《计算机系统与系统软件》PPT电子课件教案-第一章概述.ppt

1,计算机系统与系统软件,主讲老师：叶娟,2,第一章 绪论,1、计算机系统结构 2、操作系统的定义及功能 3、操作系统的发展历史 4、操作系统的几种观点不同角度 5、流行操作系统,3,1、计算机系统结构,1.1五大部件 中央处理器（控制器和运算器） 存储器（主存和外存） i/o装置（输入装置和输出装置） 五大部件通过总线（地址总线、数据总线、控制总线）连接。,4,计算机系统结构,1.2 系统结构与操作系统的关系 操作系统负责管理计算机系统的硬、软资源和工作流程。,5,计算机系统结构,操作系统与硬件软件的关系,6,2、操作系统的定义及功能,操作系统的定义 操作系统的功能,7,操作系统的定义,操作系统是计算机系统中一个系统软件，它是这样一些程序模块的集合它们管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强、使用方便的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作用。,8,操作系统的功能,处理机管理 存贮管理 设备管理 文件系统 用户接口,9,处理机管理,提高系统资源的利用率和方便用户使用。 单道作业（单用户） 管理简单 多道 分配调度策略、 分配实施和资源回收 不同性质功能的操作系统主要是处理机管理策略的不同，即其提供的作业处理方式不同。,10,存贮管理,主要工作是对内部存储器进行分配、保护和扩充。 a.内存分配和存储无关性 b.存贮保护硬件实现 每个用户程序只能访问它自己的存贮空间，而不能存取任何其它范围内的信息，以防主存中共存的几道程序中的任一道程序干扰、破坏其它用户程序或系统程序。 c.存贮扩充软件实现 当用户作业所需要的内存量超过计算机系统所提供的内存容量时，把内存和外存结合起来管理，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存贮器，用户使用这个虚拟存贮器和使用内存一样方便。,11,设备管理,任务：根据一定的分配策略，把通道、控制器和输入/输出设备分配给请求输入/输出操作的程序，并启动设备完成实际的输入/输出操作。 设备管理是操作系统中最、琐碎的部分，原因： a.设备品种繁多、用法各异。 b.各外设能与主机并行工作，有的设备可被多个程序所共享。 c.主机与外设、各外设之间速度极不匹配。,12,设备管理,设备管理的工作： a.设备无关性（逻辑名，物理名） 用户程序中或在资源申请命令中使用设备的逻辑名，使申请和使用的设备与实际操作设备无关。 b.设备分配 独享，共享，虚拟技术。（尽可能发挥设备和主机的并行能力） c.设备的传输控制 启动设备，中断处理，结束处理。,13,文件系统（软件资源管理）,a.管理已保存的大量文件，使之不引起混乱。 b.信息的共享、保密、保护，使系统安全可靠。,14,用户接口,操作系统提供使用计算机方便灵活的手段，即提供一个友好的用户接口。 两级接口： a.程序一级接口，提供一组广义指令（系统调用，程序请求）供用户程序和其它系统程序调用。当这些程序要求进行为数据传输、文件操作或其他资源要求时，通过这些广义指令向操作系统提出申请，并由操作系统代为完成。 b.作业一级接口，提供一组控制操作命令（或称作业控制语言，或象unix中的shell命令语言）供用户去组织和控制自己作业的运行，作业控制方式典型地分脱机控制和联机控制两大类。操作系统提供脱机控制作业控制语言和联机控制作业语言。,15,3、操作系统的发展历史,芯片的发展 计算机的发展 操作系统的发展,16,芯片的发展,194650年代末 第一代：电子管 无操作系统（手工操作） 50年代末60年代中期 第二代：晶体管 批处理系统 60年代中期70年代中期 第三代：集成电路时代 多道程序设计系统 70年代中期至今 第四代：大规模和超大规模集成电路 分时操作系统,17,计算机的发展,巨型 微型 并行 分布 网络化 智能化,18,操作系统的发展,无操作系统 实时操作系统 批处理系统 网络操作系统 多道程序系统 分布式操作系统 分时操作系统 嵌入式操作系统,19,无操作系统（手工操作）,特点：无软件，用机器语言编制程序，用户既是程序员又是操作员。 流程：纸带（卡片）装上 输入机送入 计算机 启动 运行输出 打印 缺点：计算机由电子管时代进入晶体管时代，硬件性能（运行速度）大大提高，形成了计算机高速度与手工操作慢速度的矛盾人机矛盾。 改善途径：摆脱手工操作，实现作业的自动过渡 成批处理。,20,批处理,联机批处理（on-line） 脱机批处理（off-line） 执行系统,21,联机批处理（on-line）,联机工作方式：让操作员（用户）通过控制台（终端）直接操作、控制自己程序的运行。 基本思想：操作员把用户提交的作业分类，把一批中的作业编成一个作业执行序列，每一批作业有专门编制的监督程序（mornitor）自动依次处理；并且每批作业有一个和正文分开的作业说明书，提供用户标识、用户想使用的编译程序以及所需要的系统资源等基本信息；每个作业还包含一个程序和一些原始数据，以及一个作业的终止信息。,22,联机批处理,流程：读卡机读卡辅存解释说明记录 调入内存 输入编译程序翻译 目标代码 连接装配程序装配可执行程序启动执行 优点：解决了作业自动转接，从而减少作业建立和人工操作时间，提高了计算机的使用效率。 缺点：工作方式是串行方式，高速cpu在输入/输出时处于等待状态。（cpu速度高于i/o设备速度）,23,脱机批处理（off-line）,特征：增加一台不与主机直接相连而专门用于与i/o设备打交道的卫星机。 读卡机 输入带 打印机 卫星机 输出带 主机,24,脱机批处理,优点：改善cpu与i/o设备之间的矛盾 缺点： 磁带需人工拆装，既麻烦又容易出错； 系统没有任何保护措施 a.若目标程序执行一条停机的非法指令时，机器酒会错误的运行，需人工干预。 b.若一个程序进入死循环，只有操作员干预才能使系统恢复正常运行。 c.无法防止用户程序破坏监督程序和系统程序。 途径：通道、中断技术,25,执行系统,通道：是一种专用处理部件，它能控制一台或多台外设工作，负责外设与主存之间的信息传输。 中断：当主机接到外界硬件（如i/o设备）发来的信号时，马上停止原来的工作，转去处理这一事件，在处理完以后，主机又回到原来的工作点继续工作。,26,执行系统,在发生中断时，监督程序不仅要负责作业运行的自动调度，而且还要提供输入输出控制功能，它常驻内存，称为执行系统。 优点： 节省了卫星机，降低了成本，而且同样能支持主机和通道、主机和外设的并行操作。 用户程序的i/o工作是委托给系统实现的，由系统检查其命令的合法性，提高了系统的安全性，可避免由于不合法的输入输出命令造成对系统的威胁。 不足：始终是单道程序。,27,多道程序系统,多道程序设计技术：在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，使它们在管理程序控制下，相互穿插的运行。（多道程序在单处理机上逻辑上并发执行。） 特点： 多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。 宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。 微观上串行：内存中的多道程序轮流地或分时地占有处理机，交替执行。,28,多道程序系统,任一设备在每一时刻最多只能有一个程序占用，任何程序在每一时刻最多只能占用一个设备。,29,多道程序系统,例：系统中有a、b两道作业，它们要完成的任务分别是： 作业a先计算50ms，输入60ms，最后计算70ms； 作业b先计算50ms，打印输出60ms，最后计算50ms。 试比较两道作业在单道程序系统和多道程序系统中运行情况，并给出在两种情况下cpu的利用率。,30,多道程序系统,单道程序系统中的运行情况,31,多道程序系统,多道程序系统中的运行情况,32,多道程序系统,比较单道与多道运行情况： 1、a运行完毕的周期内（180ms）cpu的利用率： 单道（50+70）/180=2/3 多道 170/180 2、总运行时间：单道 340 多道 230,33,多道程序系统,多道程序系统虽然提高了系统的利用率，但要解决的技术问题是： 避免发生死锁,34,多道程序系统,批量操作系统：在批处理系统中采用多道程序设计技术。 优点：缩短作业之间的交接时间，减少处理机的空闲等待，提高效率。 缺点：响应时间（用户向系统提交作业到获得系统的处理信息这一段时间）长，不利及时控制。,35,多道程序系统,练习 设一计算机系统有输入机一台、打印机两台，现有两道程序同时投入运行，且程序a先开始运行，程序b后运行。程序a的运行轨迹为：计算50ms，打印信息100ms，再计算50ms，打印信息100ms，结束。程序b运行的轨迹为：计算50ms，输入数据80ms，再计算100ms，结束。要求： （1）用图画出这两道程序并发执行时的工作情况。 （2）说明在两道程序运行时，cpu有无空闲等待？若有，在哪段时间内等待？为什么会空闲等待？ （3）程序a、b运行时有无等待现象？在什么时候会发生等待现象？,36,分时系统,产生原因：用户希望能够联机工作方式进行人机会话。 分时技术：把处理机时间划分成很短的时间片（如几万毫秒）轮流地分配给各个联机作业使用，如果某个作业在给它的时间片用完之前计算还未完成，该作业就暂时中断，等待下一轮继续计算，此时处理机让给另一作业使用，因此，每个用户的要求都能得到快速响应，好象独占一台计算机。,37,分时系统,现有a、b两个作业，假定cpu时间片大小为10ms，则a、b分时的轮流占用cpu。,38,分时系统,分时操作系统：是一个联机（on-line）的多用户（ multi-user）交互式（interactive）的操作系统。 unix是最流行的一种多用户分时操作系统。 特点： 交互性； 多用户同时性； 独占性。,39,实时系统,早期计算机基本上用于科学和工程问题的数值计算，后期开始用于生产过程的控制，形成实时系统。 实时：对于外来信息能够以足快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内作出快速反应。 实时操作系统：对外部输入的信息，能够在规定的时间内处理完毕并作出反应。它对响应时间的要求比分时系统高。,40,实时系统,特点： 对外部实时信号必须能及时响应。 要求有高可靠性和安全性，系统效率放在其次。 系统的整体性强，要求所管理的联机设备和资源，必须按一定的时间关系和逻辑关系协调工作。 没有分时系统那样强的会话功能，不能修改，只能询问和执行。,41,网络操作系统,计算机网络：通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互连起来，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。 特点：多个处理部件；自治；通信。 缺点： 不能支持透明的资源存取，必须显性的表示主机位置及有关存取路径等信息。 不能对网上资源进行有效统一的管理，希望全局资源分配，动态负责平衡，容错强。 不能支持合作计算。,42,分布式操作系统,集中式计算机系统：处理和控制集中在一台计算机上。 分布式计算机系统：由多台分散的计算机，经互连往连接而成的系统。每台计算机既高度自治，又互相协同，能在系统范围内实现资源管理、任务分配，能并行的运行分布式程序。,43,分布式操作系统,用于管理分布式计算机系统的操作系统为分布式操作系统。,44,嵌入式操作系统,计算机硬件隐藏到各种应用程序中。 特点：微型化 可定制 实时性 可靠性 易移植性,45,4、操作系统的几种观点不同角度,1、操作系统是计算机资源的管理者 处理机、存储、设备、文件管理： 资源情况记录、资源分配策略、资源分配和资源回收。 2、用户界面的观点 对于用户来说，对操作系统的内部结构并没有多大的兴趣，他们最关心的是如何利用操作系统提供的服务来有效地使用计算机，因此，操作系统提供的用户界面成为关键问题，如上述两种接口。,46,操作系统的几种观点不同角度,3、进程管理观点 资源管理者或用户接口是静态观点，没有提出一个程序在系统中运行的本质过程和管理资源的各种子程序存在的关系。实质上操作系统调用当前程序运行是一个动态过程。 并发执行的程序在单处理机上宏观并行微观串行，它们可能是间接（并发程序段竞争同一资源，获得者执行，未获得者挂起，等待资源）或直接（一个程