第一讲操作系统概论

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第一讲操作系统概论

（4）计算机系统的效率与安全问题
1.14
1. 与硬件相关：
实现对存储器物理地址的访问，对设备接口寄存器和设备接口缓冲区的读写等 • 实现该工作的过程代码和硬件因素密切相关，即需要设置与测试、使用物理地址、设备接口寄存器等等
• 硬件相关必然复杂繁琐、代码量大
• 硬件相关的工作，其实现代码不通用
4. 计算机体系结构的不断发展
例如：计算机由单处理机系统发展为多处理机系统、计算机网络，OS也由单处理机OS 发展为多处理机OS、网络OS。
1.25
操作系统的性能指标
1. 系统的RSA 可靠性(Reliability):用平均无故障时间(MTBF)度量可维修性(Serviceability):用平均故障修复时间度量可用性 (Availability):正常工作的概率 2. 系统吞吐量: 单位时间完成的作业数 3. 系统响应时间: 从输入到回应所需时间 4. 资源利用率:资源(CPU,内存,I/O设备)实际使用比例 5. 可维护性: 改错、改变功能、扩充功能 6. 可移植性: 将OS移植到另一机型所需工作量 7. 方便用户: 用户界面友好，使用灵活方便
1. 2. 3. 4.
进程控制进程调度进程同步进程通信
存储管理
为方便用户使用存储器,提高主存的利用率.
1. 2. 3. 4.
地址重定位存储分配存储保护存储扩充
1.34
1.3 操作系统的功能和主要特征(Cont.) 功能：
设备管理
1. 缓冲管理 2. 设备分配 3. 设备处理
4. 设备独立性和虚拟设备
1.23
•是程序和数据的集合，是一种软件（系统软件） •是控制、管理计算机系统中所有软硬件资源的资源管理器 •是为用户使用计算机提供方便的虚拟机

操作系统课件第1章操作系统概论

1.1.1 操作系统的地位和作用
1.地位 ➢ 计算机系统由硬件和软件组成 ➢ 操作系统在硬件基础上的第一层软件 ➢ 是其他软件和硬件之间的接口
OS
操作系统和软硬件的层次关系图
应用软件设计者
各种应用软件编译软件等操作系统
裸机
系统软件设计者操作系统设计者
OS
1.1.1 操作系统的地位和作用
2.作用 ➢ 从一般用户的观点
第一章操作系统概论
➢1.1 操作系统概念 ➢1.2 操作系统的形成和发展 ➢1.3 操作系统的分类 ➢1.4 操作系统的结构设计 ➢1.5 Linux操作系统简介
1.1 操作系统概念
➢ 1.1.1 操作系统的地位和作用 ➢ 1.1.2 操作系统的定义 ➢ 1.1.3 操作系统的功能 ➢ 1.1.4 操作系统的特性 ➢ 1.1.5 操作系统的性能
软件范筹，开放性接口都已作为一种明确的或实际的行业标准广泛应用在公开 OS 发行的文档中。
1.1 操作系统概念
➢ 1.1.1 操作系统的地位和作用 ➢ 1.1.2 操作系统的定义 ➢ 1.1.3 操作系统的功能 ➢ 1.1.4 操作系统的特性 ➢ 1.1.5 操作系统的性能
1.1.2 操作系统的定义
1.1.3 操作系统的功能（续）
5.网络管理
网络管理的主要功能包括：（1）网上资源管理功能。计算机网络的主要目的之一是共享资源，网络操作系统应实现网上资源的共享，管理用户对资源的访问，保证信息资源的安全性和完整性。（2）数据通信管理功能。计算机联网后，结点之间可以互相传送数据，按照通信协议的规定，完成网络上计算机之间的信息传送。（3）网络管理功能。包括：故障管理、安全管理、性能管理、配置管理等。

操作系统概论精品PPT课件

(3) 当I/O操作完成(或出错)时，通道以中断方式中断 CPU正在执行的程序，请求CPU的处理
多道程序设计原理
第一章操作系统概论
图 1.4 多道程序运行概念图
①
作业程序A
③ I/O请求 ② 读/写数据 ⑦
主存缓冲区 ④
数据通道
磁带
作业程序B ⑥
⑤ I/O结束中断
主存
第一章操作系统概论
B程序的执行顺序是：在设备DEV2上执行10秒、在CPU 上执行10秒、在设备DEV1上执行5秒、在CPU上执行5秒、在设备DEV2上执行10秒，共需要40秒时间。
计算在顺序环境下，CPU、设备DEV1和DEV2的利用率分别是多少？在并发环境下， CPU、设备 DEV1和DEV2的利用率分别是多少？
的程序，它们二者相互依赖、相互促进、共同发展。
裸机（硬件）是僵尸，软件是幽灵.
第一章操作系统概论
1.1 什么是操作系统
三、在计算机系统中必须配备操作系统的目标
方便用户提高计算机系统资源的使用效率
1.1 什么是操作系统
第一章操作系统概论
操作系统是控制和管理计算机系统的硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程及方便用户使用的程序和数据的集合。
第一章操作系统概论
1.1 什么是操作系统 1.2 多道程序设计的概念 1.3 操作系统的功能和主要特征 1.4 操作系统的结构 1.5 操作系统的分类
1.1 什么是操作系统
一、计算机系统组成
第一章操作系统概论
中央处理机（CPU）
内存
I/O设备（键盘、显示器、打字机、鼠标）
外部设备
存储设备（硬盘、软盘、光盘、磁带）

第1章第1讲.操作系统概论

2
操作系统的名称
• 监控（督）程序（系统）（Monitor) • 执行系统（程序）(Executive System (Program)) • 控制系统（程序）(Control System Program)) • 管理程序(Supervisor, Supervisory System) • 核心程序(Kernel) • 操作系统(Operating System)
a.由有几部分组成 b.每个部分的功能 c.部分之间的关系
– 外在特性：操作命令定义集和它的接口
22
研究操作系统的观点-资源管理的观点
• 操作系统---资源管理者
– 硬件资源： – 软件资源：
• CPU,内存, • 外部设备(I/O设备，外存，时钟等) • 硬盘上的文件,信息
• 管理资源目的:实现资源共享,提供资源利用率
– 向使用计算机的用户提供相应接口，使得用户能灵活、方便有效地使用计算机
• 系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口GUI）
13
操作系统的作用(三)
• OS是扩展机(extended machine)/虚拟机 (virtual machine)
– 在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对CPU） – 另外，为合理组织工作流程：作业管理、进程管理
计算机系统的组成
5
操作系统的地位
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
操作系统的地位：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） 6
操作系统开发人员
引入操作系统的目标
• 有效性（系统管理人员的观点） – 管理和分配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工作流程 • 方便性（用户的观点） – 提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别 • 可扩充性（开放的观点） – 硬件的类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间的资源共享和互操作

第六章计算机操作系统原理

共享性（Sharing）
系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。可分为两种资源共享方式： • 互斥共享方式
– 互斥就是排他性：在一段时间内只允许一个进程访问该资源，这个资源称为临界资源（独占资源）。
• 同时访问方式
– 宏观上“同时”：允许在一段时间内由多过进程同时对资源进行访问。 – 微观上“轮流”（交替访问）：对该资源进行访问。
3. 分布式操作系统
分布式处理系统是指由多个分散的处理单元经互联网络的连接而形成的系统。是网络操作系统的更高级的形式, 它保持了网络操作系统的全部功能
网络和分布式的区别:
(1) 分布具有各个计算机间相互通讯, 无主从关系;网络有主从关系 (2) 分布式系统资源为所有用户共享; 而网络有限制的共享 (3) 分布式系统中若干个计算机可相互协作共同完成一项任务
最基本的系统进程
这些进程是系统运行的基本条件，有了这些进程，系统才能正常运行。 • • • smss.exe 该进程调用对话管理子系统，负责启动用户会话。 csrss.exe 子系统服务器进程 winlogon.exe 管理用户登录
•
• • • •
services.exe 包含很多系统服务
lsass.exe 管理IP安全策略以及IP安全驱动程序。(系统服务)
进程通信：对于相互合作的进程，在它们运行时，相互之间往往要交换一定的信息，这种进程间所进行的信息交换称为进程通信。进程调度：当一个正在执行的进程已经完成，或因某事件而无法继续执行时，系统应进行进程调度，重新分配处理机。进程调度是指按一定算法，如最高优先算法，从进程就绪队列中选出一进程，把处理机分配给它，为该进程设置运行现场，并使之投入运行。

第1章操作系统概论

(2)提供用户与计算机系统的接口。操作系统提供了两种用户接口: • 作业级接口向用户提供作业控制语言和操作命令。 • 程序级接口：提供一组系统调用，又称广义指令。用户程序通过接口向操作系统提出资源申请，由操作系统为其服务。
§3 操作系统的分类
一．批处理操作系统对多个用户的作业进行成批处理的系统。设计目标是提高系统资源的使用率和作业吞吐量。
为了减少人为干预，提高计算机的利用效率，把需要机器运行的若干程序按一定顺序组织在一起成为一道作业，把它成批地交给计算机，让计算机自动地、按顺序逐个运行程序。采用这种批量处理运行程序的操作系统就称为批处理操作系统。
1．单道批处理系统处理机和所有的系统资源仅为一道作业服务。解决了人工干预对机器运行效率的影响。
• 通用操作系统
• 网络操作系统 • 分布式操作系统
提供给上层两种接口：操作接口和编程接口。用户可以通过操作接口方便地使用计算机。编程接口是一系列的系统调用，其它程序可以使用该接口使操作系统为其服务，使用硬件资源和软件资源。
3．系统应用软件由一系列的语言处理程序和系统服务程序构成。系统应用层的程序是在操作系统的支持下工作的，它们使用操作系统的系统调用和机器指令编制程序。
二. 操作系统的功能 1．存储管理 (1)存储分配。为系统中运行的多个用户程序分配内存空间，完成相对地址向绝对地址的变换。 (2)存储安全和保护。保护内存区域不被非法访问。
(3)存储共享。用户程序共同使用内存中的某些程序或数据。 (4)存储扩充。操作系统通过软件的方法为用户程序提供一个比物理内存空间大得多的存储空间，这就是虚拟存储技术。
2．多道批处理系统处理机与设备并行工作方式，处理机同时运行多道作业，作业轮流交替占用处理机运行。不仅处理机，其它所有的系统资源均由多个作业共享。批处理系统中作业以成批的方式自动运行，所以它适合运行那些经过调试的固定程序。

操作系统ch1.操作系统概论

Computer System Structure
• Computer system can be divided into four components –Hardware – provides basic computing resources • CPU, memory, I/O devices –Operating system • Controls and coordinates use of hardware among various applications and users –Application programs – define the ways in which the system resources are used to solve the computing problems of the users • Word processors, compilers, web browsers, database systems, video games –Users • People, machines, other computers
1.1.2 操作系统的资源管理技术
资源复用
(解决物理资源数量不足 )
资源管理技术
资源虚化
(解决物理资源数量不足，提高服务的能力和水平 )
资源抽象
(处理系统的复杂性，
解决资源的易用性)
1)资源复用
(1)空分复用共享 --该资源可进一步分割成更多和更小的单位供进程使用。
(2)时分复用共享--并不把资源进一步分割成更小的单位，进程可在一个时间段内独占使用整个物理资源。
• Operating system goals:
–Execute user programs and make solving user problems easier

操作系统概论

操作系统
10
1.1.3 操作系统的基本观点
操作系统是在裸机上加载的第一层软件，是对计算机硬件系统功能的首次扩充，它直接控制、管理各种硬件资源。操作系统为用户提供作业控制接口，使用户能够通过终端输入一定命令来控制作业流程。操作系统为应用开发人员提供系统功能调用，提高应用开发效率。统一管理系统资源，使并发进程能够按照一定原则合理共享系统资源，提高资源利用率。
在内存分配过程中会出现内存需求总和超过实际内存空间，因此，制定分配策略时应以提高内存利用率为目标。（2）地址转换：编写程序时使用的是逻辑地址空间，程序调入内存运行时使用的是物理地址空间，为了确保能正确访问数据和指令，必须在程序装入内存时把逻辑地址转换成物理地址，这一操作称为地址转换，也称重定位。
改进办法：减少手工操作，让计算机自动控制用户作业的启动、运行，废除上、下机手工交接。
具体实现：让计算系统一次集中处理一批用户作业，故被称为“批处理系统”，其管理程序就是现今操作系统的雏形。如图1-2所示。
操作系统
8
作业 n 说明书
依次 1,2,…,n
依次 1,2,…,n
图1-2 批处理系统示意图
（3）设备驱动：设备驱动程序实现CPU与设备控制器之间的通信。
操作系统
30
设备管理
（4）设备无关性：设备无关性又称设备独立性。即用户编写的应用程序与实际使用的物理设备无关。
用户编写的应用程序中不直接指定使用哪台具体的物理设备，而是使用操作系统提供的逻辑设备，然后由操作系统把用户程序中使用的逻辑设备映射到具体的物理设备，实施具体的I/O操作。优点：是用户应用进程的运行与某台具体物理设备的状态无关，而由操作系统为其分配一台合适的设备完成I/O操作。这样会避免出现有设备可用但进程却无法运行的情况。

第01课操作系统概论

2
单用户多任务操作系统只允许一个用户上机，但允许将一个用户程序分成若干个任务并发执行。随着32位微机的出现，多任务处理能力和图形用户界面成为微机操作系统的趋势，最具代表性的是 OS/2和Windows操作系统。
3
多用户多任务操作系统允许多个用户共享主机中的各类资源，而每个用户程序又可进一步分为多个任务并发执行。大、中、小型机中配置的都是多用户多任务操作系统， 32位微机也有不少，最具代表性的是UNIX和Linux。 19
23
1.3 操作系统的特征与功能
特征：
并发性、共享性、虚拟性、异步性
功能：
处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户接口
24
1. 处理器管理（进程管理）
处理器管理的主要任务是对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在单道环境下，处理器为一个作业所独占，其管理十分简单。但在多道程序并发环境下，必须引入进程以动态地描述程序的执行过程，并以进程为单位来分配处理器，因而对处理器的管理可归结为对进程的管理。
（1）手工操作阶段（1946年-50年代中期）
输入设备
运算器主机控制器存储器
控制台
输出设备
计算机的手工操作方式
减少了CPU的空闲时间，缓和了人机矛盾提高了I/O速度，缓解了CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾
输入设备外围机运算器主机控制器存储器外围机
磁盘
磁盘
控制台
输出设备
计算机外设
22
嵌入式操作系统
在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统，它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是 “计算机”。通常工作在反应快或对处理时间有较严格要求环境中，由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统。嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用，软硬件可裁减的；适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统应具有的特点是：高可靠性；实时性；嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行；嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高可靠性；一般都固化在只读存储器中而不是存储在磁盘等载体中。

《操作系统概论》PPT课件

精选课件ppt
27
1.5 操作系统的主要研究课题
调度
进程描述和控制
内存管理
并发控制
I/O 管理
安全性
文件管理
网络与分布计算
精选课件ppt
28
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系统子功能
返回返回
(a) 系统调用与返回
(b) 程序之间的嵌套调用
图7-3 系统功能的调用
• 用户态/核态
– 核态可以使用所有资源和所有指令
• 特权指令/非特权指令
– 用户态下不能使用的指令叫特权指令 – 启动各种外部设备、设置系统时钟时间、关中断、清主存、修改存储器管理寄存器、执行停机指令、转换执行状态等
1. 操作系统的结构
• 操作系统的设计方法
单体结构模块化结构可扩展内核结构 – 模块化结构
应用软件
层次结构
– 单体结构
应用软件
其他系统软件
其他系统软件
操作系统
操作系统其他功能内核
操作系统
操作系统其他功能
内核
4
操作系统的结构和硬件支持——操作系统的结构
– 可扩展内核结构
应用软件
– 层次结构
磁盘设备驱动器
微内核 (b) 在微内核中等价操作的上下文切换
图1-11 在传统OS和微内核OS中的上下文切换
• 传统的
– 面条型的 – 层次 – 模块
操作命令：作业控制语言键盘命令图形界面
系统功能调用
操作系统
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接口
• 操作级接口
– 字符界面：命令行 – 图形界面：桌面、图标、窗口
• 共享：是指系统中的资源可以供并发执行的程序共同使用 • 两种方式：
– 互斥 – 同时
• 虚拟技术是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物 • 方法：
– 虚拟设备技术 – 虚存技术 – 虚拟处理器技术
• 异步性指进程是以人们不可预知的速度向前推进
操作系统的结构和硬件支持——操作系统的结构
应用软件
其他系统软件
其他系统软件
操作系统
操作系统其他功能
内核
核心功能
基础核心
操作系统
操作系统其他功能
内核
内核
5
操作系统设计
• 最流行的
– C/S – 微核 – 面向对象技术
客户机应用
OS内核
返回 (a ) 在整体式内核文件操作中的上下文切换
客户机应用
文件服务器
输入命令行
命令合法否？
是内部命令？
从外存调入外部命令执行
D IR 命令处理程序
T ype 命令处理程序
C opy 命令处理程序
D ate 命令处理程序
显示提示符
图7-2 的工作流程
用户程序
系统调用命令调用
系统功能
系统调用命令
系统功能系统调用命令
调用
• • • • •
显示文件命令type：拷贝文件命令copy：文件比较命令comp：重新命名命令Rename：删除文件命令erase：
建立子目录命令mkdir
显示目录命令dir 删除子目录命令rmdir 显示目录结构命令tree 改变当前目录命令chdir
• 输入输出重定向命令 • 管道连接。 • 批命令
• 编程接口
– 系统调用：在用户程序中调用操作系统代码 – 同一般程序中调用自己的代码不同
命令
系统访问类磁盘操作类文件操作类目录操作类通信类其他命令
• Login: • Password:
/提示用户键入自己的注册名 /提示用户键入自己的口令
• 磁盘格式化命令Format • 软盘比较命令Diskcomp • 备份命令Backup
a1
svc i
保护现场；取n值；按n值转移；

Suபைடு நூலகம் 1
┇
A+i ai ┇ am ai
┇
Sub i ┇ Sub m
恢复现场；
23
第一讲概论
• • • • 操作系统的功能操作系统特点操作系统设计操作系统提供给用户的接口
操作系统的功能
• • • • 处理机管理存储器管理设备管理文件管理
操作系统特点
• • • • 并发共享虚拟异步
• 并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生 • 并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
两态转换
中断
系统调用核态返回指令
用户态
中断
• 中断是指计算机在执行程序过程中,当遇到需马上处理的事件时暂停当前正在运行的程序,转去执行有关服务程序,处理完后自动返回原程序
系统调用的实现
访管中断处理程序例行子程序入口地址表 A A+0 A+1 + a0 a1
用户程序
例行子程序 a0 Sub 0

第一讲操作系统概论

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