計算機(jī)操作系統(tǒng)課件復(fù)習(xí)資料-第1章

第一章操作系統(tǒng)引論教學(xué)目標(biāo)了解OS在計算機(jī)系統(tǒng)中的地位了解OS的形成過程，即OS的發(fā)展歷史了解OS的基本特性和功能了解當(dāng)前流行的幾種主要OS掌握多道程序設(shè)計技術(shù)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)的基本特性1.4操作系統(tǒng)的主要功能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)計算機(jī)系統(tǒng)的規(guī)模與OS的應(yīng)用環(huán)境影響OS的主要目標(biāo)。

1．有效性(系統(tǒng)管理人員的觀點)

早期(20世紀(jì)50～60年代)OS最重要的目標(biāo)，也是推動OS發(fā)展最主要的動力。有效性是指提高資源的利用率，并提高系統(tǒng)吞吐量(系統(tǒng)在單位時間內(nèi)所完成的總工作量，P8末行)。希望系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)高效。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)

2．方便性(用戶的觀點)提供良好的、一致的用戶接口，彌補(bǔ)硬件系統(tǒng)的類型和數(shù)量差別，使計算機(jī)系統(tǒng)更容易使用。不需要人人都是程序員。

3．可擴(kuò)充性O(shè)S必須適應(yīng)計算機(jī)硬件、體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用發(fā)展的要求，要便于修改和增加功能。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)

4．開放性

系統(tǒng)能支持世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。要求統(tǒng)一開放的環(huán)境，能通過網(wǎng)絡(luò)集成化，實現(xiàn)在不同硬件系統(tǒng)上協(xié)調(diào)工作、應(yīng)用程序的可移植性、互操作性。OS的主要目標(biāo)是有效性(首要目標(biāo))和方便性。1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.2操作系統(tǒng)的作用

1.OS是計算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者(資源管理觀點)管理處理機(jī)

分配和控制處理機(jī)管理(內(nèi))存儲器

內(nèi)存的分配與回收管理I/O設(shè)備

I/O設(shè)備的分配與操縱管理文件(外存)

文件的存取、共享和保護(hù)操作系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)內(nèi)核shell1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.2操作系統(tǒng)的作用

2．OS是用戶與計算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口

(一般用戶觀點。OS是軟件接口)用戶通過OS來使用計算機(jī)系統(tǒng)。三種方式：命令方式、系統(tǒng)調(diào)用方式(如匯編語言中的int21h，C語言中的庫函數(shù))及圖形、窗口(GUI)方式方式。

1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.2操作系統(tǒng)的作用

3．OS用作虛擬機(jī)(虛擬機(jī)器觀點)完全無軟件的計算機(jī)系統(tǒng)稱為裸機(jī)；把覆蓋了軟件的機(jī)器稱為擴(kuò)充機(jī)器或虛擬機(jī)器。OS是鋪設(shè)在計算機(jī)硬件上的多層系統(tǒng)軟件，增強(qiáng)系統(tǒng)功能，擴(kuò)充計算機(jī)的數(shù)量(分時系統(tǒng))，而且隱藏對系統(tǒng)操作的細(xì)節(jié)，實現(xiàn)了多個層次的抽象。1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用OS的定義操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件。是管理和控制計算機(jī)中的硬件和軟件資源，合理地組織計算機(jī)工作流程，以便有效地利用這些資源為用戶提供一個功能強(qiáng)、使用方便的工作環(huán)境的程序和數(shù)據(jù)的集合。1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.3

推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力1．提高資源利用率和系統(tǒng)性能(早期硬件昂貴。如批處理系統(tǒng)的出現(xiàn))2．方便用戶(如分時交互式系統(tǒng)的出現(xiàn))3．器件的不斷更新?lián)Q代(CPU的位寬度8位－16－32－64－…、快速外存等)4．計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展(單處理機(jī)系統(tǒng)、多處理機(jī)系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò))用戶的需求是推動OS發(fā)展的根本動力！1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程無操作系統(tǒng)：電子管時代單道批處理系統(tǒng)：晶體管時代多道批處理系統(tǒng)(真正的OS)：半導(dǎo)體、小規(guī)模集成電路時代分時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)3、4、5是三種基本的操作系統(tǒng)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)1．人工操作方式(1946-20世紀(jì)50年代中期)集中計算，資源昂貴，無OS，手工操作方式。用戶既是程序員，又是操作員。編程語言：機(jī)器語言。I/O設(shè)備：紙帶機(jī)、卡片機(jī)。手工操作計算機(jī)示意圖聯(lián)機(jī)輸入手工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)1．人工操作方式缺點用戶獨占全機(jī)：資源利用率低CPU等待用戶：CPU利用率低主要矛盾人機(jī)矛盾(人工操作慢、CPU運算快)CPU與I/O設(shè)備之間速度不匹配解決方法：脫機(jī)輸入輸出方式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．脫機(jī)輸入/輸出方式(Off-LineI/O)脫機(jī)脫機(jī)高速高速紙帶機(jī)磁帶磁帶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．脫機(jī)輸入/輸出方式(Off-LineI/O)由于程序和數(shù)據(jù)的輸入和輸出都是在外圍機(jī)的控制下完成的，或者說，程序和數(shù)據(jù)的輸入和輸出是在脫離主機(jī)的情況下進(jìn)行的，故稱為脫機(jī)輸入/輸出方式。在主機(jī)的直接控制下進(jìn)行輸入/輸出的方式稱為聯(lián)機(jī)輸入/輸出方式。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．脫機(jī)輸入/輸出方式優(yōu)點：緩和了人機(jī)矛盾減少了CPU的空閑時間提高了I/O速度（與高速磁盤打交道）缺點：資源利用率仍然很低解決辦法：批處理技術(shù)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.2單道批處理系統(tǒng)(SimpleBatchProcessingSystem)20世紀(jì)50年代末－60年代中(晶體管時代)編程語言：匯編語言

單道：內(nèi)存中僅有一道作業(yè)在運行批處理：計算機(jī)系統(tǒng)對一批作業(yè)自動進(jìn)行處理1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.2單道批處理系統(tǒng)

1．處理過程把一批作業(yè)(用戶程序+數(shù)據(jù)+作業(yè)說明書)以脫機(jī)方式輸入到磁盤上，并在系統(tǒng)中配以監(jiān)督程序(Monitor，OS雛形)將作業(yè)逐個送入內(nèi)存并運行。1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.2單道批處理系統(tǒng)

2．特征：單道性、順序性、自動性優(yōu)點：減少CPU空閑時間，提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。缺點：人機(jī)交互性差，CPU和I/O設(shè)備忙閑不均(取決于作業(yè)的特性)。解決辦法：多道程序設(shè)計技術(shù)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.3多道批處理系統(tǒng)(MultiprogrammedBatchProcessingSystem)

20世紀(jì)60年代中－70年代中(半導(dǎo)體、小規(guī)模集成電路時代)1．多道程序設(shè)計的基本概念在內(nèi)存中同時存放多個作業(yè)，使之同時處于運行狀態(tài)(均已開始運行但尚未結(jié)束)共享系統(tǒng)資源。單CPU系統(tǒng)中的多道程序運行的特征宏觀上并行：并發(fā)程序都已開始執(zhí)行，但都未結(jié)束微觀上串行：并發(fā)程序輪流占有CPU交替執(zhí)行tAAΔt等待I/O的時間（6個Δt）（a）單道情況11078BBtAAΔt（b）兩道情況1107189tΔt（c）四道情況1107189BBAACDCD2310單道、兩道和四道情況1421/8Δt=0.125道程序/Δt2/9Δt=0.222道程序/ΔtAI/OAI/OBI/O4/11Δt=0.363道程序/Δt

下一步A,B,C,D為程序，忽略外設(shè)；假定4個程序都需運行2個Δt時間，在期間有6個Δt時間的I/O操作；吞吐率分別為：1/8=0.1252/9=0.2224/11=0.3634道程序情況比單道提高了近3倍。顯然不僅使內(nèi)存充分利用，還帶來處理機(jī)利用率的提高，使整個系統(tǒng)效率得以提高。下一步結(jié)束下一步多道程序設(shè)計的基本概念（a）單道情形：打印請求打印請求單道與多道程序運行情況（b）多道情形：程序A監(jiān)督程序I/O設(shè)備繪圖儀請求t1t2t3t4t5t6t7t8CPU打印機(jī)繪圖儀程序B打印完成繪圖完成CPU空閑t9t10仍有空閑A/B運行?

用戶程序監(jiān)督程序I/O操作I/O中斷請求

啟動I/OI/O完成中斷I/O中斷請求啟動I/Ot1I/O中斷處理結(jié)束t2t3t4t5t6t7t8CPU

CPU空閑空閑多道程序設(shè)計的基本概念理解單道和多道程序執(zhí)行時的不同例：A、B兩個程序，程序A按順序使用CPU10s，設(shè)備甲5s，CPU5s，設(shè)備乙10s，CPU10s，程序Ｂ按順序使用設(shè)備甲10s，CPU10s，設(shè)備乙5s，CPU5s，設(shè)備乙10s。問：①在順序環(huán)境下執(zhí)行程序A和B，CPU利用率多少？②在多道環(huán)境下呢？答：①A和B順序執(zhí)行時，A執(zhí)行完畢B才開始，總共耗時80s，占用CPU40s，故利用率為40/80=50%。②多道時，兩程序共耗時45s,占用CPU40s,故利用率40/45=88.89%CPU:A:B:CPU甲乙CPU等待乙CPU甲CPU等待乙CPUABAB空閑A1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.3多道批處理系統(tǒng)練習(xí)。設(shè)某計算機(jī)系統(tǒng)有一臺輸入機(jī)，一臺打印機(jī)?，F(xiàn)有兩道程序同時投入運行，且程序A先開始運行，程序B后運行。程序A的運行軌跡為：計算50ms，打印信息100ms，再計算50ms，打印信息100ms，結(jié)束。程序B的運行軌跡為：計算50ms，輸入數(shù)據(jù)80ms，再計算100ms，結(jié)束。請問：

（1）兩道程序運行時，CPU有無空閑等待？若有，在哪段時間內(nèi)等待？為什么？（2）程序A、B運行時有無等待？若有，在什么時候會發(fā)生等待？1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.3多道批處理系統(tǒng)

2．處理過程用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個隊列，稱為“后備隊列”；然后，由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干個作業(yè)調(diào)入內(nèi)存(作業(yè)調(diào)度)，使它們共享CPU(進(jìn)程調(diào)度)和系統(tǒng)中的各種資源。3.特征：多道性、無序性、調(diào)度性1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.3多道批處理系統(tǒng)單道與多道批處理的比較單道多道內(nèi)存使用每次一個作業(yè)每次多個作業(yè)作業(yè)次序順序，先進(jìn)先出無確定次序特征單道性、順序性、自動性多道性、無序性、調(diào)度性monitorOS1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.3多道批處理系統(tǒng)優(yōu)點資源(CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備)利用率提高。系統(tǒng)吞吐量大。缺點作業(yè)(尤其短作業(yè))平均周轉(zhuǎn)時間長。作業(yè)周轉(zhuǎn)時間=作業(yè)完成并退出系統(tǒng)時間-進(jìn)入系統(tǒng)時間交互性差。作業(yè)完成后或出錯時才與用戶交互，不利于調(diào)試和修改。適合大型科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理(交互性少的作業(yè))批處理：交互性差—CPU利用率高1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.3多道批處理系統(tǒng)

5．需解決的問題(需要技術(shù)支持)處理機(jī)管理內(nèi)存管理I/O設(shè)備管理文件管理作業(yè)管理1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程作業(yè)。在單CPU和兩臺I/O設(shè)備(I1，I2)的多道程序設(shè)計環(huán)境下，同時投入三個作業(yè)job1、job2、job3運行。它們對CPU和I/O設(shè)備的使用順序和時間如下：Job1：I2(30ms)；CPU(10ms)；I1(30ms)；CPU(10ms)；I2(20ms)Job2：I1(20ms)；CPU(20ms)；I2(40ms)Job3：CPU(30ms)；I1(20ms)；CPU(10ms)；I1(10ms)假定：CPU、I1、I2都能并行工作，job1優(yōu)先級最高，job3優(yōu)先級最低，優(yōu)先級高的作業(yè)可以搶占優(yōu)先級低的作業(yè)的CPU但不能搶占I1和I2。試求：(1)三個作業(yè)從投入到完成分別需要的時間。(2)從投入到完成時的CPU、I1、I2的利用率。1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.4分時操作系統(tǒng)(TimeSharingOperatingSystem)

是支持多道程序設(shè)計，以聯(lián)機(jī)操作為標(biāo)志的操作系統(tǒng)。在一臺主機(jī)上連接多個終端，允許多個用戶使用自己的終端同時共享主機(jī)中的資源。1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.4分時操作系統(tǒng)(TimeSharingOperatingSystem)

分時系統(tǒng)的核心是把CPU的使用時間劃分成非常短的時間片，多個用戶的程序可同時駐留在內(nèi)存，當(dāng)輪到某個用戶程序使用CPU時，該程序只能在限定的時間片內(nèi)運行。用戶的時間片用完時，OS就暫停該用戶程序的運行，并按某種調(diào)度策略調(diào)出內(nèi)存中的另一個用戶程序開始運行。1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.4分時操作系統(tǒng)3．特征多路性/同時性：宏觀上多個用戶在同時運行。獨立(占)性：每個用戶一個終端，獨立操作，互不干擾，感覺到自己在獨占主機(jī)。及時性：在2～3秒時間內(nèi)得到響應(yīng)。交互性：在終端上編輯、運行程序或進(jìn)行其它操作。1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.5實時操作系統(tǒng)(Real-TimeOperatingSystem)

是指系統(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)一致地運行。響應(yīng)時間短(在一定范圍內(nèi))、系統(tǒng)可靠性高類型：實時控制系統(tǒng)(如飛機(jī)自動駕駛系統(tǒng))和實時信息處理系統(tǒng)(如火車訂票系統(tǒng))主要特征：實時性和可靠性；多路性、獨立性、交互性1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.6網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NetworkOperatingSystem)

在通常OS功能的基礎(chǔ)上提供網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的OS。

1.工作模式：C/S模式、Peer-to-Peer模式2.功能：網(wǎng)絡(luò)通信、網(wǎng)絡(luò)資源管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理、互操作能力1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.7分布式操作系統(tǒng)(DistributedOperatingSystem)

功能：系統(tǒng)的控制與處理分散(相對于集中式OS)在各個具有高度自治、有互相協(xié)同的處理單元；系統(tǒng)中的所有任務(wù)可以隨時動態(tài)分配、調(diào)度到各個處理單元進(jìn)行并行處理。以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，基本特征是處理上的分布，即功能和任務(wù)的分布(與網(wǎng)絡(luò)OS的主要區(qū)別)特點：分布性、并行性、透明性、共享性、健壯性。1.3操作系統(tǒng)的基本特性多道程序設(shè)計OS的特性：并發(fā)性(concurrence)注：不是并行性共享性(sharing)虛擬性(virtual)異步性(asynchronism)并發(fā)和共享是OS的兩個最基本的特征，它們又是互為存在的條件。1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.3.1并發(fā)性(concurrence)并發(fā)：兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。

計算機(jī)系統(tǒng)中同時存在多道運行的程序(進(jìn)程)。宏觀上：多道程序同時在運行微觀上：單機(jī)系統(tǒng)中，任何時刻只有一道程序在執(zhí)行，即微觀上多道程序在CPU上輪流（交替）執(zhí)行。多處理機(jī)系統(tǒng)中宏觀與微觀上都是并行并行：兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生。

多道程序在同一時刻執(zhí)行，但需多個硬件支持。

1.程序的并發(fā)執(zhí)行能有效改善系統(tǒng)資源的利用率，但使系統(tǒng)復(fù)雜化，因此OS必須對并發(fā)活動進(jìn)行控制和管理。2.并發(fā)是OS最重要的特征，其它特征均以并發(fā)為前提。1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.3.2共享性(sharing)指系統(tǒng)中的資源不再為某道程序所獨占，而是供內(nèi)存中多道并發(fā)執(zhí)行的程序共同使用。共享方式互斥共享：資源（臨界資源或獨占資源）可以被多個程序共同使用，但在某一段時間內(nèi)僅允許一個程序使用。同時共享：資源在一段時間內(nèi)被多個程序“同時”使用。1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.3.3虛擬性(virtual)虛擬：通過某種技術(shù)(分時或分空間)把一個物理實體映射為若干個對應(yīng)的邏輯實體。虛擬是OS管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率。虛擬技術(shù)的實現(xiàn)方式：時分復(fù)用技術(shù)(虛擬處理機(jī)技術(shù)如多道程序設(shè)計、虛擬設(shè)備技術(shù)如SPOOL)空分復(fù)用技術(shù)(虛擬磁盤技術(shù)、虛擬存儲器技術(shù))1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.3.4異