操作系统.ppt

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1、操作系统 Operating System,授课教师: XXX XXXXXX Tel: XXXXXXXXXXXX,内容提要 本章首先对计算机硬件系统和软件系统进行了简要的概述，然后重点介绍了操作系统的基本概念、功能、发展历史、多道程序设计概念以及操作系统的分类，最后对操作系统的结构、特性及性能评价进行了论述。 教学目标 1了解操作系统在整个计算机系统中的作用。 2掌握操作系统的概念和现代操作系统的特征、功能。 3了解操作系统的发展史以及发展趋势，掌握批处理系统、分时系统和实时系统的特点。 4了解操作系统的设计目标，熟悉操作系统的设计结构。,第1章 操作系统概述,第1章 操作系统概述,1.1 计

2、算机系统概述,一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成: 1. 计算机硬件系统 2. 计算机软件系统,1.1.1 计算机硬件系统 主机 CPU 内存 外围设备 输入设备 输出设备 输入输出设备,1.1 计算机系统概述,1.1.2 计算机软件系统 系统软件 应用软件,1.1 计算机系统概述,1.1.3 计算机系统的层次结构 计算机系统可以看作是由硬件和软件按层次方式构成的，如下图所示。其中，每一层具有一组功能并向上一层提供相应的接口。,1.1 计算机系统概述,操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）,1.2 操作系统概述,1.2.1 操作系统的定义

3、 如何定义操作系统？难、难、难 下面从两种角度来描述操作系统 1. 操作系统是虚拟计算机 每当在计算机上覆盖一层软件、提供一种抽象，系统的效率便会提高，功能便会增强，用起来也更加方便。由于操作系统是紧靠硬件的第一层软件(不排除它自身又是由许多层软件组成的)，所以当硬件层上加上操作系统后，便成了一台功能显著增强，使用更加方便，效率明显提高的机器。因此，我们把操作系统称为是建立在计算机硬件平台上的虚拟计算机（Virtual Machine）。,1.2 操作系统概述,1.2.1 操作系统的定义 2. 操作系统是计算机系统的资源管理者 计算机系统中资源种类繁多、数量很大，特性各异，必须利用操作系统才能

4、加以有效的管理， 操作系统的主要任务就是合理地管理计算机中的硬件、软件资源，并跟踪资源使用状况，以满足用户对资源的需求，协调各程序对资源的使用冲突，为用户提供简单、有效的资源使用方法，最大限度地实现各类资源的共享，提高资源利用率。,1.2 操作系统概述,1.2.1 操作系统的定义 总之，操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，它作为虚拟机为用户使用计算机提供了方便；它作为计算机系统的资源管理器，控制、管理计算机系统中所有软、硬件资源。因此，可以这样定义操作系统：操作系统是一组能控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程、有效地控制多道程序运行的程序和数据的集合，是用户与

5、计算机之间的接口。,1.2 操作系统概述,1.2.2 操作系统的功能 引入操作系统的主要目的是方便用户使用计算机和最大限度地发挥计算机系统资源的使用效率。 1处理机管理 2存储管理 3设备管理 4文件管理 5用户接口 操作系统必须为用户提供一个良好的人机交互界面，用户通过命令接口、程序接口和图形用户接口与计算机进行信息交互。,1.3 操作系统的发展,推动操作系统发展的主要动力,“需求推动发展”,操作系统发展是随着计算机硬件技术的发展而发展的 目标：充分利用硬件,1.3.1 无操作系统的计算机 194650年代,电子管计算机,无操作系统,由手工控制作业的输入输出,通过控制台开关启动程序运行。 工

6、作方式 用户：用户既是程序员，又是操作员； 编程语言：机器语言； 输入输出：纸带或卡片； 计算机的工作特点 用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率低； CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；,1.3 操作系统的发展,1.3.1 无操作系统的计算机 主要矛盾 计算机处理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪费）； 用户独占全机的所有资源； 提高效率的途径 专门的操作员，批处理,1.3 操作系统的发展,1.3.2 批处理阶段 1早期的批处理 50年代末60年代中（晶体管）：操作系统的雏形，称为监控程序。利用磁带把若干个作业分类编成作业

7、执行序列，每个批作业由一个专门的监督程序(Monitor)自动依次处理。可使用汇编语言开发。,1.3 操作系统的发展,1.3.2 批处理阶段 1早期的批处理 批处理中的作业的组成： 用户程序 数据 作业说明书（作业控制语言） 批：供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成。 利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并行工作。从50年代后期到60年代中期，脱机批处理运行得相当成功。,1.3 操作系统的发展,1.3.2 批处理阶段 1早期的批处理 卫星机：完成面向用户的输入输出(纸带或卡片),中间结果暂存在磁带或磁盘上。 作业控制命令由监督程序(monitor)来执行，完成如装入程序、编译、

8、运行等操作。,1.3 操作系统的发展,1.3.2 批处理阶段 1早期的批处理 优点：同一批内各作业的自动依次更替，改善了主机CPU和I/O设备的使用效率，提高了吞吐量。 缺点：磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分类，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预才可恢复）。 单道批处理的主要问题 CPU和I/O设备使用忙闲不均,系统利用率太低 对计算为主的作业，外设空闲； 对I/O为主的作业，CPU空闲,1.3 操作系统的发展,1.3.2 批处理阶段 2多道批量处理系统 60年代中 70年代中（集成电路），利用多道批处理提高资源的利用率。操作系统发展史上革命性变革。 多道程序设计技术：在内存中放多

9、道程序,使它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。,1.3 操作系统的发展,1.3 操作系统的发展,1.3.2 批处理阶段 2多道批量处理系统 A:计算10ms， I/O 60ms， 计算20ms。 B:计算20ms， I/O 70ms， 计算10ms。,1.3 操作系统的发展,1.3.2 批处理阶段 2多道批量处理系统 多道运行的特点 多道：内存中同时存放几个作业； 宏观上并行运行：同时有多道程序在内存运行，某一时间段上，各道程序按不同速度向前推进。 微观上串行运行：任一时刻最多只有一道作业占用CPU，多道程序交替使用CPU 。,1.3 操作系统的发展,1.3.2 批处理阶段 2多道批量处理系

10、统 多道批处理系统的工作过程 用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入到辅存（如磁盘）上，形成一个作业队列。当需要调入作业时，管理程序从这一批中选几道作业调入内存，让它们进入内存运行。当一些作业完成时，管理程序调入另一些程序，直到这一批作业全部完成。,1.3 操作系统的发展,1.3.2 批处理阶段 多道批处理系统的优缺点 优点： 资源利用率高：CPU和内存利用率较高； 作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大； 缺点： 用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改； 作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；,1.3 操作系统的发展,1.3.3 操作系统的形成

11、推动多道批处理系统形成和发展的动力是提高资源利用率和系统吞吐量。 推动分时系统形成和发展的主要动力是用户的需要：交互、共享主机、方便上机。 多个用户分时使用主机，每一用户分得一个时间片，用完这个时间片后操作系统将处理机分给另一用户，如此循环，每一用户可以周期性地获得CPU使用权，这样每一用户都有一种独占CPU的感觉分时系统形成。 20世纪60年代，多道程序的引入和分时系统的出现标志着操作系统的正式形成。,1.3 操作系统的发展,1.3.4 操作系统的发展方向 操作系统自20世纪60年代形成以来，得到了飞速的发展。除批处理系统外，为了满足某些应用领域内对实时处理的要求，产生了实时操作系统。实时操

12、作系统主要应用于实时控制和实时信息处理。 20世纪70年代，操作系统的原理和设计方法逐步趋于成熟。20世纪80年代后，操作系统基本上朝着个人计算机操作系统、嵌入式操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、多处理机操作系统、多媒体操作系统等众多方向发展。,1.4 操作系统的分类,1.4.1 多道批处理系统 1.4.2 分时系统 1.4.3 实时系统 1.4.4 个人计算机操作系统 1.4.5 嵌入式操作系统 1.4.6 多处理机操作系统 1.4.7 网络操作系统 1.4.8 分布式操作系统,1.4 操作系统的分类,1.4.3 实时系统 用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域，包括实时控制、实时

13、信息处理 实时控制：如工业控制。 实时信息处理：如联网订票系统。 实时系统的特征： 高响应性。 高可靠性、高安全性。 批处理、分时、实时系统是三种基本的操作系统类型。一个实际的操作系统可能兼有三者或其中两者的功能（通用操作系统）。,1.4 操作系统的分类,1.4.4 个人计算机操作系统 针对单用户使用的个人计算机进行优化的操作系统. 个人计算机操作系统的特征 应用领域：事务处理、个人娱乐， 系统要求：使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信）、效率不必很高。 常用的个人计算机操作系统 单用户单任务：MS DOS 单用户多任务：OS/2, MS Windows 3.x, Wi

14、ndows 95, Windows NT, Windows 2000 Professional 多用户多任务：UNIX(SCO UNIX, Solaris x86, Linux, FreeBSD),1.4 操作系统的分类,1.4.5 嵌入式操作系统 嵌入式系统:把嵌入到对象体系中,实现对象体系智能化控制的计算机,称为嵌入式计算机系统,简称嵌入式系统。 嵌入式操作系统是运行在嵌入式系统环境中,对整个系统以及它所控制的各种部件、装置等资源进行统一协调、调度和控制的系统软件。嵌入式操作系统具有高可靠性、实时性、占有资源少、成本低等优点，其系统功能可针对需求进行裁减、调整和编译生成，以满足最终产品的设

15、计要求。诸如此类操作系统有Palm OS、Windows CE(Consumer Electronics)、嵌入式Linux和C/OS-II等。,1.4 操作系统的分类,1.4.6 多处理机操作系统 多处理操作系统的出现是为了提高计算机系统性能和可靠性。提高性能有两条途径：提高各个组成部分的速度、增大处理的并行程度。1975年前后，出现多处理机系统(multi-processor)。 多处理机系统的特点 增加系统的吞吐量：N个处理器加速比达不到N倍（额外的调度开销，算法的并行化） 提高系统可靠性：故障时系统降级运行,1.4 操作系统的分类,1.4.6 多处理机操作系统 多处理机系统的类型 紧密

16、耦合(tightly-coupled)：各处理机之间通过快速总线或开关阵列相连，共享内存，整体系统由一个统一的OS管理（一个OS核心）。 松散耦合(loosely-coupled)：各处理机带有各自的存储器、I/O设备和操作系统，通过通道或通信线路相连。每个处理机上独立运行OS。,1.4 操作系统的分类,1.4.6 多处理机操作系统 多处理机系统的类型 非对称式多处理(Asymmetric Multiprocessing, ASMP)：又称主从模式(Master-slave mode)。 主处理器：只有一个，运行OS。管理整个系统的资源，为从处理器分配任务； 从处理器：可有多个，执行应用程序或

17、I/O处理。 特点：不同性质任务的负载不均，可靠性不够高，不易移植（通常要求硬件也是“非对称“）。 对称式多处理(Symmetric Multiprocessing, SMP)：OS交替在各个处理器上执行。任务负载较为平均，性能调节容易“傻瓜式“,1.4 操作系统的分类,1.4.7 网络操作系统 有了计算机网络之后，用户可以突破地理条件的限制，方便地使用远地的计算机资源，实现资源共享。提供网络通信和网络资源共享功能的操作系统称为网络操作系统.它是网络的心脏和灵魂，是向网络计算机提供服务的特殊的操作系统。 网络功能与操作系统的结合程度是网络操作系统的重要性能指标。早期的作法是通常操作系统附加网络

18、软件，过渡到网络功能成为操作系统的有机组成部分。它们的区别在于：网络功能的强弱、使用是否方便等。,1.4 操作系统的分类,1.4.7 网络操作系统 网络操作系统除了应具有的处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理和用户接口功能外，还应提供以下功能： (1) 实现网络各节点机之间的通信； (2) 实现网络中硬、软件资源的共享； (3) 提供多种网络服务功能，如：远程登录作业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；远程打印服务功能等。,1.4 操作系统的分类,1.4.8 分布式操作系统 分布式系统：处理和控制的分散（相对于集中式系统） 分布式系统是以计算机网络为基础的，它的基本

19、特征是处理上的分布，即功能和任务的分布。 分布式操作系统的所有系统任务可在系统中任何处理机上运行,自动实现全系统范围内的任务分配并自动调度各处理机的工作负载。,1.4 操作系统的分类,1.4.8 分布式操作系统 分布式操作系统与网络操作系统的比较 共享性：在分布式系统中，各站点的所有资源都可供全系统共享，在网络系统中一般仅有服务器上的部分资源可供全网共享 健壮性：分布式系统有健壮性，当某站点出现故障时，正在该站点处理的任务能被自动迁移到好的站点。在网络系统中若服务器故障往往导致全网瘫痪。,1.5 操作系统结构,随着操作系统的发展，功能越强，OS自身代码量越大采用良好的结构：有利于保证正确性以及

20、自身修改和扩充。 操作系统通常采用的结构有 单体结构 分层结构 客户/服务器结构模型和微核结构 现在普遍采用或趋向采用的是客户/服务器结构模型(微核结构)，同时还结合分层结构思想等设计方法。,1.5 操作系统结构,1.5.1 单体结构 单体结构又叫模块组合法，是基于结构化程序设计的一种软件结构设计方法。早期操作系统大多采用这种结构设计方法。在单体结构的操作系统中，允许任一子程序调用其他子程序。,1.5 操作系统结构,1.5.1 单体结构 单一整体结构的特点：模块由众多服务过程(模块接口)组成,可以随意调用其他模块中的服务过程 优点：具有一定灵活性，在运行中的高效率 缺点：功能划分和模块接口难保

21、正确和合理；模块之间的依赖关系(功能调用关系)复杂(调用深度和方向)，降低了模块之间的相对独立性不利于修改,1.5 操作系统结构,1.5.2 层次结构模型 所谓层次结构，就是把操作系统划分为内核和若干模块(或进程)，这些模块(或进程)按功能的调用次序排列成若干层次，各层之间只能是单向依赖或单向调用关系,即低层为高层服务,高层可以调用低层的功能,反之则不能,这样不但系统结构清晰,而且不构成循环调用。,1.5 操作系统结构,1.5.2 层次结构模型 优点： 功能明确，调用关系清晰（高层对低层单向依赖），有利于保证设计和实现的正确性 低层和高层可分别实现（便于扩充）；高层错误不会影响到低层；避免递归

22、调用 缺点：降低了运行效率,1.5 操作系统结构,1.5.3 客户/服务器模型与微核结构 把操作系统分成若干进程，其中每个进程实现一种服务，例如内存服务、进程服务等。服务进程运行在用户态，它的任务是检查是否有客户进程提出服务请求，若有，则将请求的结果返回。而客户进程可以是另一个服务进程，也可以是一个应用程序。客户进程与服务进程之间采用消息机制通信，这是因为每个进程属于不同的虚拟地址空间，它们之间不能直接通信，必须通过内核进行，而内核则是被映射到每个进程的虚拟地址空间中，它可以操纵所有进程。客户进程发出消息，内核将消息传给服务进程。服务进程执行相应的操作，其结果又通过内核以发消息的方式返回给客户

23、，这就是客户机/服务器的运行模式。 在这种模型中，内核只执行很少的任务，称为微核或微内核 (Microkernel)。,1.5 操作系统结构,1.5.3 客户/服务器模型与微核结构 优点： (1) 简化了操作系统核心。 (2) 改进了独立性和可靠性。 (3) 完全适宜于分布式计算模型。 缺点：降低了运行效率,1.6 操作系统的特性及性能评价,1.6.1 操作系统的特性 1并发性 2共享性 3. 虚拟性 4不确定性,1.6 操作系统的特性及性能评价,1.6.1 操作系统的特性 1并发性 如果考虑两个程序,它们在同一时间度量下同时运行在不同的处理机上，则称这两个程序是并行执行的。 设有两个活动a1

24、和a2，如果在某一指定的时间t，无论a1和a2是在同一处理机上还是在不同的处理机上执行，只要a1和a2都处在各自的起点和终点之间的某一处，则称a1和a2是并发执行的。 如果一个软件系统的行为由许多活动构成，假设其中至少有两个活动是并发执行的，则称该软件系统为并发系统。,1.6 操作系统的特性及性能评价,1.6.1 操作系统的特性 1并发性 所谓并发性是指为了增强计算机系统的处理能力而采用的一种操作技术。并发是指系统中存在着若干个逻辑上相互独立的程序或程序段，它们都已经被启动执行，而且都还没有完成执行。 在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执行（在单处理器情况下）。 程序的静态实体是可执行文

25、件，而动态实体是进程（或称作任务），并发指的是进程。,1.6 操作系统的特性及性能评价,1.6.1 操作系统的特性 2共享性 支持系统并发性的物质基础是资源共享。资源若不能共享，多任务并发就不能实现；同样，若没有多任务并发，也就无所谓资源共享。 资源共享是操作系统追求的主要目标之一。为了提高计算机系统的资源利用率，更好地共享系统资源，操作系统的各部分功能设计中采用了各种各样的分配调度算法。 由于操作系统的并发性和资源共享性，使系统变得复杂和不可确定。这些问题将在以后各章中加以研究。,1.6 操作系统的特性及性能评价,1.6.1 操作系统的特性 3. 虚拟性 一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实

26、体分时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。 CPU每个用户（进程）的“虚处理机“ 存储器每个进程都占有的地址空间（指令数据堆栈） 显示设备多窗口或虚拟终端(virtual terminal),1.6 操作系统的特性及性能评价,1.6.1 操作系统的特性 4不确定性 也称异步性，指进程的执行顺序和执行时间的不确定性； 进程的运行速度不可预知：分时系统中，多个进程并发执行，“时走时停“，不可预知每个进程的运行推进快慢 难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误）,1.6 操作系统的特性及性能评价,1.6.2 操作系统的主要性能指标 1. RSA技术指标：可靠性

27、(Reliability)、可维护性(Serviceability)与可用性(Availability)合称为RSA技术。 可靠性的定量指标有平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failures)和平均寿命等。MTBF是指系统能正常工作的时间的平均值，其值越大，系统的可靠性就越高。 可维护性S(Serviceability)： 通常用平均故障修复时间MTTR(Mean Time To Repair)来度量，是指从故障发生到故障修复所需要的平均时间。S越小，可修复性越高。 可用性A(Availability)：是指系统在执行任务的任意时刻能正常工作的概率。可由下式计算：

28、A=MTBF/(MTBF+MTTR),1.6 操作系统的特性及性能评价,1.6.2 操作系统的主要性能指标 1. RSA技术指标：可靠性(Reliability)、可维护性(Serviceability)与可用性(Availability)合称为RSA技术。 可靠性的定量指标有平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failures)和平均寿命等。MTBF是指系统能正常工作的时间的平均值，其值越大，系统的可靠性就越高。 可维护性S(Serviceability)： 通常用平均故障修复时间MTTR(Mean Time To Repair)来度量，是指从故障发生到故障修复所需

29、要的平均时间。S越小，可修复性越高。 可用性A(Availability)：是指系统在执行任务的任意时刻能正常工作的概率。可由下式计算：A=MTBF/(MTBF+MTTR),1.6 操作系统的特性及性能评价,1.6.2 操作系统的主要性能指标 2. 操作系统的吞吐率 吞吐率指的是系统在单位时间内所处理的信息量，以每小时或每天所处理的各类作业的数量来度量。 3. 操作系统的响应时间 系统响应时间指的是系统从接收数据到输出结果的时间间隔。在批处理系统中，用户从提交作业到得到计算结果这一时间间隔称为响应时间，又称周转时间。分时系统的响应时间指的是用户通过终端发出命令到系统做出应答所需的时间。,1.6

30、 操作系统的特性及性能评价,1.6.2 操作系统的主要性能指标 4. 系统资源的利用率 利用率是指系统中各个部件、各种设备的使用程度。它以在给定时间内，某一设备实际使用时间所占的比例来度量。 5. 可移植性、可扩充性和可伸缩性 可移植性(Portability)是指把一个操作系统从一个硬件环境转移到另一个硬件环境后仍能正常工作的能力。它可以用转移工作量来度量，常用“人年”或“人月”来表示。操作系统的可扩充性(Extensibility)是指在为操作系统增加新特性时尽可能容易，增强功能所引起的对系统的其他部分的改动要尽可能的少。可伸缩性(Scalability)主要是指对处理器数量的适应性。在倾

31、向于采用多处理器技术的时代，可伸缩性是很重要的。,1.6 操作系统的特性及性能评价,1.6.2 操作系统的主要性能指标 6. 安全性 随着网络的发展，操作系统的安全性越来越受到人们的重视，如何免遭人为的蓄意破坏，是设计操作系统考虑的一个重要因素，例如微软的Windows操作系统几乎每天都有新的安全漏洞被发现，有些安全漏洞还使得用户蒙受重大的经济损失。,1.7 小结,操作系统是一组能控制和管理计算机系统的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程并为用户使用计算机提供方便的程序和数据的集合。它具有并发性、共享性、虚拟性和不确定性等特征，拥有处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理等功能，并为用户

32、提供操作接口。 批处理与分时系统的出现，意味着操作系统的形成。,1.7 小结,多道程序设计的思想：在内存中同时存放多道程序，在管理程序的控制下交替地执行。这些作业共享CPU和系统中的其他资源。从宏观上看，多道程序都处于运行过程中，但都未运行完毕；从微观上看，各道程序轮流占用CPU，交替地执行 常见的操作系统类型有批处理操作系统、分时系统、实时系统、个人计算机操作系统、嵌入式操作系统、网络操作系统、多机操作系统、分布式操作系统。 操作系统设计常采用单体结构、层次结构、客户机/服务器与微核结构。,1.8 习题,1. 查资料，分析XX操作系统的发展过程 2. 设在内存中有三道程序A、B和C，并按A、B、C的优先次序运行，其在CPU上运行时间以及I/O时间分别为： A：计算30ms,I/O 40ms,计算10ms B：计算30ms,I/O 50ms,计算10ms C：计算20ms,I/O 40ms,计算20ms 试画出按多道程序运行的时间关系图(调度程序的执行时间忽略不计)，完成这三道程序共花多少时间？比单道运行节省多少时间?(假定运行环境为单CPU，每个程序所用的I/O设备相同，比如打印机),