng)的特征四個基本特征：并發(fā)、共享、虛擬、異步1．并發(fā)并發(fā)性：兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生(最重要的特征)并行性：兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生程序不能并發(fā)執(zhí)行，為使多個程序并發(fā)執(zhí)行，引入進(jìn)程。進(jìn)程—在系統(tǒng)中能獨(dú)立運(yùn)行并作為資源分配的基本單位2/6/202325阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院2．共享共享方式：互斥共享方式：資源分配后到釋放前，不能被其他進(jìn)程所用

臨界資源(獨(dú)占資源)：一段時間內(nèi)只允許一個進(jìn)程訪問的資源同時訪問方式：如可重入代碼，磁盤文件.

并發(fā)和共享是OS的兩個最基本的特征，又互為存在的條件1.3操作系統(tǒng)的特征2/6/202326阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院３．虛擬虛擬——通過某種技術(shù)把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。用于實現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)時分復(fù)用技術(shù)：虛擬處理機(jī)、虛擬設(shè)備技術(shù)空分復(fù)用技術(shù)：虛擬內(nèi)存、虛擬磁盤技術(shù)1.3操作系統(tǒng)的特征2/6/202327阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院４．異步性指進(jìn)程以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。進(jìn)程的運(yùn)行速度不可預(yù)知無論快慢，結(jié)果應(yīng)該相同。難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個時刻的狀態(tài)1.3操作系統(tǒng)的特征2/6/202328阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院練習(xí)題：設(shè)內(nèi)存中有三道程序A、B、C，它們按A、B、C的優(yōu)先次序執(zhí)行，它們的計算和I/O操作時間如表所示（單位：ms）。程序操作ABC計算306020I/O403040計算101020假設(shè)三道程序使用相同的設(shè)備進(jìn)行I/O操作，即程序以串行方式使用設(shè)備，試畫出單道運(yùn)行和多道運(yùn)行的時間關(guān)系圖（調(diào)度程序的執(zhí)行時間忽略不計）。在兩種情況下，完成這三道程序各要花多長時間？2/6/202329阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院1.4操作系統(tǒng)的主要功能包括：處理機(jī)管理功能存儲器管理功能設(shè)備管理功能文件管理功能用戶接口2/6/202330阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.4.1處理機(jī)管理功能主要是對處理機(jī)的分配和運(yùn)行進(jìn)行管理。主要功能有：進(jìn)程控制：創(chuàng)建、撤銷進(jìn)程，以及進(jìn)程狀態(tài)間轉(zhuǎn)換進(jìn)程同步：對進(jìn)程的執(zhí)行次序進(jìn)行協(xié)調(diào)進(jìn)程通信：實現(xiàn)在相互合作的進(jìn)程之間的信息