1、2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,1,操作系统,江苏大学计算机学院操作系统课程组,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,2,第一章 操作系统概述,1.0 计算机的系统结构 1.1 操作系统的定义 1.2 操作系统的形成和发展 1.3 操作系统的分类 1.4 操作系统的运行环境 1.5 操作系统的结构 1.6 现代操作系统,作业,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,3,1.0 计算机的系统结构,一. 计算机系统组成,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,4,1.0 计算机的系统结构,一. 计算机系统组成,2019/6/
2、13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,5,1.0 计算机的系统结构,二、软件与硬件的关系,硬件是计算机系统的基础，软件是提高计算机系统效率和方便用户使用计算 机的程序，它们二者相互依赖、相互促进 、 共同发展。裸机（硬件）是僵尸，软件是幽灵.,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,6,1.1 操作系统的定义,1、科普的观点 操作系统是计算机系统的管理和控制中心，它依照设计者制定的各种调度策略组织和管理计算机系统资源，使之能高效地运行。 2、功能的观点 操作系统是一个计算机资源管理系统，它负责计算机系统的全部资源的分配、控制、调度和回收。 3、用户的观点 操作系统是计算机与
3、用户之间的接口，用户通过这种接口使用计算机。,一.基本概念,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,7,1.1 操作系统的定义,一.基本概念,4、软件的观点 操作系统是程序和数据结构的集合。 5、管理的观点 操作系统是计算机硬件和软件资源的合理而协调的管理者。 6、 操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动，实现信息的存取和保护。它提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。操作系统使整个计算机系统实现了高效率和高度自动化。,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,8,1.1 操作系统的定义,二.一个计算机系统
4、的视图,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,9,1.1 操作系统的定义,人机交互界面(虚拟机）资源管理,三.操作系统的基本 功能,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,10,1.1 操作系统的定义,目标：提供一个友好的用户访问操作系统的接口。操作系统向上提供两种接口： 系统命令：供用户用于组织和控制自己的作业运行。命令行、菜单式或GUI“联机“；命令脚本“脱机“ 编程接口：供用户程序和系统程序调用操作系统功能。系统调用和高级语言库函数；,三.操作系统的基本功能（人机交互）,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,11,1.1 操作系统的定义
5、,文件管理 存储管理 设备管理 处理机管理 作业管理,三.操作系统的基本功能（资源管理）,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,12,1.1 操作系统的定义,解决软件资源的存储、共享、保密和保护。 文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能。 目录管理：解决信息检索问题。文件的属性（如文件名）、单一副本赋予多文件名 文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。系统设口令“哪个用户“、用户分类“哪个用户组“、文件权限“针对用户或用户组的读写权“ 软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和拆除等,三.操作系统的基本功能（资源管理文件管理）,2019/6/13,
6、江苏大学计算机学院 操作系统课程组,13,1.1 操作系统的定义,管理目标：提高利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、方便进程并发运行。 存储分配与回收 存储保护：保证进程间互不干扰、相互保密；如：访问合法性检查、甚至要防止从“垃圾“中窃取其他进程的信息； 地址映射（变换）：进程逻辑地址到内存物理地址的映射； 内存扩充（覆盖、交换和虚拟存储）：提高内存利用率、扩大进程的内存空间； 同一类型内的公平性、高效率（吞吐量大）、作业周转时间等,三.操作系统的基本功能（资源管理存储管理）,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,14,1.1 操作系统的定义,设备操作：利用设备驱动程序
7、（通常在内核中）完成对设备的操作。还需处理外设的IRQ。 设备独立性(device independence)：提供统一的I/O设备接口，使应用程序独立于物理设备，提高可适应性；在同样的接口和操作下完成不同的内容（如FAX Modem作为Windows上的打印机设备）。,三.操作系统的基本功能（资源管理设备管理）,设备管理的目标是：方便的设备使用、提高CPU与I/O设备利用率；,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,15,1.1 操作系统的定义,设备分配与回收：在多用户间共享I/O设备资源。 虚拟设备(virtual device)：设备由多个进程共享，每个进程如同独占。 缓
8、冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率（单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区）,三.操作系统的基本功能（资源管理设备管理）,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,16,1.1 操作系统的定义,三.操作系统的基本功能（资源管理处理机管理）,进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等主动改变进程的状态 进程同步：协调并发进程之间的推进步骤，以协调资源共享；交换信息能力弱,完成处理机资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为进程或线程。,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,17,1.1 操作系统的定义,三.操作系统的基本功能（资源管理处理机管理）,进程通
9、信：进程之间传送数据，以协调进程间的协作；交换信息能力强，也可以用来协调进程之间的推进 进程调度：作业和进程的运行切换，以充分利用处理机资源和提高系统性能；未必是进程控制操作所引起（可能是时间片轮转、I/O操作）,完成处理机资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为进程或线程。,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,18,1.1 操作系统的定义,三.操作系统的基本功能（资源管理作业管理）,提供“作业控制语言”供用户写作业说明书。作业调度。在满足资源需求的情况下，选择哪些作业投入运行。方法：先来先服务、最短作业优先、响应比最高者优先、优先数法、分类调度法等,注：通常在大中型操作
10、系统中，才提供作业管理的功能。一般微机操作系统以及单用户操作系统不考虑作业管理的功能。 。,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,19,1.2 操作系统的形成和发展,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,20,1.2 操作系统的形成和发展,工作方式 用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员； 编程语言：为机器语言； 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；,手工阶段,1946 1950年代（电子管
11、），集中计算（计算中心），计算机资源昂贵；,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,21,1.2 操作系统的形成和发展,60年代计算机硬件获得两个重大的进展：通道技术和中断技术通道: 是一种专用部件，负责外部设备与内存之间信息的传输。 中断：指主机接到外界信号（来自CPU外部或内部）时，立即中止原来的工作，转去处理这一外来事件，处理完后，主机又回到原来工作点继续工作。,通道、中断,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,22,1.2 操作系统的形成和发展,主要功能： 向用户提供多个共享资源来运行他们的程序 ；帮助操作员控制用户程序的执行和管理计 算机的部分资源。
12、 计算机的工作特点 程序员与操作员分开； 操作员通过命令与计算机交互。,管理程序,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,23,1.2 操作系统的形成和发展,定义 多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。 特征:多道：内存中同时存放几个作业；宏观上并行运行：都处于运行状态，但 都未运行完； 微观上串行运行：各作业交替使用CPU；,多道程序设计,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,24,1.2 操作系统的形成和发展,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
13、； 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；,多道程序设计的特点,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,25,1.2 操作系统的形成和发展,“分时”的含义分时是指多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。 多个用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。有用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停，等待下一次用户输入时走时停； 前台和后台程序(foreground & background)分时：后台程序不占
14、用终端输入输出，不与用户交互现在的图形用户界面(GUI)，除当前交互的程序(输入焦点)之外，其他程序均作为后台； 通常按时间片(time slice)分配：各个程序在CPU上执行的轮换时间。,分时操作系统,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,26,1.2 操作系统的形成和发展,人机交互性好：在调试和运行程序时由用户自己操作。 共享主机：多个用户同时使用。 用户独立性：对每个用户而言好象独占主机。,分时操作系统的特点,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,27,1.3 操作系统的分类,1.单用户操作系统 2.批处理操作系统 3.实时操作系统 4.分时操作系统
15、 5.网络操作系统,按操作系统所提供的功能分：,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,28,1.3 操作系统的分类,基本特征：一个用户独占计算机系统资源。系统所有软、硬件资源全为一个用户服务，单独地执行该用户提交的一个任务。 常用的单用户操作系统： 单用户单任务：MS DOS；CP/M,单用户操作系统,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,29,1.3 操作系统的分类,作业的处理流程 作业提交：作业的输入； 作业执行 作业完成：作业的输出； 分类：单道批处理系统多道批处理系统,批处理操作系统,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,30,1.
16、3 操作系统的分类,单道和多道批处理的比较：,批处理操作系统,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,31,1.3 操作系统的分类,实时操作系统,专用系统：许多实时系统是专用系统。 实时控制：实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的迅速响应，具有较强的中断处理机构。 高可靠性：实时系统用于控制重要过程，要求高度可靠，具有较高冗余。如双机系统。 事件驱动和队列驱动：实时系统的工作方式：接受外部消息，分析消息，调用相应处理程序进行处理。 可与通用系统结合成通用实时系统：实时处理前台作业，批处理为后台作业。,特征：,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,32,1.
17、3 操作系统的分类,分时操作系统,同时性：多个用户同时工作。 共享系统资源，提高了资源利用率。节省维护开支，可靠性高：笨终端至今仍在使用。促进了计算机的普遍应用，提高资源利用率：远地用户通过终端（较便宜）联机使用。 独立性：各用户独立操作，互不干扰。 交互性：系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间 及时性：用户的请求能在较短时间内得到响应 。,特征：,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,33,1.3 操作系统的分类,分时操作系统,与多道批处理操作系统的区别：,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,34,1.3 操作系统
18、的分类,网络操作系统,通常操作系统的功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等； 网络通信功能：通过网络协议进行高效、可靠的数据传输； 网络资源管理：协调各用户使用； 网络服务：文件和设备共享，信息发布； 网络管理：安全管理、故障管理、性能管理等；。,功能：,提供网络通信和网络资源共享功能的操作系统,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,35,1.3 操作系统的分类,分布式操作系统,特征：,是网络操作系统中的一种,l 系统中任意两台计算机可以通过通信来交换信息。 l 系统中各台计算机无主次之分，既没有控制整个系统的主机，也没有受控于它机的从机。 l 系统的资源为所有用
19、户共享。 l 系统中若干台计算机可以互相协作来完成一个共同任务，或者说，一个程序可以分布于几台计算机上并行地运行。,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,36,1.4 操作系统的运行环境,l CPU l 特权指令:指令系统中那些只能由操作系统使用的指令 l 处理器状态:多数系统将处理器工作状态较简单地划分为管态（一般指操作系统管理程序运行的状态）和目态（用户程序运行时的状态）。 l 程序状态字(PSW),与操作系统的五个资源管理功能密切相关的硬件环境：,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,37,1.5 操作系统的结构,l 软件组件化 l 分层:每层完成操作
20、系统要求的一个功能子集，每层都依赖紧挨着的较低一层的功能，并且为较高层提供服务。,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自身修改和扩充。,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,38,1.5 操作系统的结构,操作系统的层次模式：,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,39,1. 6现代操作系统,特征：,绝大多数是个人独占计算机，通常使用交互方式。 多机系统，尤其对称多处理器SMP(symmetric multiprocessing）方式被广泛使用 。 设计技术上和结构上的改进和发展 。 分布式操作系统 。 设计中普遍采用面向对象技术。,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,40,1.6 现代操作系统,特征：,微内核结构 多线程机制对称多处理器（SMP）机制,2019/6/13,江苏大学计算机学院 操作系统课程组,41,作业,什么是操作系统? 它在计算机系统中起什么作用？ 什么是单用户操作系统?什么是多用户操作系统? 二者本质区别何在 ? 3. 批处理系统、分时系统和实时系统各有什么特点?各适用于哪些方面?,注：每周的作业在下周周一上课时提交，过期不计成绩。每个班指定一个联系人，为大家服务。,
