第1章绪论操作系统.pptx
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1、20:52:031教材:教材:计算机操作系统教程计算机操作系统教程(第(第3版)版)清华大学清华大学编著:编著:张尧学张尧学中国工程院院士,教育部高等中国工程院院士,教育部高等教育司司长,清华大学教授、博士生导师。教育司司长,清华大学教授、博士生导师。史美林史美林清华大学教授,博士生导师。清华大学教授,博士生导师。张张高高中科院软件所工学博士学位,微软亚中科院软件所工学博士学位,微软亚洲研究院高校关系中国区经理洲研究院高校关系中国区经理。主要参考书:主要参考书:张尧学张尧学计算机操作系统教程计算机操作系统教程(第第3版版)习题解答与习题解答与实验指导实验指导清华大学出版社清华大学出版社汤子瀛汤
2、子瀛计算机操作系统计算机操作系统西安电子科技大学西安电子科技大学20:52:0326个问题个问题什么是操作系统?什么是操作系统?为什么需要操作系统?(地位)为什么需要操作系统?(地位)为什么要学操作系统?为什么要学操作系统?这门课学什么?这门课学什么?这门课如何学?这门课如何学?操作系统如何工作?操作系统如何工作?20:52:043第第1 1章章 绪论绪论1.1 1.1 操作系统概念操作系统概念1.2 1.2 操作系统的历史操作系统的历史1.3 1.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型1.4 1.4 操作系统功能操作系统功能1.5 1.5 计算机硬件简介计算机硬件简介1.6 1.6 算法的
3、描述算法的描述1.7 1.7 研究操作系统的几种观点研究操作系统的几种观点20:52:044一、一、计算机系统计算机系统:是按用户要求接收和存储信息、是按用户要求接收和存储信息、自动进行数据处理并输出结果信息的系统。自动进行数据处理并输出结果信息的系统。1.1 1.1 操作系统概念操作系统概念应用软件硬件硬件 裸机裸机操作系统操作系统其它系统软件图1.1 操作系统与硬件软件的关系硬件系统:由中央处理器(运算器和硬件系统:由中央处理器(运算器和控制器)、存储器、输入设备和输控制器)、存储器、输入设备和输出设备等组成。出设备等组成。软件系统:包括应用软件和系统软件。软件系统:包括应用软件和系统软件
4、。计算机计算机系统系统20:52:045三、虚拟机虚拟机:经过操作系统提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能把裸机改造成为功能更强、使用更为方便的机器。二、裸机裸机:没有任何软件支持的计算机。它仅仅构成了计算机系统的物质基础,而实际呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层软件改造的计算机。20:52:046四、操作系统定义操作系统定义 2、操作系统的定义操作系统的定义:是计算机系统中的一个:是计算机系统中的一个系统软件,由它管理和控制计算机系统的硬系统软件,由它管理和控制计算机系统的硬件和软件资源,合理地组织计算机的工作流件和软件资源,合理地组织计算机的工作流程,以便有效地利用这些资源为用户
5、提供一程,以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境,个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境,从而在计算机与用户之间起到接口的作用。从而在计算机与用户之间起到接口的作用。1、引入操作系统的目的:、引入操作系统的目的:(1)为用户提供良好的界面)为用户提供良好的界面(2)资源的管理者)资源的管理者(3)便于扩展新的服务和功能)便于扩展新的服务和功能 20:52:047 1.2 1.2 操作系统的历史操作系统的历史四个阶段:四个阶段:1946年年50年代末:电子管时代,年代末:电子管时代,无操作系统无操作系统60年代中期年代中期70年代中期:集成电路,年代中期:集成电
6、路,多道程多道程序设计序设计50年代末年代末60年代中期:晶体管,年代中期:晶体管,批处理系统批处理系统70年代中期年代中期今:大(超大)规模集成电路,今:大(超大)规模集成电路,分时系统、实时系统、通用操作系统、网络操分时系统、实时系统、通用操作系统、网络操作系统。其它如嵌入式系统、分布式系统(网作系统。其它如嵌入式系统、分布式系统(网格计算、云计算)等。格计算、云计算)等。手工(手工(无无)单道批处理单道批处理(有有)多道(批多道(批处理、分时、实时)处理、分时、实时)通用通用本课程主要内容:本课程主要内容:单机(单机(CPUCPU)多道系统原理)多道系统原理20:52:0481.2.1
7、1.2.1 手工操作阶段手工操作阶段 1946年年50年代末:电子管时代,无操作系年代末:电子管时代,无操作系统,用户既是程序员,又是操作员。上机完全统,用户既是程序员,又是操作员。上机完全是手工操作。是手工操作。特点:(特点:(1)计算机运算速度慢)计算机运算速度慢(2)一个程序独占机器)一个程序独占机器(3)机器()机器(CPU)等待手工操作)等待手工操作(4)机器语言、纸带或卡片)机器语言、纸带或卡片50年代后期,手工操作的漫速度与计算机年代后期,手工操作的漫速度与计算机的高速度之间的矛盾越来越突出的高速度之间的矛盾越来越突出,解决矛盾的唯解决矛盾的唯一办法是实现作业的自动过渡一办法是实
8、现作业的自动过渡,因而出现了批处因而出现了批处理。理。20:52:0491.2.2 1.2.2 早期批处理(早期批处理(batch processingbatch processing)批处理:批处理: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。每一批作业将有专门编制的监督程序(monitor)自动依次处理。作业的组成:作业的组成:包括用户程序、数据和作业说明书(作业控制语言)。批:批:供一次加载的磁带或磁盘,通常由若干个作业组装而成,在处理中使用一组相同的系统软件(系统带)。20:52:0410早期批处理分为两种:早期批处理分为两种:联机批处理和脱机批处理联机批处理和脱机
9、批处理 1 1、联机批处理、联机批处理 慢慢速速的的输输入入输输出出设设备备是是和和主主机机直直接接相相连连,在输入输出过程中在输入输出过程中CPUCPU处于等待状态。处于等待状态。主机主机输入机输入机打印机打印机监督程序监督程序系统程序系统程序用户作业用户作业磁带机磁带机20:52:0411图1.3 监督程序管理下的解题过程20:52:0412联机批处理主要优点:联机批处理主要优点:解决了作业自动转接,减解决了作业自动转接,减少了作业建立和手工操作时间。少了作业建立和手工操作时间。联联机机批批处处理理存存在在问问题题:CPU与与I/O串串行行操操作作,输输入入输输出出时时,CPU处处于于等等
10、待待状状态态,CPUCPU的的时时间间仍仍有很大的浪费。有很大的浪费。20:52:04132 2、脱机批处理、脱机批处理 增增加加一一台台或或多多台台不不与与主主机机直直接接连连接接而而专专门门用用于于与与输输入入输输出出设设备备打打交交道道的的卫卫星星机机。主主机机与与卫星机可并行工作。卫星机可并行工作。卫卫星星机机:完完成成面面向向用用户户的的输输入入输输出出(纸纸带带或或卡卡片),中间结果暂存在磁带或磁盘上。片),中间结果暂存在磁带或磁盘上。多个手手工工手手工工图1.2 早期脱机批处理模型 20:52:0414 (1)由监督程序自动依次装入作业,不需人工)由监督程序自动依次装入作业,不需
11、人工干预。干预。(2)用户除提交程序和数据,还需提交作业说)用户除提交程序和数据,还需提交作业说明书。明书。(3)用汇编语言编写程序,需汇编程序或编译)用汇编语言编写程序,需汇编程序或编译程序及连接装配程序。程序及连接装配程序。(4)用磁带存储作业。)用磁带存储作业。新问题:新问题:监督程序、系统程序和用户程序之间存监督程序、系统程序和用户程序之间存在着调用关系,任何一个环节出问题,整个系在着调用关系,任何一个环节出问题,整个系统都会停顿,用户程序也可能破坏系统程序,统都会停顿,用户程序也可能破坏系统程序,系统安全与保护成为最重要的问题。系统安全与保护成为最重要的问题。问题的解决:问题的解决:
12、硬件的发展(通道和中断技术),硬件的发展(通道和中断技术),导致操作系统进入执行系统阶段。导致操作系统进入执行系统阶段。批处理特点:批处理特点:20:52:0415中断:中断:是指当主机(是指当主机(CPU)接到外部信号时,)接到外部信号时,马上停止原来工作,转去处理这一事件,处理马上停止原来工作,转去处理这一事件,处理完毕后,主机回到原来的断点继续工作。完毕后,主机回到原来的断点继续工作。执行系统:执行系统:监督程序借助于通道、中断技术和监督程序借助于通道、中断技术和输入输出在主机控制下完成批处理。这个功能输入输出在主机控制下完成批处理。这个功能增强的监督程序常驻内存,称为执行系统。增强的监
13、督程序常驻内存,称为执行系统。通道:通道:是一种专用处理部件,它能控制一台或是一种专用处理部件,它能控制一台或多台输入输出设备工作,负责输入输出设备与多台输入输出设备工作,负责输入输出设备与主存之间的信息传输。它一旦被启动就能独立主存之间的信息传输。它一旦被启动就能独立于于CPU运行,这样可使运行,这样可使CPU和通道并行操作,和通道并行操作,而且而且CPU和多种输入输出设备也能并行操作。和多种输入输出设备也能并行操作。20:52:04161.2.3 1.2.3 多道程序系统多道程序系统 早期批处理系统是单道顺序的处理作早期批处理系统是单道顺序的处理作业,即每次只调用一个用户作业程序进业,即每
14、次只调用一个用户作业程序进入内存并运行,称为单道运行(单道程入内存并运行,称为单道运行(单道程序系统)序系统)问题:问题:I/O量大的作业,量大的作业,CPU利用率降低,利用率降低,而计算量大的作业,而计算量大的作业,I/O设备空闲。因而设备空闲。因而计算机资源使用效率仍然不高。计算机资源使用效率仍然不高。问题的解决:问题的解决:同时装入多道程序,合理搭同时装入多道程序,合理搭配交替运行,充分利用资源,提高效率。配交替运行,充分利用资源,提高效率。图1.4 程序工作示例20:52:0518特点:特点:(1)多道:计算机内存中同时存放几道相互独)多道:计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。立的
15、程序。(2)宏观上并行:)宏观上并行:(3)微观上串行:)微观上串行:在批处理系统中采用多道程序设计技术,在批处理系统中采用多道程序设计技术,就形成了就形成了多道批处理系统多道批处理系统。要解决的技术问题:要解决的技术问题:(1)同步与互斥机制)同步与互斥机制(2)内存管理)内存管理(3)内存保护)内存保护20:52:05191.2.4 1.2.4 分时操作系统分时操作系统问题:问题:批处理方式交互性差,中间不需人工干预批处理方式交互性差,中间不需人工干预虽然效率高,但有时很不方便,处理出错、中虽然效率高,但有时很不方便,处理出错、中间结果等。间结果等。问题的解决:问题的解决:随着软硬件技术发
16、展,采用分时技随着软硬件技术发展,采用分时技术。既能保证计算机效率,又能方便用户使用。术。既能保证计算机效率,又能方便用户使用。分时技术:分时技术:把处理机的运行时间分成很短的时间把处理机的运行时间分成很短的时间片,按时间片轮流把处理机分配给联机作业使片,按时间片轮流把处理机分配给联机作业使用。用。分时系统:分时系统:采用分时技术,用时间片轮转的方式,采用分时技术,用时间片轮转的方式,使一台计算机为多个终端用户服务。使一台计算机为多个终端用户服务。20:52:0520(1)人机交互性好:人机交互性好:在调试和运行程序时由在调试和运行程序时由用户自己操作。用户自己操作。(2)多用户同时性:多用户
17、同时性:多个用户同时使用。多个用户同时使用。(3)用户独立性:用户独立性:对每个用户而言,好象独对每个用户而言,好象独占主机。占主机。多用户分时操作系统是当今计算机操多用户分时操作系统是当今计算机操作系统中使用最普遍的一类操作系统。作系统中使用最普遍的一类操作系统。分时系统的特点:分时系统的特点:20:52:05211.2.5 1.2.5 实时操作系统实时操作系统问题:问题:随着计算机应用领域的不断扩大,随着计算机应用领域的不断扩大,计算机用于工业过程控制、军事实时控计算机用于工业过程控制、军事实时控制,需对外部信息作出快速响应,要求制,需对外部信息作出快速响应,要求高可靠性。高可靠性。问题的
18、解决:问题的解决:专用的各种实时处理系统,专用的各种实时处理系统,要求计算机对外来信息能以足够快的速要求计算机对外来信息能以足够快的速度进行处理,并在被控对象允许时间范度进行处理,并在被控对象允许时间范围内作出快速响应。响应时间要求在秒围内作出快速响应。响应时间要求在秒级、毫秒级甚至微秒级或更小。级、毫秒级甚至微秒级或更小。20:52:05221.2.6 1.2.6 通用操作系统通用操作系统 通用操作系统是在批处理系统、分时系统通用操作系统是在批处理系统、分时系统和实时系统基础上发展而来的,同时具备了批和实时系统基础上发展而来的,同时具备了批处理、分时、实时处理和多重处理的功能或其处理、分时、
19、实时处理和多重处理的功能或其中两种以上的功能。中两种以上的功能。UNIX是一个通用的多用户分时交互型的操是一个通用的多用户分时交互型的操作系统,应用非常广泛,对现代操作系统有着作系统,应用非常广泛,对现代操作系统有着重大的影响。重大的影响。Windows系列是通用操作系统,主要原理也系列是通用操作系统,主要原理也是基于是基于UNIX系统,而系统,而Linux系列是从系列是从UNIX演演变而成的。变而成的。20:52:05231.2.7 1.2.7 操作系统的进一步发展操作系统的进一步发展 l l个人计算机上的操作系统(个人计算机上的操作系统(DOS)l l嵌入式操作系统嵌入式操作系统l l网络
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