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软件技术基础

段景山. 软件技术基础. 操作系统概述. 制作 主讲. 段景山. 段景山. 操作系统. 操作系统概述和基本原理 定义、功能、特征、分类等 几大基本的操作系统的管理功能 处理机管理 存储器管理 设备管理 文件管理 作业管理. 几个问题. 1 、你使用过哪些操作系统 ？ DOS 、 WINDOWS 、 UNIX （ LINUX ） VMS ？ 2 、你知道什么是操作系统吗？如果有一天你的朋友向你问起，你如何回答？ 3 、你知道为什么人们总是对 Windows 系统褒贬不一，而微软公司却长期称霸微机软件市场吗？

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Presentation Transcript

  1. 段景山 软件技术基础 操作系统概述 制作 主讲 段景山

  2. 段景山 操作系统 • 操作系统概述和基本原理 • 定义、功能、特征、分类等 • 几大基本的操作系统的管理功能 • 处理机管理 • 存储器管理 • 设备管理 • 文件管理 • 作业管理

  3. 几个问题 • 1、你使用过哪些操作系统 ？DOS、WINDOWS、UNIX（LINUX）VMS ？ • 2、你知道什么是操作系统吗？如果有一天你的朋友向你问起，你如何回答？ • 3、你知道为什么人们总是对Windows系统褒贬不一，而微软公司却长期称霸微机软件市场吗？ • 4、普遍被专业人士看好的Linux系统能走进千家万户，与Windows一较高下吗？

  4. 操作系统概述 第二篇 操作系统 第一章 操作系统概述 操作系统的定义 操作系统的发展 操作系统的功能 操作系统的特征 操作系统的分类

  5. 操作系统概述（各小节标题） • 1.1、什么是操作系统（OS） • 1.2、OS的目标和作用 • 1.3、OS的发展历史和已有类型 • 1.4、OS的分类 • 1.5、OS的特征 • 1.6、OS的评价及性能指标 • 1.7、OS的功能 • 1.8、OS的服务和系统调用

  6. 操作系统概述 1.1 什么是操作系统

  7. 操作系统概述 • 1.1.1计算机硬件系统的组成 显示器 CPU（处理机） 键盘 内存 计算机一般由：处理机（CPU）、存储器、 通道及I/O设备组成

  8. 操作数 操作数 （补充）计算机工作原理 • 1、CPU从内存中读取指令 • 2、指令一般由指令体和操作数组成 • 3、内存按照地址大小，线性存放数据、指令 • 4、CPU执行完一条指令后，不遇到 下，自动执行 。 • 5、CPU寄存器不是内存，是CPU的一部分。 CPU 内存 MOV 1234， [1234] ADD ax，1 I/O设备 指令体 特殊情况 下一条指令 下一地址单元中存放的指令 跳转指令或结束指令 AX BX CX ……

  9. （补充）计算机工作原理 • CPU，内存和I/O设备都通过总线交换数据 CPU 总线 存储器 I/O设备 I/O设备 低速 高速 基于总线的微机硬件体系

  10. （补充）计算机工作原理 • CPU不直接与设备交换数据。主存处于数据交换的中心位置——共享主存 CPU 控制 主存 主存 可同时进行 通道 通道 通道 通道 I/O 设备 磁 盘 通信 设备 磁带 非总线型结构—工作站、小型机

  11. 操作系统的定义 • 1.1.2操作系统的定义 操作系统是计算机系统中 直接控制和管理 各种软硬件资源， 以方便用户 充分而有效地利用这些资源的 程序的集合 ④手段 ②对象 ③目标 ①实体

  12. 操作系统的定义(课堂练习) • 操作系统的实体： • 程序的集合 • 管理对象： • 各种软硬件资源 • 管理目标： • 方便用户使用——充分而有效的使用 • 管理手段： • 直接控制和管理 操作系统是：紧靠硬件的第一层软件

  13. 操作系统的地位 • 1.1.3操作系统的地位 1、裸机的使用 是不方便的 2、在裸机之上装配一些基本的控制软件，让这些软件自动完成基本功能 应用程序 操作系统 裸机 3、在这些软件的基础之上进行扩充和完善，提供给用户所要求的功能

  14. 操作系统的目标、作用 1.2、操作系统的目标 为什么要研究操作系统？

  15. 操作系统的目标 • 操作系统的目标 ★有效性 ★方便性 ★可扩充性 ★开放性

  16. 操作系统的目标 • 1）方便性： • 提供给用户易用统一的手段 • 2）有效性： • 有效地控制各种软硬件资源，使之得到充分利用 • 保持忙碌和有序占用 • 合理组织系统工作流程，改善系统性能 • 提高系统效率 • 为用户方便的使用计算机提供良好的环境 • 提高用户使用效率

  17. 操作系统的目标 • 3）可扩充性 • 模块化，易添加和修改 • 4）开放性 • 对应用程序最大可能的提供开放统一的环境， • 应用程序能方便地移植和互操作。 • 例：网络时代的操作系统

  18. 操作系统的作用 • 对操作系统的要求 ★提供使用接口 ★管理系统资源 ★裸机能力的扩充

  19. 操作系统的作用 • 操作系统是用户和计算机系统之间的接口 • 接口位置： • 位于用户与计算机硬件系统之间 • 接口作用： • 从用户角度： • 用户可以通过各种接口，获得访问、使用系统资源的能力。 • 从系统角度： • 系统在有序管理计算机硬件系统前提下，向用户提供调用接口

  20. 操作系统的作用 • 操作系统是系统资源管理者 • 系统资源： • 处理机（CPU）、存储器、I/O设备、信息（软件——程序和数据） • 处理机管理：纪录处理机状态，按策略分配处理机 • 存储器管理：纪录存储器使用情况，按策略分配，保护信息不受破坏。 • I/O管理：按要求和策略分配设备，优化设备调度，提高设备使用效率 • 信息管理：以文件方式组织信息。方便的查询和保护。

  21. 操作系统的发展 1.3 操作系统的发展历史

  22. 操作系统的发展 • 1.3操作系统的发展历史 • 发展历史经历三个变化 • 从人工操作 到 机器自动处理 • 人工操作缓慢 • 机器按照事先编辑好的过程完成任务的转换 • 从联机I/O到 脱机I/O • CPU速度迅速提高而I/O设备依然缓慢， CPU花大量时间等待设备 • 输入输出在外围机控制下进行，CPU不等待 • 从单道程序处理 到 多道程序同时处理 • 逐个运行作业，所有资源为一个作业独占 • 同时运行多个作业，充分利用资源

  23. 操作系统的发展 • 1）从人工操作到机器自动处理 • 减少两个作业之间的人工干预，由系统自动调度作业逐个投入运行 机器按照事先编辑好的过程完成任务的转换 人工操作缓慢 输出作业 作业完成 需要作业 输出作业 作业完成 需要作业 需要作业 人工干预 成批处理

  24. 输出 作业 (用户程序) 作业 (用户程序) 作业调度 控制计算 控制录入 控制批量录入 控制输出 控制批量输出 人工干预 成批处理 操作系统的发展 • 从人工操作到机器自动处理 • 增加“作业调度”处理软件，使批量计算自动化 操作系统雏形 循环： --取作业 --执行运算 --输出结果 计算 计算 计算 计算 输出 录入 输出 录入 输出 录入 录入 输出 24

  25. 操作系统的发展 • 2）从联机I/O到脱机I/O • CPU速度远远高于I/O设备的速度 (上百至上万倍) • CPU等待设备，CPU空闲时间高达60%~98% • 脱机I/O环境中，输入输出在外围机控制下进行 外围机 键盘+显示器 输入井 高速 低速

  26. 操作系统的发展 • 联机I/O与脱机I/O • 联机I/O：计算机在I/O时，不能进行其它工作 • 脱机I/O：计算机在I/O时，还可进行其它工作 • 增加脱机I/O处理，利用CPU空闲时间 • I/O如同在计算机之外的地方处理 作业 (用户程序) 操作系统功能增强 作业 (用户程序) 作业调度 作业调度 脱机I/O I/O：利用CPU空闲时间 录入 输出 计算 计算 计算 输出 录入 录入 输出 录入 输出 输出 录入

  27. 操作系统的发展 • 3）从单道程序处理到多道程序同时处理 2 1 3 9 3 6

  28. 操作系统的发展 • 从单道程序处理到多道程序同时处理 • 单道程序：每次执行一个用户程序(作业) • 多道程序：可同时执行多个用户程序(并发) • 改进作业调度的功能，支持多作业并发 操作系统功能进一步增强 作业 (用户程序) 作业 作业 作业 作业 作业调度 作业调度 脱机I/O 脱机I/O 单道程序 多道程序 计算 逐个执行 多个同时执行 计算 录入 输出 I/O 输出 录入

  29. 操作系统的分类 1.4、操作系统的分类

  30. 操作系统的分类 • 早期的计算机系统 • 输入 • 1、人工将程序用打卡机打在卡片上 • 2、计算机逐条读取卡片上的指令 • 输出：电传打字机 • 文本输出 （ASCII文字）

  31. 操作系统的分类 • 1.4.1 单道批处理系统 • 作业成批进入系统后备队列 • 按照一定的策略调度一个作业在系统中运行 • 背景： • 系统资源十分昂贵 • 输入速度与CPU的速度不匹配 • 联机单道批处理没有解决I/O与CPU速度不匹配问题 • 脱机单道批处理可以使CPU与I/O并行工作，提高效率

  32. 单道批处理 低速 其它 传统方式 作业 成批进入 高速 输入井 输出井 其它 单道批处理系统

  33. 单道批处理 • 单道批处理系统特点： • 内存中只保持一道作业运行 • 作业完成顺序与其进入内存的顺序直接相关 I/O中断请求 用户程序 监督程序 中断处理 I/O操作 I/O启动 I/O完成 t1 t2 单道程序系统

  34. 多道批处理 • 1.4.2 多道批处理系统 • 作业成批进入系统后备队列 • 按照一定的策略调度多个作业在系统中运行 • 进一步提高系统吞吐量和利用率

  35. 程序A和B都得到了推进,并发 并行 并行 I/O中断请求 用户程序 监督程序 I/O操作 I/O完成 t1 t2 单道程序系统 程序A 程序B OS调度 I/O A I/O B t2 t1 多道程序系统

  36. 多道批处理 作业 成批进入 高速 输入井 输出井 其它 单道批处理系统 作业 成批进入 多道并发执行 输入井 输出井 其它 多道批处理系统

  37. 多道批处理 • 多道批处理对资源利用率的提高： • 提高CPU的利用率 • 提高内存利用率 • 提高I/O设备的利用率 • 多道批处理系统的特点： • 多道性 • 无序性 • 需要进行两级调度 • 高级调度: • 低级调度: 作业进入内存的顺序与作业完成的顺序不直接相关。 选取多个作业进入内存 在内存中的多个作业之间完成处理机使用权的切换

  38. 批处理系统 • 小结：批处理系统的特点： • 资源利用率高，吞吐量大 • 能根据作业对系统资源的需求和系统当前状态，充分调度资源。 • 无交互能力 • 作业进入系统后，系统自动调度，管理员或用户不干预系统的调度情况 不便不能

  39. 分时系统 • 1.4.3 分时系统 • 分时系统的提出： • 主机少，用户多的情况下，如何让多人同时使用主机。 • 如果大家轮着用主机，，如何进行人机交互的及时响应——共享主机 • 分时系统实现： • 按时间片轮转 • 时间片：作业使用CPU的时间 • 时间片中断处理 周期 t 作业1 2 3 1 2 3

  40. 分时系统 • 将时间片划分很小，从一个较长时间看，每一个用户都似乎独享主机 • 例：电影胶片每秒播放25帧图象。即每幅图象占用0.04秒 • 若将帧速率提高一倍，就可以在屏幕的上下两方同时播放两部电影 • 时间片的选择： • 太大：及时交互性效果不明显 • 太小：作业频繁切换，增加系统开销 • 几十到几百毫秒之间。

  41. 方案A 方案B 秒 20 10 30 分时系统 • 分时方案 • 假设有10个用户同时使用计算机，每个用户都可获得1/10的主机资源 • 方案A：时间片为 1片/秒，用户软件每10秒动作1次，每次1秒 • 方案B：时间片为 10片/秒，用户软件每秒动作1次，每次1/10秒 • 方案C：时间片为100片/秒，用户软件每秒动作10次，每次1/100秒 • 时间片的选择： • 方案A中，用户使用时会明显感觉到软件运行的“停顿” • 方案B中，用户使用时感觉软件运行较为“流畅” • 方案C中，用户使用时会感觉到软件在“持续”运行 • 分时系统中，时间片通常选择在100~500片/秒 方案C 秒

  42. 分时系统 按时间片轮转

  43. 分时系统 每个用户都获得了满意的响应速度，感觉系统是为其独享的

  44. 分时系统 用户数量、时间片大小及响应速度是相互关联的

  45. 分时系统 • 分时系统的特点： • 多路性 • 同时连接多台终端 • 独立性 • 终端间互不影响 • 及时性 • 在人们能接受的时间内响应 • 交互性 • 方便的人机对话

  46. 关于交互性 程序A 程序B OS调度 I/O A I/O B 不确定时间 多道程序批处理系统 t2 t1 A输入数据 A给出响应 1输入数据 1给出响应 控制轮转周期在人机交互忍受范围内 分时系统 作业1 2 3 1 2 3

  47. 实时控制 实时信息查询 实时采集现场数据，完成自动化控制 根据用户要求进行信息检索和处理 例：导弹导航 例：远程订票系统 特点： 强大的文件系统或数据库 操作简便、安全、查询快速 特点： 响应速度足够快 可靠性高 实时系统 • 1.4.4 实时系统 • 实时系统的提出： • 分时系统的响应往往要等待一个循环周期。 • 实时系统必须在规定的时间内对用户请求或外部事件及时响应

  48. 实时系统 由优先级控制响应顺序

  49. 实时系统 • 实时系统特点： • 多路性： • 多路信息采集，多对象控制 • 独立性： • 信息采集和对象控制是相互独立的 • 及时性： • 有较严格的时间限制，相应时间短 • 交互性： • 主要与管理员进行简单的交互 • 可靠性： • 多级容错

  50. 操作系统分类 单道批处理系统 批处理系统 作业处理 系统 多道批处理系统 简单分时系统 具“前、后台”的 分时系统 分时系统 多道分时系统 实时控制 实时系统 实时信息查询

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