第1章 操作系统基础.docx

第1章 操作系统基础.docx

《第1章 操作系统基础.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章 操作系统基础.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

第1章操作系统基础

第1章操作系统基础

课题：

操作系统基础

课型：

理论课课时：

2课时

教学目的：

1、掌握操作系统的概念；

2、了解操作系统的发展过程；

3、掌握操作系统的五大功能；

4、了解操作系统的分类；

5、了解操作系统的主要性能指标。

重点难点：

1、操作系统的概念；

2、多道与单道的处理过程；

3、冯.诺依曼思想。

教学环境：

1、多媒体教室；

2、一台安装有虚拟机的电脑。

教学方法：

讲授法

教学过程：

操作系统（OperatingSystem，OS）是方便用户、管理和控制计算机软硬件资源的系统软件（或程序集合）。

从用户角度看，操作系统可以看成是对计算机硬件的扩充；从人机交互方式来看，操作系统是用户与机器的接口；从计算机的系统结构看，操作系统是一种层次、模块结构的程序集合，属于有序分层法，是无序模块的有序层次调用。

操作系统在设计方面体现了计算机技术和管理技术的结合。

操作系统在计算机系统中的地位：

操作系统是软件，而且是系统软件。

它在计算机系统中的作用，大致可以从两方面体会：

对内，操作系统管理计算机系统的各种资源，扩充硬件的功能；对外，操作系统提供良好的人机界面，方便用户使用计算机。

它在整个计算机系统中具有承上启下的地位。

一、计算机系统的组成

一个完整的计算机系统，无论大型机、小型机、微型机，都由硬件系统和软件系统组成。

硬件是软件建立与活动的基础，软件是对硬件功能的扩充。

硬件与软件有机地结合在一起，相辅相成，推动计算机技术飞速发展。

计算机系统的组成

（一）硬件系统

冯•诺依曼计算机基本硬件结构

冯•诺依曼思想：

（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件构成。

（2）采用存储程序的方式，将程序和数据放在同一存储器中，参加运算。

（3）采用二进制码表示数据和指令。

（4）指令由操作码和地址码组成。

（5）以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。

。

计算机硬件

●硬件层的对外界面由指令系统组成。

●操作系统及外层软件通过执行指令访问和控制硬件资源。

●指令系统与硬件系统的组织结构密切相关。

●为使操作系统高效运行，硬件系统的组织结构不断改进，同时，指令系统日益变得复杂和庞大。

●现代计算机硬件大都采用以主存为中心的结构，可使CPU和I/O设备并行工作。

CPU和I/O通道通过双端口的主存相互通信、交换信息。

●I/O通道：

专用的I/O处理机，执行指令编写的通道程序，控制外围设备并行工作，使CPU摆脱对外设的控制，充分利用高速的特点集中进行计算。

●I/O通道使各种外设并行工作，提高了整个系统的处理能力和各种资源的利用率。

计算机硬件称为裸机，由于在裸机上运行的程序必须用机器语言编写，给用户使用带来困难，严重降低了工作效率和计算机的利用率。

（二）软件系统

软件系统指计算机系统所使用的各种程序的集合。

广义上讲，软件是指为运行、维护、管理和应用计算机的所有程序和数据的总和。

按照在计算机系统中起的作用和需要的运行环境，计算机软件通常分为系统软件和应用软件。

系统软件：

用于计算机系统控制、管理和维护，为用户使用和其他程序的运行提供服务，包括操作系统、程序设计语言处理程序（汇编程序和编译程序等）、连接装配程序等；

应用软件：

为解决某一方面应用需要或某个特定问题而设计的程序，如财务软件、信息管理系统、游戏软件等，应用范围很广。

随着计算机技术的发展，计算机硬件的功能越来越强，软件资源也日趋丰富。

计算机系统中硬件和软件按层次结构组织

硬件、软件以及应用之间是一种层次结构的关系。

●裸机（硬件）在最里层，外层是操作系统。

●操作系统提供资源管理功能和服务功能，把裸机改造成为功能更强、使用更方便的机器。

●实用程序和应用程序运行在操作系统之上，以操作系统作为支撑环境，向用户提供完成进程所需的各种服务。

操作系统

●裸机上面的第一层软件，最基本的系统软件，对硬件系统功能的首次扩充。

●建立了用户与计算机之间的友好界面。

操作系统密切地依赖于计算机硬件，直接管理系统中各种硬件和软件资源。

操作系统主要部分驻留在主存，称为操作系统内核或核心。

二、操作系统

操作系统（OperatingSystem，OS）是方便用户、管理和控制计算机软硬件资源的系统软件（或程序集合）。

●操作系统核心由五个部分组成：

进程管理、存储管理、设备管理、文件管理和用户接口。

进程管理：

实质上是对处理机执行“时间”的管理，即如何将CPU真正合理地分配给每个任务。

存储管理：

实质是对存储“空间”的管理，主要指对主存的管理；

设备管理：

实质是对硬件设备的管理，其中包括对输入输出设备的分配、启动、完成和回收；

文件管理：

又称为信息管理；

用户接口：

包括任务、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等；

●操作系统的对外界面是系统调用。

●系统实用程序以及各种应用软件通过系统调用访问计算机系统的软、硬件资源。

●系统调用是操作系统软件提供的、能访问系统核心的程序接口。

（一）、操作系统的发展

1、人工操作阶段（无操作系统）

人工直接操作硬件。

A、工作流程

B、缺点

用户独占全机、串行工作、CPU等待人工操作

2、早期的批处理（单道批处理）（出现了监督程序）

A、督程序：

为了能通过程序完成计算机的使用、管理和操作，人们把计算机的输入输出、运行、控制、出错处理等编为程序，即监督程序monitor，并联通用户程序一起装入计算机，通过执行监督程序管理计算机的资源。

监督程序是操作系统的雏形。

B、批处理：

监督程序的工作单位是以作业流形式提供的，批处理即每次装入输入设备的作业是一批，而不是前面所说的一个程序。

C、联机批处理的工作流程

D、特征：

自动性、顺序性、单道性：

批处理系统每次只调用一个作业进入内存并运行。

3、多道批处理

A、基本概念：

在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，它无法充分利用系统中的所有资源，致使系统性能较差。

为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统（MultiprogrammedBatchProcessingSystem）。

在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。

B、工作流程：

C、特点：

多道性：

内存中同时存放多道独立的程序

宏观并行：

同时进入系统的几道程序都处于运行中（先后开始各自的运行，但都未运行完毕）

微观串行：

各道程序轮流使用CPU，交替执行。

（每次处理一个）

4、分时操作系统（Time-sharingsystem）

20世纪60年代中期产生了分时系统，显著提高了系统资源的利用率。

分时系统是现代操作系统发展史上里程碑。

分时技术把处理机的运行时间分成很短的时间片，轮流分配给各联机的作业使用。

分时系统基于主从式多终端的计算机体系结构（如图）。

图分时系统示意图

一台功能很强的主计算机（Mainframe）可以连接多个终端（几十台、上百台终端），提供多个用户同时上机操作。

每个用户通过自己操作的终端，把用户程序送入主计算机，计算机通过终端向各用户反馈程序运行的情况。

主计算机采用时间分片的方式轮流为各终端上的用户服务，及时对用户的服务请求予以响应。

物理上只有一台主计算机，但每个用户都可以得到及时的服务响应，每个用户都感觉是一台计算机专门为他服务。

①分时：

将具有运行能力的资源的时间划分成很小的时间片，按一定规则被分配给需要的程序。

②时间片：

程序一次运行的最小时间单元。

时间片的划分根据系统的总体设计框架来考虑。

例如：

考虑用户的响应时间、系统一次容纳的用户数目、CPU的指令周期时间、中断处理时间、程序运行现场的保护和恢复时间等。

一个时间片内至少应能完成一次输入/输出中断处理和现场保护和恢复，一个程序原子过程（运行期间不可中断的基本过程）的一次执行。

用户要求的响应时间越短，系统一次容纳的用户数越多，时间片越短。

输入／输出设备的时间片划分要考虑设备的使用性质，共享设备时间片的划分与CPU类似。

独享设备没有必要划分时间片，处理方法和批处理系统一样。

③响应时间：

分为用户响应时间和系统响应时间。

系统响应时间：

计算机对用户操作的反应时间。

用户响应时间：

单个用户感受到的系统对其响应时间。

用户眼睛存在视觉暂停现象，只能接受分秒及以上的视觉变化，快的用户响应时间在该范围内即可。

系统响应时间的计算要考虑用户的数目，用户数目越多，响应时间必须越快，否则难以保证每个用户都有可接受的响应时间。

响应时间可以和时间片联合考虑，时间片越短，响应时间越快。

④多用户：

多用户同时使用，用户通过各自终端同时连接到主机，主机分时对用户终端程序作出反应，每个用户都感觉自己在独立地使用计算机，用户的行为不会相互影响。

⑤分时系统的安全性：

为保证系统及各用户程序的安全，系统必须采取一定的安全措施，且能区分不同的用户，分别完成不同用户的进程。

最常见的安全措施是用户登录方式。

用户登录系统时，必须提供用户名和用户密码。

操作系统将从输入端获取的用户名和用户密码与系统库存的用户信息比较，输入正确时才能正常登录，否则被拒绝对系统的使用。

登录后，操作系统将用户按其权限及类型引导到用户可以操作的目录下，以此限定用户的工作区域。

A、分时系统工作过程

●每个用户通过终端发出命令，要求系统完成某项工作；

●系统分析终端发来的命令，执行并将执行结果送给用户；

●用户根据上一条命令的执行结果发出下一条命令。

●不断重复，直到完成用户预定的工作为止。

终端上用户的工作速度相对于计算机而言很慢，系统能在较短（几秒钟）时间内分别响应所有用户的要求。

B、分时的实现方法

硬件系统设立一个中断时钟，每经过一个时间片向CPU发出一次中断。

CPU运行用户程序经过一个时间片时，被中断时钟中断并转向操作系统程序。

操作系统对被中断的用户程序现场做必要的保护后，转向另一道用户程序执行。

操作系统把CPU按时间片依次分配给系统中每个用户程序。

系统中用户程序数目有限，一个用户程序从放弃CPU到下次再转到CPU，只经过不长的一段时间（如2至3秒）。

用户感觉像是一个速度不大快的CPU单独为自己服务。

例如：

选择时间片为50ms，系统中有20个用户程序共享CPU，暂时忽略用户程序之间切换时操作系统的时间开销，每个用户的平均响应时间为50ms×20=1秒。

假定CPU的运算速度为200万次/秒，对一个用户程序来说，等价的CPU速度为200÷20=10万次/秒。

实际系统中，一台主机常需要带几十台甚至上百台终端。

由于大部分终端用户不是一直在运行程序（如编辑源程序等），CPU不是总为这些用户占有。

对用户来说，系统的响应时间和等价的CPU速度往往要优于以上估算。

C、分时系统的主要特征：

①多路性。

若干用户通过各自终端使用同一台主机，系统按分时原则为每个用户服务。

宏观上，多个用户同时工作，共享系统资源；微观上，每个用户作业轮流运行一个时间片。

多路性又称同时性，提高了资源的利用率。

②独立性。

每个用户占一个终端，独立操作，互不干扰，用户感觉到自己独占主机。

③及时性。

用户请求能在短时间内得到响应。

时间间隔以人们能接受的等待时间确定，通常为2～3秒钟。

④交互性。

用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。

广泛性：

用户可以请求系统提供各方面的服务，如文件编辑、数据处理和资源共享等。

5、实时操作系统（Real-timesystem）

20世纪60年代中期出现了实时操作系统，简称实时系统。

实时系统：

具有实时特性，能够支持实时控制系统工作的操作系统。

实时系统能对实时采样数据进行及时（立即）处理，做出相应的响应，主要应用于需要对外部事件进行及时响应并及时处理的领域。

实时系统的重要特征：

对时间的严格限制和要求，首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于计算机系统的使用效率。

系统能及时相应外部事件的请求，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。

（1）实时系统的类型

实时系统可以分为实时控制系统和实时信息系统，

主要区别：

服务对象，对响应时间的要求。

①实时控制系统（过程控制系统）

以计算机为中心的过程控制系统。

●用于生产过程中的自动控制。

包括自动数据采集、生产过程监测、执行机构的自动控制等等。

●用于监测制导性控制。

如武器装备的制导、自动驾驶与跟踪、导弹火箭与航空航天器的发射、钢铁冶炼和钢板轧制的自动控制、化工生产过程的自动控制等。

（2）实时信息系统

通常指实时信息处理系统，可以是主机型多终端的联机系统，也可以是远程在线（Online）式的信息服务系统，还可以是网络互联式的信息系统。

作为信息处理的计算机接收终端用户或远程终端用户发来的服务请求，系统分类进行数据与信息的检索、查找和处理，及时反馈给用户。

实时信息系统的开发与具体应用领域分不开。

例如，航空订票系统、情报检索系统、信息查询系统、股市行情实时信息处理系统等。

（3）实时系统与分时系统的比较

①交互性

分时系统：

随时可供多个用户使用、通用性很强，用户与系统之间具有较强的交互作用或会话能力；

实时系统：

交互能力相对较差。

实时信息处理系统虽然具有交互性，但人与系统之间的交互仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序，不象分时系统能向终端用户提供数据处理服务、资源共享服务等。

②实时性

分时系统：

对响应时间的要求以人们能够接受的等待时间为依据，数量级通常规定为秒；

实时系统：

对响应时间一般有严格限制，以控制过程或信息处理过程能接受的延迟确定，数量级可达毫秒，甚至微秒，事件处理必须在给定时限内完成，否则系统失败。

③可靠性

实时系统对可靠性的要求更高，任何差错都可能带来巨大的经济损失，甚至引发灾难性的政治后果。

实时系统必须采取相应硬件和软件措施，提高系统可靠性。

④多路性

实时信息系统与分时系统一样具有多路性，系统按分时原则为多个终端用户服务；

实时控制系统的多路性主要表现在对多路的现场信息进行采集，对多个对象或多个执行机构进行控制。

⑤独立性

实时信息系统与分时系统一样具有独立性，每个终端用户在向实时系统提出服务请求时，独立操作，互不干扰；

实时控制系统中，信息的采集和对象的控制都是互不干扰。

随着超大规模集成电路和计算机体系结构的发展，操作系统继续发展，形成微机操作系统、多处理器操作系统、嵌入式操作系统、网络操作系统和分布使操作系统。

（二）、操作系统的分类

●分时与实时

分时：

鉴于CPU运转的高速度，把CPU的时间分成很短的时间片（例如，几十至几百毫秒）进行工作。

时间片的大小影响系统的响应时间，并与系统用户的数量、系统时间片的切换速度有关。

实时是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内做出快速反应。

实时系统对交互能力要求不高，但要求可靠性有保障。

●网络操作系统与分布式操作系统

分布式操作系统是网络操作系统的更高级形式，它保持网络系统所拥有的全部功能，同时又有透明性、可靠性、高性能等。

网络操作系统与分布式操作系统虽然都属于管理分布在不同地理位置的计算机，但最大的差别是：

网络操作系统的工作，用户必须知道网址，而分布式系统用户则不必知道计算机的确切地址。

常用操作系统：

1、DOS

Microsoft公司研制的配置在PC的操作系统，单用户命令行界面操作系统，从4.0版开始成为支持多任务的操作系统。

2、Windows

WindowsNT（NT:

NewTechnology）：

WindowsNT3.1（1993）

WindowsNT3.5（1994）

WindowsNT3.51（1995）

WindowsNT4.0（1996）

从5.0开始，WindowsNT简单地称为Windows

Windows2000（WindowsNT5.0）（1999）

WindowsXP（WindowsNT5.1）（2001）

WindowsServer2003（WindowsNT5.2）（2003）

WindowsVista（WindowsNT6.0）（2006）

WindowsServer2008（WindowsNT6.1）（2008）

Windows7（WindowsNT7.0）（2010）（开发中）

A、WindowsServer2003StandardEdition

适用于小型商业环境的网络操作系统。

提供了针对基本文件、打印和共享操作需求的理想解决方

B、WindowsServer2003EnterpriseEdition

适合于中型到大型企业的服务器。

包含了企业基础结构、实务应用程序和电子商务事务的功能。

C、WindowsServer2003DatacenterEdition

面向要求强伸缩性和高可用性的企业，有32位和64位两个版本。

32位版本支持32路SMP（对称多处理器）、64GB内存；64位版本支持64路SMP、512GB内存；为数据库、企业资源规划、高容量实时事务处理和服务器强化操作创建解决方案等，提供了一个扎实的基础。

D、WindowsServer2003WebEdition

是单一用途版本，用于创建和管理Web应用程序、网页和XMLWebServices。

3、Unix

是一个分时操作系统，主要用于“服务器/客户机”体系中

4、Linux

由UNIX发展而来，源代码开放

5、OS/2

为PS/2设计的操作系统，用户可自行定制界面，与Windows有好的兼容性

6、MacOS

用在苹果公司的PowerMacintosh机及Macintosh一族计算机上，较好的图形处理能力，主要用在桌面出版和多媒体应用等领域。

与Windows缺乏较好的兼容性

7、NovellNetware

基于文件服务和目录服务的网络操作系统，用于构建局域网。