【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(xué)習(xí)操作系統(tǒng)？ ★ 2 操作系統(tǒng) 裸機(jī) 應(yīng)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(xiàn)代計(jì)算機(jī)、軟件的 基礎(chǔ) 收獲： 通過(guò)學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的，我們可以： ? 掌握 底層 、 大型軟件 的構(gòu)造，及實(shí)現(xiàn)方法 ★ 3 ? 掌握并行處理的思想 只有一個(gè) CPU在工作 如何使計(jì)算機(jī)同時(shí)完成多項(xiàng)任務(wù)呢？ ? 程序間合作的方法 如：多個(gè) 獨(dú)立 的程序， 合作 完成一項(xiàng)復(fù)雜任務(wù) 如何正確地保證它們 有序 地執(zhí)行呢？ ? 死鎖的處理 一些復(fù)雜的系統(tǒng)常常會(huì)死機(jī)。 死機(jī)的原因有那些，和程序間的合作有關(guān)嗎？ ? 為以后進(jìn)行軟件系統(tǒng)的開發(fā)，打好基礎(chǔ) ★ 4 ? 了解操作系統(tǒng)的基本原理、概念 ? 掌握操作系統(tǒng)的 實(shí)現(xiàn)技術(shù) ? 通過(guò)實(shí)例的分析，培養(yǎng) 解決問(wèn)題的能力 如何學(xué)習(xí)操作系統(tǒng) 提問(wèn)： 沒(méi)有操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)能否運(yùn)行？ 計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī) ★ (2)原理 并發(fā)處理：讓一個(gè) CPU與所有的設(shè)備同時(shí)工作 二、操作系統(tǒng) (1) 目標(biāo) 提高 CPU的利用率 ，將一個(gè)物理上的單處理機(jī) 改造成邏輯上的多處理機(jī)。為多個(gè)用戶服務(wù) (3)采用的軟件技術(shù) ①多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)：多個(gè)程序在內(nèi)存執(zhí)行 ★ 2. 當(dāng)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(jī)的 并行處理 (4)嵌入式操作系統(tǒng) (5)微軟的觀點(diǎn) ★ ② 制定資源的分配策略及實(shí)施技術(shù) ③解決程序之間的相互制約、及合作 ④引入虛擬機(jī)的概念 操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展 （ 1）受應(yīng)用 需求 的推動(dòng) （ 2）受硬件結(jié)構(gòu)、軟件技術(shù)的制約和推動(dòng) 從時(shí)間上，可分為三個(gè)階段： 形成、完善、發(fā)展 從硬件載體上，可分為三個(gè)主要的分支： 多用戶操作系統(tǒng) (大、中、小型計(jì)算機(jī)、服務(wù)器，研究的主體 ) 單用戶操作系統(tǒng) (個(gè)人計(jì)算機(jī) ) 嵌入式操作系統(tǒng) (無(wú)完整的計(jì)算機(jī) ) ★ 9 批處理 (出現(xiàn)管理軟件 ) 聯(lián)機(jī) 批處理 脫機(jī) 批處理 執(zhí)行 系統(tǒng) 操作系統(tǒng)形成 實(shí)時(shí)系統(tǒng) 多道程序系統(tǒng) 多道批 分時(shí) 處理系統(tǒng) 系統(tǒng) 手工操 作階段 (無(wú)管理軟件 ) 多處理機(jī)、多核 系統(tǒng) 單用戶操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)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(gè)階段 三 . 多道程序設(shè)計(jì)技術(shù) ★ 10 一個(gè)程序在內(nèi)存的運(yùn)行 (單道程序設(shè)計(jì) ) 用戶程序 監(jiān)督程序 I∕O操作 計(jì)算 請(qǐng)求輸入 啟動(dòng) I∕O I∕O完成 繼續(xù)計(jì)算 結(jié)束中斷 中央處理機(jī) 外部設(shè)備 原因？ 空閑 解決方法： 在內(nèi)存中，存放多個(gè)可運(yùn)行的用戶程序 ★ 11 多個(gè) 程序在內(nèi)存的運(yùn)行 (多道程序設(shè)計(jì) ) CPU 打印機(jī) 輸出 結(jié)束 程序 B 打印 輸出 繪圖 輸出 繪圖 輸出 輸出結(jié)束 輸出結(jié)束 程序 A 輸出 結(jié)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(shè)計(jì)技術(shù) 在主存中同時(shí)存放幾道相互 獨(dú)立的 程序 ； 在管理程序控制之下，相互穿插地運(yùn)行； 當(dāng)某道程序不能繼續(xù)運(yùn)行時(shí) (如等待外部設(shè)備傳輸數(shù)據(jù) )： 便將另一道程序投入運(yùn)行。 ★ 13 (2) 多道運(yùn)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(shè)計(jì)技術(shù)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(jī) 批處理 脫機(jī) 批處理 執(zhí)行 系統(tǒng) 實(shí)時(shí)系統(tǒng) 多道程序系統(tǒng) 多道批 分時(shí) 處理系統(tǒng) 系統(tǒng) 問(wèn)題： 只有一個(gè) CPU，在內(nèi)存中運(yùn)行的每一個(gè)程序 如何才能得到 CPU 、并保持 對(duì)其的占有 的呢？ ★ 15 ? 所有的 作業(yè)輸入外存； ? 根據(jù)資源條件、及 調(diào)度原則 選擇一批作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存 ? 進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)按某種次序 交替運(yùn)行 ? 當(dāng)前運(yùn)行 的程序， 只要不自動(dòng)放棄 CPU 就一直運(yùn)行下去 。 即： CPU不能被強(qiáng)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(yùn)行的方式 系統(tǒng)把用戶提交的作業(yè)送入計(jì)算機(jī)外存； 在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，由系統(tǒng)的 作業(yè)調(diào)度程序 在外存選擇一批作業(yè)，裝入內(nèi)存進(jìn)行多道運(yùn)行。 ? 特點(diǎn)： 脫機(jī)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(yùn)行 ★ 17 優(yōu)點(diǎn)： 資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大 缺點(diǎn)： (1)用戶作業(yè)的 周轉(zhuǎn)時(shí)間 長(zhǎng) ， 或 對(duì)用戶的 響應(yīng)時(shí)間 慢； (2) 用戶無(wú)法與程序交互 ， 使用不方便 解決 ？ 第二種： 由系統(tǒng)控制內(nèi)存中各個(gè)程序的執(zhí)行 ★ 18 五 . 分時(shí)技術(shù)與分時(shí)操作系統(tǒng) 1. 分時(shí)技術(shù) ? 產(chǎn)生的原因：用戶希望 能與程序交互 、 有較快的 響應(yīng)時(shí)間快 、甚至 獨(dú)占計(jì)算機(jī) ? 分時(shí)技術(shù)： 把處理機(jī)的時(shí)間劃分成 很短的時(shí)間片 (如幾百毫秒 )， 輪流分配 給各個(gè) 聯(lián)機(jī) 的作業(yè)使用 如果某個(gè)作業(yè)在分配的時(shí)間片用完后，計(jì)算仍未完成，就暫時(shí)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(wèn)： 與批處理相比， CPU的效率有沒(méi)有降低？ ★ 即： CPU的占用是 可剝奪 的。 20 3. 分時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn) ? 多路調(diào)制性 (一臺(tái)主機(jī)與多個(gè)用戶終端設(shè)備相連接 ) ? 獨(dú)占性 ? 交互性 ★ ? 作業(yè)運(yùn)行的方式 一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多個(gè)終端設(shè)備連接 用戶以 聯(lián)機(jī) 的方式使用計(jì)算機(jī) 因此，也稱為 交互式 系統(tǒng) 。 21 六．實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 什么是實(shí)時(shí) ? 說(shuō)明： 實(shí)時(shí)處理， 也可由 分時(shí)操作系統(tǒng) 提供的實(shí)時(shí)處理功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。 (實(shí)時(shí)用戶 優(yōu)先 使用 CPU) ★ 1. 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的定義 對(duì)外部輸入的信息 能夠在 很短的、規(guī)定時(shí)間內(nèi) 處理完畢 并作出反應(yīng)的一種 專用 操作系統(tǒng) 22 2. 實(shí)時(shí)處理的類型 (1) 實(shí)時(shí)控制 (必須物理實(shí)時(shí) ) 如生產(chǎn)過(guò)程控制、作戰(zhàn)指揮等。 (2) 實(shí)時(shí)信息處理 (可以邏輯實(shí)時(shí) ) 如訂票系統(tǒng)、情報(bào)檢索等。 3. 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn) ? 及時(shí)響應(yīng) ? 高可靠性和安全性 ? 系統(tǒng)的整體性強(qiáng) ★ 23 批處理 手工操 作階段 聯(lián)機(jī) 批處理 脫機(jī) 批處理 執(zhí)行 系統(tǒng) 操作系統(tǒng)形成 實(shí)時(shí)系統(tǒng) 多處理機(jī)、多核 系統(tǒng) 單用戶操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)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(shí) 處理系統(tǒng) 系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展 ★ 24 并行的方式： 流水線 (一條指令 分解為多個(gè)步驟 ) 向量機(jī) (一條指令 同時(shí)在多個(gè)運(yùn)算器上執(zhí)行 ) ．．． 七 ． 多運(yùn)算器 的單處理機(jī)系統(tǒng) CPU 特點(diǎn)： 一條指令在多個(gè)運(yùn)算器上執(zhí)行 目的： 提高計(jì)算速度 適用性： 適應(yīng)面較窄，主要為 專用 ★ 25 特點(diǎn)： CPU可分可合 分開：相當(dāng)于多臺(tái)主機(jī) 合作：提高計(jì)算速度 (執(zhí)行并行程序 ) 多核？ ★ 八．多處理機(jī)系統(tǒng) cpu cpu cpu cpu 26 網(wǎng)絡(luò)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(gè) 網(wǎng)絡(luò)通信 模塊。 該模塊由以下內(nèi)容組成： 通信接口中斷處理程序； 通信控制程序； 各級(jí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件 ★ 十．網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 5. 網(wǎng)絡(luò) OS擴(kuò)充的功能 (1) 節(jié)點(diǎn)間文件的復(fù)制、遠(yuǎn)程打印、電子郵件 (2) 聯(lián)合文件系統(tǒng) (3) 程序的遠(yuǎn)程執(zhí)行 (如通過(guò) Tel進(jìn)行遠(yuǎn)程登 ) 6. 不足之處 (1) 節(jié)點(diǎn)間相互獨(dú)立 (2) 節(jié)點(diǎn)對(duì)用戶不透明 (CORBA有改進(jìn) ) (3) 要有一個(gè)集中管理的控制節(jié)點(diǎn) ★ 28 操作系統(tǒng)是一個(gè) 大型的 程序系統(tǒng) 負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)的全部軟、硬件資源的管理 即： 資源的調(diào)度和分配 控制和協(xié)調(diào)并發(fā)的活動(dòng) 實(shí)現(xiàn)信息的存取和保護(hù) 問(wèn)題： 操作系統(tǒng)是如何對(duì) 資源 進(jìn)行管理的呢？ ★ 為用戶使用計(jì)算機(jī)提供接口 使用戶獲得一個(gè)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(jī) 主 存 I/O 設(shè)備 軟件 資源 操作系統(tǒng) 功能模塊 處理機(jī) 管 理 存儲(chǔ) 管 理 設(shè)備 管 理 文件 系 統(tǒng) ★ OS的特性及應(yīng)解決的問(wèn)題 一、特性 并發(fā) 共享 不確定性 二、應(yīng)解決的基本問(wèn)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(diào)并發(fā)活動(dòng)的關(guān)系 原因：并發(fā)活動(dòng)也存在直接、間接的制約 多個(gè)獨(dú)立的程序，進(jìn)行合作的要求 ３、保證數(shù)據(jù)的 一致性 保證系統(tǒng)及用戶的程序、數(shù)據(jù)不被破壞 避免 與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤 ４、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取控制 ★ 操作系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)可從三個(gè)方面來(lái)描述 (1)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：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(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)：定義了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中 存在的實(shí)體類型、及調(diào)用方式 操作系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu) 一、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(hù)性 和 性能 的要求 其功能模塊，通常可采用多種方法來(lái)進(jìn)行組織 ★ 缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)不清晰，難于理解 難以 維護(hù)、 及 驗(yàn)證正確性 (因 數(shù)據(jù)的交叉引用 ) ★ 1.