【正文】 操作系統(tǒng)原理 操作系統(tǒng)是如何工作的？ 為什么要學習操作系統(tǒng)？ ★ 2 操作系統(tǒng) 裸機 應用軟件 用戶程序 操作系統(tǒng)的重要性 地位： 操作系統(tǒng)是現代計算機、軟件的 基礎 收獲： 通過學習操作系統(tǒng)的，我們可以： ? 掌握 底層 、 大型軟件 的構造，及實現方法 ★ 3 ? 掌握并行處理的思想 只有一個 CPU在工作 如何使計算機同時完成多項任務呢？ ? 程序間合作的方法 如：多個 獨立 的程序， 合作 完成一項復雜任務 如何正確地保證它們 有序 地執(zhí)行呢？ ? 死鎖的處理 一些復雜的系統(tǒng)常常會死機。 死機的原因有那些，和程序間的合作有關嗎？ ? 為以后進行軟件系統(tǒng)的開發(fā)，打好基礎 ★ 4 ? 了解操作系統(tǒng)的基本原理、概念 ? 掌握操作系統(tǒng)的 實現技術 ? 通過實例的分析，培養(yǎng) 解決問題的能力 如何學習操作系統(tǒng) 提問： 沒有操作系統(tǒng)，計算機能否運行？ 計算機中為什么要配備操作系統(tǒng) ? ★ 配備操作系統(tǒng)的目的 １．管理各種軟、硬件資源， 提高資源的利用率 ２． 方便用戶使用 計算機 ★ (2)原理 并發(fā)處理：讓一個 CPU與所有的設備同時工作 二、操作系統(tǒng) (1) 目標 提高 CPU的利用率 ，將一個物理上的單處理機 改造成邏輯上的多處理機。為多個用戶服務 (3)采用的軟件技術 ①多道程序設計技術：多個程序在內存執(zhí)行 ★ 2. 當今的 操作系統(tǒng)及發(fā)展 (1)多樣化 (2)注重用戶操作界面的友好 (3)多處理機的 并行處理 (4)嵌入式操作系統(tǒng) (5)微軟的觀點 ★ ② 制定資源的分配策略及實施技術 ③解決程序之間的相互制約、及合作 ④引入虛擬機的概念 操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展 （ 1）受應用 需求 的推動 （ 2）受硬件結構、軟件技術的制約和推動 從時間上，可分為三個階段： 形成、完善、發(fā)展 從硬件載體上，可分為三個主要的分支： 多用戶操作系統(tǒng) (大、中、小型計算機、服務器，研究的主體 ) 單用戶操作系統(tǒng) (個人計算機 ) 嵌入式操作系統(tǒng) (無完整的計算機 ) ★ 9 批處理 (出現管理軟件 ) 聯(lián)機 批處理 脫機 批處理 執(zhí)行 系統(tǒng) 操作系統(tǒng)形成 實時系統(tǒng) 多道程序系統(tǒng) 多道批 分時 處理系統(tǒng) 系統(tǒng) 手工操 作階段 (無管理軟件 ) 多處理機、多核 系統(tǒng) 單用戶操作系統(tǒng) 網絡操作系統(tǒng) 分布式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)形成和發(fā)展的各個階段 三 . 多道程序設計技術 ★ 10 一個程序在內存的運行 (單道程序設計 ) 用戶程序 監(jiān)督程序 I∕O操作 計算 請求輸入 啟動 I∕O I∕O完成 繼續(xù)計算 結束中斷 中央處理機 外部設備 原因？ 空閑 解決方法： 在內存中，存放多個可運行的用戶程序 ★ 11 多個 程序在內存的運行 (多道程序設計 ) CPU 打印機 輸出 結束 程序 B 打印 輸出 繪圖 輸出 繪圖 輸出 輸出結束 輸出結束 程序 A 輸出 結束 程序 A 程序 B 打印 輸出 繪圖儀 ★ 空閑？ 12 (1) 什么是 多道程序設計技術 在主存中同時存放幾道相互 獨立的 程序 ； 在管理程序控制之下，相互穿插地運行； 當某道程序不能繼續(xù)運行時 (如等待外部設備傳輸數據 )： 便將另一道程序投入運行。 ★ 13 (2) 多道運行的特征 ? 多道 ? 宏觀上并行 ? 微 觀上串行 執(zhí)行系統(tǒng)采用多道程序設計技術后，就形成了操作系統(tǒng)。 ★ 14 操作系統(tǒng)形成 批處理 手工操 作階段 聯(lián)機 批處理 脫機 批處理 執(zhí)行 系統(tǒng) 實時系統(tǒng) 多道程序系統(tǒng) 多道批 分時 處理系統(tǒng) 系統(tǒng) 問題： 只有一個 CPU，在內存中運行的每一個程序 如何才能得到 CPU 、并保持 對其的占有 的呢？ ★ 15 ? 所有的 作業(yè)輸入外存； ? 根據資源條件、及 調度原則 選擇一批作業(yè)進入內存 ? 進入內存的作業(yè)按某種次序 交替運行 ? 當前運行 的程序， 只要不自動放棄 CPU 就一直運行下去 。 即： CPU不能被強行剝奪 ★ 第一種： 系統(tǒng)不干涉程序的執(zhí)行 四 . 多道成批處理、及批量操作系統(tǒng) 16 2. 批量操作系統(tǒng) 采用多道、成批處理的操作系統(tǒng)，稱為 批量操作系統(tǒng) 。也稱為 批處理系統(tǒng) 。 它是操作系統(tǒng)的一種基本類型。 ? 作業(yè)運行的方式 系統(tǒng)把用戶提交的作業(yè)送入計算機外存； 在適當的時機，由系統(tǒng)的 作業(yè)調度程序 在外存選擇一批作業(yè)，裝入內存進行多道運行。 ? 特點： 脫機操作 (即：用戶只需將程序提交給系統(tǒng) ) 合理搭配作業(yè) 多道運行 ★ 17 優(yōu)點： 資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大 缺點： (1)用戶作業(yè)的 周轉時間 長 ， 或 對用戶的 響應時間 慢； (2) 用戶無法與程序交互 ， 使用不方便 解決 ？ 第二種： 由系統(tǒng)控制內存中各個程序的執(zhí)行 ★ 18 五 . 分時技術與分時操作系統(tǒng) 1. 分時技術 ? 產生的原因：用戶希望 能與程序交互 、 有較快的 響應時間快 、甚至 獨占計算機 ? 分時技術： 把處理機的時間劃分成 很短的時間片 (如幾百毫秒 )， 輪流分配 給各個 聯(lián)機 的作業(yè)使用 如果某個作業(yè)在分配的時間片用完后，計算仍未完成，就暫時中斷執(zhí)行，等待下一輪 ★ 19 作業(yè) i 作業(yè) i+1 ．． ．作業(yè) n 作業(yè) i ．．． 提問： 與批處理相比， CPU的效率有沒有降低？ ★ 即： CPU的占用是 可剝奪 的。 20 3. 分時操作系統(tǒng)的特點 ? 多路調制性 (一臺主機與多個用戶終端設備相連接 ) ? 獨占性 ? 交互性 ★ ? 作業(yè)運行的方式 一臺計算機與多個終端設備連接 用戶以 聯(lián)機 的方式使用計算機 因此，也稱為 交互式 系統(tǒng) 。 21 六．實時操作系統(tǒng) 什么是實時 ? 說明： 實時處理， 也可由 分時操作系統(tǒng) 提供的實時處理功能來實現。 (實時用戶 優(yōu)先 使用 CPU) ★ 1. 實時操作系統(tǒng)的定義 對外部輸入的信息 能夠在 很短的、規(guī)定時間內 處理完畢 并作出反應的一種 專用 操作系統(tǒng) 22 2. 實時處理的類型 (1) 實時控制 (必須物理實時 ) 如生產過程控制、作戰(zhàn)指揮等。 (2) 實時信息處理 (可以邏輯實時 ) 如訂票系統(tǒng)、情報檢索等。 3. 實時操作系統(tǒng)的特點 ? 及時響應 ? 高可靠性和安全性 ? 系統(tǒng)的整體性強 ★ 23 批處理 手工操 作階段 聯(lián)機 批處理 脫機 批處理 執(zhí)行 系統(tǒng) 操作系統(tǒng)形成 實時系統(tǒng) 多處理機、多核 系統(tǒng) 單用戶操作系統(tǒng) 網絡操作系統(tǒng) 分布式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng) 多道程序系統(tǒng) 多道批 分時 處理系統(tǒng) 系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展 ★ 24 并行的方式： 流水線 (一條指令 分解為多個步驟 ) 向量機 (一條指令 同時在多個運算器上執(zhí)行 ) ．．． 七 ． 多運算器 的單處理機系統(tǒng) CPU 特點： 一條指令在多個運算器上執(zhí)行 目的： 提高計算速度 適用性： 適應面較窄，主要為 專用 ★ 25 特點： CPU可分可合 分開：相當于多臺主機 合作：提高計算速度 (執(zhí)行并行程序 ) 多核？ ★ 八．多處理機系統(tǒng) cpu cpu cpu cpu 26 網絡操作系統(tǒng)除具備一般操作系統(tǒng)的功能外，還要增加一個 網絡通信 模塊。 該模塊由以下內容組成： 通信接口中斷處理程序； 通信控制程序； 各級網絡協(xié)議軟件 ★ 十．網絡操作系統(tǒng) 5. 網絡 OS擴充的功能 (1) 節(jié)點間文件的復制、遠程打印、電子郵件 (2) 聯(lián)合文件系統(tǒng) (3) 程序的遠程執(zhí)行 (如通過 Tel進行遠程登 ) 6. 不足之處 (1) 節(jié)點間相互獨立 (2) 節(jié)點對用戶不透明 (CORBA有改進 ) (3) 要有一個集中管理的控制節(jié)點 ★ 28 操作系統(tǒng)是一個 大型的 程序系統(tǒng) 負責計算機的全部軟、硬件資源的管理 即： 資源的調度和分配 控制和協(xié)調并發(fā)的活動 實現信息的存取和保護 問題： 操作系統(tǒng)是如何對 資源 進行管理的呢？ ★ 為用戶使用計算機提供接口 使用戶獲得一個良好的工作環(huán)境 操作系統(tǒng)的概念 29 三、 操作系統(tǒng)的 資源管理功能 系統(tǒng)資 源分類 處理機 主 存 I/O 設備 軟件 資源 操作系統(tǒng) 功能模塊 處理機 管 理 存儲 管 理 設備 管 理 文件 系 統(tǒng) ★ OS的特性及應解決的問題 一、特性 并發(fā) 共享 不確定性 二、應解決的基本問題 １、提出資源分配的策略 要考慮： 利用率、公平 、資源的特性 ★ ２、協(xié)調并發(fā)活動的關系 原因：并發(fā)活動也存在直接、間接的制約 多個獨立的程序，進行合作的要求 ３、保證數據的 一致性 保證系統(tǒng)及用戶的程序、數據不被破壞 避免 與時間有關的錯誤 ４、實現數據的存取控制 ★ 操作系統(tǒng)的組織結構可從三個方面來描述 (1)系統(tǒng)的結構：系統(tǒng)功能的 分組 、及如何 交互 (2) 接口：是 用戶 、及 用戶程序 使用系統(tǒng)的手段 (3) 運行時的結構：定義了系統(tǒng)運行過程中 存在的實體類型、及調用方式 操作系統(tǒng)的組織結構 一、系統(tǒng)的結構化組織 操作系統(tǒng)是一組軟件模塊的集合。 為了滿足系統(tǒng)的 正確性 、 可維護性 和 性能 的要求 其功能模塊，通常可采用多種方法來進行組織 ★ 缺點： 結構不清晰，難于理解 難以 維護、 及 驗證正確性 (因 數據的交叉引用 ) ★ 1.