操作系统课件 第一章

操作系统引论
分时系统(4)

‫٭‬
分时系统的特征
多路性、独立性、及时性、交互性
操作系统引论
1.2.5实时系统

引入：要求及时处理的场合 ‫ ٭‬概念：
▪ 系统能及时响应外部事件的请求，在规定时间 内完成对该事件的处理。
‫٭‬
▪ ▪
类型
实时控制 实时信息处理
操作系统引论
实时系统(2) 实时任务类型
操作系统引论
OS的主要功能(6)
四、内存扩充
‫ ٭‬利用虚存技术，从逻辑上扩充内存容量 ‫ ٭‬系统应有：请求调入/置换功能以支持虚存技术
操作系统引论
OS的主要功能(7)
1.4.3
设备管理功能
‫ ٭‬任务：提高I/O利用率和速度，方便用户
‫ ٭‬一、缓冲管理
▪ 缓冲区：用来解决CPU－I/O矛盾，如：CPU快则应多 创建缓冲区。
操作系统引论
操作系统的作用(2)
‫٭‬ ‫٭‬ ‫٭‬ ‫٭‬
作为计算机系统资源的管理者
处理机管理：分配和控制处理机 存储器管理：分配及回收内存 I/O(Input/Output)设备管理：I/O分配与操作 文件管理：文件存取、共享和保护

‫٭‬ ‫٭‬
作为扩充机器
把覆盖了软件的机器称为扩充机或虚拟机。 分层扩充的特点。
图1－4
程序A 程序B
I/O请求 I/O完成 I/O请求 C再运行
I/O请求
I/O请求
I/O完成
A完成 I/O完成
程序C 程序D 调度程序
表示获得CPU
(b)四道程序运行情况
操作系统引论
多道批处理系统 (2)

需解决的问题
▪ ▪ ▪ ▪ ▪ 处理机管理问题 内存管理问题 I/O管理问题 文件管理问题 作业管理问题
‫٭‬ ‫٭‬ ‫٭‬
特征
操作系统引论
图1－3
开始 是 把下一个作业 的源程序转换 为目标程序
还有下一 个作业？
否
停止
是
源程序 有错吗？
否
运行目标程序
装配目标程序
操作系统引论
1.2.3
‫٭‬ ‫٭‬
多道批处理系统
基本概念
多道：系统中同时驻留多个作业 多道引入的优点： ▪ 提高CPU利用率（图1.4） ▪ 提高内存和I/O设备利用率 ▪ 提高了系统吞吐量
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OS的主要功能(4)
1.4.2
存储管理
‫ ٭‬目的：方便用户使用，且提高存贮器利用率 一、内存分配 ‫ ٭‬静态分配： ‫ ٭‬动态分配：作业在内存中可移动 ‫ ٭‬为此，需内存分配的数据结构及内存分配和回 收功能
操作系统引论
OS的主要功能(5)
二、内存保护 ‫ ٭‬例：设置上、下界寄存器，每条指令进行越界检查 （一般是硬件实现） 三、地址映射 ‫ ٭‬地址范围 地址 ‫ ٭‬逻辑空间 逻辑地址相对地址（） ‫ ٭‬物理空间 物理地址（绝对地址）
对各类作业进行调度以及方便用户的程序集合。
操作系统是一种_____管理程序 （1)资源 （2） 硬件 （3）软件 （4） 信息
操作系统引论
1.1.1 1. 方便性
‫٭‬
‫٭‬
操作系统的目标
计算机只能识别0、1；用户熟悉的是各种语言。
使计算机的各类资源在系统的管理下得到更有效的利 用，提高系统吞吐量。 便于修改和增加功能（如何设计？）。 系统能支持世界标准规范。

‫٭‬
特征
多道性、无序性、调度性：作业调度、进程调度

‫٭‬
缺点
平均周转时间长、无交互能力
操作系统引论
图1－4
I/O中断请求
I/O中断请求
用户程序
监督程序
启动I/O
I/O完成 结束中断
启动I/O
I/O完成 结束中断
I/O操作
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8
(a)单道程序运行情况
操作系统引论
操作系统引论
传统的操作系统结构（3） 3、分层式操作系统 ‫ ٭‬有序分层的基本概念
▪ ▪ 可简化设计的复杂度 下层为上层提供服务
‫٭‬
▪ ▪ ▪ ▪
层次的设置应考虑的因素
程序嵌套：各模块间嵌套关系复杂 运行频率：随层次的增高，相应软件的运行速度就 随之下降 公用模块：低层 用户接口：高层
▪ 间接通信： –进程A发message到中间实体（如mailbox），进程B从中 间实体收message
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OS的主要功能(3)
四、调度（作业与进程） ‫ ٭‬作业调度： ▪ 为作业分配必要资源，调入内存建立进程， 并使之进入就绪队列。 ‫ ٭‬进程调度： ▪ 从就绪队列中选出进程，分配CPU，使之运 行。 ‫ ٭‬调度算法： ▪ FCFS、优先权等
分时系统在实现中的关键问题
及时接收：多终端卡、输入缓冲区 及时处理：交互作业应在内存、响应时 间应短
操作系统引论
分时系统(3) 分时系统的实现方法
‫٭‬ ‫٭‬ ‫٭‬ 交互式作业直接进入内存 以分配时间片方式实现 类型： ▪ 单道分时系统 ▪ 具有前、后台的分时系统 – 仅当前台无作业或在调进、出时，才运行后 台批处理作业。 ▪ 多道分时系统 – 不需要调入、出开销。
操作系统引论
1.3 操作系统的基本特征
并发
‫ ٭‬并行是指两或多个事件在同一时刻发生。 ‫ ٭‬并发是两或多个事件在同一时间间隔内发生。 ‫ ٭‬进程：系统中能独立运行并作为资源分配的基 本单位。引入线程后，独立运行的单位变为线 程。
操作系统引论
操作系统的基本特征(2)
共享 ‫ ٭‬系统中资源可供内存中多个并发执行的进程 共同使用 ‫ ٭‬互斥共享：一段时间只允许一个进程访问该 资源 ‫ ٭‬同时访问：微观上仍是互斥的
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1.2.4分时系统
‫٭‬
分时系统的产生
概念：指一台主机上连接了多个带有显示器 和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机 中的资源，各个用户都可通过自己的终端以 交互方式使用计算机。 ‫٭‬ 是用户的需求： ▪ 人机交互性 ▪ 共享主机 ▪ 便于用户上机
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分时系统（2）

‫٭‬ ‫٭‬
2. 有效性
3. 可扩充性
‫٭‬ ‫٭‬
4. 开放性
操作系统引论
1.1.2
操作系统的作用(1)
作为用户与计算机硬件系统之间的接口
用户 程序员
系统设计者
应用程序及实用程序 系统调用，命令，图标，窗口 操作系统 计算机硬件
图1－1 OS作为接口的从层状示意图
操作系统引论
下面关于UNIX系统中用户接口的描述正确的是（ a ）。 A.shell命令是用户与UNIX系统的接口 B.终端用户可以直接使用系统调用取得操作系统服务 C.终端用户通过trap指令可以取得UNIX系统的服务 D.用户程序通过shell命令使用系统，终端用户通过系统调用 使用系统 请简述：系统调有与一般过程调用有什么差别？ 答:(1)运行在不同的系统状态 （2）系统调用可能产生进程切换
操作系统引论
1.1.3
操作系统发展的主要动力
不断提高计算机资源利用率的需要 ‫ ٭‬如批处理系统的出现 方便用户 ‫ ٭‬如分时交互式系统的出现 器件的不断更新换代 ‫8 ٭‬位－16－32－64－... 计算机体系结构的不断发展： ‫ ٭‬单机OS－多机OS－网络OS－…
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输入设备
外围机
磁盘
磁盘
主机
磁盘
磁盘
外围机
输出设备
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1.2.2
单道批处理系统
处理过程（图1.3）
‫٭‬ ‫٭‬ 监督程序（monitor） 概念：系统对作业的处理都是成批进行的、且 内存中始终只保持一道作业，称为单道批处理 系统（simple batch system）。 批处理系统的引入是为了提高系统资源的利用 率和吞吐量 概念：运行控制权 自动性、顺序性、单道性
‫٭‬ 按任务执行是否呈现周期性来划分 ▪ 周期性的（联系周期）； ▪ 非周期性的（联系开始或完成截止 时间） ‫ ٭‬根据对截止时间的要求来划分 ▪ 硬实时任务 ▪ 软实时任务
操作系统引论
实时系统(3)
‫٭‬ ‫٭‬ ‫٭‬ ‫٭‬ ‫٭‬
实时、分时的比较
多路性：相同 独立性：相同 及时性：实时系统要求更高 交互性：分时系统交互性更强 可靠性：实时系统要求更高
操作系统引论
关于批处理系统，以下说法错误的是 ‫ ٭‬它提高了计算机系统的工作效率 ‫ ٭‬在作业执行时用户可以直接干预作业的执行 ‫ ٭‬它提高了系统资源的利用率 ‫ ٭‬它提高了系统的吞吐率 在多道程序设计的系统中，应采用___方法保证各道程序互 不侵犯 （1）程序浮动 （2）存储保护 (3) 队列管理 （4）中断响应 ( ×)终端作业是批处理方式下作业的一种类型。
1.无结构操作系统
‫٭‬ 一组过程集，各过程可相互调用，也叫整体系统 结构。 缺点：逻辑复杂，维护困难.
‫٭‬
操作系统引论
传统的操作系统结构（2） 2、模块化操作系统
‫٭‬ 通过分解来控制大型软件复杂度。 ▪ 如：进程模块、内存模块…，各模块内进一步划分 子模块。 ‫ ٭‬优点： ▪ 提高了OS设计的可维护性 ▪ 增强的OS的可适应性 ▪ 加速了OS的开发过程：并行开发模块 ‫ ٭‬缺点： ▪ 接口不易确定 ▪ 模块依赖关系可能复杂（对于大型软件而言）
操作系统引论
操作系统的基本特征(3) 虚拟 ‫ ٭‬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。若n是某一物理设备所对 应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速 度必然是物理设备速度的1/n。 异步 ‫ ٭‬运行进度不可预知。
操作系统引论
1.4 OS的主要功能
1.4.1处理机管理功能 ‫ ٭‬多道环境下，处理机的运行及分配都是 以进程为单位，因此处理机管理可归结 为进程管理。
第一章 操作系统引论
电子科技大学计算机学院 伍永红
主Biblioteka Baidu内容
操作系统的目标、作用和模型
操作系统的发展过程 操作系统的基本特征 OS（Operating Systems)的主要功能 OS的结构设计
操作系统引论
1.1
操作系统的目标、作用和模型
操作系统概念
‫ ٭‬一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地
‫ ٭‬二、设备分配
▪ 包括：设备，设备控制器，I/O通信的分配和回收
操作系统引论
OS的主要功能(8)
1.4.3
设备管理功能
‫ ٭‬三、设备处理
▪ 指控制设备进行实际的操作，包括读、写等以及向 CPU发中断。 ▪ 设备处理/驱动程序应能根据用户的I/O请求，自动地 构成通道程序。
‫ ٭‬四、设备独立性和虚拟设备
1.2
操作系统的发展过程
1.2.1无操作系统时的计算机系统 人工操作方式
‫٭‬ ‫٭‬ 如纸带输入机。 特点是用户独占全机及CPU等待人工操作。

‫٭‬ ‫٭‬
脱机I/O方式（图1.2）
引入I/O机的概念，解决前者的缺点。 特点是减少了CPU的空闲时间且提高I/O速度。
操作系统引论
图1-2脱机I/O示意图
三、图形接口
‫ ٭‬如 win的copy文件，采用“拖”来完成，生 动，不需记忆
操作系统引论
1.5 OS的结构设计
无结构
模块式
层次式
微内核
操作系统引论
1.5.1
软件工程的基本概念
软件： 软件工程：运用系统、规范和可定 量的方法开发、运行和维护软件。
操作系统引论
1.5.2
传统的操作系统结构
▪ 独立性，即program与设备无关性，使program易于重 定向，增加了可移植性。 ▪ 虚拟设备
操作系统引论
OS的主要功能(9)
1.4.4文件管理的功能
‫ ٭‬任务：方便用户，提供安全性
‫ ٭‬一、文件存贮空间的管理 ▪ 例：creatfile：文件系统根据文件长度自动分配连 续或离散的扇区，并提供“一句柄”表示该文件。 ‫ ٭‬二、目录管理 ▪ 使用户按名存取，提高速度。 ‫ ٭‬三、文件的读、写管理和存取控制（保护）
一、进程控制
‫ ٭‬创建/撤消进程 ‫ ٭‬迁移进程状态 ‫ ٭‬一般由进程控制原语完成
操作系统引论
OS的主要功能(2)
二、进程同步 ‫ ٭‬为使多个进程有条不紊地运行，应建立同步机制。 ‫ ٭‬包括进程互斥/同步，次序协调。 三、进程通信 ‫ ٭‬源于进程合作，如：输入进程、计算进程、打印进程 相互间有信息传递 ‫ ٭‬类型： ▪ 直接通信：进程A发message，进程B收message
操作系统引论
OS的主要功能(10) 1.4.5 用户接口 ‫ ٭‬一、命令接口
▪ 由一组“命令”集组成，分为联机和脱机用户接 口
▪ 1.联机用户接口
–由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成
▪ 2.脱机（批处理用户接口）
–用JCL写作业说明书
操作系统引论
OS的主要功能(11)
二、程序接口
‫ ٭‬系统调用 ‫ ٭‬高级语言的库函数