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操作系统课件第一章绪论


计算机操作系统教程

考核方法
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平时:考勤、作业、提问、实验 所占比率30% 期末考试:卷面100分 所占比率70%

课程主要内容
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第一部分:绪论 第二部分:操作系统用户界面 第三部分:进程管理 第四部分:处理机调度 第五部分:存储管理 第六部分:文件管理 第七部分:设备管理

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教材第一章 教材第二章 教材第三章 教材第四章 教材第五章 教材第八章 教材第九章

研究和观察操作系统
用户角度
操作系统是服务 提供者 操作系统是虚拟 机

系统角度
操作系统是资源 管理者 操作系 统是程 序执 行的控制者

服务用户的观 点

系统实现的观 点

管理资源的观 点

进程交互的观 点

第二章(操作系统 用户界面)

第一章(绪论)

第四章(处理机调度) 第五章(存储管理) 第六章(文件系统) 第七章(设备管理)

第三章(进程管理)

第一章 绪论

主要内容
操作系统概念 ? 操作系统历史 ? 操作系统的基本类型 ? 操作系统功能
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厨师是如何工作的
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厨师从灶台上取得原料,炒菜 当灶台上原料用完时,从冰箱补充到灶台 当冰箱里的原料用完时,从市场购买补充 到冰箱 厨师通过前台服务员与顾客交流 顾客通过菜谱来控制厨师炒菜过程 一个厨师可能同时为多个顾客同时服务

计算机是如何工作的
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CPU——厨师 寄存器、高速缓存——灶台 内存——冰箱 外存——市场 人机界面——前台服务员 程序——菜谱 处理机调度——为多个顾客服务的原则

计算机系统组成
软件 计算机系统 (层次结构) 应用软件 编译、连接装配程序 系统软件

操作系统
硬件及固件(裸机)

计算机系统的组成

操作系统的地位
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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)
应用用户 应用开发人员 应用软件 系统工具 操作系统 计算机硬件 操作系统 开发人员

操作系统位于硬件和用户之间

一方面:向用户提供接口,方便用户使用计算机 另一方面:管理计算机软硬件资源,合理充分利用

操作系统定义
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操作系统是计算机系统中的一个系统 软件,是一些程序模块的集合——它 们能以尽量有效、合理的方式组织和 管理计算机的软硬件资源,合理的组 织计算机的工作流程,控制程序的执 行并向用户提供各种服务功能,使得 用户能够灵活、方便、有效的使用计 算机,使整个计算机系统能高效地运 行,是计算机与用户之间的接口。

主要内容
操作系统概念 ? 操作系统历史 ? 操作系统的基本类型 ? 操作系统功能
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操作系统历史
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计算机元件发展 第一代:电子管时代 第二代:晶体管时代 第三代:集成电路时代 第四代:大规模和超大 规模电路时代

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相应操作系统发展 手工操作(无OS)时代 单道批处理时代 多道批处理时代 分时、实时系统时代 (通用OS,网络OS, 分布式OS)

操作系统的历史——手工操作阶段
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工作方式: 用户:用户既是程序员,又是操作员; 编程语言:为机器语言; 输入输出:纸带或卡片
纸带或卡片 程序和数据 输入机 计算机 计算结果 打印机

用户

操作系统的历史——手工操作阶段

50年代早期出现了穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机

操作系统的历史——手工操作阶段
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计算机的工作特点: 用户独占全机:不出现资源被其他用 户占用,资源利用率低; CPU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;

操作系统的历史——手工操作阶段
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主要矛盾 ? 计算机处理能力的提高与手工操 作的低效率(造成浪费); ? 用户独占全机的所有资源; ? 任何一个步骤出现故障都将导致 该作业需从头开始执行。

操作系统的历史——单道批处理
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单道:每次只调用一个用户作业进入内 存并运行 工作方式: 配备专门的计算机操作员,程序员和 操作员分工合作 操作员把程序员提交的作业分类,每 一批作业由监督程序(monitor)自动依次 处理。

操作系统的历史——单道批处理
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1)联机批处理:慢速I/O设备和 主机直接相连
纸带机 卡片机 … … 打印机 主机

操作系统的历史——单道批处理
2)脱机批处理:增加一台专门用于与 I/O设备相连的卫星机
输入磁带 卫星机 输出磁带 主机

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纸带机 卡片机 … … 打印机

操作系统的历史——多道批处理
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多道:每次调用多个用户作业进入内存 运行
CPU
I/O设备 计算 计算

单道运行:

I/O操作

多道运行:

CPU I/O设备

A计算

B计算

A计算

A的I/O操作 B的I/O操作

操作系统的历史——多道批处理
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特点: ?多道:内存中同时存放几个作业; ? 宏观上并行运行:都处于运行状态, 但都未运行完; ? 微观上串行运行:各作业交替使用 CPU;

操作系统的历史——多道批处理
?单道和多道批处理的比较
单道
内存使用 每次一个作业

多道
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

? 多道程序系统和多重处理系统的比较 ? 多道:多个程序同时在内存中交替运行 ? 多重:多个处理器。

现代操作系统——分时操作系统
允许多个联机用户同时使用一台计算机系统进行计算的操 作系统称分时操作系统 (Time Sharing Operating System)

现代操作系统——分时操作系统
A B C A B C A B

CPU时间
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分时技术: 将处理机的运行时间分成很短的时间片, 按时间片轮流将处理机分配给各联机作业使用, 多个用户分享使用同一台计算机。 分时操作系统的特点: 每个用户都认为自己独占了一台计算机, 可以通过自己终端向系统发出各种命令。 例:UNIX操作系统

现代操作系统——实时操作系统
实时操作系统(Real Time Operating System) 是指系统能及时响应外部事件 的请求,在规定的时间内,完成对该事 件的处理,并控制所有实时任务协调一 致地运行的操作系统。
反应堆 阀门 A 传感装置 B 阀门 C 图 例: 控制信号 测量信号

计算机系统

记录仪

现代操作系统——实时操作系统
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实时系统用于工业控制、军事控制等领域 实时操作系统的特点: 系统必须在允许的时间范围内作出响应, 何时产生结果与产生何种结果同样重要
实时系统工作原理:
传感器 外 设 计 算 机

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执行机构

现代操作系统——实时操作系统
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实时系统的分类: 硬实时系统:响应时间一定不能超过时限. 如工业过程控制、防空系统、导弹寻航系统等 软实时系统:响应时间偶尔可以超过时限. 如情报检索和查询、飞机订票系统、银行信用 卡系统 实时系统的设计: 事件触发:事件发生时触发系统 时间触发:每隔一定时间触发系统 实时操作系统 例:RT-Linux, VxWorks

各种操作系统的比较
系统资源利用率高,吞吐量大 交互性好 在有限时间内快速响应并可靠 适用于程序开发 适用于工业控制、军事控制 适用于科学计算 批处理系统

分时系统 实时系统 分时系统
实时系统 批处理系统

现代操作系统——通用操作系统
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通用操作系统同时兼有多道批处理、分 时、实时处理的功能,或其中两种以上 的功能。 特点:功能齐全,适应范围较广,系统 本身庞大、复杂 例:UNIX操作系统,Windows操作系统

现代操作系统——操作系统的发展
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个人PC操作系统 Linux 嵌入式操作系统 网络操作系统 分布式操作系统 Chorus, DCE 智能化操作系统

例:DOS,Windows,

例:Windows CE 例:Netware 例:Amoeba, Mach,

主要内容
操作系统概念 ? 操作系统历史 ? 操作系统的基本类型 ? 操作系统功能
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操作系统基本类型
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批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统 个人计算机操作系统 网络操作系统 分布式操作系统

操作系统类型——批处理操作系统
一种早期大型机用操作系统,现代操作系统大都 具有此功能
运行 完成

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作业调度 用户 提交 收容 就绪 执行 作业录入 作业调度 等待

操作系统类型——批处理操作系统
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特点: 1)脱机使用:用户提交了作业后就象 脱离了计算机,不必直接控制计算机 2)高效:操作系统可以从输入作业中 选择适当的一批作业运行,达到系统资源 的最大利用率和最大的吞吐能力。多道运 行更为高效。 使用:大型科学计算或事务处理

操作系统类型——分时操作系统
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分时技术:
把计算机的系统资源(尤其是CPU时间)进 行时间上的分割,每个时间段称为一个时间 片(time slice),每个用户依次轮流使用时 间片,使一台计算机为多个终端用户服务。

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分时操作系统一般采用时间片轮转法分 配计算机的CPU
CPU时间
A B C A B C A B

操作系统类型——分时操作系统
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特点: 1)交互性:用户通过终端向主机发出请 求,主机响应结果 2)同时性:宏观上多个用户同时使用计 算机,微观上计算机轮流为每个用户服务 3)独立性:每个用户使用各自终端与计 算机交互,感觉不到其他用户的存在,好 象独立使用计算机 使用:软件开发,运行较小的程序

操作系统类型——实时操作系统
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实时可理解为立即、及时的意思 实时系统需要解决的问题:
1)实时时钟管理:系统日期和时间、定时和 延时等; 2)过载保护:缓冲区排队,丢弃某些任务; (过载是指进入系统的任务数目超出系统的处 理能力) 3)高度可靠性和安全性:容错能力(如故障 自动复位)和冗余备份(双机,关键部件)

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操作系统类型——实时操作系统
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特点: 1)及时性:及时地响应外部请求,并在严格
规定的时间内完成对请求的处理 2)连续的人机对话 3)高可靠性:要求安全可靠,可通过冗余策 略来容错 4)较强的过载保护能力

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使用:工业控制、军事控制

操作系统类型——个人操作系统
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一种联机的交互式的单用户操作系统 特点: 1)个人专用
2)方便友好的用户接口 3)高速数据处理能力 4)实时多任务

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使用:个人多媒体计算机

操作系统类型——网络操作系统
计算机网络:是通过通 信设施将物理上分散 的具有自治功能的多 个计算机系统互联起 来的,实现信息交换、 资源共享和协作处理 的系统。
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网络模式
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Client/Server(C/S) Peer to Peer(P2P)

操作系统类型——网络操作系统
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网络操作系统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。 网络操作系统为网上计算机进行方便而 有效的网络资源共享,提供网络用户所 需各种服务的软件和相关规程的集合。 网络操作系统是运行在松散耦合硬件上 的松散偶合软件

操作系统类型——网络操作系统
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特点: 1)互连在物理上是分散的计算机 2)每台计算机自治,各自具有操作系统, 各自独立工作 3)通过通信设施实现互连 4)实现信息交换、资源共享、互操作、 协作处理

操作系统类型——网络操作系统
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功能:
网络通信功能:通过网络协议进行高效、可靠 的数据传输; 网络资源管理:协调各用户使用; 网络服务:文件和设备共享,信息发布; 网络管理:安全管理、故障管理、性能管理等

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操作系统类型——分布式操作系统
分布式计算机系统由多台分散的计算机经互连网络连接而成, 满足如下条件: ? 系统中任意两台计算机可以通过系统的安全通信机制来 交换信息。 ? 系统中的资源为所有用户共享,用户只要考虑系统中是 否有所需资源,而无需考虑资源在哪台计算机上。 ? 系统中的若干台机器可互相协作完成同一个任务,分布 式系统是一种特殊的计算机网络。 ? 系统中的一个结点出错不影响其它结点运行、即具有较 好的容错性和健壮性。

操作系统类型——分布式操作系统
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分布式系统是以计算机网络为基础的, 它的基本特征是处理上的分布,即功能 和任务的分布。 分布式操作系统的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。 分布式操作系统是运行在松散耦合硬件 上的紧耦合软件

操作系统类型——分布式操作系统
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网络操作系统 已制定通信网络协议 每台计算机有自己的 操作系统 对用户不透明 松散耦合硬件上运行 松散耦合软件 已在现实中广泛应用

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分布式操作系统 无标准协议 系统有一个统一的操 作系统 对用户透明 松散耦合硬件上运行 紧耦合软件 还处于研究阶段

主要内容
操作系统概念 ? 操作系统历史 ? 操作系统的基本类型 ? 操作系统功能
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操作系统的功能
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处理机管理 存储管理 设备管理 信息管理 提供用户接口

操作系统功能
程序
软件资源 资源管理 CPU 硬件资源 内存 外设 方便用户 数据 文件系统管理 处理机管理 内存管理

设备管理
用户接口

操作系统的五大功能

操作系统功能——处理机管理
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组织多个作业同时运行,解决对处理机 分配调度策略(例如FCFS,SJF),分 配实施和资源回收等 1)作业管理:对作业进行调度与控制 2)进程管理:按照某种原则为进程分 配资源

操作系统功能——存储管理
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对内存进行分配、保护和扩充 1)内存分配:保证系统及各用户程序的 存储区互不冲突 2)内存保护:保证各用户进程不会互相 破坏,保证用户程序不会破坏系统程序 3)内存扩充:将内存和外存结合起来管 理,为用户提供一个容量比实际大得多 的虚拟存储器

操作系统功能——设备管理
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对计算机输入输出系统的管理 1)对通道、控制器、I/O设备的分配和 管理。(通道:一个独立于CPU的专管 I/O控制的处理机,控制设备和内存直接 进行数据交换) 2)实现设备独立性。设备管理为用户提 供一个良好的界面,不必涉及具体设备 特性

操作系统功能——信息管理
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也叫文件系统管理,对系统软件资源的 管理 1)有效管理文件的存储空间,合理组织 文件系统的目录,支持对文件的存储、 读写操作。(目录:一个文件的说明信 息) 2)解决文件信息的共享、保护及访问控 制,为用户提供使用计算机方便灵活的 手段

操作系统功能——提供用户接口
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操作系统提供两种方式的接口: 1)程序一级的接口。提供系统调用,供用 户程序和其他系统程序调用。系统调用是 操作系统提供给编程人员的唯一接口。 2)作业一级的接口。提供控制操作系统命 令,供用户去组织和控制作业的运行。

小结
操作系统概念 ? 操作系统历史 ? 操作系统的基本类型 ? 操作系统功能
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