【正文】 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 朱會(huì)東 Email: 第一章 操作系統(tǒng)引論 ? 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 ? 操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程 ? 操作系統(tǒng)的基本特性 ? 操作系統(tǒng)的主要功能 ? 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng) （ 裸機(jī) ） ： CPU、 存儲(chǔ)器 （ 主存 、 輔存 ） 、 I/O、 I/O控制系統(tǒng) 軟件系統(tǒng) ：系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件 系統(tǒng)軟件 ：管理計(jì)算機(jī)本身的操作。如操作系統(tǒng)、編譯 ?. 應(yīng)用軟件 ：提供給用戶進(jìn)行解題。如，科學(xué)計(jì)算、事物管理 圖 圖 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 3. 操作系統(tǒng)的地位 ? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成 ? 操作系統(tǒng)在硬件基礎(chǔ)上的第一層軟件 ?是其他軟件和硬件之間的接口 游戲 M IS 。編譯器 命令解釋器 網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫(kù)操作系統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言微程序物理設(shè)備操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)者 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)者 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 目前存在著多種類(lèi)型的 OS， 不同類(lèi)型的 OS， 其目標(biāo)各有所側(cè)重 。 通常在計(jì)算機(jī)硬件上配置的 OS， 3. 可擴(kuò)充性 4. 開(kāi)放性 操作系統(tǒng)的作用 ★ 從一般用戶 的角度 ★ 從資源管理的角度 ★ 從虛擬機(jī)的觀點(diǎn) 將裸機(jī)擴(kuò)充成為功能強(qiáng)大、方便易用的虛擬機(jī) 操作系統(tǒng)的作用 操作系統(tǒng)向用戶提供了命令接口、圖形用戶接口和程序接口來(lái)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的作用 ?2. OS作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者 ①處理機(jī)管理 ②存儲(chǔ)器管理 ③Ｉ／Ｏ設(shè)備的管理 ④文件管理 操作系統(tǒng)的作用 3． OS實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的抽象 物理接口硬件用戶用戶I / O 軟件物理接口硬件機(jī)器指令虛機(jī)器I / O 操作命令( R e a d ， W r i t e )6. 推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿? ? 不斷提高計(jì)算機(jī)資源利用率 ? ? 器件的不斷更新?lián)Q代 ? 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展 操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程 無(wú)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1. 人工操作方式 從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生 (1945年 )到 50年代中期的計(jì)算機(jī) ， 屬于第一代 ， 這個(gè)時(shí)期是電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代 ,這時(shí)還未出現(xiàn) OS。 計(jì)算機(jī)操作是由用戶采用人工操作方式直接使用計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) ， 即由程序員將事先已穿孔 (對(duì)應(yīng)于程序和數(shù)據(jù) )的紙帶(或卡片 )裝入紙帶輸入機(jī) (或卡片輸入機(jī) )， 再啟動(dòng)它們將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī) ， 然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行 。 當(dāng)程序運(yùn)行完畢并取走計(jì)算結(jié)果后 ， 才讓下一個(gè)用戶上機(jī) 。 ? 用戶：用戶既是程序員，又是操作員；用戶是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員； ? 編程語(yǔ)言：為機(jī)器語(yǔ)言； ? 輸入輸出：紙帶或卡片； ? 計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn) ? 用戶獨(dú)占全機(jī)：不出現(xiàn)資源被其他用戶占用，資源利用率低； ? CPU等待人工操作：計(jì)算前，手工裝入紙帶或卡片；計(jì)算完成后，手工卸取紙帶或卡片；CPU利用率低； ? 例如：上機(jī)操作要 1 分鐘 ， 運(yùn)行時(shí)間 20分鐘 （ 10萬(wàn)次 /sec） ? 上機(jī)操作要 1分鐘 ， 運(yùn)行時(shí)間 （ 1000萬(wàn)次 /sec） ? 主要矛盾 ? 計(jì)算機(jī)處理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪費(fèi)）； ? 用戶獨(dú)占全機(jī)的所有資源； ? 提高效率的途徑 ? 專(zhuān)門(mén)的操作員，批處理 2. 脫機(jī)輸入 /輸出方式 為解決低速輸入設(shè)備與 CPU速度不匹配的問(wèn)題 ， 可將用戶程序和數(shù)據(jù) ， 在一臺(tái)外圍計(jì)算機(jī)的控制下 ， 預(yù)先從低速輸入設(shè)備輸入到磁帶上 ， 當(dāng) CPU需要這些程序和數(shù)據(jù)時(shí) ， 再直接從磁帶機(jī)高速輸入到內(nèi)存 ， 從而大大加快了程序的輸入過(guò)程 ， 減少了 CPU等待輸入的時(shí)間 。 2. 脫機(jī)輸入 /輸出方式 當(dāng)程序運(yùn)行完畢或告一段落 ，CPU需要輸出時(shí) ， 無(wú)須直接把計(jì)算結(jié)果送至低速輸出設(shè)備 ， 而是高速地把結(jié)果送到磁帶上 ， 然后再另一臺(tái)外圍機(jī)地控制下 ， 把磁帶上的計(jì)算結(jié)果由相應(yīng)的輸出設(shè)備輸出 ， 著就大大加快了程序的輸出過(guò)程 。 2. 脫機(jī)輸入 /輸出方式 在采用脫機(jī)輸入輸出方式時(shí) ， 程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出都是在外圍計(jì)算機(jī)的控制下完成的 ， 即它們是脫離主機(jī)進(jìn)行的 ， 故稱(chēng)之為脫機(jī)輸入輸出操作 。 脫機(jī) I/O （ 1） 減少了 CPU的空閑時(shí)間 。 （ 2) 提高 I/O速度 。 2. 脫機(jī)輸入 /輸出方式 單道批處理系統(tǒng) 1. 單道批處理系統(tǒng)的處理過(guò)程 第二代計(jì)算機(jī) ( 1955— 1965 )：這個(gè)時(shí)期是晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代。 ★ 聯(lián)機(jī)批處理系統(tǒng) ★ 脫機(jī)批處理系統(tǒng) 批處理是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)一批作業(yè)自動(dòng)進(jìn)行處理的一種技術(shù)。 利用磁帶把若干個(gè)作業(yè)分類(lèi)編成作業(yè)執(zhí)行序列，每個(gè)批作業(yè)由一個(gè)專(zhuān)門(mén)的監(jiān)督程序（ Monitor）自動(dòng)依次處理?？墒褂脜R編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。 ? 批處理中的作業(yè)的組成： ? 用戶程序 ? 數(shù)據(jù) ? 作業(yè)說(shuō)明書(shū)（作業(yè)控制語(yǔ)言） ? 批： ? 供一次加載的磁帶或磁盤(pán)，通常由若干個(gè)作業(yè)組裝成，在處理中使用一組相同的系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)帶） 單道批處理系統(tǒng) 卡片 IBM1401 IBM7094 IBM1401 輸入磁帶 磁帶機(jī) 卡片閱讀機(jī) 輸出磁帶 打印機(jī) 早期批處理系統(tǒng) 圖 13 單道批處理系統(tǒng)的處理流程 單道批處理系統(tǒng) ? 單道批處理系統(tǒng)是最早出現(xiàn)的一種OS，嚴(yán)格地說(shuō)，它只能算作是 OS的前身而并非是現(xiàn)在人們所理解的 OS。 該 ? (1) 自動(dòng)性 ? (2) 順序性 ? (3) 單道性 2. 單道批處理系統(tǒng)的特征 多道批處理系統(tǒng) 1. 多道程序設(shè)計(jì)的基本概念 在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中同時(shí)存放若干道已開(kāi)始運(yùn)行尚未結(jié)束的程序 ， 它們交替運(yùn)行 ， 共享系統(tǒng)中的各種硬 、 軟件資源 ， 從而使處理機(jī)得到充分利用 。 在該系統(tǒng)中 ， 用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個(gè)隊(duì)列 ， 稱(chēng)為 “ 后備隊(duì)列 ” ；然后 ，由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊(duì)列中選擇若干個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存 ， 使它們共享 CPU和系統(tǒng)中的各種資源 。 多道批處理系統(tǒng) 第三代計(jì)算機(jī) ( 1965— 1980 )：這個(gè)時(shí)期是中、小規(guī)模集成電路芯片計(jì)算機(jī)時(shí)代。 ? 在批處理系統(tǒng)中采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù) ，就形成了多道批處理 。 ? 該系統(tǒng)把用戶提交的作業(yè)成批地送入計(jì)算機(jī)內(nèi)存 ， 然后由作業(yè)調(diào)度程序自動(dòng)地選擇作業(yè)運(yùn)行 。 (1) 資源利用率高。 (2) 系統(tǒng)吞吐量大。 系統(tǒng)吞吐量是指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)所完成的總工作量。能提高系統(tǒng)吞吐量的主要原因可歸結(jié)為：第一， CPU和其它資源保持“忙碌”狀態(tài)； 第二，僅當(dāng)作業(yè)完成時(shí)或運(yùn)行不下去時(shí)才進(jìn)行切換，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)小。 (3) 平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)。 作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間是指從作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)開(kāi)始，直至其完成并退出系統(tǒng)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。 (4) 無(wú)交互能力。 (1) 處理機(jī)管理問(wèn)題。 (2) 內(nèi)存管理問(wèn)題。 (3) I/O設(shè)備管理問(wèn)題。 (4) 文件管理問(wèn)題。 (5) 作業(yè)管理問(wèn)題。 分時(shí)系統(tǒng) 1. 分時(shí)系統(tǒng) (