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1、2023-3-27计算机操作系统1计算机操作系统（Operating System）2023-3-27计算机操作系统2课程要求 平时成绩 成绩构成：考勤点名 + 课堂提问/讨论 + 其他表现 上机实验成绩 成绩构成：6次上机实验成绩 期末笔试 2023-3-27计算机操作系统3第一章 操作系统引论2023-3-27计算机操作系统4本章内容提纲操作系统的概念操作系统的目标操作系统的作用操作系统的发展史操作系统的分类操作系统的基本特征操作系统的主要功能操作系统的结构设计2023-3-27计算机操作系统5什么是计算机操作系统？ 计算机系统是由硬件和软件组成的，操计算机系统是由硬件和软件组成的，操作系
2、统是硬件基础上的第一层软件，是作系统是硬件基础上的第一层软件，是对操作系统的第一层扩充。对操作系统的第一层扩充。 安装了操作系统的计算机称为虚拟机安装了操作系统的计算机称为虚拟机(virtual machine),(virtual machine), 是对裸机的扩展是对裸机的扩展. .2023-3-27计算机操作系统6操作系统所在的位置 2023-3-27计算机操作系统7操作系统将丑陋的硬件转变为美丽的抽象2023-3-27计算机操作系统8操作系统的作用：操作系统的作用： 用户与计算机硬件系统之间的接口用户与计算机硬件系统之间的接口 实现了对计算机资源的抽象（实现了对计算机资源的抽象（ugly
3、beautiful） 计算机资源的管理者计算机资源的管理者 处理机、存储器，处理机、存储器，I/O，信息，信息 命令方式命令方式 cmd，ping 系统调用方式系统调用方式 count=read（fd,buffer,nbytes） 图形、窗口方式图形、窗口方式2023-3-27计算机操作系统9操作系统的目标：操作系统的目标： 有效性有效性 方便性方便性 可扩充性：功能可扩充可扩充性：功能可扩充 开放性开放性 linux android2023-3-27计算机操作系统10操作系统的发展史及分类操作系统的发展史及分类n无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统n单道批处理系统单道批处理系统n多道
4、批处理系统多道批处理系统n分时系统分时系统n实时系统实时系统2023-3-27计算机操作系统11无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统ENIAC计算机计算机 （ 美国宾夕法尼亚大学）运算速度：运算速度： 5000次/每秒 真空管：真空管： 18000个 占地面积：占地面积： 182平方米 重重 量量 ： 130吨 功功 耗耗 ： 140kW 2023-3-27计算机操作系统12无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统 从第一台计算机诞生从第一台计算机诞生(1945年年)到到50年代中期的年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现计算机，属于第一代，这时还未出现OS。 人工操作方式人工
5、操作方式：这时的计算机操作是由用户：这时的计算机操作是由用户(即程序员即程序员)采用人工操作方式直接使用计算机采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统。硬件系统。 由程序员将事先已穿孔由程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据对应于程序和数据)的的纸带纸带(或卡片或卡片)装入纸带输入机装入纸带输入机(或卡片输入机或卡片输入机)，再启动它们将程序和数据输入计算机，再启动它们将程序和数据输入计算机， 然后启然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，果后， 才让下一个用户上机。才让下一个用户上机。2023-3-27计算机操作系统13 1张穿孔卡片等于100
6、个字节 1MB=10K卡片 这种人工操作方式有以下两方面的缺点：这种人工操作方式有以下两方面的缺点： (1) 用户独占全机。用户独占全机。 (2) CPU等待人工操等待人工操作。作。没有输入输出设备，再好的计算机也无法发挥作用没有输入输出设备，再好的计算机也无法发挥作用 2023-3-27计算机操作系统14 脱机输入脱机输入/输出方式输出方式 (Off-Line I/O) 脱机：通过专门的外围机脱机：通过专门的外围机来控制输入到磁带上和输来控制输入到磁带上和输出到卡片上，当出到卡片上，当CPU需要需要这些数据时再从磁带上将这些数据时再从磁带上将其高速调入内存。其高速调入内存。n减少了减少了CP
7、U的空闲时间：的空闲时间：输入输出不占用主机时输入输出不占用主机时间。间。 n提高提高I/O速度速度输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备脱机I/O示意图2023-3-27计算机操作系统15单道批处理系统（单道批处理系统（ Simple Batch Processing System ）批处理过程2023-3-27计算机操作系统16单道批处理系统的处理流程2023-3-27计算机操作系统17 单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征 单道批处理系统是最早出现的一种单道批处理系统是最早出现的一种OS，严，严格地说，它只能算作是格地说，它只能算作是OS的前身而并非是的前身而并非是现在人们所理解的现在
8、人们所理解的OS。 尽管如此，该系统比起人工操作方式的系尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。统已有很大进步。 该系统的主要特征如下：该系统的主要特征如下： 自动性：作业依次运行，无须人为干预自动性：作业依次运行，无须人为干预 顺序性：作业运行顺序与进入内存的顺序一致，顺序性：作业运行顺序与进入内存的顺序一致，先调入的作业先完成。先调入的作业先完成。 单道性：内存中只有一道程序运行。单道性：内存中只有一道程序运行。2023-3-27计算机操作系统18单道批处理的问题：单道批处理的问题： CPU和和I/O设备使用不均衡设备使用不均衡 -对计算为主的作业，外设空闲对计算为主的作业，外
9、设空闲 -对对I/O为主的作业，为主的作业，CPU空闲空闲 解决办法解决办法 使用多道程序同时进入内存运行，提高资源利使用多道程序同时进入内存运行，提高资源利用率，即采用多道程序系统。用率，即采用多道程序系统。2023-3-27计算机操作系统19多道批处理系统（多道批处理系统（Multiprogrammed Batch Processing System) 多道程序设计的概念多道程序设计的概念 同时把多个作业放入内存并允许它们同时把多个作业放入内存并允许它们交替执行，共享系统中的各类资源，当交替执行，共享系统中的各类资源，当一道程序因为某种原因暂停执行时，一道程序因为某种原因暂停执行时，cpu
10、cpu立刻转去执行另一道程序。立刻转去执行另一道程序。 多道批处理系统：是使用多道程序设计多道批处理系统：是使用多道程序设计技术的批处理系统技术的批处理系统2023-3-27计算机操作系统20提高提高CPU的利用率的利用率可提高内存和可提高内存和I/O设备利用率设备利用率增加系统吞吐量增加系统吞吐量多道程序设计的好处：多道程序设计的好处：2023-3-27计算机操作系统21单多道批处理系统比较t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O 完成启动 I /OI/O 中断请求I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求用户程序监督程序I/O 操作(a) 单道程序运行情况程 序 A程序A I/O 请求
11、程序A I/O 完成程 序 B程序B I/O 请求程 序 C程序C I/O 请求程 序 D程序D I/O 请求C I/O 完成C 再 被 调 度程序B I/O 完成程序A再被调度程 序 A程 序 B程 序 C程 序 D调 度 程 序(b) 四 道 程 序 运 行 情 况A完成结束中断单道和多道程序运行情况单道和多道程序运行情况 程序程序A程序程序B程序程序C程序程序D调度程序调度程序2023-3-27计算机操作系统22单多道批处理系统比较t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求用户程序监督程序I/O 操作(a) 单
12、道程序运行情况程序A程序A I/O 请求程序A I/O 完成程序B程序B I/O 请求程序C程序C I/O 请求程序D程序D I/O 请求C I/O 完成C 再被调度程序B I/O 完成程序A再被调度程序A程序B程序C程序D调度程序(b) 四道程序运行情况A完成结束中断单道和多道程序运行情况单道和多道程序运行情况 程序程序A程序程序B程序程序C程序程序D调度程序调度程序2023-3-27计算机操作系统23 程序运行时间表（单位：ms） 有三个程序A,B,C，它们使用同一个设备进行I/O操作，并按A,B,C的优先次序执行。这三个程序的计算和I/O操作时间如表所示，假设调度的时间可忽略不计，请分别
13、画出单道程序环境和多道程序环境下（假设内存中可同时装入这三道程序），它们的运行时间关系图，并比较它们的总运行时间。程序操作 A B C 计算 30 60 20 I/O 40 30 40 计算 10 10 202023-3-27计算机操作系统24 资源利用率高资源利用率高 系统吞吐量大系统吞吐量大 平均周转时间长平均周转时间长 无交互能力无交互能力 批处理：交互性差批处理：交互性差-提高对提高对cpu的利用率的利用率多道程序设计的优缺点多道程序设计的优缺点：2023-3-27计算机操作系统25多道批处理的需要解决的问题多道批处理的需要解决的问题u处理机的管理问题。多个程序之间如何分配以便共处理机
14、的管理问题。多个程序之间如何分配以便共享处理机？如何回收？享处理机？如何回收？u内存管理问题。如何分配作业必需的内存空间，以内存管理问题。如何分配作业必需的内存空间，以便他们各得其所而又不会互相重叠？如何防止一个便他们各得其所而又不会互相重叠？如何防止一个程序破坏其他程序？程序破坏其他程序？uI/O设备管理问题。设备管理问题。I/O设备为所有程序共享，如何设备为所有程序共享，如何协调以提高设备使用效率？协调以提高设备使用效率？u文件管理问题。如何管理大量的程序和文件？文件管理问题。如何管理大量的程序和文件？u作业管理问题。各种不同类型的作业如何有效管理？作业管理问题。各种不同类型的作业如何有效
15、管理？增加一组软件，对以上问题进行有效处理，增加一组软件，对以上问题进行有效处理，这组软件就构成了操作系统。这组软件就构成了操作系统。2023-3-27计算机操作系统26分时系统（分时系统（Time Sharing System）n 分时系统的产生：分时系统的产生：n如果说，如果说， 推动推动多道批处理系统多道批处理系统形成和发展的主要动力，形成和发展的主要动力，是提高是提高资源利用率和系统吞吐量资源利用率和系统吞吐量，那么，推动，那么，推动分时系统分时系统形成和发展的主要动力，则是形成和发展的主要动力，则是用户的需求用户的需求。n 用户的需求具体表现用户的需求具体表现 在以下几个方面：在以下
16、几个方面：n (1) 人人机交互机交互。n (2) 共享主机共享主机n (3) 便于用户上机。便于用户上机。每一个用户通过配有输入键盘和每一个用户通过配有输入键盘和输出显示器的终端工作站和主机连接输出显示器的终端工作站和主机连接 2023-3-27计算机操作系统27分时系统（分时系统（Time Sharing System）n 分时系统实现中的关键问题：分时系统实现中的关键问题：n为实现分时系统，其中，最关键的问题是如何使用为实现分时系统，其中，最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互，即当用户在自己的终户能与自己的作业进行交互，即当用户在自己的终端上键入命令时，端上键入命令时， 系统应能及时接收并及时处理该系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。此后，命令，再将结果返回给用户。此后， 用户可继续键用户可继续键入下一条命令，此即入下一条命令，此即人人机交互机交互。n应强调指出，即使有多个用户同时通过自己的键盘应强调指出，即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理。键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理。n及时接收及时接收n及时处理及时
