计算机操作系统-ppt学习资料.ppt
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1、计算机操作系算机操作系统-PPT-PPT涉及面广(并行程序,性能问题,结构问涉及面广(并行程序,性能问题,结构问题,程序方法论,软件工程,等等)题,程序方法论,软件工程,等等)实践性强(从实践总结出原理)实践性强(从实践总结出原理)错综复杂:纵横交叉错综复杂:纵横交叉 操作系统课程的特点:操作系统课程的特点:教师只指出要点教师只指出要点 要通过自学、研读参考书掌握内容要通过自学、研读参考书掌握内容善于发现问题、提出问题善于发现问题、提出问题 要努力寻求问题的答案要努力寻求问题的答案注意学习方式的变化注意学习方式的变化 操作系统检查字符串的位置是否正确操作系统检查字符串的位置是否正确 操作系统找
2、到字符串被送往的设备操作系统找到字符串被送往的设备,该设备是一个该设备是一个 伪终端伪终端,由一个进程控制由一个进程控制 操作系统将字符串送给该进程操作系统将字符串送给该进程 该进程告诉窗口系统它要显示字符串该进程告诉窗口系统它要显示字符串 窗口系统确定这是一个合法的操作,然后将字符窗口系统确定这是一个合法的操作,然后将字符串转换成像素串转换成像素 窗口系统将像素写入存储映像区窗口系统将像素写入存储映像区 视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器(重画屏幕)示器(重画屏幕),显示器发射电子束显示器发射电子束 用户在屏幕上看到用户在屏幕上看到 he
3、llo world专业专业微观层面微观层面 计算机领域计算机领域综合综合宏观层面宏观层面 技术、经济、政治、技术、经济、政治、二二.为什么学习操作系统为什么学习操作系统?设计操作系统设计操作系统 或者或者 修改现有的系统修改现有的系统 存在人们意识不到的大量存在人们意识不到的大量“操作系统操作系统”嵌入式系统嵌入式系统(Embedded OS)加深对使用的加深对使用的OS的理解,有利于深入编程的理解,有利于深入编程 用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法编程时借鉴操作系统的设计思想和算法 操作系统中的许多概念和技巧可
4、推广操作系统中的许多概念和技巧可推广 到其他领域到其他领域 选择购买操作系统选择购买操作系统 我们并不总使用微软我们并不总使用微软Windows四、操作系统的性能指标四、操作系统的性能指标1.系统的系统的RSA可靠性可靠性(Reliability):用平均无故障时间用平均无故障时间(MTBF)度量度量可维修性可维修性(Serviceability):用平均故障修复时间度量用平均故障修复时间度量可用性可用性(Availability):正常工作的概率正常工作的概率 系统吞吐量系统吞吐量:单位时间完成的作业数单位时间完成的作业数系统响应时间系统响应时间:从输入到回应所需时间从输入到回应所需时间资源
5、利用率资源利用率:资源资源(CPU,内存内存,I/O设备设备)实际使用比例实际使用比例可维护性可维护性:改错、改变功能、扩充功能改错、改变功能、扩充功能可移植性可移植性:将将OS移植到另以机型所需工作量移植到另以机型所需工作量方便用户方便用户:用户界面友好,使用灵活方用户界面友好,使用灵活方习题:习题:p25 1,2课后思考题课后思考题1.谈谈你对操作系统的初步认识谈谈你对操作系统的初步认识2.你对学习操作系统课程有什么样的希望和你对学习操作系统课程有什么样的希望和要求?你打算这样来学习这门课?要求?你打算这样来学习这门课?操作系统是随着计算机硬件技术、操作系统是随着计算机硬件技术、软件技术的
6、发展而发展的。软件技术的发展而发展的。目标:充分地利用资源目标:充分地利用资源 更好的提供服务更好的提供服务1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程真空管计算机时代真空管计算机时代 硬件非常昂贵硬件非常昂贵,人工操作人工操作,没有操作系统没有操作系统1.人工操作方式:人工操作方式:控制台控制台 一个用户一个用户 一次完成一个功能一次完成一个功能 (计算,(计算,I/OI/O,用户操作三者串行),用户操作三者串行)程序通过穿孔机或卡片装入程序通过穿孔机或卡片装入 用户在控制台前调试程序用户在控制台前调试程序1.2.1 无操作系统的操作方式无操作系统的操作方式50年代早期年代早期出现了穿孔卡片
7、出现了穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机程序写在卡片上然后读入计算机缺点:缺点:(1)上机用户独占计算机的全部资源上机用户独占计算机的全部资源,资源利资源利用率低用率低,工作效率非常低。工作效率非常低。(2)CPU 等待人工操作。等待人工操作。(3)每个用户都要自行编写涉及到硬件的源每个用户都要自行编写涉及到硬件的源代码。工作量大代码。工作量大,难度高难度高,易出错。易出错。出现两个矛盾:出现两个矛盾:人机矛盾人机矛盾人低速与机器高速人低速与机器高速 CPU与与I/O设备速度不匹配的矛盾。设备速度不匹配的矛盾。2.脱机脱机I/O方式方式 习题习题 p25 4 为了解决这两个矛盾,为了解决这两
8、个矛盾,50 年代末出现了年代末出现了脱机脱机I/O方式方式,I/O设备由外围机控制。减少了设备由外围机控制。减少了CPU的空闲时间,提高了的空闲时间,提高了 I/O 速度速度外围机外围机外围机外围机主机主机输入设备输入设备输出设备输出设备磁盘磁盘 为了提高资源利用率和为了提高资源利用率和系统吞吐量系统吞吐量一一.单道批处理系统单道批处理系统 用户把程序用户把程序(卡片卡片)交给系统管理员交给系统管理员,他把一批他把一批作业以脱机方式输入到磁带上作业以脱机方式输入到磁带上,常驻监督程序常驻监督程序(Moniter)对这批作业一个接一个连续处理。对这批作业一个接一个连续处理。1.单道批处理系统处
9、理过程:单道批处理系统处理过程:重复进行重复进行 装入程序、运行、打印结果、撤出装入程序、运行、打印结果、撤出1.2.2 批处理批处理 有作业有作业?有错吗有错吗?把作业的源把作业的源程序转换为程序转换为目标程序目标程序装装 配配目标程序目标程序运运 行行目标程序目标程序 开始开始 终止终止 是是 是是 否否 否否单道批处理过程单道批处理过程2.单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征 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 顺序性顺序性:作业顺序进入内存作业顺序进入内存,执行与完成的顺序执行与完成的顺序 和调入的顺序完全相同。和调入的顺序完全相同。单道
10、性单道性:内存中仅有一道程序内存中仅有一道程序,只有该程序完成只有该程序完成 或发生异常时或发生异常时,才调入后继程序进入内存运行。才调入后继程序进入内存运行。一个用户独占全部资源一个用户独占全部资源CPU负责计算,也负责传负责计算,也负责传输输,CPU与外设速度不匹配与外设速度不匹配 CPU与与I/O串行资源利用率仍然很低。串行资源利用率仍然很低。3.单道批处理系统的典型代表单道批处理系统的典型代表FMS(FORTRAN Monitor System,FORTRAN监控系统监控系统)IBMSYS(IBM为为7094机配备的操作系统)机配备的操作系统)这些操作系统由监控程序,特权指令,存储保护
11、和简单这些操作系统由监控程序,特权指令,存储保护和简单的批处理构成的批处理构成卡片卡片早期批处理系统早期批处理系统IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带输入磁带磁带机磁带机卡卡片片阅阅读读机机输出磁带输出磁带打打印印机机基本控制卡片基本控制卡片是现代作业控制语言和命令解释器的先驱是现代作业控制语言和命令解释器的先驱在在IBM 7094机上机上,若当前作业因等待若当前作业因等待I/O而暂停,而暂停,CUPCUP只能踏步直至该只能踏步直至该I/O完成。完成。对于对于CPUCPU操作密集的科学计算问题操作密集的科学计算问题,浪费时间少。浪费时间少。对于商业数据处理对于商业数据处理,I/O
12、等待时间常占等待时间常占80-90。解决办法解决办法 多道程序设计技术多道程序设计技术(multiprogramming)将内存分几个部分将内存分几个部分,每部分放不同的作业。每部分放不同的作业。当一个作业等待当一个作业等待I/O时时,另一个作业可以使用另一个作业可以使用CPUCPU。注意:注意:在主存中同时驻留多个作业需要进行保护在主存中同时驻留多个作业需要进行保护,以避免信息被窃取或攻击。以避免信息被窃取或攻击。二二.多道批处理系统多道批处理系统1.多道程序设计多道程序设计 在磁盘上多个作业等待运行排成在磁盘上多个作业等待运行排成“后备队列后备队列”。多道程序多道程序 内存中同时有内存中同
13、时有多个作业多个作业多个作业多个作业。-选择选择(调度调度)若干作业装入内存若干作业装入内存(存储管理存储管理)。-运行的作业遇到运行的作业遇到I/O请求时请求时,切换切换(调度调度)至内至内 存中的另一个作业并运行之。存中的另一个作业并运行之。增加增加:存储管理重定位保护存储管理重定位保护,并发程序设计技术。并发程序设计技术。采用缓冲采用缓冲,DMA,中断处理中断处理 多道程序共享资源多道程序共享资源,提高提高CPU、内存和、内存和I/O设备的设备的利用率。增加系统吞吐量。利用率。增加系统吞吐量。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请求请求启动启动I/OI/O完成
14、完成I/O请求请求多道: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请求请求A:I/OB:I/O请求请求B:I/OC:I/OA:完成完成tt2.多道批处理系统的多道批处理系统的特征特征1)多道性多道性:内存同时驻留多道程序允许并发执内存同时驻留多道程序允许并发执行。行。2)无序性无序性:作业完成顺序与进入内存顺序五严作业完成顺序与进入内存顺序五严格对应关系。格对应关系。3)调度性调度性:作业从提交到完成经两步调度。作业从提交到完成经两步调度。作业调度、进程调度。作业调度、进程调度。3.多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点优点优点:多道程序多道程序共享资源共享资源,CP
15、U、内存和、内存和I/O设备的利设备的利用率高。用率高。系统吞吐量大系统吞吐量大,资源保持忙资源保持忙,系统开销小。系统开销小。缺点缺点:作业平均周转时间长作业平均周转时间长,无交互能力。无交互能力。4.多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统需要解决的问题处理机管理、内存管理、处理机管理、内存管理、I/O设备管理设备管理文件管理、作业管理文件管理、作业管理5.据此定义:据此定义:操作系统是一组能够高效地控制和管理操作系统是一组能够高效地控制和管理计算机硬件和软件资源、公平合理地对各类作业进计算机硬件和软件资源、公平合理地对各类作业进行调度、以及方便用户使用计算机的程序集合。行调度、以及方便
16、用户使用计算机的程序集合。6.采用采用 Spooling 技术技术 Simultaneous Peripheral Operation On Line (同时的外围设备联机操作同时的外围设备联机操作-假脱机技术假脱机技术)利用磁盘作缓冲,将输入、计算、输出分别组织利用磁盘作缓冲,将输入、计算、输出分别组织成独立的任务流,使成独立的任务流,使I/O和计算真正并行。和计算真正并行。1961年年,英国曼彻斯特大学英国曼彻斯特大学,Atalas机上实现。机上实现。作业作业(包括数据包括数据)从卡片读入到磁盘上的输入井从卡片读入到磁盘上的输入井 按某种调度策略选择作业调入内存按某种调度策略选择作业调入内
17、存,运行时遇到输运行时遇到输入数据时从输入井读入。入数据时从输入井读入。运行遇到输出时运行遇到输出时,先将结果输出到磁盘上的输出井。先将结果输出到磁盘上的输出井。到作业结束时再从磁盘输出到输出设备上。到作业结束时再从磁盘输出到输出设备上。2.多道批处理系统的典型代表多道批处理系统的典型代表 1964 年年IBM 宣布推出宣布推出System/360计算机系统,是第计算机系统,是第一个采用小规模集成电路的主流机型。一个采用小规模集成电路的主流机型。IBM System/360的问题的问题 存储管理有基地址寄存器寻址方式存储管理有基地址寄存器寻址方式,程序可以访问和程序可以访问和修改基地址寄存器修
18、改基地址寄存器,但程序被钉死在调入内存时的物理但程序被钉死在调入内存时的物理地址上地址上,不进行动态再分配。不进行动态再分配。CPU访问的是绝对地址。访问的是绝对地址。数千程序员写的数百万行汇编代码数千程序员写的数百万行汇编代码,系统占了大量存储系统占了大量存储空间和一半的空间和一半的CPU时间时间,成为庞大的软件怪兽。成为庞大的软件怪兽。数百万行汇编代码中有成千上万处错误。数百万行汇编代码中有成千上万处错误。IBM不断发行新的版本试图更正这些错误不断发行新的版本试图更正这些错误,新版本在更新版本在更正老错误的同时又引入新错误。正老错误的同时又引入新错误。随着时间的流逝随着时间的流逝,错误的数
19、量大致保持不变。错误的数量大致保持不变。硬件速度更快,人力较以前昂贵硬件速度更快,人力较以前昂贵1.1.分时系统的产生分时系统的产生用户需要用户需要1)1)交互交互:所有用户看似独占全机所有用户看似独占全机,都能直接修改错都能直接修改错 误误,及时进行及时进行人人-机交互。机交互。2)2)共享共享:多个用户用便宜终端多个用户用便宜终端,共享一台计算机。共享一台计算机。3)3)方便方便:用户对自己的作业进行控制用户对自己的作业进行控制,调试方便。调试方便。分时系统分时系统是是一台主机带多个终端一台主机带多个终端,同时允许多同时允许多个用户用终端个用户用终端,共享一台主机共享一台主机,每个用户都可
20、以每个用户都可以通过终端方便地以交互方式使用主机。通过终端方便地以交互方式使用主机。1.2.3 分时系统分时系统分时系统的思想于分时系统的思想于1959年在麻省理工学院年在麻省理工学院(MIT)提出。提出。每个用户有一个联机终端。每个用户有一个联机终端。分时系统中分时系统中,假设假设20个用户登录个用户登录,其中其中17个在思考或谈个在思考或谈论或喝咖啡论或喝咖啡,则则CPU可给那可给那3个需要的作业轮流服务。个需要的作业轮流服务。调试程序的用户常常只发出简短的命令调试程序的用户常常只发出简短的命令,而很少有长而很少有长的费时命令。的费时命令。所以计算机能够为许多用户提供交互式快速服务所以计算
21、机能够为许多用户提供交互式快速服务,同同时在时在CPU空闲时还能在后台运行大作业。空闲时还能在后台运行大作业。1961年年,第一个分时系统由第一个分时系统由 MIT的的Fernando Corbato 等在一改装的等在一改装的IBM 7090/94机上开发成功机上开发成功,当时有当时有32个个交互式用户。交互式用户。2.关键问题和实现方法关键问题和实现方法1)及时接受及时接受:系统配置多路卡系统配置多路卡,与各终端连结与各终端连结,每个终端配置一个缓冲区每个终端配置一个缓冲区,暂存接受各用户暂存接受各用户键入的命令和数据。键入的命令和数据。2)及时处理及时处理(及时响应及时响应):每个用户键入
22、命令后每个用户键入命令后,能控制自己作业的运行能控制自己作业的运行,并及时得到处理。并及时得到处理。各作业都必须在内存各作业都必须在内存,在响应周期内都能得在响应周期内都能得到执行。方法是到执行。方法是,将响应周期分为很短的时将响应周期分为很短的时间片间片,每个作业占一个时间片轮流执行。不每个作业占一个时间片轮流执行。不允许某个作业长期占用处理机。允许某个作业长期占用处理机。解决解决 需要抢占式调度以保持适当的响应时间需要抢占式调度以保持适当的响应时间 避免抖动避免抖动(程序在内存中过于频繁的对换程序在内存中过于频繁的对换)需要提供适用的安全检测需要提供适用的安全检测 与多道批处理相结合与多道
23、批处理相结合,具有具有“前台前台”和和“后后台台”3.带来的问题带来的问题及时处理及时处理,响应时间响应时间(周期周期)问题问题相互之间的影响相互之间的影响终端上人操作运算量变化太大终端上人操作运算量变化太大,有时空闲。有时空闲。具有具有“前台前台”和和“后台后台”的多道分时系的多道分时系统统 内存中同时存放多道作业内存中同时存放多道作业,道数和位置都道数和位置都不固定不固定,某些道为某些道为“前台区前台区”存放按时间片调存放按时间片调度的前台作业流度的前台作业流,其余道为其余道为“后台区后台区”存放批存放批处理作业流。处理作业流。前台优先前台优先,只有当前台调进调出或前台无只有当前台调进调出
24、或前台无可运行的作业时才运行后台作业。可运行的作业时才运行后台作业。既有分时系统既有分时系统多台终端共享主机交互性好多台终端共享主机交互性好,又有多道批处理又有多道批处理系统资源利用率高系统资源利用率高的优点。的优点。4.分时系统的特点分时系统的特点1)多路性多路性:一台主机同时联接多个终端一台主机同时联接多个终端,系统按系统按分时的原则为每个用户服务分时的原则为每个用户服务,共享资源。共享资源。2)独立性独立性:用户各占一个终端用户各占一个终端,感觉像独占主机感觉像独占主机3)及时性及时性:用户请求能在容许的响应周期内及时用户请求能在容许的响应周期内及时获得响应获得响应,响应周期通常在响应周
25、期通常在3秒以内。秒以内。4)交互性交互性:用户通过终端与系统进行广泛的人机用户通过终端与系统进行广泛的人机对话对话,以请求系统提供多方面的服务。以请求系统提供多方面的服务。3.单道批处理系统的典型代表单道批处理系统的典型代表1)MULTICS的灾难的灾难 1965年在年在ARPA的支持下的支持下MIT、贝尔实验室和通用电、贝尔实验室和通用电气公司决定开发一种气公司决定开发一种“公用计算服务系统公用计算服务系统”,希望能同希望能同时支持整个波士顿所有的分时用户。系统称时支持整个波士顿所有的分时用户。系统称 MULTICS(MULTiplexed Information and Computin
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