操作系统概论

《操作系统概论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《操作系统概论（61页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、LOGO第一章第一章 操作系统概论操作系统概论1.2 1.2 操作系统的发展和形成操作系统的发展和形成 1.2.1 人工操作阶段 1.2.2管理程序阶段 1.2.3多道程序设计与操作系统的形成 1.2.4 操作系统的分类 50年代至今，操作系统经历了从简单到复杂，年代至今，操作系统经历了从简单到复杂，从低级到高级的发展过程。从低级到高级的发展过程。人工操作方式人工操作方式管理程序阶段管理程序阶段多道程序系统多道程序系统 管理程序是操作系统的雏形，在出现多道程管理程序是操作系统的雏形，在出现多道程序系统以后，现代操作系统才真正形成和发展。序系统以后，现代操作系统才真正形成和发展。1.2 1.2

2、操作系统的发展和形成操作系统的发展和形成什么推动着什么推动着os的发展？的发展？计算机硬件升级和新硬件的出现计算机硬件升级和新硬件的出现提供新的服务、方便使用提供新的服务、方便使用提高计算机资源利用率提高计算机资源利用率更正软件错误更正软件错误计算机体系结构的发展：单处理系统、多处理计算机体系结构的发展：单处理系统、多处理系统、分布式系统、计算机网络系统、分布式系统、计算机网络1.2 1.2 操作系统的发展和形成操作系统的发展和形成人工操作方式（人工操作方式（1946-50年代中期），没有年代中期），没有OS 用户：即是程序员，又是操作员用户：即是程序员，又是操作员1.2.1 1.2.1 人工

3、操作阶段人工操作阶段 编程语言：机器语言、汇编语言编程语言：机器语言、汇编语言 输入输出（输入输出（Input/output）：纸带或卡片）：纸带或卡片人工操作阶段的缺点人工操作阶段的缺点v用户上机独占全机资源，造成资源利用率不高，系统效率低下。v手工操作多，浪费处理机时间，也极易发生差错。v数据的输入，程序的执行、结果的输出均联机进行，从上机到下机的时间拉得非常长。人工操作速度和计算机速度形成突出的矛盾人工操作速度和计算机速度形成突出的矛盾1.2.21.2.2管理程序阶段管理程序阶段v5050年代末年代末-60-60年代中，为了解决人工干预的问年代中，为了解决人工干预的问题，必须缩短建立作业

4、（即用户的一个计算任题，必须缩短建立作业（即用户的一个计算任务）和人工操作的时间。人们首先提出从一个务）和人工操作的时间。人们首先提出从一个作业转到下一个作业的自动转换方式，从而出作业转到下一个作业的自动转换方式，从而出现了早期的批处理方式（单道批处理）。现了早期的批处理方式（单道批处理）。v完成作业自动转换工作的程序叫做完成作业自动转换工作的程序叫做“监督程序监督程序”（又称（又称“批处理程序批处理程序”、“管理程序管理程序”）。）。v早期的批处理分为联机批处理和脱机批处理两早期的批处理分为联机批处理和脱机批处理两种类型种类型 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与

5、操作系统形成引入：引入：v单道批处理系统中，任意时刻只允许一道作业在单道批处理系统中，任意时刻只允许一道作业在内存中运行，资源利用率低。内存中运行，资源利用率低。v为了提高系统资源利用率和系统吞吐量，形成了为了提高系统资源利用率和系统吞吐量，形成了多道批处理系统。多道批处理系统。1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成v多道：是指允许多个程序同时存在于内存中，按多道：是指允许多个程序同时存在于内存中，按 照某种原则分配处理机，逐个执行这些程照某种原则分配处理机，逐个执行这些程 序。序。v批处理：用户提交的作业首先存放在外存，并排批处理：用户提交的作业首先存放

6、在外存，并排 列成一个队列。然后，由作业调度程序按列成一个队列。然后，由作业调度程序按 照一定的算法从该队列中一次选取一个或照一定的算法从该队列中一次选取一个或 若干个作业装入内存执行。若干个作业装入内存执行。v从宏观上看是并行的从宏观上看是并行的v从微观上看是串行的从微观上看是串行的单道与多道程序系统对比单道与多道程序系统对比v 单道程序系统单道程序系统用户程序用户程序监督程序监督程序I/O 操作操作I/O中断请求中断请求启动启动I/O I/O完成完成结束中断结束中断I/O中断请求中断请求启动启动I/OI/O完成完成结束中断结束中断t1t2t3t4t5t6t7t8 程序程序 A 程序程序 B

7、 程序程序 C 程序程序 D调度程序调度程序程序程序AI/O请求请求程序程序B I/O请求请求程序程序C I/O请求请求程序程序D I/O请求请求程序程序A I/O完成完成程序程序B I/O完成完成程序程序A再次被调度再次被调度程序程序C I/O完成完成t多道程序系统多道程序系统（P19)单道算题运行时处理器的使用效率单道算题运行时处理器的使用效率v例例1：求解某个数据问题，要求从输入机（运转速：求解某个数据问题，要求从输入机（运转速度度6400个字符个字符/s）输入）输入500个字符，经处理（费时个字符，经处理（费时52ms）之后，将结果（假定为）之后，将结果（假定为2000个字符）存个字符

8、）存储到磁带机上（磁带机的运转速度为储到磁带机上（磁带机的运转速度为105个字符个字符/s），然后，再读取），然后，再读取500个字符进行处理，直至个字符进行处理，直至所有的数据处理完毕为止。所有的数据处理完毕为止。1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成（P19)单道算题运行时处理器的使用效率单道算题运行时处理器的使用效率7878输入机输入机处理器处理器磁带机磁带机130130 150150228228280280 300300378378430430 450450时时 间间 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成 1

9、.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成两道算题运行时处理器的使用效率两道算题运行时处理器的使用效率v例例2：计算机同时接收两道计算题，接收上述例题：计算机同时接收两道计算题，接收上述例题时，还接收另一道计算题。从另一台磁带机上输时，还接收另一道计算题。从另一台磁带机上输入入2000个字符，经个字符，经42ms处理之后，从行式打印处理之后，从行式打印机（运行速度为机（运行速度为1350行行/min）上输出两行。）上输出两行。7878输入机输入机处理器处理器磁带机磁带机1 113013015015022822828028030030037837843043045

10、0450时时 间间磁带机磁带机2 2打印机打印机P1P1P2P1P2P2P1 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成两道算题运行时处理器的使用效率两道算题运行时处理器的使用效率 课堂练习课堂练习1 1 课堂练习课堂练习2 2 多道程序设计的效果多道程序设计的效果v采用多道程序设计提高了效率，即增长了单位时间的算题量，但对每道程序来说，却延长了计算时间。v多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐率是以牺牲用户的响应时间为代价的。1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成v在多道程序设计中，值得注意的是道数的多少。v表面上看，

11、似乎道数越多则效率越高，但是道数的具体数目往往受到系统资源数目、内存容量、用户响应时间等限制。v程序等待I/O操作的时间占其运行时间的比例为p，当主存中有n道程序时，所有程序都等待I/O的概率是pn，那么，CPU利用率=1-pnvn称多道程序的道数或度数v可见CPU的利用率是n的函数 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成进程平均有80%的时间在I/O。假设计算机主存容量为1MB，操作系统的运行占用200KB，其余主存允许4道程序共享。增加1MB主存后，多道程序可增加到9道。在增

12、加1MB主存后，多道程序可增加到14道。引入多道程序设计的优点是：v提高了CPU的利用率；v提高了主存和I/O设备的利用率；v改进了系统的吞吐率；v充分发挥了系统的并行性。v其主要缺点是:作业周转时间延长 1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成多道程序设计系统与多重处理系统多道程序设计系统与多重处理系统 多重处理系统多重处理系统是指配置了多个物理CPU，能真正同时执行多道程序的系统。要有效地使用多重处理系统，必须采用多道程序设计技术；反过来，多道程序设计不一定要求有多重处理系统支持。1.2.3 1.2.3 多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形

13、成多道程序设计与操作系统形成多道程序设计与操作系统形成实现多道程序设计必须解决三个问题：v存储保护与程序浮动；v处理器的管理和调度；v系统资源的管理和调度。在多道程序设计环境中，主存为多道程序所共享，在多道程序设计环境中，主存为多道程序所共享，因此，硬件必须提供相应的设施，使得主存中各道程序因此，硬件必须提供相应的设施，使得主存中各道程序只能访问自己的区域，以避免相互干扰。当某道程序发只能访问自己的区域，以避免相互干扰。当某道程序发生错误时，不致影响其他程序，更不会影响系统程序，生错误时，不致影响其他程序，更不会影响系统程序，这就是这就是存储保护存储保护。由于各道程序不是独占全机，程序员在编制

14、程序时无法由于各道程序不是独占全机，程序员在编制程序时无法知道程序在主存中的确切地址，甚至在运行过程中，程知道程序在主存中的确切地址，甚至在运行过程中，程序也可能随时改变位置，因此要求程序能够根据需要从序也可能随时改变位置，因此要求程序能够根据需要从一个主存区移动到另一个区，而不影响其正确执行，这一个主存区移动到另一个区，而不影响其正确执行，这成为成为存储保护，或地址重定位存储保护，或地址重定位。1.2.41.2.4操作系统的发展与分类操作系统的发展与分类 三种基本的操作系统类型：1 批处理操作系统 2 分时操作系统 3 实时操作系统批处理操作系统批处理操作系统批处理操作系统（Batch OS

15、）v批处理系统中，用户的作业分批提交并处理，即系统将作业成批地输入系统并暂存在外存中，组成后备作业队列，每次按一定的调度原则从后备作业中选择一个或多个装入主存进行处理，作业完成后退出。v这些操作由系统自动实现，大大缩短了两个作业之间的转接时间，在系统中形成了一个自动转接的作业流，当一批作业运行完毕，输出结果后，系统便接收下一批作业。批处理操作系统批处理操作系统v在批处理系统中，用户不能直接干预作业的运行过程，而是将其对作业的控制意图在作业提交之前用作业控制语言编制成作业说明书或作业控制卡，这些控制意图可以是作业运行时的资源请求，或是对可能产生的运行错误的相应处理等。v作业说明书或作业控制卡在提

16、交作业时，与程序和数据一起提交给系统，由作业控制程序或命令解释程序解释执行，并且提供相应的服务。批处理操作系统批处理操作系统v性能指标：吞吐量性能指标：吞吐量 单道批处理：磁带上有一批作业，但内存中只有一个作业，它占用系统的所有资源。多道批处理：磁带/磁盘上有一批作业，内存中同时存在多个作业，它们共享系统的各种资源。批处理操作系统批处理操作系统v在引入多道程序设计技术后，批处理系统在引入多道程序设计技术后，批处理系统具有以下的特征：具有以下的特征：多道性：在内存中同时驻留多道程序，它们并发执行，以提高系统的资源利用率和系统的吞吐量。无序性：作业的执行顺序与作业进入系统的先后顺序没有严格的对应关

17、系。调度性：作业从提交到运行完成需要经过两次调度，即作业调度和进程调度。批处理操作系统批处理操作系统v优点：成批处理作业，多道程序运行，资优点：成批处理作业，多道程序运行，资源利用率高，吞吐量大。源利用率高，吞吐量大。v缺点：缺点：平均周转时间长。作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直到作业完成并退出系统为止所经历的时间。在批处理系统中，由于作业需要排队来依次进行处理，因而作业的周转时间较长。无交互能力。在作业提交后，用户不能与自己的作业进行交互，不便于对作业的控制。v为什么要有分时操作系统为什么要有分时操作系统?批处理用户不能干预自己程序的运行，无法得知程序的运行情况，不利于程序调试和排错

18、。v7070年代中期出现，年代中期出现，“分时分时”是为了满足用是为了满足用户交互和及时响应的要求户交互和及时响应的要求分时操作系统分时操作系统v性能指标：响应时间性能指标：响应时间v“分时分时”：把：把CPUCPU时间分割成时间片，每时间分割成时间片，每个用户依次轮流使用时间片。个用户依次轮流使用时间片。分时操作系统分时操作系统v多个用户通过终端与主机交互。他们的作多个用户通过终端与主机交互。他们的作业按照时间片业按照时间片Time SliceTime Slice轮转运行，时间片轮转运行，时间片完成时产生时钟中断。完成时产生时钟中断。v在分时系统中每一个事件得到的分时时间在分时系统中每一个事

19、件得到的分时时间单位叫做单位叫做时间片时间片。分时操作系统分时操作系统v所谓“分时”，就是多个用户对系统资源进行时间上的分享。在分时操作系统中，一个计算机系统与若干台本地或远程终端相连，每个用户可以在所使用的终端上以人机会话的交互方式使用计算机。v微观上，每个用户作业轮流运行一个时间片；v宏观上，多个用户同时工作，共享系统资源。分时操作系统分时操作系统v实现分时系统，其中，最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互，即当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。v此后，用户可继续键入下一条命令，此即人机交互。应强调指出，即使有多个用户同时通过自己的

20、键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理：及时接收；及时处理。分时操作系统分时操作系统v分时系统一般分为单道分时系统、具有“前台”和“后台”的分时系统及多道分时系统。单道分时系统在内存中只驻留一道作业，其余作业则存放在外存中。具有前后台的分时系统中，内存被固定划分为“前台区”和“后台区”两部分，前台去存放批处理作业，仅当前台调进、调出时，或前台无作业可运行时，才运行后台的作业，从而充分提高CPU的利用率 多道分时系统可在内存中同时存放多道作业。作业在内存中的占用量较少，作业切换在内存中进行。分时操作系统分时操作系统v同时性 在一台主机上连接了若干个用户终端。从宏观在一台主机上连接了若干个用

21、户终端。从宏观上看，多个用户在同时工作，但从微观上看，上看，多个用户在同时工作，但从微观上看，各终端程序却是在按时间片依次轮流使用各终端程序却是在按时间片依次轮流使用CPUCPU。同时性提高了系统资源利用率。同时性提高了系统资源利用率。分时系统的特征分时系统的特征同时性、独立性、同时性、独立性、及时性、交互性及时性、交互性分时操作系统分时操作系统v独立性 每个用户各占一台终端，彼此独立操作，互不每个用户各占一台终端，彼此独立操作，互不干扰。就像整个系统由他自己独占一样。干扰。就像整个系统由他自己独占一样。v及时性 终端用户的请求能在允许的时间范围内得到响终端用户的请求能在允许的时间范围内得到响

22、应，这个时间通常被规定为应，这个时间通常被规定为2 2到到3 3秒。秒。v交互性 用户从键盘输入命令，请求系统服务或控制作用户从键盘输入命令，请求系统服务或控制作业的运行；系统能及时响应命令并显示结果。业的运行；系统能及时响应命令并显示结果。分时与批处理操作系统的区别分时与批处理操作系统的区别v目标不同 v适应作业的性质不同 v资源使用率不同 v作业控制方式不同 v分时系统为交互式作业提供了快速响应服务，但还不能满足某些对响应时间要求非常严格的任务需要。v例如：实时控制：如炼钢/炼油等工业自动控制系统、火炮自动控制、飞机自动驾驶、导弹制导等。实时信息处理：如飞机订票、情报检索等。实时操作系统实

23、时操作系统v实时系统实时系统(Real-Time OS)(Real-Time OS)的定义的定义 实时系统则是指计算机能够及时响应外部事件的请求，在规定的短时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致地运行。三种典型的实时系统三种典型的实时系统:v过程控制系统过程控制系统(生产过程控制生产过程控制)v信息查询系统信息查询系统(情报检索情报检索)v事务处理系统事务处理系统(银行业务，订票银行业务，订票)实时操作系统实时操作系统v同时性同时性。实时系统也会遇到多个用户同时访问的问题。v独立性独立性。在实时控制系统中，信息的采集和对象的控制都是彼此互不干扰的；在实时信息处理系统中，

24、每个终端用户在向系统提出信息查询和服务请求时也都是彼此独立，互不干扰的。v及时性及时性。实时系统对及时性的要求比分时系统要高。实时系统的及时性则是以控制对象所能接受的延迟时间来确定的，可能是秒级，也可能是毫秒级，甚至是微秒级。实时操作系统特征实时操作系统特征v交互性交互性。实时系统大都是具有特殊用途的专用系统，它仅允许操作人员访问系统中某些特定的专用服务程序，因此，实时系统的交互能力比分时系统要差。v高可靠性高可靠性。实时系统和分时系统相比，对可靠性的要求会更高，原因是实时系统中的任何差错都可能带来巨大的经济损失、甚至无法预料的灾难性后果。实时操作系统特征实时操作系统特征实时操作系统实时操作系

25、统v实时操作系统（Real Time OS)处理流程：数据采集；加工处理；操作控制；反馈处理。说明说明v以上介绍的批处理系统、分时系统和实时系统是三种基本的操作系统类型。v需要说明的是，一个实际的操作系统，可能兼有三者或其中两者的功能，这样的操作系统成为通用操作系统。操作系统的进一步发展操作系统的进一步发展 操作系统发展的主要动力：1、器件快速更新换代。2、计算体系结构不断发展。3、提高计算机系统资源利用率的需要。4、让用户使用计算机越来越方便的需要。5、满足用户新要求，提供给用户新服务。操作系统的进一步发展操作系统的进一步发展v操作系统的形成已经有近五十年的历史，它经过20世纪60年代、70

26、年代的大发展时期，到80年代已趋于成熟。但随着VLSI和计算机体系结构的发展，它也仍在发展之中，由此先后形成了：一、微机操作系统 二、多处理机操作系统 三、网络操作系统 四、分布式操作系统 五、嵌入式操作系统微机操作系统微机操作系统 随着超大规模集成电路（简称VLSI）的发展而产生了微型计算机，配置在微型计算机上的操作系统称为微型计算机操作系统（简称微机操作系统）。微机操作系统微机操作系统v微机操作系统按照处理机的字长可分成:8位 16位 32位 64位等微机操作系统微机操作系统v还可按OS处理的用户任务情况进行划分 单用户单任务os：CP/MControl Program Monitor，1

27、975，8位标准 MS-DOS，1981，16位的OS标准 单用户多任务os：OS/2，1987，1632位OS MS Windows(非服务器版本)，1990，32位多任务OS主流 多用户多任务os：UNIX Win2000/NT Linux多处理机操作系统多处理机操作系统v较早的计算机系统基本上都是单处理机系统，后来出现了多处理机系统MPS(Multiprocessor System)v从计算机体系结构上来改善系统性能。v多处理机系统的系统重构功能提高了系统的可靠性，即当其中任何一台处理机发生故障时，系统能立即将该处理机上所处理的任务迁移到其它的一个或多个处理机上去处理，整个系统仍能正常运

28、行，仅使系统的性能略有降低。多处理机操作系统多处理机操作系统v多处理机系统所配置的操作系统可以分为对称式和非对称式（又称为主从式）。对称式是每个处理机上运行着同一操作系统的拷贝，这些拷贝可以与其它拷贝之间根据任务需要进行通信。非对称式是指每个处理机执行特定的任务，由一台主处理机控制整个系统，其它处理机根据主处理机的指令完成指定的任务，主处理机和其它处理机之间具有主-从关系。v目前大多数多处理机系统采用的是对称式操作系统。网络操作系统网络操作系统v网络操作系统（Network Operating System）一些具有独立处理能力的计算机在网络协议控制下实现通信和相互合作的计算机复合系统 是在计

29、算机技术和通信技术高度发展的基础上相互结合的产物。网络操作系统网络操作系统v网络操作系统的模式客户/服务器C/S（Client/Server）模式 服务器+客户 集中控制、分布处理对等（Peer-to-peer）模式 站点对等 分布控制、分布处理v网络通信 建立、拆除通信链路 传输、差错和流量控制v资源管理 管理协调资源的安全性和一致性 共享资源有硬盘、打印机、文件、数据v网络服务 电子邮件服务、文件传输、存取和管理服务 共享硬盘服务、共享打印服务v网络管理安全管理（存取控制、容错、监测、统计）v互操作能力网络操作系统网络操作系统网络操作系统应该具有的功能：分布式操作系统分布式操作系统v分布式

30、操作系统是指由多个分散的处理单元经互连分布式操作系统是指由多个分散的处理单元经互连网络的连接而形成的，且可以实现分布处理的系统。网络的连接而形成的，且可以实现分布处理的系统。v其中，每个处理单元既具有高度的自治性，又相互其中，每个处理单元既具有高度的自治性，又相互协调，能在系统范围内实现资源管理、动态地分配协调，能在系统范围内实现资源管理、动态地分配任务，并能并行地运行分布式程序。任务，并能并行地运行分布式程序。v具备四项基本功能具备四项基本功能 进程通信 资源共享 并行计算 网络管理操作操作系统系统分布性分布性并行性并行性透明透明性性共享共享性性健壮性健壮性网络操网络操作系统作系统分布处理，

31、分布处理，集中控制集中控制任务在本任务在本地计算机地计算机上运行上运行操作透明，操作透明，但需指明但需指明物理位置物理位置一般只一般只能共享能共享服务器服务器上的资上的资源源控制集中控制集中于服务器，于服务器，可靠性弱可靠性弱分布式分布式操作系操作系统统分布处理，分布处理，分布控制分布控制多任务在多任务在多处理单多处理单元中并行元中并行执行执行操作透明，操作透明，而且物理而且物理位置透明位置透明各站点各站点资源可资源可供全系供全系统共享统共享容错能力容错能力强，可靠强，可靠性高性高分布式操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统 v 3C 3C（computer,communicati

32、on,consumer electronics）计算机是贯穿社会信息化的核心技术，网络和通信是社会信息化赖以存在的基础设施，电子消费产品是人与社会信息化的主要接口。v嵌入式嵌入式(计算机计算机)系统系统 运行在嵌入式智能芯片环境中，控制整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等资源。它们是一个设备、装置或系统（即嵌入式系统）中的核心部分。嵌入式操作系统嵌入式操作系统v嵌入式操作系统EOS是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件。v嵌入式OS具有通常操作系统的功能，包括：与硬件相关的底层软件、操作系统核心功能，功能强大的还提供图形界面、通信协议、小型浏览器等设施。v基于或与Windows 兼容

33、：Window CE、嵌入式Linux、EPOC v工业与通信(传统)类：VxWorks、pSOS、QNX、Neculeus、VRTX v单片机类：iRMX、CMX、C/OSv面向Internet 类：Palm OS、Visor、Hopen、PPSM嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统的分类：嵌入式操作系统的分类：嵌入式操作系统特征嵌入式操作系统特征v微型化v可定制性 一般需提供可添加或可裁剪的内核及其他功能，让用户按需配置。如调度算法、存储管理、设备驱程序。v实时性 大多数嵌入式系统工作在实时性要求很高的环境中，要求嵌入式操作系统必须将实时性作为一个重要的指标来考虑。嵌入式操作系统特征嵌入式操作系统特征v低资源占有性 在保证其功能的前提下，尽可能减少系统对资源的占用。v易移植性 应该能够支持多种国际主流微处理器等硬件平台，给用户硬件选择的灵活性。LOGO