第1章-操作系统笔记.doc
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1、操作系统得定义: 操作系统(Operating System, OS)就是配置在计算机硬件上得第一层软件,就是对硬件系统得首次扩充1、1操作系统得目标与作用 在计算机系统上配置操作系统主要目标与计算机系统得规模与应用环境有关。1、1、1操作系统得目标方便性l 硬件只能识别机器代码(0、1)l OS提供命令,方便用户使用计算机有效性l 使CPU、I/O保持忙碌,充分利用l 使内存、外存数据存放有序,节省空间l 合理组织工作流程,改善资源利用率,提高吞吐量可扩充性l 计算机技术得发展:硬件/体系结构/网络/Internetl OS应采用层次化结构,便于扩充与修改功能层次与模块开放性l 支持网络环境
2、,兼容遵循OSI标准开发得硬件与软件1、1、2 操作系统得作用 1、 用户与计算机硬件系统之间得接口l 命令方式用户通过键盘输入联机命令(语言)l 系统调用方式用户程序通过系统调用,操纵计算机l 图形、窗口方式用户通过窗口、图标等图形界面操纵计算机2、计算机系统资源管理者l 4大类资源:处理机;存储器;I/O设备;信息(文件:程序、数据)3、对计算机资源得抽象(扩充机器)l 裸机:只有硬件得计算机,难以使用l 虚机器:在裸机增加软件(OS等),功能增强,使用方便1、1、3 推动操作系统发展得主要动力1、不断提高计算机资源利用率早期计算机很昂贵,为提高资源利用率,产生了批处理系统2、方便用户为改
3、善用户上机、调试程序时得条件,产生了分时系统3、器件得不断更新换代OS随之更新换代,如:8位-16位-32位4、计算机体系结构得不断发展单处理机OS-多处理机OS-网络操作系统1、2 操作系统得发展过程 无操作系统时代OS尚未出现,人们如何使用计算机? 人工操作方式 人工操作方式得缺点 用户独占全机 CPU等待人工操作 结果:资源利用率低下 脱机输入输出系统 低速设备n 纸带机/卡片机 高速设备n 磁带/磁盘n I/O速度提高,缓解了I/O设备与CPU得速度矛盾 主机:用于计算得主计算机 外围机:也就是计算机,处理输入输出,使之不占用主机CPU时间 外围机控制输入/输出 n 输入:低速设备-高
4、速设备n 输出:高速设备-低速设备n 输入与输出使用独立于主机得外围机,不占用主机得CPU时间,就是脱机过程,因此叫做脱机输入/输出方式 单道批处理系统 计算机发展得早期,没有任何用于管理得软件,所有得运行管理与具体操作都由用户自己承担,任何操作出错都要重做作业,CPU得利用率甚低。 解决得方法有两个: 首先配备专门得计算机操作员,程序员不再直接操作机器,减少操作机器得错误。 另一个就是进行批处理,操作员把用户提交得作业分类,把一批中得作业编成一个作业执行序列。每一批作业将有专门编制得监督程序(monitor)自动依次处理。 说明: 监督程序得作用:用来装入用户作业,与用户作业交替地使用CPU
5、。 “批”得含义:供一次加载得磁带或磁盘,通常由若干个作业组装成,在处理中使用一组相同得系统软件(系统带)。 关于“作业”得说明:通常,把计算机完成用户算题任务所需进行得各项工作称为一道作业。 多道批处理系统 早期得批处理可能出现两种情况:n 对于以计算为主得作业,输入输出量少,外围设备空闲;n 对于以输入输出为主得作业,主机空闲。 问题得提出 在早期得单道批处理系统中,内存中仅有单个作业在运行,致使系统中仍有许多资源空闲,设备利用率低,系统性能较差。 多道程序设计技术 若当前作业因等待I/O而暂停,CPU只能空闲直至该I/O完成 对于科学计算问题,CPU操作密集,CPU浪费时间少 对于商业数
6、据处理,I/O操作密集,I/O等待时间常占8090解决办法 将内存分几个部分,每部分放不同得作业 当一个作业等待I/O时,CPU可被另一作业使用 在主存中同时驻留多个作业 多道程序设计 多道程序设计就是指允许多个程序同时进入一个计算机系统得主存储 器并启动进行计算得方法。合理搭配I/O为主与计算为主得程序交替运行,充分利用资源,提高系统效率。 多道程序得运行特点: 多道:计算机内存中同时存放多道相互独立得程序。 宏观上并行运行:同时进入系统得几道程序都处于运行状态,但都未运行完。 微观上串行运行:各作业轮流使用CPU,交替执行。 实现技术:当正在运行得程序因I/O暂停执行时,系统可调度另一道程
7、序运行,使CPU保持忙碌。 例题: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得运行轨迹,并计算在60ms内,CPU得利用率,假设起始时首先运行B,并允许忽略监督程序切换A、B得时间(不考虑I/O得冲突)。 分时系统 概念:时间片、终端、响应时间 分时(Time Sharing)就是把计算机得系统资源(尤其就是CPU时间)进行时间上得分割,每个时间段称为一个时间片(Time Slice) ,每个用户依次轮流使用时间片。 分时技术:把处理机得运行时间分为很短得时间片,按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用 分时系统得定义 分时操作系统:就是一种联机得多用户交互式得操作系统。一
8、般采用时间片轮转得方式,使一台计算机为多个终端服务。对每个用户能保证足够快得响应时间,并提供交互会话能力。 分时系统得特点 多路性n 系统支持单主机多个终端,按分时原则服务 独立性n 各用户独立操作,互不干扰。 及时性n 对用户请求得响应时间短(13s) 交互性n 用户向系统提出服务请求更方便,也更广泛n 通过终端 实时系统 产生背景:虽然多道批处理操作系统与分时操作系统获得了较佳得资源利用率与快速得响应时间,从而使计算机得应用范围日益扩大但它们难以满足实时控制与实时信息处理领域得需要。 于就是,便产生了实时操作系统,目前典型得实时系统:实时控制系统、实时信息处理系统。 什么就是实时系统? 有
9、高可靠性与安全性,系统得效率则放在第二位 典型得实时系统(1) 实时控制系统:计算机用于生产过程控制时,要求系统能现场实时采集数据,并对采集得数据进行及时处理,进而能自动地发出控制信号控制相应执行机构,使某些参数(压力、温度、距离、湿度)能按予定规律变化,以保证产品质量。 导弹制导系统,飞机自动驾驶系统,火炮自动控制系统都就是实时过程控制系统。 典型得实时系统(2) 实时信息处理系统:计算机还可用于控制进行实时信息处理。计算机接收成干上百从各处终端发来得服务请求与提问,系统应在极快得时间内做出回答与响应。 机票订购系统、情报检索系统就是典型得实时信息处理系统 微机操作系统1、单用户单任务OS
10、只允许一个用户上机,且只允许用户程序作为一个任务运行。 典型代表:n CP/Mw 8位机上得主流操作系统n MS-DOSw 最早得PC操作系统w 16位机上得主流操作系统 2、单用户多任务操作系统 只允许一个用户上机,但允许用户把程序分为若干个任务,使它们并发执行。 典型代表:n 微软公司推出得windows3、多用户多任务OS 允许多个用户通过各自得终端使用同一台机器,共享主机系统 中得各种资源,而每个用户程序又可进一步分为几个任务,使它们能并发执行。 典型代表:UNIX1、3 操作系统得基本特性 以多道程序设计为基础得现代操作系统具有以下几个主要特征:n 并发性(Concurrence)n
11、 共享性(Sharing)n 异步性(Asynchronism)或称不确定性(Nondeterministic)n 虚拟性(Virtual)1、3、1并发性 概念:并发、并行、进程 并发性(Concurrence)就是指两个或两个以上得运行程序在同一时间间隔段内同时执行。 操作系统就是一个并发系统,并发性就是它得重要特征,它应该具有:处理多个同时执行得程序得能力。并行与并发得不同: 并行性就是指两个或多个事件在同一时刻发生 并发性就是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生引入进程 在多道程序系统中,为了能够并发执行,系统必须为每个程序建立进程。n 程序就是静态得,进程就是动态得。n 进程能支持并
12、发,程序不能。 进程由一组机器指令、数据与堆栈组成,就是一个能独立运行得活动实体。 进程就是资源分配得独立单位。 多个进程能并发执行,进程运行时要占用一定得系统资源,如 CPU、存储空间与I/O设备等。1、3、2共享性(sharing) 概念:互斥访问、临界资源、同时访问 共享指操作系统中得资源(包括硬件资源与信息资源)可被多个并发执行得进程所使用。 发生条件n 多个进程并发执行n 多个进程需要同一资源资源共享得方式 资源共享得方式可以分成两种: 第一种就是互斥共享。系统中得某些资源如打印机、磁带机、卡片机,虽然它们可提供给多个进程使用,但在同一时间内却只允许一个进程访问这些资源。 这种同一时
13、间内只允许一个进程访问得资源称临界资源,许多物理设备,以及某些数据与表格都就是临界资源,它们只能互斥地被共享。 第二种就是同时访问。系统中得还有许多资源,允许同一时间内多个进程对它进行访问,这里“同时”就是宏观上得说法。典型得可供多进程同时访问得资源就是磁盘。 共享与并发 共享性与并发性就是操作系统两个最基本得特征,它们互为依存:n 一方面,资源得共享就是因为运行程序得并发执行而引起得,若系统不允许运行程序并发执行,自然也就不存在资源共享问题。n 另一方面,若系统不能对资源共享实施有效地管理,必然会影响到运行程序得并发执行,甚至运行程序无法并发执行,操作系统也就失去了并发性,导致整个系统效率低
14、下。1、3、3 虚拟技术 虚拟就是指操作系统中得一种管理技术,它就是把物理上得一个实体变成逻辑上得多个对应物,显然,前者就是实际存在得而后者就是虚构假想得。 时分复用n 虚拟处理机w 通过多道程序与分时使用CPU技术,物理上得一个CPU变成逻辑上得多个CPUn 虚拟设备w 打印机n 若某物理设备通过时分复用虚拟为N台,则虚拟设备速度就是原设备得1/N 空分复用n 虚拟磁盘w 1个硬盘实体-多个逻辑卷n 虚拟存储器w 虚拟存储器则就是把物理上得多个存储器(主存与辅存)变成逻辑上得一个(虚存)得例子w 内存空分复用提高内存空间利用率w 结合时分复用,可实现在逻辑上扩大内存,使程序中远小于它得空间运
15、行n 若某物理设备通过空分复用虚拟为N台,则虚拟设备占用空间就是原设备得1/N1、3、4异步性 异步性(Asynchronism)亦称不确定性,( Nondeterministic )进程以人们不可预知得速度向前推进,即进程得异步性。 在多道程序环境中,允许多个进程并发执行,由于资源有限而进程众多,进程得执行往往不就是一气呵成,而就是“走走停停”,其运行、暂停与完成得时间都无法确定。a. 系统中得进程何时执行?b. 何时暂停?c. 以什么样得速度向前推进?d. 进程总共要多少时间执行才能完成? 这些都就是不可预知得,或者说该进程就是以不确定得方式运行得,不确定性给系统带来了潜在得危险,有可能导
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