《操作系統(tǒng)的概念》PPT課件.ppt

第一章 引論,1.1操作系統(tǒng)的概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)： 計(jì)算機(jī)硬件 計(jì)算機(jī)軟件 計(jì)算機(jī)硬件：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和 輸出設(shè)備 2002年8月25日，中科院計(jì)算所公布，我國(guó)自主研發(fā)的CPU芯片，經(jīng)測(cè)試成功，相當(dāng)于P水平,編譯程序 操作系統(tǒng) 解釋程序 系統(tǒng)軟件 語(yǔ)言處理系統(tǒng) 匯編程序 常用的例行程序 庫(kù)連接程序等 計(jì)算機(jī)軟件 連接編譯程序 診斷排錯(cuò)程序 應(yīng)用軟件 ：火車售票系統(tǒng)、超市管理系統(tǒng) 硬件和軟件的關(guān)系 裸機(jī)：沒有配置任何軟件的計(jì)算機(jī) 軟件是在硬件基礎(chǔ)之上對(duì)硬件的性能加以擴(kuò)充和完善,可以進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算,虛擬機(jī)：一個(gè)裸機(jī)在每加上一層軟件后，就變成了一 個(gè)功能更強(qiáng)的機(jī)器，我們把這種“功能更強(qiáng)的 機(jī)器”稱之為“虛擬機(jī)” 如果是多用戶的操作系統(tǒng)，那么經(jīng)過擴(kuò)充后，一個(gè)實(shí)際的處理器就可以擴(kuò)充成多個(gè)虛擬機(jī)，使得每一個(gè)用戶都擁有一個(gè)處理機(jī),操作系統(tǒng)的層次模型,操作系統(tǒng)： 操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的第一個(gè)軟件，管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件及軟件資源、合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，以便有效利用這個(gè)資源為用戶提供一個(gè)功能強(qiáng)大、使用方便和可擴(kuò)充的工作環(huán)境，從而在計(jì)算機(jī)與用戶之間起到接口作用。,1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展,計(jì)算機(jī)發(fā)展分為四個(gè)階段： 194650年代末：第一代，電子管時(shí)代 50年代末60年代中：第二代，晶體管時(shí)代 60年代中70年代中：第三代：集成電路時(shí)代 70年代中期至今：第四代：大規(guī)模、超大規(guī)模集成 電路時(shí)代,手工操作階段（第一代電子計(jì)算機(jī)） 計(jì)算速度慢（幾千次每秒），沒有操作系統(tǒng)甚至沒有任何軟件 用戶獨(dú)占計(jì)算機(jī)，完全手工操作 紙帶（卡片） 輸入機(jī) 計(jì)算機(jī) 打印輸出結(jié)果 取走紙帶 1個(gè)程序 計(jì)算機(jī)（一千次/秒） 30分鐘完成 手工卸下3分鐘 計(jì)算機(jī)（一萬(wàn)次/秒） 3分鐘完成 手工卸下3分鐘 于是出現(xiàn)了“早期的批處理”系統(tǒng) 早起批處理系統(tǒng)（第二代計(jì)算機(jī)） 把若干個(gè)作業(yè)合成一批，調(diào)入計(jì)算機(jī)執(zhí)行，完成后再調(diào)入下一批作業(yè) 早期的批處理： 聯(lián)機(jī)批處理 脫機(jī)批處理,2002年8月30日，我國(guó)聯(lián)想集團(tuán)退出“深騰”超級(jí)計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度可達(dá)1.027萬(wàn)億次，達(dá)到目前500名超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜中的第24位 就在前一周，日本研制成功演算速度每秒85.1萬(wàn)億次杜超級(jí)計(jì)算機(jī)，稱為目前世界上最快的計(jì)算機(jī)。,操作系統(tǒng)的特征,并發(fā)：指兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。（與“并行”的區(qū)別） 共享：指系統(tǒng)中硬件和軟件資源可為多 個(gè)用戶同時(shí)使用（互斥共享、同時(shí)訪問） 虛擬：指物理上的一個(gè)實(shí)體變成邏輯上的多個(gè)對(duì)應(yīng)物。 異步性：指內(nèi)存中的多個(gè)進(jìn)程均按照各自獨(dú)立的、不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。,微機(jī)操作系統(tǒng),單用戶單任務(wù)OS：只允許一個(gè)用戶上機(jī)、且只允許用戶程序作為一個(gè)任務(wù)運(yùn)行。最具代表性的是CP/M和MS-DOS。 單用戶多任務(wù)OS：只允許一個(gè)用戶上機(jī)、但允許將一個(gè)用戶程序分為若干個(gè)任務(wù)，使它們并發(fā)執(zhí)行。最具代表性的是OS/2和MS-WINDOWS。 多用戶多任務(wù)OS：允許多個(gè)用戶通過各自的終端使用同一臺(tái)主機(jī)，共享主機(jī)的各類資源，同時(shí)用戶程序又可進(jìn)一步分成幾個(gè)任務(wù)，使它們并發(fā)執(zhí)行。最具代表性的是UNIX OS。,1.4 操作系統(tǒng)功能,1.4.1 處理機(jī)管理 1.4.2 存儲(chǔ)管理 1.4.3 設(shè)備管理 1.4.4 文件管理 1.4.5 用戶接口,處理機(jī)管理,主要任務(wù)：是對(duì)處理機(jī)進(jìn)行分配，并對(duì)其運(yùn)行進(jìn)行有效控制和管理。在多道程序環(huán)境下，處理機(jī)的分配和運(yùn)行都是以進(jìn)程為基本單位。 進(jìn)程控制：多道程序環(huán)境下，要使作業(yè)運(yùn)行，必須先為它創(chuàng)建一個(gè)或幾個(gè)進(jìn)程，并給它分配必要的資源。進(jìn)程結(jié)束的時(shí)候要立即撤消這個(gè)進(jìn)程，以便收回該進(jìn)程所占用的各類資源，進(jìn)程控制的主要任務(wù)就是為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程，撤銷已結(jié)束的進(jìn)程以及控制進(jìn)程在運(yùn)行中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換 進(jìn)程同步。進(jìn)程是以異步方式進(jìn)行的，運(yùn)行的速度不定。進(jìn)程同步的主要任務(wù)是對(duì)諸進(jìn)程的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)。 進(jìn)程互斥方式 進(jìn)程同步方式 進(jìn)程通信：多道程序環(huán)境下，可由系統(tǒng)為應(yīng)用程序建立多個(gè)進(jìn)程。這些進(jìn)程相互合作共同完成同一任務(wù)，在這些相互合作的進(jìn)程之間需要交換信息。例如：三個(gè)相互合作的進(jìn)程：輸入進(jìn)程、計(jì)算進(jìn)程、打印進(jìn)程。 調(diào)度：從進(jìn)程的就緒隊(duì)列中，按照一定的算法選出一進(jìn)程，把處理機(jī)分配給它。,主要任務(wù)是為多道程序的運(yùn)行提供良好的環(huán)境，提高存儲(chǔ)器的利用率 內(nèi)存分配：為每道程序分配內(nèi)存空間，減少不可用的內(nèi)存空間。 內(nèi)存保護(hù)：確保每道用戶程序都在自己的內(nèi)存空間中運(yùn)行，互不干擾。（設(shè)置兩個(gè)界限寄存器。存放正在之行程序的上界和下界。） 地址映射：在多道環(huán)境下，地址空間中的邏輯地址和內(nèi)存空間中的物理地址是不可能一致的。地址映射實(shí)現(xiàn)它們之間的轉(zhuǎn)換。 內(nèi)存擴(kuò)充：借助于虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，從邏輯上去擴(kuò)充內(nèi)存容量。若內(nèi)存中已沒有足夠的空間來裝入調(diào)入程序的時(shí)候，系統(tǒng)能將內(nèi)存中的一部分暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)調(diào)道磁盤上，騰出更多的內(nèi)存空間。,存儲(chǔ)管理,設(shè)備管理,主要任務(wù)：完成用戶提出的I/O請(qǐng)求，為用戶分配I/O設(shè)備，提高CPU和I/O設(shè)備的利用率。 緩沖管理：管理好各類型的緩沖區(qū)，以緩和CPU和I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾 設(shè)備分配：根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求，為之分配其所需的設(shè)備。 設(shè)備處理：基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)CPU和設(shè)備之間的通信。 虛擬設(shè)備：把每次只允許一個(gè)進(jìn)程使用的物理設(shè)備變換為多個(gè)對(duì)應(yīng)的邏輯設(shè)備，提高了設(shè)備的利用率，使每個(gè)用戶感覺自己在獨(dú)占該設(shè)備。,文件管理,主要任務(wù)：是對(duì)用戶文件和系統(tǒng)文件進(jìn)行管理，方便用戶的使用。 文件存儲(chǔ)空間的管理：為每個(gè)文件分配必要的外存空間，提高外存的利用率。（一般以盤塊為基本分配單位，通常512字節(jié)4K字節(jié)） 目錄管理：系統(tǒng)為每個(gè)文件建立一個(gè)目錄項(xiàng)，目錄項(xiàng)包含文件名、文件屬性、文件在磁盤上的物理位置。用戶只需要提供文件名，對(duì)文件進(jìn)行存取。 文件的讀、寫管理：進(jìn)行讀寫文件時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)用戶給出的文件名去減縮文件目錄，從中獲得文件在外存中的位置，然后利用文件讀寫指針，對(duì)文件進(jìn)行讀寫，一旦讀寫完成便修改讀寫指針，為下一次讀寫做準(zhǔn)備。 文件的存取控制： 防止未經(jīng)核準(zhǔn)的用戶存取文件 防止冒名頂替存取文件 防止以不正確的方式使用文件,用戶接口,命令接口 聯(lián)機(jī)命令接口：是為聯(lián)機(jī)用戶提供的，由一組鍵盤命令和命令解釋程序組成。 脫機(jī)命令接口：為批處理作業(yè)的用戶提供的，由一組作業(yè)控制語(yǔ)言JCL(job control language)組成。 程序接口 是為用戶程序在運(yùn)行過程中訪問系統(tǒng)資源而設(shè)定的，也是用戶取得操作系統(tǒng)服務(wù)的唯一途徑，由一組系統(tǒng)調(diào)用組成。 圖形接口 采用了圖形化的操作界面，用圖標(biāo)將系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，文件直觀逼真的表示出來，通過鼠標(biāo)、菜單和對(duì)話框圖來完成相應(yīng)的操作,計(jì)算機(jī)的硬件簡(jiǎn)介,計(jì)算機(jī)基本的硬件元素 處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出控制、總線、外部設(shè)備 處理器 單個(gè)處理器，稱之為單機(jī)系統(tǒng) 多個(gè)處理器，稱之為多機(jī)系統(tǒng) 特權(quán)指令：只能由操作系統(tǒng)使用的指令，如果允許用戶隨便是用，有可能使系統(tǒng)系統(tǒng)陷入混亂 非特權(quán)指令：用戶只能使用非特權(quán)指令,處理器狀態(tài) 多數(shù)系統(tǒng)將處理器狀態(tài)簡(jiǎn)單的劃分為 管態(tài)：（管理態(tài)）操作系統(tǒng)管理程序運(yùn)行的狀態(tài) 目態(tài)：（問題態(tài)）用戶程序運(yùn)行的狀態(tài) 與操作系統(tǒng)有關(guān)的幾種寄存器 用戶可編程存器 控制與狀態(tài)寄存器：被用來對(duì)處理機(jī)的優(yōu)先級(jí)、保護(hù)模式或用戶程序執(zhí)行時(shí)的調(diào)用關(guān)系等進(jìn)行控制和操作,典型的用戶可編程寄存器包括以下幾種 數(shù)據(jù)寄存器 地址寄存器 條件碼寄存器 程序計(jì)數(shù)器PC 指令寄存器 程序狀態(tài)字PSW 中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)寄存器 過程調(diào)用堆棧,存儲(chǔ)器 內(nèi)存 外存：光盤、磁盤、硬盤 高速緩存（cache） 輸入輸出控制器與緩沖 主要用來控制和暫時(shí)存儲(chǔ)外部設(shè)備與計(jì)算機(jī)內(nèi)存之間交換的數(shù)據(jù)和程序。 v外部設(shè)備 是獲取和輸出數(shù)據(jù)程序的基本單位，包括數(shù)字設(shè)備和模擬設(shè)備。 v總線 總線是連接計(jì)算機(jī)各部件的通信線路 單總線：處理機(jī)、外設(shè)、存儲(chǔ)器都連接在一起 多總線：CPU與內(nèi)存分開連接分開連接外設(shè)與外存也分開連接,P16頁(yè) 指令的執(zhí)行與中斷 算法的描述 本書中的描述算法的一些關(guān)鍵詞介紹如下： P18 巡回置換算法 P18研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn),作業(yè),習(xí)題1.5 下面8個(gè)系統(tǒng)中，必須是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的有 1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)；2 航空定票系統(tǒng)；3 過程控制系統(tǒng)；4 機(jī)器翻譯系統(tǒng)； 5 辦公自動(dòng)化系統(tǒng)；6 計(jì)算機(jī)激光照排系統(tǒng)；7情