计算机科学导论第七章操作系统.ppt

7.1 引言（操作系统统定义义 ） 7.2 演化（操作系统统的发发展 ） 7.3 操作系统统的组组成部分 7.4 主流操作系统统 第七章 操作系统 操作系统（Operating System，简称OS）是配置在 计算机硬件上的第一层软件，是管理电脑硬件与软 件资源的系统软件。 相对于其它软件，OS很难用代码量衡量。 图1 OS作为接口的示意图 7.1 引言 自举过程： 操作系统本身也是程序，也需要被装入内 存运行，怎么办？ 首先，有一小部分内存由ROM构成，存称 为自举程序的小程序。当计算机被加电时，CPU 计数器被设置为自举程序的第一条指令，并执 行程序中的指令。这个程序的唯一职责就是把 操作系统（需要启动计算机的那部分）装入 RAM内存。当装入完成后，CPU中的程序计数 器被设置为RAM中操作系统的第一条指令，操 作系统就被执行。 7.2 演化 一、无操作系统的计算机系统（1945-50年代中期） 1. 人工操作方式 2. 脱机输入输出方式 操作系统的发展过程 1. 人工操作方式 工作流程： （1）由程序员事先穿孔（对应程序和数据） （2）将穿孔的纸带（卡片）装入纸带（卡片)输入机 （3）再启动输入机将程序和数据输入计算机 （4）然后启动计算机运行 （5）运行完毕取走计算机结果 （6）下一位用户 人工操作方式带来的矛盾及解决方法 缺点： 用户独占全机（资源浪费） CPU等待人工操作：装入时、取走时的CPU及内存等 资源是空闲的。 矛盾 人机矛盾即人工操作方式与机器利用率的矛 盾 CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾 解决方法 脱机输入输出方式 2. 脱机输入/输出方式(off-Line I/O） 工作流程：（示意图1-2) 优点： 减少了CPU的空闲时间。 提高了I/O速度（与高速的磁盘打交道） 输入设备外围机外存 输出设备 主机外存外存 外存 外围机 高速高速 二、批处理系统 1.单道批处理系统 20世纪50年代中期发明了晶体管，人们用晶体管代替了 真空管来制作计算机，从而出现了第二代计算机。尽管 计算机的体积大大减少、但是计算机仍然非常昂贵，为 了能充分利用计算机资源，单道批处理系统出现了。 2.多道批处理系统 1. 单道批处理系统 1、工作流程： （1）作业（job）合成一批输入到外存上，同时在系统中 配上监控程序。 （2）monitor将作业逐个送入内存并运行。 2、特征： （1）自动性 ：作业逐个依次运行，无需人工干 预。 （2）顺序性 ：磁带上的各道作业顺序地进入内 存，作业的完成顺序与他们进入内存的顺序在 正常情况下是一致的。 （3）单道性 ：每次监督程序只从磁带上调入一 道程序进入内存运行，当该程序完成或异常时 ，才换入其后继程序进入内存运行。 3、优点：减少了人工操作的时间，提高机器的利用率和 系统吞吐量。 4、缺点：对某些作业来说，当它发出输入/输出请求后， CPU必须等待I/O的完成，特别因为I/O设备的低速性， 从而使机器的利用率很低。 2. 多道批处理系统 n为解决单道批处理系统中内存仅存放一道作 业，导致资源利用率和吞吐量低下的问题， 引入了多道程序设计技术，从而引出了多道 批处理。 1.引入： 允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计 算的方法. （a）单道情形： 打印请求打印请求 单道与多道程序运行情况 （b）多道情形： 程序A 监督程序 I/O设备 绘图仪请求 t1t2t3t4t5t6t7t8 CPU 打印机 绘图仪 程序B 打印完成 绘图完成 CPU 空闲 t9t10 仍有空闲 用户程序 监督程序 I/O操作 I/O中断 请求 启动I/O I/O完成中断 I/O中断请求 启动I/O t1 I/O中断 处理结束 t2t3t4t5t6t7t8 CPU CPU空闲 空闲 2. 多道批处理系统 特征：（1）调度性 （2）无序性 （3）多道性 优点：（1）资源的利用率高 （2）系统吞吐量大 缺点：（1）平均周转周期长 （2）无交互能力 1.分时系统的产生 用户对系统功能需求不断增长，主要以下3个方面： n 人机交互：程序调试、修改可直接对计算机进行控制。 n 共享主机：多个用户都希望以“独占”方式共享一台计算机 。 n 方便上机：用户希望有一个终端设备直接将作业传递给计 算中心主机，并能直接对其作业控制。 三、分时系统 三、分时系统 分时操作系统 终端终端终端 响应时间 1 2 3 n 时间片 计算机硬件 终端 分时操作系统 终端终端终端 响应时间 1 2 3 n 时间片 计算机硬件 终端终端终端终端终端终端终端终端终端 分时系统示意图 三、分时系统 n 用户的任务要及时进入主存，不能长时间放在外 存 2.关键问题 n 需要及时响应，因此不能像批处理系统允许某 个作业长时间占用cpu，而是以较小的时间片在不 同用户程序之间强制切换 3.分时系统的4个主要特征 ： n 多路性：宏观上同时有多个用户在运行。 n 交互性：在终端上编辑、运行程序，或其它操作 。 n 独占性：每个用户一个终端，独立操作，互不干扰 n 及时性：在很短时间内得到响应，小于23秒。 三、分时系统 四、个人系统 例如，DOS（Disk Operation System）系统 五、并行系统 六、分布式系统系统 七、实时系统系统 同一台计算机中安装多个cpu，每个cpu处理一个程序 或一个程序的某一部分 程序运行在不同地域的计算机上，并且这些不同地域的 计算机通过网络互连。 7.3 操作系统的组成部分 n内存管理 n进程管理 n设备管理 n文件管理 n用户接口 一、内存管理的功能 主要任务 为多道程序的运行提供良好的环境 方便用户使用存储器 提高存储器的利用率 从逻辑上扩充内存 功能 内存分配 根据用户程序的需要给它分配存储器资源。 内存保护 把各个用户程序相互隔离起来互不干扰，更不允 许用户程序访问操作系统的程序和数据，从而保护用 户程序存放在存储器中的信息不被破坏。 地址映射 内存扩充（虚拟存储技术） 在多道程序的情况下，对于内存的分配，有以 下几种方式：分区、基于分页存储管理方式、 请求分段存储管理方式和请求分页存储管理方 式等。 1、分区调度 内存分成几个区，每个区保存一个程序 v缺点： （1）作业大小受到最大分区大小的限制 。 （2）空间浪费。 （3）碎片问题。 2、分页调度 内存分为若干大小相同的部分，每个部分称为帧 程序也分为大小相等的部分，称为页 页和帧的大小相等 一个有多个页的程序，需要多个帧，但不要求这 些帧是连续的 3、请求分页调度 与分页调度不同的是，程序不必整体装入内存， 可以依次装入。 不需要连续的帧 4、请求分段调度 从程序员的角度出发，以程序和子程序来分成段， 然后同请求分页存储管理方式。 虚拟内存 是针对请求分段存储管理方式和请求分页存储管 理方式。 进程管理器 一、常见术语 ： 程序(program)：程序是程序员编写的一组 稳定的指令，存在硬盘（磁盘）上，它可 能会成为作业。 作业(job)：从程序被选中执行，到其运行 结束并再次成为程序的这段过程中，程序 被称为作业。 进程(process)：进程是执行中的程序。只要 作业装入内存就成为一个进程。 作业都是程序，但并不是所有的程 序都是作业; 二、状态图 三、调度器：作业调度器和进程调度器 1、作业调度器 将一个作业从保持状态转入到就绪状态，或从运 行状态转入终止状态 即负责从作业中建立一个进程和终止一个进程 保持 作业调度器 终止 2、进程调度器 将一个进程从一个状态转入另一个状态 四、队列 计算机资源是有限的，和很多作业和进程都需 要使用计算机的资源。那么，谁先使用？何时 使用？怎么办？ 最简单的方法：排队 因此，就会有不同的队列：作业队列、就绪队 列、I/O队列。 常用的进程管理策略： FIFO 短作业优先 高优先权优先 五、进程同步 1、死锁 所有进程的管理思想都是使得拥有不同资源的不同进 程同步。 请求了 请求了 A 文件1 分配了 B 文件2 分配了 死锁 死锁发生的四个必要条件 互斥：一个资源只能被一个进程占用。 资源占有：尽管不使用资源，但进程占有该资源 直到拥有其它可用资源。 抢先：进程已占有的资源不能被强行剥夺。 循环等待：在系统中存在一个由若干进程形成的 环形请求链，其中的每一个进程均占有一些资源 ，同时又申请环形请求链中下一个进程所占有的 资源。 例. 三个进程（A、B和C）同时运行，进程A占用 File1但需要File2。进程B占用File3但需要File1。进 程C占用File2但需要File3。这种情况可能产生死锁 吗？ 2、饥饿 这种情况与死锁相反。由于OS对于资源控制过严， 只有在所需要的资源都准备好后才能执行。限制太 多，造成永远得不到资源。 P136 图7-18 设备管理器 主要任务：监视I/O设备，保证其正常运行 维护I/O设备队列 控制I/O设备访问策略 文件管理器 主要任务：文件访问权 限控制 文件的创建、删除、修改 文件的命名 存储管理，存在那儿？如何存？ 归档与备份 用户接口 主要任务 方便用户使用操作系统 功能 命令接口 程序接口（系统调用） 图形接口 7.4 主流的操作系统 Windows Unix Linux Windows 1975年19岁的比尔盖茨从哈佛大学退学，和他的高 中校友保罗艾伦一起卖BASIC。 1980年，IBM公司选中微软公司为其新PC机编写关 键的操作系统软件，这是公司发展中的一个重大转 折点。由于时间紧迫，程序复杂，微软公司以5 万 美元的价格从西雅图的一位程序编制者帕特森手中 买下了一个操作系统QDOS的使用权，在进行部分 改写后提供给IBM，并将其命名为Microsoft DOS（ DOS是Disk Operating System缩写，意为磁盘操作系 统） IBM-PC机的普及使MS-DOS取得了巨大的成功，因 此80年代，它成了PC机的标准操作系统。 20世纪80年代末90年代初，微软在其MS-DOS操作系 统的基础上推出了Windows 3.x系 统。 1995年，微软推出了独立于DOS系统的Windows 95 操作系统。 在98年，微软推出了Windows 98操作系统，这是其 历史上影响时间最长、最成功的操作系统之一。 接着又推出了Windows 2000 professional版，Windows XP，Windows Vista，Windows 7 和Windows 8都为微 软赢得了很大的市场。 Unix UNIX ，是一个强大的多用户、多任务操作系统， 支持多种处理器架构，按照操作系统的分类，属于 分时操作系统。 贝尔实验室中的有个叫肯汤普逊的人，他为 MULTICS这个操作系统写了个叫“Space Travel”的游戏 ，在MULTICS上经过实际运行后，他发现游戏速度 很慢而且耗费昂贵 每次运行会花费75美元。 退出这个项目以后，他为了让这个游戏能玩，所以 他找来丹尼斯里奇为这个游戏开发一个极其简单 的操作系统。这就是后来的Unix。 Linux Linux 操作系统是UNIX 操作系统的一种克隆系统。 它诞生于1991 年的10 月5 日（这