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2.1 操作系统的定义、功能与类型

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  1. 2.1 操作系统的定义、功能与类型 一、操作系统的发展历程 多 道 程 序 系 统 阶 段 早 期 批 处 理 阶 段 手 工 操 作 阶 段 执 行 系 统 阶 段 通 用 操 作 系 统 实 时 系 统 分 时 系 统

  2. 二、操作系统的定义 操作系统(Operating System—缩写为OS)是一种系统软件。它管理计算机系统的全部软硬件资源和对程序的执行进行控制,还能使用户方便使用硬件提供的计算机功能,也使硬件的功能发挥得更好。

  3. 注释: • 操作系统的物理实体是程序的集合; • 操作系统的功能是管理系统资源; • 设置操作系统的目的是提高资源使用效率和方便用户使用。 操作系统的基本特征: 1)并发性:多任务、多进程、多线程。 2)共享性:互斥访问、同时访问。 3)虚拟性:把一个物理上的对象变成多个逻辑意义的对象。

  4. 三、操作系统的地位 银行系统、飞机订票系统等 应用软件层 编译软件、编辑软件、命令解释程序 逻辑软件层 操作系统 硬件层 计算机硬件(裸机) 总结:操作系统是靠近硬件的第一层软件,是对硬件功能的首次扩充

  5. 四、 操作系统的分类 (一)从用户角度分类 1、单用户,单任务(如:DOS) 2、单用户,多任务(如:Windows 9x) 3、多用户,多任务(如:Windows NT)

  6. (二)从硬件的规模角度分类 微型机操作系统 方便用户 中小型机操作系统 大型机操作系统 系统效率高

  7. (三)从系统操作方式的角度分类 • 批处理操作系统 • 分时操作系统 • 实时操作系统 • PC操作系统 • 网络操作系统 • 分布式操作系统

  8. 批处理操作系统 • 1、作业 • 用户在一次上机算题过程中或一次事务处理过程中,要求计算机系统所做工作的总称。

  9. 2、工作原理 将作业成批地装入计算机,由操作系统将作业按规定的格式组织好存入磁盘的某个区域,然后按照某种调度策略选择一个或几个搭配得当的作业调入内存加以处理;内存中多个作业交替执行,处理的步骤事先由用户设定;作业输出的处理结果存入磁盘某个区域,由操作系统按作业统一加以输出。

  10. 3、分类 (1)单道批处理系统 原理:用户作业成批放在外存,操作系统自动每次调用一道作业到主存运行 (2)多道批处理系统 原理:将多个作业同时放在内存,当某作业需要I/O时,CPU处理完该请求后赚取做另一道作业。 4、特点 (1)多道(并发型) (2)成批(减少人工干预时间)

  11. 分时系统 • 1、时间片 • 将整个CPU工作时间分成一个个的时间段,每个时间段称为一个时间片,它表征允许用户占用CPU的时间长短。 • 2、工作原理 • 多个用户“同时”联机地使用计算机,每个用户按时间片轮转占用CPU。

  12. 3、特点 (1)多路性 一主机连接多终端,“同时”使用计算机 (2)交互性 用户通过终端直接控制程序(人机“会话”) (3)独立性 I/O较CPU运转速度慢,用户有“独占”感 (4)及时性 多用户间及时转换,及时处理用户请求 分时系统的主要目标:对用户响应的及时性

  13. 实时系统 • 1、实时 • 系统能够及时响应随机发生的外部事件,并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。 • 名词解释:外部事件 • 外部事件是来自与计算机系统相连接的设备所提出的服务请求及采集的数据。

  14. 2、工作原理 通过模/数(A/D)转换装置,将描述物理设备状态的某些物理量转换成数字信号传送给计算机,计算机分析接收到的数据,记录结果,并通过数/模(D/A)转换装置向物理设备发送控制信号,来调整物理设备的状态。

  15. 3、分类 (1)实时控制系统 如武器装备的制导、交通控制、自动驾驶与跟踪等 (2)实时信息处理系统 如航空订票系统、情报检索系统 4、特点 (1)及时响应 (2)交互性 (3)高可靠性 (4) 多路性

  16. PC操作系统 • PC操作系统是一种联机交互的单用户操作系统,它提供的联机交互功能与通用分时系统所提供的功能相似。

  17. 网络操作系统 • 网络操作系统是在传统计算机操作系统的基础上,按照网络体系结构的各个协议标准进行开发,包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和多种应用服务等。

  18. 分布式操作系统 • 分布式操作系统管理分布式系统中的所有资源,它负责全系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输、控制协调工作,并为用户提供一个统一的界面,用户通过这一界面实现所需要的操作或使用系统资源。

  19. 五、 操作系统的功能 从资源管理的观点来看,操作系统的功能主要包括:作业管理、进程管理、存储管理、文件管理和设备管理。 返回

  20. 2.2 作业管理 一、作业管理的基本概念 1、作业:用户在一次上机算题过程中或一次事务处理过程中,要求计算机系统所做工作的总称。 2、作业步:作业中每个步骤就称为作业步。各作业步之间相对独立,又相互关联。 3、作业流:是指在批处理系统中把一批作业安排在输入设备上,然后依次读入系统进行处理,从而形成了作业流。

  21. 二、操作系统与用户的接口 1、程序级接口 2、作业级接口 (1)联机接口 分时系统中的终端命令 (2)脱机接口 批处理系统中的作业说明书

  22. 三、作业管理的功能 1、作业调度 (1)定义 作业调度是按某种算法从后备作业队列中选择作业进入主存,并为作业做运行前的准备和完成后的善后工作。 (2)作业调度的目标 使作业运行最大限度的发挥各种资源的利用率,并保持系统内各种活动的充分运行。

  23. (3)作业调度的主要任务 • 按某种算法从后备队列中选择作业 • 为选中的作业分配资源 • 为选中的作业建立相应的进程 • 为选中的作业构造相应的数据结构 • 作业结束时完成该作业的善后处理(回收资源等)

  24. (4)作业调度算法的选择 • 选择作业调度算法时应考虑以下问题: • 设计目标: 系统的设计目标是选择算法的主要依据 • 资源利用率 在考虑设计目标的前提下应充分发挥多种资源的效能

  25. (5)主要作业调度算法 ① 先来先服务算法(FCFS) 调度原则:按照作业到达系统或进程进入就绪        队列的先后次序来选择。    特点:     a.“非抢占”算法     b.开销非常大     c.小作业用户不满意  

  26. ② 短作业优先算法(SJF) 调度原则:选择作业队列中预计运行时间最短       的作业。   特点:     a.“非抢占”算法     b.吞吐量(单位时间运行作业量)大     c.难于估计作业的等待时间 FCFS和SJF均不适用于分时系统,由于它们不能保证对用户的及时响应。

  27. ③ 最高响应比作业优先算法 调度原则:选择响应比高的作业 响应比=1+作业等待时间/估计运行时间 特点: a.“非抢占”算法     b.有待短作业 c .缩短大作业的等候时间

  28. ④ 资源搭配算法 ⑤ 多队列循环算法 开始 运行 时间 结束 运行 时间 进入 队列 时间 等待时间 周转时间

  29. 按FCFS调度算法 8:00 0 8:50 50 1 8:50 20 2 9:30 60 9:30 45 9:50 65 3 9:50 55 9:55 60 4 平均等待时间为:30(min) 平均周转时间为:58.75(min)

  30. 按SJF调度算法 8:00 0 8:50 50 1 9:15 45 9:55 85 4 2 8:50 5 9:10 25 9:10 15 9:15 20 3 平均等待时间为:16.25(min) 平均周转时间为:45(min)

  31. 2、作业控制 (1)脱机作业控制 (2)联机作业控制 返回

  32. 2.3 进程管理 一、基本概念 1、进程 (1)引入进程的目的 为了实现多个程序的并发执行,以改善资源利用率及提高系统的吞吐量。

  33. (2)进程的定义 进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。 (3)进程的分类 ① 系统进程 ② 用户进程 系统进程的优先级通常高于一般用户进程的优先级

  34. 2、线程 (1)线程的定义 线程是进程内的一个可调度实体,是一个执行单元。轻量进程。 (2)线程与进程的主要区别 线程不能独立分配资源,只能和共属同一进程的其他线程共享资源。

  35. 进程与程序的联系是什么? • 程序是构成进程的组成部分之一; • 从静态的角度看,进程是由程序、数据和进程控制块(PCB)三部分组成。 • 一个进程的运行目标是执行它所对应的程序; • 没有程序,进程就失去实际存在的意义;

  36. 进程与程序的区别是什么? • 程序是静态的,而进程是动态的; • 进程是有生命周期的,而程序的存在是永久的; • 程序的存放需要介质,进程的执行需要处理机; • 进程具有创建其它进程的功能; • 一个程序可能同时对应多个进程,一个进程可能包括着多个程序。

  37. 二、进程的特性 (1)并发性 (2)动态性 (3)独立性 (4)交往性 (5)异步性

  38. 三、进程的状态及其状态转换 1、运行状态 是指进程已获得CPU,并且在CPU上执行的状态。 2、就绪状态 是指一个进程已经具备运行条件,但由于没有获得CPU而不能运行时所处的状态。 3、等待状态 也称阻塞状态或封锁状态。是指进程因等待某种事件发生而暂时不能运行的状态。

  39. 运行 状态 等待某 事件发生 (无CPU 和资源) 进程被调 度程序选中 (获得CPU) 时间片 用完 就绪 状态 等待 状态 等待的事件已发生 (已获得资源等) 进程状态转换图

  40. 四、进程控制块 为了便于系统控制和描述进程的活动过程,在操作系统核心中为进程定义了一个专门的数据结构,称为进程控制块PCB(Process Control Block)。 PCB是进程存在的唯一标志。

  41. 1、PCB的内容 (1)调度信息 (2)现场信息 2、进程的组成 程序 数据 PCB(进程控制块)

  42. 五、进程的同步与互斥 1、进程的同步 2、进程的互斥 六、进程的通信 1、直接通讯:消息缓冲通信 2、间接通讯:管道通信、信箱通信

  43. 七、进程控制 进程控制的作用就是对进程在整个生命周期中各种状态之间的转换进行有效的控制。进程控制是通过原语来实现的。 1、原语 把系统状态下执行的某些具有特定功能的程序段称为原语。 2、用于进程控制的原语 创建进程 撤消进程 阻塞进程 唤醒进程 此外,还有挂起进程、激活进程以及改变进程优先级等。

  44. 八、进程调度 进程调度算法:解决以何种次序对各就绪进程进行处理机的分配以及按何种时间比例让进程占用处理机。 (1)先进先出算法(FIFO) (2)时间片轮转算法(RR) (3)最高优先数算法(HPF)

  45. 九、死锁 1、什么是死锁 由于系统资源分配不当或进程间相互竞争资源或资源被某一进程长期独占,从而导致进程无限期等待资源释放的状态。 2、资源的概念 按照资源的使用性质,可把系统中的资源分成以下两类: (1)永久性资源(可再使用资源) (2)临时性资源(消耗性资源) 可再用资源和消耗性资源都可能导致死锁发生。

  46. 3、死锁产生的原因 (1)系统提供的资源数量有限,不能满足每个进程的使用; (2)多道程序运行时,进程推进顺序不合理。 4、死锁的解除 常常可以采用下面两种方法: (1)资源剥夺法 (2)撤消进程法 返回

  47. 2.4 存储管理 存储管理负责计算机系统存储器的管理,存储管理主要是指对内存空间的管理。 内存空间一般分为: (1)系统区,存放操作系统,一些标准子程序。 (2)用户区,存放用户的程序和数据等。

  48. 一、基本概念 1、实存储器和虚存储器 (1)实存储器 实存储器是计算机系统中配置的实际物理存储器。 通常有三类: 内存储器(主存储器)、外存储器(辅助存储器)和高速缓存

  49. (2)虚存储器 虚存储器有两层含义: ① 指用户程序的逻辑地址构成的地址空间; ② 指当内存容量不满足用户要求时,采用一种将内存空间与外存空间有机地结合在一起,利用内外存自动调度的方法构成的一个大的存储器,从而给用户程序提供更大的访问空间。

  50. 2、逻辑地址和物理地址 (1)逻辑地址 用户程序经过编译或汇编形成的目标代码,通常采用相对地址形式,其首地址为零,其余指令中的地址都是相对首地址而定。这个相对地址就称为逻辑地址或虚拟地址。 (2)物理地址 物理地址是内存中各存储单元的编号,即存储单元的真实地址,是可识别、可寻址并实际存在的。