操作系统原理.ppt

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1、操作系统原理Principles of Operating System第一章 概述 计算机系统概述 操作系统的形成与发展 多道程序设计 操作系统的功能与特性 操作系统的类型 现代操作系统1.1 计算机系统概述硬件组织软件层次硬件组织 中央处理机、存储器、I/O设备软件层次一、 软件分类 系统软件系统软件：实现资源的管理和控制程序的执行。 应用软件应用软件：按特定需要专门编写的程序，完成 特定功能。二、虚拟机的概念通过附加软件，把裸机改造成为功能更强、使用更为方便的机器。 应用软件其它系统软件 操 作 系 统 裸 机 三、硬件与软件的层次关系1. 2 操作系统的形成和发展 操作系统的定义 操作

2、系统的发展阶段一、 操作系统的定义 控制和管理计算机系统资源，方便 用户使用计算机的程序集合。二、 操作系统的形成和发展 控制台控制台 一个用户一个用户 一次完成一个功能（计算，一次完成一个功能（计算，I/OI/O，用用户思考户思考/ /反应）反应） 程序通过卡片装入程序通过卡片装入 用户在控制台前调试程序用户在控制台前调试程序第一阶段：手工操作阶段 硬件非常昂贵，没有操作系统工作效率非常低每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码工作量大，难度高，易出错，需要大量人力和物力第二阶段：硬件昂贵，人力便宜简单批处理：装入程序、运行、打印结果、撤出、再重复用户把程序（卡片或磁带）交给负责调度的操作员（

3、系统管理员）常驻监控程序自动地装入程序、运行、 撤出作业多道程序批处理： 在磁盘上多个作业等待运行多道程序 - 同时运行- 选择若干作业准备运行（调度） 并装入内存（存储管理）- 运行一个作业，当它等待时切换至内存中的另一个作业（如需安装磁带，等键按下）多道程序设计：多个用户共享系统增加：存储保护，重定位利用率高（多个作业）有必要采用并发程序设计技术操作系统成为研究焦点： 需要处理复杂性第第 3 3 阶段阶段 硬件较以前便宜，人力昂贵硬件较以前便宜，人力昂贵 交互式交互式分时处理分时处理 一台计算机，多个便宜终端一台计算机，多个便宜终端 - - 所有用户可与系统立即交互所有用户可与系统立即交互

4、 - - 调试比较方便调试比较方便 成功：成功：一群计算机迷一群计算机迷 ( ( TomsonTomson, Ritchie ) , Ritchie ) 在贝尔实验室发展出了在贝尔实验室发展出了UNIXUNIX。第第 4 4 阶段阶段 硬件非常便宜，人力昂贵硬件非常便宜，人力昂贵目标： 充分利用人和时间个人计算雏形个人计算雏形 CPU CPU 便宜到可在每台终端上安装，功能强大便宜到可在每台终端上安装，功能强大有效有效 - - 成为大众的计算机成为大众的计算机 放弃多道程序、并发和保护机制，使放弃多道程序、并发和保护机制，使 OS OS 回回归简单归简单使用户再次与系统交互使用户再次与系统交互

5、增强文件系统增强文件系统响应时间、保护更为重要响应时间、保护更为重要网络 允许不同机器很容易共享资源- 共享，安全1. 3 多道程序设计多道程序设计的概念引入多道程序设计的目的应用程序应用程序操作系统操作系统磁盘磁盘磁带磁带t启动磁带中断处理启动磁盘中断处理CPU运行CPU空闲应用程序应用程序A操作系统操作系统磁盘磁盘磁带磁带tCPU运行CPU空闲应用程序应用程序B启动磁盘AABABABB例 在有一台CPU和两台输入/输出设备磁盘和磁带的多道程序系统中，同时投入运行2个程序A和B。这2个程序对CPU和磁盘和磁带的使用顺序和使用时间为：程序A：磁带（30S）、CPU（10S）、磁盘（30S）、

6、CPU（10S）、磁带（20S）程序B：磁盘（20S）、CPU（30S）、磁带（40S）假定：CPU、磁盘和磁带都能并行工作试问：1、程序A和B从投入运行到运行完成所用的时间 分别是多少？ 2、CPU、磁盘和磁带的利用率是多少？程序A磁带30S程序B磁盘20SCPU 20S空闲20SCPU10S磁带 40S磁盘30SCPU10S 磁带20S顺序执行时间 A：100S B：90S并行执行时间 120SCPU空闲20S使用40S空闲30S使用10S空闲20StCPU利用率 50 / 120磁盘利用率 50 / 120磁盘利用率 90 / 1201. 4 操作系统的功能与特性一、操作系统的功能处理机

7、管理存储管理设备管理文件管理 二、操作系统的特性 并行性：在计算机系统中同时存在多个程序。 宏观上，这些程序是同时在执行的 微观上，任何时刻只有一个程序在执行 即微观上这些程序在CPU上轮流执行 共享性：操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统中的资源1. 5 操作系统的类型 多道批处理操作系统 分时系统 实时系统 网络操作系统 分布式操作系统 嵌入式操作系统一、多道批处理系统批处理系统中引入多道程序设计优点：系统吞吐量大，资源利用率高。缺点：平均周转时间长，用户不能与自己 作业对话。三、分时系统一台主机上连接多个键盘显示终端，用户可以各自的终端，以交互方式使用计算机，共享计算机软硬资源。时

8、间片：操作系统将CPU的时间划分成若干个片段,称为时间片操作系统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务每次服务一个时间片分时操作系统特点 多路性 交互性 “独占”性 及时性同时有多个用户使用一台计算机同时有多个用户使用一台计算机宏观上：是多个人同时使用一个宏观上：是多个人同时使用一个CPUCPU微观上：多个人在不同时刻轮流使用微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPUCPU用户根据系统响应结果进一步用户根据系统响应结果进一步提出新请求提出新请求( (用户直接干预每一步用户直接干预每一步) )用户感觉不到计算机为其他人服务用户感觉不到计算机为其他人服务系统对用户提出的请求及时响应系统对用户提出的请求

9、及时响应四、实时系统设计实时操作系统要考虑： 快速及时 实时时钟管理 连续的人机对话 过载保护 高度可靠性和安全实时操作系统分类：第一类：实时过程控制第二类：实时通信（信息）处理五、网络操作系统a计算机网络a网络操作系统功能计算机网络 通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互连起来的实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。网络操作系统在各种计算机操作系统上,按网络体系结构协议标准开发的软件,包括网络管理,通信,安全,资源共享和各种网络应用。目标：是相互通信及资源共享基于两种环境:多处理器系统多计算机系统是网络操作系统的更高级的形式保持了网络操作系统的全部功能六、分布式

10、操作系统分布式操作系统特征:1.是一个统一的操作系统2.资源进一步共享3.透明性: 资源共享与分布对用户是透明的4.自治性: 处于分布式系统的多个主机处于平等地位， 无主从关系5.处理能力增强、速度更快、可靠性增强网络和分布式的区别(1) 分布具有各个计算机间相互通讯， 无主从关系；网络有主从关系(2) 分布式系统资源为所有用户共享； 而网络有限制地共享(3) 分布式系统中若干个计算机可相互协作共同完成一项任务七、嵌入式操作系统什么是嵌入式系统？在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机”由于它们被嵌入在各种

11、设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统嵌入式操作系统，是运行在嵌入式智能芯片环境中，嵌入式操作系统，是运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系置等等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件统软件在嵌入式系统中的在嵌入式系统中的OSOS，称为嵌入式操作系统称为嵌入式操作系统典型嵌入式操作系统的特性典型嵌入式操作系统的特性 完成某一项或有限项功能；不是通用型的完成某一项或有限项功能；不是通用型的 在性能和实时性方面有严格的限制在性能和实时性方面有严格的限制 能源、成本和可靠性

12、通常是影响设计的重要因素能源、成本和可靠性通常是影响设计的重要因素 占有资源少、易于连接占有资源少、易于连接 系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成 以便满足最终产品的设计要求以便满足最终产品的设计要求嵌入式操作系统的应用嵌入式操作系统的应用嵌入计算的各种应用特点嵌入计算的各种应用特点掌上电脑：掌上电脑：运算速度：运算速度： 100 100 KIPSKIPS 在大小上优化、支持手写、低能耗在大小上优化、支持手写、低能耗工业设备：工业设备：运算速度：运算速度： 1 1 MIPSMIPS安全优先，控制流程为主安全优先，控制流程为主军事装备军事装备运算速度运算速

13、度 ：1 1 GFLOPS GFLOPS 可靠性最重要可靠性最重要1.6 现代操作系统的特点微内核结构多线程对称多处理分布式操作系统面向对象设计微内核结构只给内核分配最基本的功能，可简化实现，提供灵活性多线程把执行一个应用程序的进程划分成可以同时运行的多个线程。提高程序的执行效率。对称多处理有多个处理器共享同一个主存储器和I/O设备，可以执行相同的功能。提高并行性、可靠性面向对象技术提高模块独立性，便于扩展目前常用的操作系统1、Microsoft公司的操作系统产品2、UNIX家庭3、OS/3904、自由软件中的操作系统：LINUX微软Windows操作系统 1983年10月，PC机竞争厂家的图

14、形界面相关产品上市 面对市场压力，比尔.盖茨在1983年11月10日宣布推出Windows操作系统 然而宣布容易，交货就不简单了，Windows交货期的灾难，成了当年计算机界的笑柄 直到1985年11月20日，Windows 1.0才正式上市Windows的历史记录 Windows在当时微软历史上创了几个记录：延迟交货次数最多，投入开发人员最多，开发时间最长，更换主管人员最多 不过几年之后，Windows终于创造了销售成绩最佳的历史记录 1992年4月，推出Windows 3.1, 1993年5月，发表Windows NT Windows 95，Windows CE，Windows 98，Wi

15、ndows 2000，Windows XP,.net 个人计算机采用Windows占90以上，微软公司成了垄断PC行业的同义词UNIX UNIX是现代操作系统的代表。Unix运行时的安全性、可靠性以及强大的计算能力赢得广大用户的信赖促使UNIX系统成功的因素： 首先，由于UNIX是用C语言编写，因此它是可移植的，UNIX 是世界上唯一能在笔记本计算机、PC机、工作站直至巨型机上运行的操作系统 第二，系统源代码非常有效，系统容易适应特殊的需求 最后，它是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统IBM大型计算机操作系统OS/390 90年代末期，电子商务发展刺激对计算能力的要求，导致大型机

16、市场的再度升温 三十年的改进,IBM OS/390已成为有高可靠性、可扩展性、及安全可用性的现代大型计算机系统 支持UNIX 95标准，UNIX应用程序可在IBM OS/390上运行 同时还可继续运行OS/390应用程序，包括OS/370上开发的应用程序 包括TCP/IP的多种通信协议，具有高网络安全性 采用面向对象程序设计、并行处理、分布式处理以及客户机/服务器技术，具有较强的互操作性、可移植性与可扩展性 在PC机时代，人们曾经估计大型计算机会衰亡 IBM S/390是大型计算机复活的一个典型 Linux 1990年秋天，Linus在芬兰首都赫尔辛基大学学习操作系统课程，因为上机需要排队等待，Linus买了台PC机，开发了第一个程序，程序包括两个进程，向屏幕上写字母，然后用定时器来切换进程 编写了从调制解调器上接发信息的程序以及显示器、键盘和调制解调器的驱动程序 然后写了磁盘驱动程序，文件系统，一旦有了进程切换、文件系统和设备驱动程序，当然就拥有了一个操作系统原型，或者至少是它的一个内核 Linux就以这样极其古怪但也极其自然式问世Linux是一个免费的操作系统，用户可以免费获得其源