计算机科学导论第4讲

北京理工大学 计算机学院
15
早期脱机批处理的特点
• 脱机输出技术 CPU需要输出时，高速地把结果输出到 磁带上，然后在外围机的控制下，把磁带上
的计算结果由相应的输出设备输出。
• 主机与慢速外设可以并行工作
北京理工大学 计算机学院
16
多道批处理系统
• 指在内存同时放若干道程序，使它们在系 统中交叉运行，共享系统中的各种资源。 当一道程序暂停执行时，CPU立即转去执 行另一道程序。 • 特点：多道、宏观上并行（不同的作业 分别在CPU和外设上执行）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ微观上串行 （在单CPU上交叉运行）。
5分钟 15分钟 10分钟 5分钟
15分钟
10分钟
批处理系统问题： （1）用户不能直接控制作业运行 （2）作业的周转时间太长。
北京理工大学 计算机学院
21
分时系统
分时系统：多用户交互式系统。多个用户通 过交互方式分享使用同一台计算机。
一台分时计算机系统联有若干台远近终端，
多个用户可以在各自的终端上以交互方式
联机使用计算机。
北京理工大学 计算机学院
22
分时系统的特点
• 同时性：若干个用户可同时使用计算机。
• 独立性：每个用户占有一台终端，彼此独 立操作，互不干扰。
• 交互性：用户可通过终端与系统进行人机 对话。 • 及时性：用户的请求能在较短时间内得到 响应。
北京理工大学 计算机学院
23
• 分时系统的响应时间：是指用户发出终端命
北京理工大学 计算机学院
36
Windows系统
• 单用户多任务（分时系统），16位/16和32位混合/32位。 • Windows的历史 1990年：Windows 3.0（成功版本），16位OS，借见 Apple Macintosh给出友好的用户界面； 1993年：Windows NT 3.1, 32位OS，支持DOS和 Windows应用程序； 1999年12月：Windows 2000(Professional, Server, Advanced Server)，32位OS； ………… …………
一种资源管理程序(计算机系统设计者的角度).依据 一定的策略对计算机的软硬资源进行分配、管理和 调度，合理地组织计算机的工作流程，从而提高系 统资源的利用效率。

北京理工大学 计算机学院
5
操作系统设计目标
（1）有效性：有效管理和分配软、硬件资源及合理组织计算 机工作流程来改善资源利用率、提高系统吞吐量； （2）方便性：优秀的用户界面和接口，更方便的使用计算机 资源；
北京理工大学 计算机学院
32
操作系统的功能
• 设备管理：为多用户运行提供方便的运行环
境。(分配设备，控制设备传输数据)。
• 文件管理：负责对软件资源进行存贮、检索 和保护，使用户能方便、安全地访问它们。 (文件存储设备) • 用户界面：负责操作系统与外界的联系。
北京理工大学 计算机学院
33
操作系统的性能评价
是将自己的作业(卡片叠或纸带)交给
机房的操作员。
• 操作员：将多个作业按序成批地放在
一个输入设备上。
北京理工大学 计算机学院
9
监控程序
自动启动输入设备将一个个作业读入到磁带
上，再将一个个作业顺序装入内存，并控制
作业的运行处理。从而实现了各作业之间的
自动转接，提高了系统效率。
北京理工大学 计算机学院
北京理工大学 计算机学院
17
CPU
主存
通道
I/O设备
多道程序设计的结构模型 [例]假设一个计算机系统有256k主存(不包含操作系 统)，一个磁盘、一个终端和一台打印机
三个作业分别被命名为JOB1、JOB2、JOB3。各作业运 行时间分别为5分钟、15分钟和10分钟。它们对资源的 具体使用情况.
北京理工大学 计算机学院
等）；民航的飞机票预订、查询(有关航班、
航线、票价等)；银行系统的借贷；情报信
息检索等系统。
北京理工大学 计算机学院
25
实时系统的主要特征
• 实时性：以被处理信息或被控制过程能承受 的延迟来确定。通常可能是秒的数量级，也 可能是毫秒级、微秒级甚至毫微秒级。 • 高安全可靠性：实时系统控制和处理的对象 往往是重要的经济和军事目标，而且又是现 场直接控制处理。凡是重要的实时控制系统， 往往采用双工机制。
18
三个作业对资源的使用情况
作业编号 JOB1 JOB2 JOB3 作业类型 计算型 I/O型 I/O型 占用主存 50k 100k 80k 需磁盘情况 NO NO Yes 需终端情况 NO Yes NO 需打印机情况 NO NO Yes 运行所需时间 5分钟 15分钟 10分钟
作业1主要使用CPU；作业2主要使用终端（键盘和显 示器）；作业3主要使用磁盘和打印机。作业2和作 业3需要较少CPU时间。
北京理工大学 计算机学院
19
• 简单批处理时：作业按顺序执行。作业1 运行5分钟完成，作业2等待5分钟后再用 15分钟完成，作业3等待20分钟后开始执 行，30分钟后三个作业全部完成。
北京理工大学 计算机学院
20
• 多道批处理时：三个作业同时装入主存并 运行。由于它们运行中几乎不同时使用同 类资源，这三个作业在15分钟内将全部完 成。整个系统处理效率明显提高。
北京理工大学 计算机学院
37
Windows 2000的特点
• Windows 2000 是改进的微内核结构，使得许多微内核外 的系统函数在内核模式下运行。
• 每个系统函数都正好由一个操作系统部件管理，操作系 统的其余部分和所有应用程序通过相应的部件使用标准 接口访问这个函数。 • 可移植性：可以在各种硬件平台上运行。
通过执行机器指令来实现计算和I/O功能 如何使用？
操作系统
软件系统
实用程序：编译程序、文本编辑程序、调试
程序、连接装配程序。 应用软件：专用软件包、用户开发程序
北京理工大学 计算机学院
4
操作系统

建立用户与计算机之间的接口而为裸机配置的系统 软件(用户的角度) ；裸机上的第一层软件,由一系 列的程序模块组成；
北京理工大学 计算机学院
26
通用操作系统
• 操作系统的三个基本类型：批处理系统、分时系统和实时 系统。
• 通用操作系统：一个系统兼有批量处理、分时处理和实时 处理三者或其中两者的功能。 [如]分时和批处理相结合，将分时任务作为前台任务，将批 量处理作业作为后台任务，便是分时批量处理系统。
通用操作系统不仅能满足用户的特殊要求，而且能提高资源 的利用率，因此得到广泛应用。
（3）可扩充性：适应计算机硬件和体系结构的迅猛发展及其 所对应的更高的功能和性能要求；
（4）开放性：支持不同厂家与不同类型的计算机及其设备的 网络化集成和协同工作，实现应用程序的可移植性和互操 作性。
北京理工大学 计算机学院
6
操作系统的形成与发展
• 顺序处理(手工操作阶段)
• 简单的批处理系统
• 多道批处理系统
北京理工大学 计算机学院
35
MS-DOS的结构
命令处理程序 DOS核心 BIOS(基本输入/输出系统)


DOS BIOS(Basic Input/Output System)：由一组与硬件 相关的设备驱动程序组成，实现基本的输入/输出功 能； DOS核心：提供一套独立于硬件的系统功能：内存管 理、文件管理、字符设备和输入/输出、实时时钟等； 命令处理程序：对用户命令进行分析和执行。
29


• •
•
Windows是基于DOS的，使它的性能受到很 多的限制。 95年之后，先后制作了Windows 95、 Windows 98、Windows 2000、Vista、 Windows 7等。 Windows 95等以上操作系统完全脱离了 DOS 的限制，是一个性能优良的系统。最近 几年的类UNIX的LINUX系统发展很快，很受 用户欢迎。
入早期的脱机批处理方式。
北京理工大学 计算机学院
13
卡片输入机 输入带
系统带 应用带
卫 星机
打印 机 （外围机）
主 机
输出带
早期的脱机批处理
北京理工大学 计算机学院
14
早期脱机批处理的特点
• 外围机（小型卫星机）代替主机完成作业的 输入/输出工作。 • 脱机输入技术：在外围机的控制下，预先把 作业从低速输入设备输入到磁带上，当CPU需 要时，再直接从磁带机高速输入到内存，减 少了CPU等待输入的时间。
• 系统效率 体现系统效率的指标包括资源利用率、吞吐量和 周转时间以及响应时间等。 • 系统可靠性 指系统能发现、诊断和恢复硬件和软件故障的能 力。 • 可移植性 指把一个操作系统从一个硬件环境移植到另一个 硬件环境时系统仍能正常工作的能力。
北京理工大学 计算机学院
34
主流操作系统（MS-DOS）
• 支持多线程、支持对称多处理(SMP)。 • 大量使用面向对象设计的 概念。面向对象方法简化了进 程间资源和数据的共享。
北京理工大学 计算机学院
38
UNIX系统
• 多用户多任务，16/32/64位 • UNIX的历史 1974年：UNIX系统正式发表(第五版)，在大学得到使用 和好评； 1980年：University of California at Berkeley为 VAX11发表BSD4.0；以后，UNIX就以AT&T和Berkeley为 主分别开发，有多种变种； 1989年：UI (UNIX International)发表UNIX system V Res4.0；使BSD和System V在用户界面上统一； 1991年芬兰大学生Linus Benedict Torralds开发了第 一个Linux版本。
北京理工大学 计算机学院
27
现代操作系统
• 个人计算机操作系统
• 并行操作系统
• 分布式操作系统
北京理工大学 计算机学院
28

单用户单任务OS：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。
如 MS-DOS。 单用户多任务OS：只允许一个用户上机，但 允许将一个用户程序分为若干个任务，使它 们并发执行。如OS/2、MS Windows。 多用户多任务OS：允许多个用户通过各自的 终端，使用同一台主机，共享系统资源，而 每个用户程序又可进一步分为几个任务，使 它们并发执行。如UNIX OS。
• 单用户单任务，简单分层结构。 • MS-DOS的历史 1981年：PC-DOS 1.1：IBM PC，只支持软盘的个人 操作系统； 1983年：DOS2.0：PC XT，支持硬盘和目录的层次 结构，并提供丰富的系统命令； 1984年：DOS3.0：PC AT (Intel 80286 CPU)，它把 286作为一个快速的8086使用； ………… …………
10
输入作业的结构
北京理工大学 计算机学院
11
简单批处理的二种控制方式
• 早期的联机批处理
• 早期的脱机批处理
北京理工大学 计算机学院
12
早期的联机批处理
作业的输入、计算和输出是在CPU直接控制下进行的。
缺点：主机的速度在输入/输出过程中，降低为慢速
外设的水平。大大降低了CPU的利用效率。为此，引
令到系统开始响应所需的时间。它是衡量分
时系统的主要性能指标。
• 为了提高资源的利用，多道程序设计技术也
应用到分时系统。
北京理工大学 计算机学院
24
实时系统
• 处理对象：作业处理系统是以作业为处理 对象；实时系统是以随机发生的外部事件 为处理对象。 • 主要应用：工业生产过程的自动控制；军
事上的自动控制（如飞机运行和导弹发射
• 分时系统
• 实时系统
北京理工大学 计算机学院
7
手工操作阶段
• 计算机没有配置OS
由程序员直接使用计算机硬件系统，
将程序和数据送入计算机内存。按动启动
按钮，计算机开始计算。
北京理工大学 计算机学院
8
简单的批处理系统(BATCH PROCESS SYSTEM) • 用户：不再直接与计算机打交道，而
第4讲
计算机操作系统
北京理工大学 计算机学院
本讲内容 • 计算机系统组成 • 操作系统的演化 • 主流操作系统 • 文件路径 • 用户界面
北京理工大学 计算机学院
2
计算机系统组成
计算机系统由2个部分组成：硬件、软件
北京理工大学 计算机学院
3
硬件系统---裸机


一台完全无软件的计算机系统；
30
操作系统的组成部分
操作系统
用户界面
内存管理器
进程管理器
设备管理器
文件管理器
北京理工大学 计算机学院
31
操作系统的功能
• 存贮管理 主存管理。存储分配（使多个用户能分享 有限的主存资源）、存贮保护（保证各用户程 序和数据彼此不被破坏）、主存扩充。 • 处理机管理（进程管理） 在多道程序系统中，处理机数目远远少于 运行的作业数，因此，处理机的调度就成为关 键问题。调度策略：先来先服务、优先级调度、 分时轮转等。