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1、第第1章章 操作系统概述操作系统概述第1页，本讲稿共127页课课 程程 简简 介介课程名称：课程名称：操作系统（操作系统（Operating SystemOperating System）教教 材：材：计算机操作系统刘福岩等计算机操作系统刘福岩等 计算机操作系统计算机操作系统汤子赢等汤子赢等教学方式：授课（教学方式：授课（48）+上机实习（上机实习（16）考试类别：考试考试类别：考试参考教材：参考教材：1 1、现代操作系统现代操作系统，陈向群等译，机械工业出版社，陈向群等译，机械工业出版社2 2、操作系统设计与实现操作系统设计与实现，王鹏等译，电子工业出版社，王鹏等译，电子工业出版社3 3、计
2、算机操作系统教程计算机操作系统教程，张尧学、史美林，清华大学出张尧学、史美林，清华大学出版社版社第2页，本讲稿共127页第第1章章 操作系统概述操作系统概述&1.1 什么是操作系统什么是操作系统&1.2 操作系统的操作系统的发展过程发展过程&1.3 操作系统的功能和主要特征操作系统的功能和主要特征&1.4 操作系统的操作系统的机制和策略机制和策略&1.5 操作系统的体系结构操作系统的体系结构&1.6 典型操作系统简介典型操作系统简介&1.7 本章重点本章重点第3页，本讲稿共127页本章学习目标本章学习目标F掌握操作系统的概念及作用掌握操作系统的概念及作用F了解操作系统的发展过程了解操作系统的发
3、展过程F掌握操作系统的特征与功能掌握操作系统的特征与功能F牢记多道程序设计的概念牢记多道程序设计的概念F理解操作系统的模型理解操作系统的模型第4页，本讲稿共127页11 什么是操作系统什么是操作系统 1.存储程序计算机的组成1.1.1 冯.诺依曼结构的计算机第5页，本讲稿共127页&(1)概念和模型过于复杂，用户编程十分困难概念和模型过于复杂，用户编程十分困难 在裸机基础上通过软件构造一个概念和模型相对简单，更在裸机基础上通过软件构造一个概念和模型相对简单，更容易理解和进行程序设计的虚拟机，可以认为这个虚拟机容易理解和进行程序设计的虚拟机，可以认为这个虚拟机就是操作系统，如磁盘管理。和裸机提供
4、的概念和模型相就是操作系统，如磁盘管理。和裸机提供的概念和模型相比，操作系统构造和提供的概念和模型要简单得多，用户比，操作系统构造和提供的概念和模型要简单得多，用户也更容易编程和使用。也更容易编程和使用。&(2)性能不高性能不高 裸机提供的概念和模型过于复杂，用户直接对裸机编裸机提供的概念和模型过于复杂，用户直接对裸机编制的程序，程序运行时效率往往非常低，其原因在于制的程序，程序运行时效率往往非常低，其原因在于直接对裸机编程，用户往往不能充分利用裸机提供的直接对裸机编程，用户往往不能充分利用裸机提供的资源，特别是不能最大限度的开发系统的并行性。如资源，特别是不能最大限度的开发系统的并行性。如多
5、道程序技术。多道程序技术。2.2.直接使用裸机的困难直接使用裸机的困难第6页，本讲稿共127页示例示例图1.2 磁盘结构作业3作业2作业1操作系统内存分区图1.3在内存中有三个作业的多道程序系统第7页，本讲稿共127页1 1.现代计算机系统的组成现代计算机系统的组成 1 1.1.2.1.2 操作系统的作用操作系统的作用系统软件工具软件：软、硬件检测疹断程序应用软件：CAD、MIS等自己开发的系统计算机系统硬件软件CPU储存器：内存、外存（软硬盘、磁带机）输入设备：键盘、鼠标、扫描仪等输出设备：显示器、打印机、绘图仪操作系统编译程序、DBMS等第8页，本讲稿共127页2 2.操作系统在计算机系统
6、中的地位操作系统在计算机系统中的地位 紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）第9页，本讲稿共127页&(1)(1)从资源管理的观点从资源管理的观点OSOS作为资源管理器：作为资源管理器：OSOS的首要任务是管理计算机系统中硬件与软件资源，使的首要任务是管理计算机系统中硬件与软件资源，使其得到充分而有效的利用：其得到充分而有效的利用：1 1）跟跟踪踪资资源源状状态态：时时刻刻掌掌握握计计算算机机系系统统中中资资源源的的使使用用情情况。况。2 2）分分配配资资源源：处处理理对对资资源源的的使使用用请请求求，协协调调冲冲突突，确确定定资资源源分配算法。分配算法。3 3）回收资源）
7、回收资源：回收用户释放的资源，以便下次重新分配。：回收用户释放的资源，以便下次重新分配。4 4）保护资源）保护资源：负责对系统资源的保护，避免受破坏。：负责对系统资源的保护，避免受破坏。3.操作系统的作用(体现在三个方面)第10页，本讲稿共127页操作系统作为资源管理器的观点是目前人们对操作系统认识的一个主要观点，根据此观点，人们将计算机资源划分为四大类：1）处理机 2）存储器 3）I/O设备 4）信息（程序与数据）相应可将操作系统分为四类管理器：1）处理机管理 2）存储管理 3）设备管理 4）信息管理（文件系统）第11页，本讲稿共127页&(2)(2)从软件分层、扩允机器的观点从软件分层、扩
8、允机器的观点虚拟机：虚拟机：提供硬件的高层界面提供硬件的高层界面(虚拟机虚拟机),),取消硬件限制取消硬件限制1 1）操作系统提供无限的内存、无限的）操作系统提供无限的内存、无限的CPUCPU2 2）扩充机器，功能更强大，使用更方便）扩充机器，功能更强大，使用更方便【虚拟机】：使用户和程序员在不必涉及和了解硬件工作【虚拟机】：使用户和程序员在不必涉及和了解硬件工作细节的情况下能方便的使用计算机，而为用户所提供的一细节的情况下能方便的使用计算机，而为用户所提供的一个等价的扩展计算机，称为虚拟计算机。个等价的扩展计算机，称为虚拟计算机。第12页，本讲稿共127页&(3)(3)从服务用户的观点从服务
9、用户的观点OSOS用户与裸机间接口：用户与裸机间接口：操作系统为方便用户使用计算机提供了二级访问接口：操作系统为方便用户使用计算机提供了二级访问接口：1 1）命令接口）命令接口:命令行。命令行。2 2）调用接口调用接口:形式上类似于过程调用，在应用编程中使用。形式上类似于过程调用，在应用编程中使用。3 3）图形接口：）图形接口：图形用户界面图形用户界面GUIGUI，方便用户使用。方便用户使用。编程更为容易，软件可移植性增强；使用更为方编程更为容易，软件可移植性增强；使用更为方便。便。第13页，本讲稿共127页1.操作系统的目标&有效性（系统管理人员的观点）：管理和分配硬件、软件资源，合理地组织
10、计算机的工作流程&方便性（用户的观点）提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别&可扩充性与开放性（开放的观点）：硬件类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、多个系统间的资源共享和互操作。1.1.3 操作系统的目标与定义第14页，本讲稿共127页2.2.操作系统的定义操作系统的定义操作系统是控制和管理计算机系统的硬件和软件资源，合理的组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序和数据的集合。设置操作系统的目的就是提高计算机系统的效率，增强系统的处理能力，充分发挥系统的利用率，方便用户使用。第15页，本讲稿共127页12 操作系统的发展过程操作系统的发展过程 操作系统发展的主要动力是
11、用户的需求，并随着计算机硬件技术、软件技术的发展而不断发展完善。1）提高资源的利用率和系统性能：计算机发展的初期，计算机系统昂贵，用作集中计算 2）方便用户：用户上机、调试程序，分散计算时的事务处理和非专业用户。3）硬件的发展：CPU的位宽度（指令和数据）、快速外存、新硬件、新技术的出现等。4）计算机体系结构的不断发展。第16页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史手工手工&1、手工操作 （194650年代，电子管时代）【特点】：计算机资源昂贵，没有操作系统【工作方式】：F用户：用户既是程序员、操作员，还是计算机专业人员；F编程语言：为机器语言；F输入输出：纸带或卡片；【计算机的工作特点
12、】：F用户独占全机：用户独占计算机所有资源，资源利用率低；FCPU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；【主要矛盾】：F计算机处理能力的提高，手工操作的低效率F用户独占全机的所有资源；第17页，本讲稿共127页图例图例手工时期的操作联机批处理第18页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史单道单道&2、单道批处理系统（50年代末 60年代中，晶体管）【特点】：利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个批作业由一个专门的监督程序（Monitor）自动依次处理。可使用汇编语言开发。【批处理中的作业的组成】：F用户程序F数据F作业说明书（作业控
13、制语言）【批处理】：F供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软件（系统带）第19页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史单道单道 批处理方式可分为联机批处理和脱机批处理。批处理方式可分为联机批处理和脱机批处理。1 1）联机批处理）联机批处理F用户提交作业：以纸带或卡片为介质；用户提交作业：以纸带或卡片为介质；F操作员合成批作业：结果为磁带介质；操作员合成批作业：结果为磁带介质；F批作业处理：对批作业中的每个作业进行相同的处理：批作业处理：对批作业中的每个作业进行相同的处理：从磁带读入用户作业和编译链接程序，编译链接用户作从磁带读入用户作业和编译链接程序
14、，编译链接用户作业，生成可执行程序；启动执行；执行结果输出。业，生成可执行程序；启动执行；执行结果输出。【存在的问题】：【存在的问题】：慢速的输入输出处理仍直接由主机来完成。输入输出慢速的输入输出处理仍直接由主机来完成。输入输出时，时，CPUCPU处于等待状态。处于等待状态。第20页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史单道单道2）脱机批处理系统库输入带输出带运行日志主机执行带读卡机打印机卫星机第21页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史单道单道2 2）脱机批处理）脱机批处理 利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并行工利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并行工作。作。
15、F卫星机：完成面向用户的输入输出（纸带或卡片），卫星机：完成面向用户的输入输出（纸带或卡片），中间结果暂存在磁带或磁盘上。中间结果暂存在磁带或磁盘上。F作业控制命令由监督程序作业控制命令由监督程序(monitor)monitor)来执行，完成如来执行，完成如装入程序、编译、运行等操作。装入程序、编译、运行等操作。【优点】：【优点】：同一批内各作业的自动依次更替，改善了主机同一批内各作业的自动依次更替，改善了主机CPUCPU和和I/OI/O设备的使用效率，提高了吞吐量。设备的使用效率，提高了吞吐量。【缺点】：【缺点】：磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分类，磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工
16、分类，监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预才可恢复）。监督程序易遭到用户程序的破坏（由人工干预才可恢复）。第22页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史单道单道【单道批处理的特征】：【单道批处理的特征】：自动性自动性:磁带上一批作业能自动逐个依次运行磁带上一批作业能自动逐个依次运行对对I/OI/O为主的作业，为主的作业，CPUCPU空闲；空闲；顺序性顺序性:作业顺序进入内存作业顺序进入内存,执行与完成的顺序和调入执行与完成的顺序和调入的顺序完全相同。的顺序完全相同。单道性单道性:内存中仅有一道程序内存中仅有一道程序,只有该程序完成或发生异只有该程序完成或发生异常时常时,才调入后继程序
17、进入内存运行才调入后继程序进入内存运行【单道批处理的主要问题】：【单道批处理的主要问题】：一个用户独占全部资源一个用户独占全部资源CPUCPU负责计算，也负责传输负责计算，也负责传输,CPUCPU与外设速度不匹配。与外设速度不匹配。CPUCPU与与I/OI/O串行资源利用率仍然很低。串行资源利用率仍然很低。第23页，本讲稿共127页中断技术中断技术和和通道技术通道技术 60年代硬件两个重大进展：中断技术和通道技术 1）中断：指CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。【中断处理过程】：中断请求，中断响应，中断点（暂停当前任务并保存现场），中断处理
18、例程，中断返回（恢复中断点的现场并继续原有任务。【中断分类】：硬件中断（分为硬件故障中断、I/O中断和外部中断）与软件中断（可分为程序中断 和访管中断）。第24页，本讲稿共127页中断的处理过程中断的处理过程用户程序中断机构（硬件）中断处理程序判断中断类型保护旧的PSW取出新的PSW取出中断码，分析中断原因按不同原因处理取出旧的PSW重新装入，返回断点旧PSW新PSW第25页，本讲稿共127页中断技术中断技术和和通道技术通道技术 2）通道(又称为I/O处理机)：实际上是一台功能单一、结构简单的I/O处理机，它单独与CPU，并直接控制外部设备，与内存进行数据传输。F通道有专用的I/O处理器，可与
19、CPU并行工作。通道具有自己的指令（通道指令），可编程实现各种复杂的I/O处理。F可实现 I/O联机处理 【CPU与通道的通讯】：CPU与通道之间为主（CPU）从关系（通道），采用通道进行数据传输的过程如下：CPU向通道发出I/O指令；通道执行通道程序进行I/O操作；I/O完成或出错时，以中断方式请求CPU处理。第26页，本讲稿共127页单通道单通道I/O系统系统主存通道通道控制器控制器控制器控制器设备A设备B设备C设备D设备E设备F 通道的四级连接，三级控制（CPU-通道-控制器-设备）第27页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史多道多道&3、多道批处理系统（60年代末70年代中，集
20、成电路）单道：单道：用户程序用户程序监督程序监督程序I/O操作操作I/O请求启动I/OI/O完成I/O请求多道：多道：程序程序A程序程序B程序程序C调度程序调度程序A:I/O请求A:I/OB:I/O请求B:I/OC:I/OA:完成tt1）多道程序设计原理）多道程序设计原理第28页，本讲稿共127页【多道程序设计原理】：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，共享CPU和外设等资源。采用多道程序设计技术的批处理系统称为多道批处理系统。2）多道程序设计的实现 F存储保护与重定位。在多道程序设计环境中，几道程序共享同一内存，硬件必须提供必要的手段保证各道程序之
21、间不互相侵犯。F处理机管理和调度。多道程序共享同一个处理机，因此存在处理机的调度问题。F资源的管理和调度。多道程序共享资源，同样存在着资源的分配问题。12 OS的发展史的发展史多道多道第29页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史多道多道3）多道程序设计的特征F多道。同时存在两道或两道以上的程序处于执行的开始点和结束点中间。F宏观并行。都处于运行状态，但都未运行完；F微观串行。各作业交替使用CPU。4）多道批处理系统的优缺点：F资源利用率高：CPU和内存利用率较高；F作业吞吐量大：单位时间内完成工作总量大；F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；F作业
22、平均周转时间长：短作业的周转时间（从作业提交到完成的这段时间）显著增长；第30页，本讲稿共127页单道和多道批处理的比较单道和多道批处理的比较 多道程序系统和多处理系统(Multi-Processing System)的区别：前者指多个程序同时在内存中交替运行，后者指多个处理器。单道多道内存使用每次一个作业每次多个作业（充分利用内存）作业次序顺序，先进先出无确定次序第31页，本讲稿共127页多道批处理系统的资源利用多道批处理系统的资源利用 多道批处理系统的资源利用效率特征是基于各作业对系统资源的需求差异得到的。例如：有3个作业A、B、C，分别为计算、检索和打印作业，单道运行时间分别为5分、15
23、分和10分钟。它们可并行在15分钟内完成3个作业。各资源在单道、多道环境下的利用效率是多少？单道多道CPU17%(5/30)33%(5/15)打印机33%(10/30)66%(10/15)磁带50%(15/30)100%(15/15)第32页，本讲稿共127页5）多道批处理系统的核心技术）多道批处理系统的核心技术：作业调度：作业调度：作业的现场保存和恢复作业的现场保存和恢复资源共享：资源共享：资源的竞争和同步资源的竞争和同步互斥机制互斥机制内存使用：内存使用：提高内存使用效率（为当前由提高内存使用效率（为当前由CPUCPU执行的执行的程序提供足够的内存）程序提供足够的内存）覆盖覆盖(overl
24、ay)overlay)，交换交换(swap)swap)和虚拟存储和虚拟存储(virtual memory)virtual memory)内存保护：内存保护：系统存储区和各应用程序存储区不可冲突，系统存储区和各应用程序存储区不可冲突，即存储保护即存储保护文件非顺序存放、随机存取。文件非顺序存放、随机存取。出现了：作业管理、处理机管理、存储管理、设备管理、文件系统管理(file system)12 OS的发展史的发展史多道多道第33页，本讲稿共127页课堂练习课堂练习1.1 操作系统是一种操作系统是一种 A A，在操作系统中采用多在操作系统中采用多道程序设计方式能提高道程序设计方式能提高CPUCP
25、U和外部设备的和外部设备的 B B。一般来说，为了实现多道程序设计，计算机需一般来说，为了实现多道程序设计，计算机需要有要有 C C。A:(1)A:(1)通用软件；通用软件；(2)(2)系统软件；系统软件；(3)(3)应用软件；应用软件；(4)(4)软件包。软件包。B:(1)B:(1)利用效率；利用效率；(2)(2)可靠性；可靠性；(3)(3)稳定性；稳定性；(4)(4)兼容性。兼容性。C C：(1)(1)更大的内存；更大的内存；(2)(2)更快的外部设备；更快的外部设备；(3)(3)更快的更快的CPUCPU；(4)(4)更先进的终端；更先进的终端；答案：答案：A(2),B(1),C(1)A(
26、2),B(1),C(1)第34页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史分时分时&4、分时操作系统（70年代中期至今，大规模集成电路）【分时】：两个或两个以上的事件按时间划分轮流的使用计算机系统的某一资源。【分时系统】：多个用户分时（分时的时间单位称为时间片，通常为几十毫秒）地使用同一计算机系统称为分时系统。主要采用时钟和中断技术。1）分时系统实现方法：F系统配置多路卡及时接受各终端输入命令和数据。F及时处理，不允许某作业长期占用处理机,将响应周期分为很短的时间片,在该周期内每个作业轮流执行一次(占一个时间片)。每个作业可以及时接收用户的命令和数据,并能及时得到处理。第35页，本讲稿共12
27、7页分时系统的结构示意图分时系统的结构示意图第36页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史分时分时 2 2）分时系统的特点：）分时系统的特点：同时性或多路性：同时性或多路性：多用户同时操作、使用计算机多用户同时操作、使用计算机独占性：独占性：各终端用户感觉到自己独占了计算机；各终端用户感觉到自己独占了计算机；及时性：及时性：用户的请求能在较短时间内响应；用户的请求能在较短时间内响应；交互性：交互性：用户能与计算机进行人用户能与计算机进行人机对话。机对话。3 3）调进和调出）调进和调出（Roll-in/Roll-outRoll-in/Roll-out）调进调进/调出是实现分时系统的一种主要
28、方式，包括：调出是实现分时系统的一种主要方式，包括：主存主存后援存储器方式：后援存储器方式：简单分时系统所采用，特点：简单分时系统所采用，特点：内存只存放一个当前执行作业，其他放在外存上。内存只存放一个当前执行作业，其他放在外存上。多流调入调出方式：多流调入调出方式：基于多道程序技术，特点主存中同基于多道程序技术，特点主存中同时存放一个当前执行作业和多个后备作业。时存放一个当前执行作业和多个后备作业。第37页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史分时分时 4 4）分时系统的响应时间）分时系统的响应时间 响应时间响应时间为为用户发出一条指令到系统处理完这条指令并用户发出一条指令到系统处理完
29、这条指令并做出回答所需要的时间做出回答所需要的时间。是。是衡量分时系统性能好坏的一条衡量分时系统性能好坏的一条重要标志，但具体的响应时间与系统的用户个数及时间片重要标志，但具体的响应时间与系统的用户个数及时间片大小有关。大小有关。响应时间响应时间T T与时间片与时间片q q和用户个数和用户个数n n之间的关系之间的关系为为T=n q 。【注意】：【注意】：分时系统在轮转处理多个终端用户的请求分时系统在轮转处理多个终端用户的请求时，在调入时，在调入/调出上增加了许多时间消耗，其中调出上增加了许多时间消耗，其中主要是主要是主存与后援存储器之间的信息交换时间主存与后援存储器之间的信息交换时间。因此。
30、因此为改善响应时为改善响应时间需要：间需要：加快主存与后援存储器之间的对换速度加快主存与后援存储器之间的对换速度;减减少对换的信息量少对换的信息量。现在的许多操作系统都具有分时处理的功能，在分时系统的基础上，现在的许多操作系统都具有分时处理的功能，在分时系统的基础上，操作系统的发展开始分化，如实时系统、通用系统、个人系统等。操作系统的发展开始分化，如实时系统、通用系统、个人系统等。第38页，本讲稿共127页课堂练习课堂练习1.2 分分时时系系统统中中，为为使使多多个个用用户户能能够够同同时时与与系系统统交交互互，最最关关键键的的问问题题是是 A A，当当用用户户数数目目为为100100时时，为
31、为保证响应不超过保证响应不超过2 2秒；此时的时间片最大应为秒；此时的时间片最大应为 B B。A A：(1)(1)计算机具有足够的运行速度；计算机具有足够的运行速度；(2)(2)内存容量应足够大；内存容量应足够大；(3)(3)系统能及时地接收多个用户输入；系统能及时地接收多个用户输入；(4)(4)能在一短的时间内，使所有用户程序都能运行；能在一短的时间内，使所有用户程序都能运行；(5)(5)能快速进行内外存对换。能快速进行内外存对换。B B：(1)10ms(1)10ms；(2)20ms (2)20ms；(3)50ms (3)50ms；(4)100ms (4)100ms；(5)200ms (5)
32、200ms。答案：答案：A(4),B(2)A(4),B(2)第39页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史实时实时&5 5、实时操作系统、实时操作系统实时操作系统主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的实时操作系统主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域，其领域，其主要特征是实时性和可靠性主要特征是实时性和可靠性。1 1）实时系统的分类：）实时系统的分类：实时控制：实时控制：要求与被控制的变化速度相比，其反应速度要求与被控制的变化速度相比，其反应速度足够快；工作安全可靠；需要人工干预时，操作简便。足够快；工作安全可靠；需要人工干预时，操作简便。如生产过程控制，宇航自动控制等。如生产过
33、程控制，宇航自动控制等。实时信息处理系统：实时信息处理系统：要求计算机能够在容许的延迟时间要求计算机能够在容许的延迟时间内，响应外部的事件请求，完成对该事件的处理，并控制内，响应外部的事件请求，完成对该事件的处理，并控制所有的实时设备和实时任务协调运行。如飞机订票系统所有的实时设备和实时任务协调运行。如飞机订票系统,期货、股票交易系统等。期货、股票交易系统等。第40页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史实时实时 2 2）实时系统的特征：）实时系统的特征：实时系统具有专用性、种类多、用途各异等特点，实时系统具有专用性、种类多、用途各异等特点，其一个基本特征是其一个基本特征是事件驱动事件驱
34、动，即接收到某些外部信息后，即接收到某些外部信息后，由系统选择某一程序去执行，完成相应的实时任务。由系统选择某一程序去执行，完成相应的实时任务。实时时钟管理实时时钟管理。向系统提供日期、时刻以及定时任务。向系统提供日期、时刻以及定时任务（每间隔一固定时间循环执行）和延迟任务（推迟一段（每间隔一固定时间循环执行）和延迟任务（推迟一段时间后执行）进行控制的信号。时间后执行）进行控制的信号。中断管理。中断管理。实时系统必须有效和高速的完成各种中断处理。实时系统必须有效和高速的完成各种中断处理。系统容错管理。系统容错管理。高可靠性一直是实时系统的设计目标。高可靠性一直是实时系统的设计目标。第41页，本
35、讲稿共127页12 OS的发展史的发展史实时实时多重任务管理多重任务管理。实时系统的物理过程具有并发性的特。实时系统的物理过程具有并发性的特点，因此实时系统应具备多重任务处理的能力，且点，因此实时系统应具备多重任务处理的能力，且强调任务调度与转换的高效性。强调任务调度与转换的高效性。系统生成能力系统生成能力。实时系统大多是专用性的系统，其种。实时系统大多是专用性的系统，其种类与规模相差较大，因此，要求实时操作系统应具类与规模相差较大，因此，要求实时操作系统应具有较强的生成能力，以便根据需要裁剪或补贴系统有较强的生成能力，以便根据需要裁剪或补贴系统功能，使之与应用系统相适应。功能，使之与应用系统
36、相适应。目前的操作系统，通常具有分时、实时和批处理功能，又目前的操作系统，通常具有分时、实时和批处理功能，又称作通用操作系统称作通用操作系统。可适用于计算、事务处理等多种领域，。可适用于计算、事务处理等多种领域，能运行在多种硬件平台上，如能运行在多种硬件平台上，如 UNIXUNIX系统、系统、Windows NTWindows NT等。等。通用化、小型化通用化、小型化第42页，本讲稿共127页分时系统与实时系统的比较分时系统与实时系统的比较 1 1）系统的设计目标不同）系统的设计目标不同。分时系统是提供一种随时可供多个用。分时系统是提供一种随时可供多个用户使用的通用型很强的操作系统，而实时操作
37、系统大多数是具户使用的通用型很强的操作系统，而实时操作系统大多数是具有特殊用途的专用系统。有特殊用途的专用系统。2 2）交互性的强弱）交互性的强弱。分时具有较强的对话与交互能力，而实时系。分时具有较强的对话与交互能力，而实时系统交互性很弱。统交互性很弱。3 3）响应时间的长短）响应时间的长短。分时只要能满足一般用户能接受的等待。分时只要能满足一般用户能接受的等待时间即可，而实时系统的响应时间要求严格。时间即可，而实时系统的响应时间要求严格。4 4）另外其均具备另外其均具备多路性多路性、独立性独立性、及时性及时性、交互性交互性、可靠性，可靠性，只是实时系统对系统的只是实时系统对系统的及时性和可靠
38、性及时性和可靠性要求更高要求更高。第43页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史网络网络&6、网络操作系统（NOS,Network Operating System）网络操作系统是在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。第44页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史网络网络【计算机网络基本概念】1）计算机网络：计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物,是互连起来的计算机的集合.2）计算机网络产生的背景：微电子技术的发展与进步；计算机的应用社会化；通信技术的进步和普及。3）特征：资源共享性；独立自主性4）微机网络：微型机技术的巨大进展,微机网络也随之崛起，
39、并获得高速的发展，巳成为计算机网络中最活跃的一个分枝。第45页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史网络网络【网络的构成】：1）主机(HOST)：主机是组成网络的独立自主的计算机系统，用于运行用户程序(即应用程序)。2)子 网（通 信 子 网):是将入网主机连接起来的实体。子网的任务是在入网主机之间传递信息,以提供通信服务.3）协议（protocol）：网络计算机在互相通信时为能正确进行并相互理解通信内容需遵循的约定。如TCP/IP等。第46页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史网络网络【网络操作系统】:在通常的操作系统中增加了实现网络低层协议（一般到传送层）功能和网络设备管理功
40、能的操作系统。如UNIX、LINUX,WINDOWS NT都是网络操作系统。【网络OS功能】:高效、可靠的网络通信 对网络中共享资源（在LAN中有硬盘、打印机等）有效的管理 提供电子邮件、文件传输、共享硬盘、打印机等服务 网络安全管理 提供互操作能力 第47页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史分布分布&7、分布式操作系统（DistributedOperatingSystem）1）分布式计算机系统是以计算机网络为基础的计算机系统，包含多台处理机，每台处理机完成系统中指定的一部分功能。从硬件上讲，它与计算机局域网没有任何区别，关键是软件。【特征】：F以计算机网络为基础；F处理上的分布，即
41、功能和任务的分布。所有系统任务可在系统中任何处理机上运行，自动实现全系统范围内的任务分配并自动调度各处理机的工作负载。F坚强性(强壮性)F高可靠性第48页，本讲稿共127页 2）分布式操作系统的特点 分布式和集中式操作系统的主要区别在于通讯、资源管理和系统结构三个方面。分布式主要特点是：F系统状态的不确定性。各系统内结点自治，且信息传播需要时间，很难及时和准确把握系统的状态信息。F控制机构的复杂性。不存在主从关系或层次关系，增加了控制的复杂性。F通讯开销引起性能下降。3）分布式OS的功能：(1)进程迁移(2)分布式同步(3)任务分配(4)资源管理12 OS的发展史的发展史分布分布第49页，本讲
42、稿共127页网络和分布式的区别网络和分布式的区别1)分布式系统的各个计算机之间处于平等 地位无主从关系；网络有一些主从关系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)分布式系统中一项任务可分给若干处理单元相互协作共同完成，而网络往往是各司其责第50页，本讲稿共127页12 OS的发展史的发展史多处理机多处理机&8、多处理操作系统（Multi-processor Operating System）多处理机系统是由多台处理器组成的计算机系统。多处理操作系统的出现是为了提高计算机系统性能和可靠性。提高性能有两条途径：提高各个组成部分的速度、或增大处理的并行程度。1975年前后，出现多处
43、理机系统(multi-processor)。【多处理机系统的特点】：F增加系统的吞吐量：N个处理器加速比达不到N倍（额外的调度开销，算法的并行化）F提高系统可靠性：故障时系统降级运行第51页，本讲稿共127页【多处理机系统的类型】：【多处理机系统的类型】：紧密耦合紧密耦合：各处理机之间通过快速总线或开各处理机之间通过快速总线或开关阵列相连，关阵列相连，共享内存共享内存，整体系统由一个，整体系统由一个统统一的一的OSOS管理（一个管理（一个OSOS核心）。核心）。松散耦合松散耦合：各处理机带有各处理机带有各自各自的的存储器、存储器、I/OI/O设备设备和和操作系统操作系统，通过通道或通信线路，通
44、过通道或通信线路相连。每个处理机上相连。每个处理机上独立运行独立运行OSOS。12 OS的发展史的发展史多处理机多处理机第52页，本讲稿共127页【多处理操作系统的类型】：【多处理操作系统的类型】：非对称式多处理非对称式多处理：又称主从模式又称主从模式。主处理器：主处理器：只有一个，运行只有一个，运行OSOS。管理整个系统的管理整个系统的资源，为从处理器分配任务；资源，为从处理器分配任务；从处理器：从处理器：可有多个，执行应用程序或可有多个，执行应用程序或I/OI/O处理。处理。特点：不同性质任务的特点：不同性质任务的负载负载不均，不均，可靠性可靠性不够高，不够高，不易不易移植移植（通常要求硬
45、件也是（通常要求硬件也是 非对称非对称）。）。对称式多处理对称式多处理：OSOS交替在各个处理器上执行。任务负载较交替在各个处理器上执行。任务负载较为平均，性能调节容易。为平均，性能调节容易。12 OS的发展史的发展史多处理机多处理机第53页，本讲稿共127页课堂练习课堂练习1.3 在在设设计计分分时时操操作作系系统统时时，首首先先要要考考虑虑的的是是 A A；在在设设计计实实时时操操作作系系统统时时，首首先先要要考考虑虑的的是是 B B；在设计批处理系统时，首先要考虑的是在设计批处理系统时，首先要考虑的是 C C。A A、B B、C C：(1)(1)灵活性和可适应性；灵活性和可适应性；(2)
46、(2)交互性和响应时间；交互性和响应时间；(3)(3)周转时间和系统吞吐量；周转时间和系统吞吐量；(4)(4)实时性和可靠性。实时性和可靠性。答案：答案：A(2),B(4),C(3)A(2),B(4),C(3)第54页，本讲稿共127页课堂练习课堂练习1.4 为为了了提提高高计计算算机机的的处处理理机机和和外外部部设设备备的的利利用用率率，把把多多个个程程序序同同时时放放入入主主存存，在在宏宏观观上上并并行行运运行行是是 A A；把把一一个个程程序序划划分分成成若若干干个个同同时时执执行行的的程程序序模模块块的的设设计计方方法法是是 B B；多多个个用用户户在在终终端端设设备备上上的的交交互互
47、方方式式输输入入、排排错错和和控控制制其其程程序序的的运运行行是是 C C；由由多多个个计计算算机机组组成成的的一一个个系系统统，这这些些计计算算机机之之间间可可以以通通信信来来交交换换信信息息，互互相相之之间间无无主主次次之之分分，它它们们共共享享系系统统资资源源，程程序序由由系系统统中中的的全全部部或或部部分分计计算算机机协协同同执执行行，管管理理上上述述计计算算机机系系统统的的操操作作系系统统是是 D D；有有一一类类操操作作系系统统的的系系统统响响应应时时间间的的重重要要性性超超过过系系统统资资源源的的利利用用率率，它它被被广泛地应用于卫星控制、飞机订票业务等领域是广泛地应用于卫星控制
48、、飞机订票业务等领域是 E E。A AE E：分时分时OSOS 实时实时OSOS 批处理系统批处理系统 网络网络OSOS分布式分布式OS OS 单用户单用户OSOS 多重程序设计多重程序设计 多道程序设计多道程序设计 并发程序设计并发程序设计 答案：答案：A(8),B(9),C(1),D(5),E(2)A(8),B(9),C(1),D(5),E(2)第55页，本讲稿共127页13 OS的功能和主要特征的功能和主要特征&1 1.操作系统的功能操作系统的功能 操作系统的操作系统的主要任务是对系统中的软件、硬件实主要任务是对系统中的软件、硬件实施有效的管理，以提高系统资源（主要包括处理机、施有效的管
49、理，以提高系统资源（主要包括处理机、主存储器和外存储器、文件系统）的利用率主存储器和外存储器、文件系统）的利用率。主要。主要功能如下：功能如下：(1)(1)处理机管理：处理机管理：(2)(2)存储管理存储管理 (3)(3)设备管理设备管理 (4)(4)信息管理信息管理 (5)(5)用户接口用户接口第56页，本讲稿共127页13 OS的功能和主要特征的功能和主要特征 (1)(1)处理机管理：处理机管理：可归结为进程管理，包括以下方面可归结为进程管理，包括以下方面 进程控制。进程控制。创建进程，撤销进程，控制进程的运行状创建进程，撤销进程，控制进程的运行状态转换。态转换。进程调度。进程调度。从就绪
50、的进程队列中选择一进程并把处理机从就绪的进程队列中选择一进程并把处理机分配给它，设置现场并是指投入运行。分配给它，设置现场并是指投入运行。进程同步。进程同步。设置进程同步信息，以协调系统中各进程的设置进程同步信息，以协调系统中各进程的运行。运行。进程通讯。进程通讯。负责进程间的信息交换。负责进程间的信息交换。第57页，本讲稿共127页13 OS的功能和主要特征的功能和主要特征 (2)(2)存储管理：存储管理：为多道程序的运行提供良好的环境，并提高利用为多道程序的运行提供良好的环境，并提高利用率，包括以下方面：率，包括以下方面：地址重定位。地址重定位。实现逻辑地址到物理地址的转换。实现逻辑地址到