操作系统 操作系统概述

会计学1操作系统操作系统概述主要内容存贮程序式计算机计算机系统结构与操作系统的关系O.S.的形成与发展O.S.的功能和特性第1页/共92页§1.1存贮程序式计算机存贮程序式计算机结构特点数据处理科学计算各种管理问题建立数学模型(对问题的形式化定义)算法工具计算(对问题的形式化描述)(算法的实现)计算器、算盘第2页/共92页

1946年著名的匈牙利数学家冯·诺伊曼(VonNeuman)

总结了手工操作的规律以及前人研究计算机的经验教训后，提出了“存贮程序式计算机”方案(一种概念性结构)，从而使计算初步实现了自动化。

“存贮程序式计算机”也称为VonNeuman型计算机，它由运算器、控制器、存贮器、输入设备和输出设备5大部分组成。第3页/共92页它的主要特点：(最初)1.

机器以运算器为中心

P2Pic1.1输入设备存贮器M运算器ALU控制器V输出设备指令图1.1VonNeumanII型机器的结构输入/出设备与存贮器之间的数据传送都要途径运算器，各部分的操作及其相互之间的联系都要由控制器集中控制。第4页/共92页2.

采用存贮程序原理将程序(指令序列)和数据事先存放在存贮器中，运行时顺序取出指令一条条地执行CS＋IP代码段指令指针第5页/共92页3.

存贮器按地址访问，它是一个顺序、线性编址的一维空间，每个单元的位数是固定的。4.

指令在存贮器中基本是按其执行顺序依次存贮。

由指令计算器指明要执行的指令在存贮器中的地址。5.

指令由操作码和地址码两部分组成。6.

数据以二进制编码，并采用二进制运算。第6页/共92页7.

软件与硬件完全分开，硬件结构采用固定性逻辑，即其功能上是不变的，完全靠编制软件来适应不同的应用需要。上述特点中最根本的一点是采用存贮程序原理

(即控制部件根据程序对整个计算机的活动实行集中过程控制，并根据程序规定的顺序依次执行每一个操作)。第7页/共92页

应该说，VonNeuman等人最初提出的这种结构和特点为现代计算机的发展奠定了基础，并起了很大的作用。

但由于当时受硬件条件的限制，为降低造价，减少体积，提高可靠性，让机器中大部分的功能都由软件来完成。第8页/共92页

随着计算机应用领域的扩大，不断提出了新的要求，并出现和完善了高级语言、操作系统，因由这种结构和功能分配所产生的问题和矛盾越来越大，迫使人们不断对这种结构加以发展和改进。第9页/共92页§1.2计算机系统结构与操作系统的关系

一、计算机系统构成

现在的一个完整的计算机系统，不论是大型机、小型机、甚至微机和微处理机，都由两大部分组成：即计算机的硬件部分和计算机的软件部分。第10页/共92页硬件：改进的VonNeuman机的五大部件

(输/出设备、运算器、控制器、存贮器)软件：系统软件：管理计算机本身的操作，并为应用程序提供编程环境应用软件：直接面向用户，为之解决各类问题第11页/共92页其中OS是计算机系统中重要的系统软件，它是整个系统的控制中心，它控制和管理计算机系统的各类资源，并为其它系统程序和应用程序提供基本的服务。第12页/共92页物理设备微程序机器语言O.S.命令解释器编译编辑银行系统，飞机订票硬件系统软件应用程序图1.2OSXENIXdos.UNIX.应用程序裸机

(硬件)P4Pic1-6第13页/共92页1.

物理设备：集成电路芯片、导线、电源等电气元件组成。2.

微程序：通常固化在只读存贮器之中，直接控制物理设备并为其上层提供服务接口。3.

机器语言：微程序解释的指令集合。

尽管微程序、机器语言实际上不是机器硬件，但由于它与机器硬件联系密切，习惯上，把它们看成实际机器的一部分。第14页/共92页4.

O.S.

的主要功能是使上述的硬件编程复杂性尽可能对程序员透明。5.

命令解释器。编译程序，虽由厂家提供，是系统软件，但运行于用户态(目态)，并不受硬件保护，用户可编制或修改。第15页/共92页6.

硬件、软件“虚拟机”

硬件常称为裸机，它的功能即使很强，但它往往是不方便于用户使用的，功能上相对来说也是有局限性的。

而软件是在硬件基础之上对硬件的性能加以扩充和完善。因而一个裸机在每加上去一层软件后，就变成了一个功能更强的机器，我们通常把这“新的更强功能的机器”称之为“虚拟机”。第16页/共92页综上所述，OS的主要目的为了方便用户。(OS为用户与硬件之间的接口程序)

有效地管理和使用计算机系统资源，提高资源的利用率。例如：三个运行中的程序要求在一台共享的打印机上输出信号解决：通过在磁盘缓冲区里进行排队管理，照顾到各程序平等地使用打印机第17页/共92页显然以上OS两个目的有时是矛盾的。(一个软件、一个硬件为重)a.

在发展早期，由于资源十分昂贵，从效率上考虑多，因而OS的许多理论也主要是讨论如何优化地使用这些资源。b.

在计算机高度普及的今天，强调方便用户则是软件设计更为重要的目标，以至于“用户友好”(userfriendly)已成为计算机术语中的常用词。第18页/共92页二、计算机系统结构与OS的关系

随着计算机硬件的发展，系统结构以及OS都在不断完善、发展，目前在市场上销售的计算机，大部分仍然采用VonNeuman式计算机的结构，不断改进，今后仍然是如此。第19页/共92页

我们知道VonNeuman型计算机的根本特点是–––集中顺序过程控制。OS既是计算机系统中的一个重要组成部分，当然也不能不反映这一特点。第20页/共92页

微型计算机也同一般计算机系统一样，由三个主要部分组成：处理机，存储器和输入输出(又称I/O)设备，其组织结构关系如图所示，由图可以看出微型计算机是以总线为纽带来构成计算机系统。CPU存储器I/O

设备总线I/O

设备P3PIC1-4第21页/共92页

当微处理机与慢速的输入输出设备(如打印机或终端等设备)交换数据时是不经过存储器的，而是直接从(或向)输入输出设备接口(控制器)中的数据寄存器中读(或写)。当微处理机与高速的输入输出设备(如磁盘)交换数据时，这些输入输出设备在控制器控制下首先将数据(通常是一组数据)送住存储区(或从存储区取数据)，也就是说微处理机与高速输入输出设备交换数据时，必须经由在存储器。第22页/共92页存贮程序式计算机1.

缺陷：I/O工作与运算器工作是串行的(以运算器ALU为中心)。是用控制器集中控制其它部件，控制器CU负担过重。从而影响了机器速度和设备利用率的提高。第23页/共92页2.

微机中的改进：由于I/O数据通过运算器才能与存储器进行交换，所以采用DMA。(输入/出处理机)通道技术减轻CPU(控制器)负担。第24页/共92页3.

在大中小型机中的改进以主存为中心，让I/O与CPU的运算并行，进而发展为分布处理和并行处理。

小型到大型的计算机系统多由中央处理机、输入输出处理机(又称通道)、存储器和输入输出设备组成，都是非总线结构。存储器成为这类计算机组成中的中心部分。第25页/共92页

中央处理机需要从或向输入输出设备交换数据时，它命令输入输出处理机来负责进行管理和控制。数据传输的路线都需经过存储器/输入输出处理机，也就是说中央处理机不能直接从输入输出设备中取(或存)数据。第26页/共92页处理机存储器选择通道成组

多路通道多路通道打印机终端...IBM370的系统结构

P2PIC1-3第27页/共92页三、常见OS简介1.

DOS是配置在IBM-PC及兼容机上的磁盘操作系统。单用户、单任务(DOS:DiskOperatingSystem)用于控制和管理计算机系统的软、硬件资源，DOS于1981年公布以来，其功能不断增强，版本不断更新DOS6.22。第28页/共92页2.

UNIX及其变种（Linux），多用户、多任务是从中小型机上移植下来的一个多用户操作系统，这个操作系统具有许多DOS没有的功能，是最常用的操作系统之一。例：在UNIX上的Informixfor4gL第四代语言的关系型数据库，在银行系统广泛应用开发程序。第29页/共92页3.

OS/2

单用户、多任务

是一个克服了DOS最大缺陷，并且有多任务处理功能的操作系统。(由于推销不力，才不为人们熟悉。)第30页/共92页4.

Windows

单用户、多任务

是一个具有非常新颖用户界面和多媒体处理功能的系统。从Windows3.03.195、98视窗/windowsNT->Win2000/XP/.NET，不断发展与完善，现在许多软件都基于Windows下开发，Delphi,VB,VC面向对象的程序设计。具有a.图形的用户界b.多任务处理功能c.硬件独立性构成完整的操作环境。第31页/共92页5.

MACSystemOS

是Apple公司著名的微机macintosh上的操作系统，具有类Windows功能。

6.

NOS网络OS，在微机局部网络环境中，具有代表性的Netware、LANmanager和Vines。近年来最优秀的Nos是Novell公司Netware3.11,3.12,4.10。第32页/共92页§1.3O.S.的形成与发展

只有深刻地了解过去和现在，才能更好地迎接未来。下面我们首先简单地回顾一下O.S.的形成和发展过程。第33页/共92页一、自世界上第一台计算机ENIAC(1800平方英尺)于1946年问世以来，计算机在运算速度、存储容量、外设功能、元件工艺及系统结构等方面都有了惊人的发展。通常，人们按照计算机元件工艺的演变过程，将其发展划分为四个时代：电子管时代，晶体管、集成电路、大规模集成电路时代(46－58)(58－64)(64－74)(70年代中至今)巨型、微型、网络化、智能化几个方向发展第34页/共92页与硬件发展相似，可将OS的演变和发展过程划分为四个时代：单道批处理时代多道批处理分时、实时系统时代同时具有多方面功能的多方式系统时代和分布式系统时代第35页/共92页二、第0代操作系统(40年代)计算机发展初期，计算机系统基本上仅由硬件组成(没有OS)，整个系统是由用户直接控制使用，又称“手工操作”阶段。输入设备主机磁带控制台输出设备卡片阅读机

纸带输入机辅存远控部件内存纸带打孔机

打印机早期计算机系统第36页/共92页缺陷：因为计算机速度慢，存储量小，外设又简单，所以辅存主要借助磁带。1.用户上机时一人独占全机资源。2.程序运行前的准备时间过长。3.人机矛盾人的操作速度与机器运行速度相比，仍存在速度极不匹配的矛盾(CPU等待人工操作－装卡片)。举例：某程序机器运行十万次/秒，需1小时。 人工操作需3分钟，之比为60:3＝20:1

若机器运行六百万次/秒，人工不变，之比为1:3

不能接受第37页/共92页三、第1代操作系统(50年代)

为了缓和早期使用计算机时存在的人－机速度严重不匹配的矛盾，提高资源利用率，人们开始利用计算机系统中的软件来代替操作员的部分工作，从而产生了最早的OS–––早期批处理系统–––(联机批处理)第38页/共92页基本思想：

设计一个常驻内存的程序(monitor,监督程序)，操作员有选择地把若干作业合成一批，安装输入设备上，并启动监督程序，然后由监督程序自动控制这批作业运行，从而减少部分人工干预，有效地缩短了作业运行前的准备时间，相对地提高CPU的利用率。第39页/共92页缺陷：1.I/O慢速，与CPU的高速不匹配t1t2t用户程度计算继续计算结束中断CPU空闲I/O操作monitorI/O请求启动I/OI/O完成2.用户交互性差第40页/共92页四、第2代操作系统(60年代初)1.硬件技术取得了两个方面的重大进展(一)通道技术的引进(二)中断技术的发展，使得通道具有中断主机工作的能力第41页/共92页2.为了提高资源利用率，人们开始使用输入输出缓冲、脱机输入输出、Spooling

等技术，尤其是引入了“多道程序设计”使简单批处理系统发展为高级批处理系统。第42页/共92页1）.

输入输出缓冲由于CPU和外设按串行方式工作，使得其间速度矛盾不匹配，利用率低。CPUI/O忙闲闲闲闲忙忙忙…………t为了改变这种串行工作方式，人们首先采用了缓冲(buffering)技术使两者在一定程度上并行操作。第43页/共92页例如：在主存中建立两个长度相同的缓冲区：B0,B1。对于一批待输入的信息，首先将其中的一个记录从设备上续入B0，随后将下一个记录从设备上读入B1，与此同时CPU开始处理B0中的记录。待CPU处理工作与输入工作均结束后，则将下一记录读入B0，CPU同时处理B1中的记录。如此重复直到将此批信息全部输入。这种利用双缓冲区实现的并行操作如图。第44页/共92页i0设备向Bi输入记录等待输入结束CPU处理Bi中的记录设备向B(i+1)mod2中输入一记录等待处理与输入的结果i(i+1)mod2Nbuffer空否？出口第45页/共92页2）.

脱机输入输出读卡机打印机卫星机输入带输出带输入带输出带主机磁带机的传输速度比卡片机、光电机和打印机的速度快，用磁带机代替这类低速外设可进一步缩短CPU与外设间速度上的差异，提高CPU的利用率。(实现主机与卫星机的并行操作)第46页/共92页3）.Spolling技术定义：并发的外部设备联机操作（伪脱机输入输出技术）。通道：专门控制I/O的硬件装置，它基本上可独立地控制外设与CPU并行操作，也称I/O处理机(价格便宜，速度慢)。磁盘：一种比磁带更快并能随机存取的外部存储设备(磁带机，顺序存贮)。第47页/共92页主机与通道之间借助中断相互通讯，通讯受主机直接控制。磁盘通道主机通道卡片机通道打印

机spooling系统作业#第48页/共92页这样，利用主机与通道之间的并行性，可以使作业的输入/输出与主机运算并行，提高了系统效率。(节省了卫星机，降低成本，而且并行操作)缺陷：

因为系统中作业之间仍以串行方式被处理，所以无法继续提高CPU、内存利用率，为从根本上解决这一问题，人们提到了多道程序设计技术。第49页/共92页3.多道程序设计概念是指把一个以上的作业存放在主存中，并且同时处于运行状态，使这些作业共享处理机时间和外部设备等其它资源(系统资源)对于一个单处理机系统来说，作业同时处于运行状态只是一宏观的概念其含义是指每个作业都已开始运行，但尚未完成。就微观而言，在任一特定时刻，在处理机上运行的作业只有一个第50页/共92页优点与问题：CPU利用率大大提高用户无控制权，无交互性，延迟大引入多道程序设计技术的根本目的：

提高CPU的利用率，充分发挥并行性，

这包括：程序之间；设备之间；设备与CPU之间均并行工作。第51页/共92页举例：以两道程序为例，运行情况如下P7PIC1-8：用户程序A用户程序B监督程序磁盘操作磁带操作I/OAI/OB请求盘输入启动盘调度B请求带输入启动带结束中断中断处理

调度A中断返回CPU空间，则可调度A，否则等待中断处理

调度B结束中tCPU运行设备运行公式复杂些，因情况不同而变化第52页/共92页作业：有两道程序A、B，按下图以多道程序方式运行，要求在右图画出它们的运行轨迹，并计算在60ms内，CPU的利用率，假设起始时首先运行B，并允许忽略监督程序切换A、B的时间。第53页/共92页运行15msI/O20ms运行10msI/O10msABBAI/OI/O10ms60mstBA第54页/共92页解：BAI/OI/O1060t20304050253545第55页/共92页若在单道程序系统中，没有任何并行情况存在，在任一特定时刻只有CPU或某一个设备在工作。第56页/共92页例R.Turner提出的例子更具说服力为了说明多道程序的优点，不妨参考RTurner提出的例子：某计算机系统，有256KB的主存(不包含操作系统)，一个磁盘，一个终端和一台打印机。同时提交的三个作业分别命名为JOB1、JOB2、JOB3。各作业运行时间分别为5min、15min和10min。它们对资源的使用情况如下表所示：第57页/共92页作业名作业类型所需主存/KB所需磁盘所需终端所需打印机运用时间/minJOB1CPU型50不用不用不用5JOB2I/O型100不用需要不用15JOB3I/O型80需要不用需要10三个作业的执行要求P7Tab1-1第58页/共92页假定JOB1主要使用CPU处理数据，JOB2主要使用终端进行作业的输入，JOB3运行时主要使用磁盘和打印机，后两作业都只需要较少的CPU时间。对于简单批处理情况，这些作业将按顺序执行。JOB1运行5min完成，JOB2在等待5min后，运行15min完成，JOB3在等待20min后开始执行。三个作业全部完成需要30min(这三个作业是一批)。第59页/共92页采用多道程序设计技术，可让这三个作业并行运行。由于它们运行中几乎不同时使用同一资源，所以三个作业可同时运行。JOB1在进行数据处理的同时，JOB2在终端上进行作业输入，JOB3在使用磁盘和打印机。因此，JOB1只需5min完成，JOB2需15min完成，JOB3需10min完成。这样三个作业全部完成的时间只需15min，显然系统处理效率明显提高。第60页/共92页CPU利用率主存利用率磁盘利用率打印机利用率全部作业完成时间/min吞吐量/(作业·h–1)单道17%=5/(5+15+10)30%=(50+100+80)/256/333%=10/3033%=10/3030=5+15+106=3/(30/60)多道(三道作业)多道程序与单道程序的平均资源利用率P8Tab1-2平均周转时间/min18=(5+20+30)/333%=(5/15)90%=(50+100+80)/25667%=10/1567%=10/151512=3/(15/60)10=(5+15+10)/3第61页/共92页吞吐量：单位时间(1小时)内系统所处理的作业个数。周转时间：从作业进入系统到作业完成退出系统所用的时间。平均周转时间：同时参与系统运行的几个作业的周转时间的平均值。4.几个概念第62页/共92页五、分时系统：是交互式系统和多道程序设计相结合。每一个用户通过一台终端与计算机相连，以交互式的命令使用系统，采用分享CPU的方法，使用户感到自己独占了整个计算机系统。例如SUN工作站上接好几个终端可供多上用户上机。CPUVART按口卡UARTRS-232中西文字符终端有CPU和存贮器，其中的EPROM含监控程序串行异步收发器第63页/共92页“时间片轮转法”怎样分享CPU？CPUt一个时间tPRG1PRG2…PRG1PRG2…未完第64页/共92页例如：若有n=20个用户，时间片大小ts=10毫秒，则每个用户在nts=0.2秒内至少能用ts=10ms的CPU，由于CPU的速度比人在终端上指令的时间快得多，则用户似乎感到CPU为自己独占。系统规定一个称之为“时间片”的时间单位，所有终端用户轮流享用一个时间片的CPU。第65页/共92页分时系统的特性：多路性：多个用户可以同时使用计算机(同时性)交互性：用户直接控制操作过程(终端)独占性：程序之间相互独立，多个用户同时使用，如像独占计算机系统及时性：响应时间合理优点：促进计算机普通节省开支减少人员充分利用系统资源第66页/共92页六、实时系统(Real-timeSystem)：

对外部事件及时响应并处理应用需要(工业控制、导弹)强调的是响应速度–––专用特性特征：实时时钟管理；过载保护(抛弃或延迟)

高可靠性、安全性；交互性差(与分时比)第67页/共92页实时系统特点(1)“专用系统”无论批处理系统，还是分时系统，基本上都是多道程序系统，是属于处理用户作业的系统。系统本身没有要完成的作业，它只是起着管理调度系统资源，向用户提供服务的作用。这类系统可以说是“通用系统”。而许多实时系统则是“专用系统”，它为专门的应用而设计。在此种系统中，系统本身就包含有控制某实时过程和处理实时信息的专用应用程序。第68页/共92页(2)

实时系统用于控制实时过程，所以要求对外部事件的响应要十分及时，迅速。能迅速处理外部中断，较常用的中断处理程序及有关的系统数据基最好常驻主存储器中。第69页/共92页(3)可靠性对实时系统十分重要。重要的实时系统往往采用双机系统，以保证系统的可靠性。第70页/共92页(4)实时系统的设计常称之为“队列驱动设计”和“事件驱动设计”。其工作方式基本上是接受来自外部的消息(事件)，分析这些消息，而后调用相应的消息(事件)处理程序进行处理。第71页/共92页在某些计算机系统中配置的OS结合了批处理能力和交互作用的前台/后台方式提供服务。前台以分时方式为多个联机终端服务，当终端用户很少或在晚间时，系统是可以批量方式来处理送到机房的作业。第72页/共92页七、网络操作系统

一些独立自治的计算机，利用通信线路相互连接形式的一个集合体称为计算机网络。计算机连网的目的：资源共享使所有的程序、数据和其它资源可被网络上任一个用户使用，而不必考虑资源与用户的物理位置，而且还能实现负载均匀。通过供给可替换的资源而达到高度的可靠性。第73页/共92页

网络上的计算机由于各机器的硬件特性不同、数据表示格式及其它方面要求的不同，在互相通信时为能正确进行并相互理解通信内容，相互之间应有许多约定，称为协议或规程。因此通常将网络操作系统定义：“网络操作系统(NOS,NetworkOperatingSystem)是使网络上各计算机能方便而有效地共享网络资源，为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关规程的集合。”第74页/共92页

网络操作系统除了应具有通常操作系统应具有的处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理外，还应具有以下两大功能：(1)提供高效、可靠的网络通信能力；(2)提供多种网络服务功能，如：远程作业录入并进行处理的服务功能；文件传输服务功能；电子邮件服务功能；远程打印服务功能。总而言之，要为用户提供访问网络计算机各种资源的服务。第75页/共92页

国际标准化组织为了对网络软件实行标准化并进行集成，定义了一个软件模型。这就是开放系统互连参考模型(OSI)。第76页/共92页应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层虚拟通信SMB协议不同传输协议NDIS协议虚拟通信传输媒体客户机服务器OSI参考模型P14PIC1-9第77页/共92页

按此模型一台机器上的每层都假定它与另一台机器上的同层“对话”(图上用虚线表示，称为虚拟通信)。模型中最下面四层又称通信子网。驻留于上三层的软件称为通信子网的用户。网络软件应实现各层应有的功能，并遵照各层间通信的协议。第78页/共92页八、现代O.S.(1)用户与系统交互时，多使用图形用户接口GUI(graphicuserinterface)。多媒体应用技术使用十分广泛。(2)多机系统，尤其对称多处理器SMP(symmetricmultiprocessing)方式将被广泛使用。第