《操作系統(tǒng)概論》PPT課件.ppt

1、1,第1章 操作系統(tǒng)概論,本章知識(shí)點(diǎn)： 1.1 操作系統(tǒng)的作用 1.2 操作系統(tǒng)的演變 1.3 操作系統(tǒng)的主要成就 1.4 操作系統(tǒng)舉例(略) 1.5 操作系統(tǒng)的主要研究課題,2,1.1 操作系統(tǒng)的作用,操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用戶和計(jì)算機(jī)硬件之間的接口程序模塊，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心控制軟件， 其職能是控制和管理系統(tǒng)內(nèi)各種資源，有效地組織多道程序的運(yùn)行，從而為用戶提供良好的工作環(huán)境，達(dá)到使用方便、資源分配合理、安全可靠等目的。 操作系統(tǒng)是現(xiàn)有軟件系統(tǒng)中最復(fù)雜的軟件之一。Denning美認(rèn)為，到目前為止，在操作系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)方面主要取得了進(jìn)程、內(nèi)存管理、信息保護(hù)與安全、調(diào)度與資源管理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等五項(xiàng)成就

2、。,3,1.1.1 硬件系統(tǒng)和應(yīng)用程序間的界面,由操作系統(tǒng)定義的軟、硬件和數(shù)據(jù)，給程序員提供了方便的界面，使程序員和應(yīng)用程序更容易獲取和使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的資源、工具和服務(wù)。,4,1.1.1 硬件系統(tǒng)和應(yīng)用程序間的界面,OS具有如下功能： 程序創(chuàng)建提供多種工具和服務(wù)幫助編程。 程序執(zhí)行裝載指令、數(shù)據(jù)，資源初始化。 I/O設(shè)備的訪問(wèn)提供R/W操作來(lái)使用、控制I/O。 控制對(duì)文件的訪問(wèn)識(shí)別I/O設(shè)備屬性、存儲(chǔ)介質(zhì)上的文件結(jié)構(gòu)、控制訪問(wèn)文件的保護(hù)機(jī)制（多用戶）。 系統(tǒng)訪問(wèn)為共享或公用系統(tǒng)提供控制訪問(wèn)。 查錯(cuò)和糾錯(cuò)對(duì)運(yùn)行中錯(cuò)誤的應(yīng)對(duì)。 簿記資源的使用、程序執(zhí)行情況的數(shù)據(jù)記錄。,5,1.1.2 作為資源管

3、理者,作為資源管理器的操作系統(tǒng)：,6,1.1.3 推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的因素,操作系統(tǒng)的演變主要基于以下因素： 硬件升級(jí)以及新的硬件類型； 新服務(wù)； 修補(bǔ)；,7,1.2 操作系統(tǒng)的演變,操作系統(tǒng)發(fā)展至今已有三十多年。設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)主要有兩個(gè)目的：第一，為程序的開(kāi)發(fā)和執(zhí)行提供一個(gè)方便的環(huán)境；第二，為保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)順利執(zhí)行，操作系統(tǒng)對(duì)各個(gè)計(jì)算活動(dòng)進(jìn)行調(diào)度。,8,1.2.1 串行處理系統(tǒng),最早的計(jì)算機(jī)，從20世紀(jì)40年代末到50年代中期，程序員直接與硬件接觸，根本沒(méi)有OS。計(jì)算機(jī)運(yùn)行在一個(gè)集成了指示器、各種開(kāi)關(guān)、一些輸入設(shè)備以及一個(gè)打印機(jī)的控制臺(tái)之上。早期的這種系統(tǒng)存在兩個(gè)問(wèn)題： (1)上機(jī)安排難 (2)

4、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),9,1.2.2 簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng),簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)是專業(yè)計(jì)算機(jī)操作員（或機(jī)器）按作業(yè)的性質(zhì)將作業(yè)按類分成若干組，然后一組一組地來(lái)運(yùn)行作業(yè)。 在早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，引進(jìn)簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)可以減少安裝磁帶、裝入程序和返繞磁帶等有關(guān)的工序浪費(fèi)的時(shí)間，因此，也就減少了計(jì)算機(jī)的空閑時(shí)間。 批處理系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上不提供用戶和程序之間的交互功能。程序中的所有問(wèn)題必須事先安排好，也不能進(jìn)行聯(lián)機(jī)修改。,10,1.2.2 簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng),簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng)的中心思想是，通過(guò)應(yīng)用一種被稱為監(jiān)控器的軟件，使用戶不必再直接接觸機(jī)器，而是先通過(guò)卡片機(jī)和紙帶機(jī)向計(jì)算機(jī)控制器提交作業(yè)，由監(jiān)控器將作業(yè)組織在一起構(gòu)成一批作業(yè)，然后將整批

5、作業(yè)放入由監(jiān)控器管理的輸入設(shè)備上，每當(dāng)一個(gè)程序執(zhí)行完畢返回監(jiān)控器時(shí)，監(jiān)控器已自動(dòng)裝入下一個(gè)程序。,11,1.2.2 簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng),批處理系統(tǒng)存在很多不方便之處，主要有：用戶不能與其作業(yè)交互以捕捉程序中的問(wèn)題。用戶程序中的所有問(wèn)題必須事先安排好，否則程序的排錯(cuò)就可能在轉(zhuǎn)儲(chǔ)信息上盲目地進(jìn)行。此外，對(duì)一個(gè)用戶作業(yè)而言，可能需要較長(zhǎng)的周轉(zhuǎn)時(shí)間。 在批處理系統(tǒng)中，為了避免有意或無(wú)意地讀取他人的卡片，必須建立監(jiān)控和用戶兩種操作態(tài)，使其只有在監(jiān)控態(tài)下才能讀控制卡。通過(guò)建立一組僅能在監(jiān)控態(tài)下執(zhí)行的特權(quán)指令，操作系統(tǒng)就能保證在任何時(shí)候都能控制整個(gè)系統(tǒng)。,12,1.2.3 多道程序批處理系統(tǒng),多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)就

6、是在內(nèi)存中同時(shí)保持若干道程序，系統(tǒng)按某種調(diào)度策略交替執(zhí)行這些程序，使CPU保持最少的空閑時(shí)間。 多道程序設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)將用戶的CPU請(qǐng)求和I/O請(qǐng)求重疊起來(lái)的辦法來(lái)有效地使用CPU和外設(shè)。它設(shè)法讓CPU總有事情可做，以此來(lái)提高CPU和外設(shè)的利用率。,13,1.2.3 多道程序批處理系統(tǒng),設(shè)想一臺(tái)電腦配備256KB的可用內(nèi)存空間(未被OS占用的)，一個(gè)磁盤(pán)，一個(gè)終端和一臺(tái)打印機(jī)。3個(gè)程序JOB1、JOB2和JOB3，同時(shí)被提交執(zhí)行，如下表所列。,單道執(zhí)行情況如圖1.7 多道執(zhí)行情況如圖1.8,14,1.2.3 多道程序批處理系統(tǒng),多道程序設(shè)計(jì)在提高資源利用率方面產(chǎn)生的效果,15,1.2.4

7、 分時(shí)系統(tǒng),分時(shí)系統(tǒng)是一種由調(diào)度策略和多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)所構(gòu)成的、同時(shí)供兩個(gè)或多個(gè)用戶使用的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的系統(tǒng)。 分時(shí)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)程序正在執(zhí)行時(shí)，允許用戶與計(jì)算機(jī)交互，從而大大縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，增加了用戶調(diào)試程序和控制程序運(yùn)行的靈活性。,16,1.2.4 分時(shí)系統(tǒng),分時(shí)系統(tǒng)通常采用的實(shí)現(xiàn)方法是：先對(duì)每一用戶作業(yè)分定一個(gè)時(shí)間片，再按輪轉(zhuǎn)方式來(lái)執(zhí)行這些作業(yè)。用戶作業(yè)可以繼續(xù)運(yùn)行直至其時(shí)間片執(zhí)行完或發(fā)生一個(gè)（I/O）中斷，才暫停此作業(yè)的運(yùn)行而讓另一作業(yè)運(yùn)行，暫停的作業(yè)則等到再次輪到它時(shí)又可繼續(xù)運(yùn)行下去，系統(tǒng)中的作業(yè)都用這種方式輪轉(zhuǎn)執(zhí)行。,17,1.2.5 實(shí)時(shí)系統(tǒng),實(shí)時(shí)系統(tǒng)是在響應(yīng)時(shí)間方面

8、有嚴(yán)格制約的專用系統(tǒng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)與其他普通的系統(tǒng)之間的最大不同之處就是要滿足處理與時(shí)間的關(guān)系。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)的區(qū)別在于：在分時(shí)系統(tǒng)中，快速響應(yīng)是需要的，但不是必需的；在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，處理事務(wù)必須在適合于此系統(tǒng)的特定時(shí)間限額內(nèi)完成。,18,1.2.5 實(shí)時(shí)系統(tǒng),實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要是為聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)任務(wù)服務(wù)的，相比分時(shí)系統(tǒng)它有其自身的特點(diǎn)： (1)與分時(shí)系統(tǒng)一樣具有多路性和獨(dú)立性。 (2)對(duì)外部實(shí)時(shí)信號(hào)必須能及時(shí)響應(yīng)，響應(yīng)的時(shí)間間隔要足以控制發(fā)出實(shí)時(shí)信號(hào)的那個(gè)環(huán)境。 (3)整體性強(qiáng)。 (4)有交互性，但這里人與系統(tǒng)的交互僅限于訪問(wèn)系統(tǒng)中某些特定的專用服務(wù)程序。 (5)要求有高可靠性和安全性，系統(tǒng)的效率則

9、放在第二位。,19,1.3 操作系統(tǒng)的主要成就,操作系統(tǒng)是現(xiàn)有軟件系統(tǒng)中最復(fù)雜的系統(tǒng)軟件之一。到目前為止，操作系統(tǒng)已取得了5項(xiàng)主要成就：進(jìn)程、內(nèi)存管理、信息的保護(hù)與安全性、調(diào)度與資源管理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,20,1.3.1 進(jìn)程,進(jìn)程是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。進(jìn)程就是：可并發(fā)執(zhí)行的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上的運(yùn)行過(guò)程。進(jìn)程由以下3部分組成： 一個(gè)可執(zhí)行的程序； 該程序所需的相關(guān)數(shù)據(jù)(變量、工作空間，緩沖區(qū)等)； 該程序的執(zhí)行上下文(Context)。,21,1.3.1 進(jìn)程,典型的進(jìn)程實(shí)現(xiàn),進(jìn)程B正在執(zhí)行； 進(jìn)程A被中斷,22,1.3.2 存儲(chǔ)管理,操作系統(tǒng)的5條存儲(chǔ)管理原則： 進(jìn)程隔離。 自動(dòng)分配和管理。

10、支持組件編程存儲(chǔ)器共享使得一個(gè)程序具有對(duì)另一程序的存儲(chǔ)空間進(jìn)行尋址得可能性。 長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)。 保護(hù)和存取控制。 操作系統(tǒng)通常用虛擬存儲(chǔ)器和文件系統(tǒng)來(lái)滿足。,23,1.3.2 存儲(chǔ)管理,看待存儲(chǔ)系統(tǒng)的兩種不同觀點(diǎn),(b) 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者觀點(diǎn),(a) 用戶觀點(diǎn),24,1.3.3 信息保護(hù)和安全性,同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和存儲(chǔ)在其中的信息的存取控制有關(guān)的4種保護(hù)策略： 不共享：進(jìn)程完全獨(dú)立，資源有排它控制權(quán)。 共享原始程序或數(shù)據(jù)文件：一個(gè)物理上存在的程序可以在多個(gè)虛擬地址空間中出現(xiàn)，對(duì)寫(xiě)操作要加以保護(hù)。 無(wú)存儲(chǔ)子系統(tǒng)：進(jìn)程被分為多個(gè)子系統(tǒng)。系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)程不保存用戶應(yīng)用進(jìn)程的信息；用戶應(yīng)用進(jìn)程也無(wú)法知道系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)程

11、的算法。 控制信息的分布：用戶和應(yīng)用程序都要進(jìn)行安全檢查，而數(shù)據(jù)和其他資源都有一個(gè)安全級(jí)別。,25,1.3.3 信息保護(hù)和安全性,同操作系統(tǒng)有關(guān)的安全和保護(hù)工作可分為以下3類： 訪問(wèn)控制：管理用戶對(duì)整個(gè)系統(tǒng)、子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，并且管理進(jìn)程對(duì)系統(tǒng)中各種資源和目標(biāo)的訪問(wèn)。 信息流控制：管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流以及傳遞給用戶的數(shù)據(jù)流。 確認(rèn)：所提供的訪問(wèn)及信息流控制機(jī)制；這些機(jī)制所支持的訪問(wèn)及安全策略。,26,1.3.4 調(diào)度和資源管理,操作系統(tǒng)的核心任務(wù)之一就是管理各種可獲得的資源以及合理地調(diào)度它們。任何資源分配和調(diào)度策略都必須考慮 公平性：給競(jìng)爭(zhēng)資源的進(jìn)程以平等的訪問(wèn)權(quán)限，以免某些進(jìn)程“餓死”。 不同敏感性：區(qū)分具有不同服務(wù)請(qǐng)求的不同類型的任務(wù)（既要考慮全局又要考慮局部）。 效率：在公平和效率的限制下，操作系統(tǒng)最好能有最大化吞吐量、最小化響應(yīng)時(shí)間。,27,1.3.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu),隨著操作系統(tǒng)性能的增強(qiáng)，