第一讲操作系统引论

1、第一讲 操作系统引论授课主题授课主题第第1讲讲计划学时计划学时2操作系统概述教学目的教学目的和要求和要求1.掌握计算机系统的组成掌握计算机系统的组成2.掌握操作系统的定义掌握操作系统的定义3.了解操作系统的发展过程和特点了解操作系统的发展过程和特点4.掌握操作系统的基本特征掌握操作系统的基本特征5.掌握操作系统的基本功能掌握操作系统的基本功能教学重点教学重点和难点和难点重难点重难点：各种操作系统的优缺点，并行并发概念，操作系统各种操作系统的优缺点，并行并发概念，操作系统的基本特征的基本特征 教学内容教学内容1.操作系统概述操作系统概述 。教学过程教学过程见课件见课件 3 / 34什么是“计算机

2、”n“计算机”名称的起源n1646年正式出现”computer”这一英文单词n当时是指专门从事计算工作的人n而用来计算的机器在1940年以前称为“计算器”或“制表机”n直到1940前后发明第一台电子计算设备，“计算机”这一名词才正式具备今天的内涵，即n计算机n是一种能够根据存储的一系列指令，接收输入、处理数据、存储数据并产生输出的设备什么是“计算机”n计算机n是一种能够根据存储的一系列指令，接收输入、处理数据、存储数据并产生输出的设备 5 / 34计算机如何完成计算任务（IPSO）n输入(Input)：n计算机接收由输入设备提供的数据。n处理(Processing)：n计算机对数据进行操作，按

3、一定方式对它进行转换。n存储(Storage)：n计算机存储数据为处理所用。n主存：存放计算机正在处理的数据n外存：永久性保存数据的地方n输出(Output)：n计算机在诸如打印机或显示器等设备上产生输出，显示操作处理结果。 6 / 34什么是“计算机”一、 计算机系统的组成n1.1 计算机系统中的硬件n计算机中资源的数量多，种类多nCPU，MEMORY，DISK，PRINTER，OS在计算机系统中的位置计算机系统计算机系统 软件软件硬件及固件（裸机）硬件及固件（裸机）应用软件应用软件系统软件系统软件编译软件编译软件操作系统操作系统1.2 计算机系统中的软件1.2计算机软件系统的组成面向硬件连

4、接面向硬件连接面向应用软件开发面向应用软件开发计算机中最基础、计算机中最基础、最核心的软件最核心的软件面向人们的各类实际需求面向人们的各类实际需求 10 / 56操作系统的地位系统系统软件软件驱动驱动程序程序 11 / 56二、操作系统的定义n操作系统是计算机系统最基础的软件。如果没有它的支持，作为用户的人简直就没有办法让计算机为自己做任何事情。人使用计算机做任何事情都需要与操作系统打交道。二、操作系统的定义n操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合n它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，

5、使得用户能够灵活、方便、有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行n有效：系统效率，资源利用率n如：CPU利用的充足与否，内存、外部设备是否忙碌n合理：公平与否n如果不公平则会产生“死锁”或“饥饿”n方便：两种角度：用户界面；编程接口三、 操作系统的发展过程（单处理机）无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统 人工操作方式人工操作方式批处理系统批处理系统单道批处理系统单道批处理系统多道批处理系统多道批处理系统分时系统分时系统实时系统实时系统网络操作系统网络操作系统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3.1人工操作阶段运算速度：运算速度：50005000次次/ /每秒

6、每秒, 18000, 18000个真空管个真空管, , 占地占地182182平方米，重量平方米，重量130130吨，功耗吨，功耗140kW140kW3.1 人工操作阶段(1)n工作流程：（1）由程序员事先将对应程序和数据在纸带上穿孔（2）将穿孔的纸带装入纸带输入机（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阶段原理无操作系统：由手工控制作业的输入输出,通过控制台开关启动程序运行。用户：既是程序员，又是操作员，要求用户是计算机专业人员。编程语言：为机器语言，通过在一些插板上的硬联线来控制其功能。输入/输出：纸带或卡片那么这

7、种情况有什么问题？那么这种情况有什么问题？人工操作阶段缺点：用户独占全机：资源独占资源利用率低CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；人工控制程序的执行；计算完成后，手工卸取纸带或卡片CPU利用率低。（使用不便） 为了摆脱人工干预，就必须缩短建立作业和人工操作的时间。就有人提出了从一个作业到另外一个作业自动转换方式。 人们把常驻内存的程序负责计算机的I/O入、运行控制、出错处理的程序称为监督程序。3.2 （单处理机）单道批处理系统批处理系统n所谓批处理系统是指加载在计算机上的所谓批处理系统是指加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地成批

8、地处理一个或多个用户能够自动地成批地处理一个或多个用户的作业。的作业。几个简单的概念n作业：一次上机活动中需要计算机系统所做的一系列工作集合。n单道：系统一次只让一个作业程序进入系统内存。n单处理机：一个CPU,意味着单处理机系统在某一时刻只能处理一个作业。n批处理：将多个作业组合成一批进行处理。成批的处理，成批的退出。 操作员 将若干作业分组，称为一批作业，然后安装在计算机的输入设备上，监控程序按顺序读入每个作业并执行。每个作业执行结束后将结果输出到磁带上，然后返回到监控程序，监督程序自动加载下一个作业。 待一批作业全部处理完后，把所有所有作业的运行结果提交给用户。单道批处理系统流程案例分析

9、 某系统在一段时间间隔内，提交了两道作业A和B，把A和B作为一批作业进行处理。试分析：这两道作业在单道批处理系统环境下，完成这批作业所需的时间和CPU的利用率分别是多少？（假如调度顺序为A-B） 作业A：CPU(20MS) I/O(50ms) cpu(20ms) 作业B：cpu(20ms) I/O (20ms)试问：1、执行情况？2、完成这批作业的时间？3、CPU利用率是多少？ 作业A：CPU(20MS) I/O(50ms) cpu(20ms) 作业B：cpu(20ms) I/O (20ms) 执行情况： cpu i/0 cpu cpu i/o 20 50 20 20 20 完成这批作业的时间

10、为：20+50+20+20+20=130ms cpu的利用率（20+20+20）/130=47%案例分析单道批处理系统的特点n 减少了人工干预n多个作业间的工作方式？（串行或者并行）nCPU与I/O的工作方式？（串行或者并行）n系统只有一道作业上处理机器运行，该作业运行时，霸占计算机系统的作业资源。n系统的资源利用率？ 1）并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。2）并行：两个或多个事件在同一时刻发生3）原理：作业成批的输入系统并暂存在外存中， 组成后备队列，系统按一定的调度原则从后备队列中选择一个或者多个作业入内存进行处理。当一批作业运行完，系统便接受下一批作业。4）多道：内存中可以同时存

11、放多个作业，多个作业交替使用CPU和系统中的各种资源。（宏观上并行，微观上串行）3.3 （单处理机）多道批处理系统多道程序系统示例程序A程序Bcpui/0cpui/0cpui/0cpui/0(a) 单道程序设计程序Acpui/0cpui/0 程序Bwaitcpui/0cpui/o(b) 多道程序设计案例分析： 某系统在一段时间间隔内，提交了两道作业A和B，把A和B作为一批作业进行处理。试分析：这两道作业在多道批处理系统环境下，完成这批作业所需的时间和CPU的利用率分别是多少？（假如运行顺序为A-B） 作业A： CPU(20MS) I/O(50ms) cpu(20ms) 作业B： cpu(20m

12、s) I/o(20ms) cpu i/0 cpu 作业A： 20 50 20 ms cpu i/o 作业B： wait 20 wait 20 ms 完成这批作业所需时间：90Cpu的利用率？60/90=68%n1）使CPU和I/O同时保持最忙，内存利用率较高从而发挥系统最大效率。n2）用户一旦将作业提交给系统后，就失去了对作业的控制能力，无交互性。n多道批处理系统的优缺点：3.4 分时系统（Time-Sharing） 分时：指将处理机的运行时间分成很短的时间片，按轮流将处理机分配给各作业使用，多个用户分享使用同一台计算机。如果某作业在分配给它的时间片用完时仍未完成，则该作业就暂时中断，等待下一

13、轮运行，并把处理机的控制权让给另一个作业使用。这样在一个相对较短的时间间隔内，每个用户作业都能得到快速响应，以实现人机交互。3.4分时系统（Time-Sharing）中心计算机（分时系统）终端1终端2终端nABCDFCPU完成完成超时超时阻塞阻塞实例分析作业A(20ms) 作业B(15ms) 作业C(10ms) ，在分时系统中，CPU的时间片为5ms.分析批处理作业（A,B,C)的执行情况。假如：调度顺序A-B-C 第一轮完 第二轮完 第三轮完 第四轮完A 仍需15ms 仍需10ms 仍需5ms 运行完毕B 仍需10ms 仍需5ms 运行完毕C 仍需5ms 运行完毕 分时系统的特征多路性：多个

14、用户同时工作。共享系统资源，提高了资源利用率。及时性：用户能在很短时间内得到系统响应独立性：各用户独立操作，互不干扰。交互性：系统能及时对用户的操作进行响应，加快调试过程，缩短了周转时间。3.5 实时系统（Realtime）n所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(Real Time System)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。适用领域：用于过程控制、军事实时控制、事务处理系统（金融）等领域。实时控制系统。把计算机用于对飞行器、导弹发射以及雷达探测等军事方面的自动控制，这时计算机要及时加工测量系统测得的数据并及

15、时输出结果，以便对目标进行跟踪或向操作员显示结果。 实时处理系统。把计算机用于预订飞机票、查询航班、航线和票价等，或者用于银行系统的财务往来。这一类应用称为实时信息处理， 相应的系统称为实时处理系统。 3.5 实时系统（Realtime）3.5 实时系统（Realtime）n特点：n及时性：任务有明确和固定的时间约束，在一定范围之内必须作出响应；否则任务就会失败，有可能造成灾难性后果。n系统可靠性高3.6 网络操作系统（NOS） 定义：网络操作系统是在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的网络资源共享，提供网络用户所需各种服务的软

16、件和相关规程的集合。 功能：网络通信功能：通过网络协议进行高效、可靠的数据传输；网络资源管理：协调各用户使用；网络服务：文件传输、共享硬盘、电子邮件等；网络管理：安全管理、故障管理等。3.7 分布式操作系统分布式操作系统：将多台计算机组成一种特殊的计算机网络。系统中的多台计算机可合作执行同一个任务，使资源共享更彻底。“运行在不具有共享内存的多台计算机上 ，但在用户眼里却像一台计算机”：一群联网的计算机，其行为像是一台虚拟的单处理机，用户不必关心计算机的资源在什么地方、什么时间工作以及资源如何调配工作。3.8 手持系统（嵌入式操作系统）嵌入式系统:它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，完成特定

17、功能的软硬件系统。如电视机、微波炉、移动电话嵌入式操作系统：在嵌入式系统中的OS。它是运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件n嵌入式操作系统是应用在嵌入式系统的操作系统。嵌入式系统广泛应用在生活的各个方面，涵盖范围从便携设备到大型固定设施，如数码相机、手机、平板电脑、家用电器、医疗设备、交通灯、航空电子设备和工厂控制设备等，越来越多嵌入式系统安装有实时操作系统。n在嵌入式领域常用的操作系统有嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等，以及广泛使用在智能手机或平板电脑等消费电子产品的操作系

18、统，如Android、iOS、Symbian、Windows Phone和BlackBerry OS等。四、操作系统的基本特性n三种基本操作系统都各自有着自己的特征：n批处理系统具有能对多个作业进行成批处理，以获得高的系统吞吐量的特征；n分时系统具有允许用户和计算机进行人机交互特征；n实时系统具有实时特征它们都具有的特征？它们都具有的特征？n并发性n并行性和并发性(Concurrence)是既相似又有区别的两个概念，并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一

19、时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。n为了实现并发，引入进程和线程的概念四、操作系统的基本特性n共享性n所谓共享(Sharing)，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用，相应地，把这种资源共同使用称为资源共享，或称为资源复用。n目前主要实现资源共享的方式有如下两种。n1互斥共享方式n2同时访问方式四、操作系统的基本特性n虚拟技术n指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的，即实际存在的，而后者是虚的，仅是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术称为虚拟技术。n包含虚拟处理机，虚拟设备，虚拟存储器，虚拟磁盘等多