计算机系统与系统软件主讲老师：叶娟1第一章 绪论1、计算机系统结构2、操作系统的定义及功能3、操作系统的发展历史4、操作系统的几种观点不同角度5、流行操作系统21、计算机系统结构1.1五大部件中央处理器（控制器和运算器）存储器（主存和外存）I/O装置（输入装置和输出装置）五大部件通过总线（地址总线、数 据总线、控制总线）连接。3计算机系统结构1.2 系统结构与操作系统的关系操作系统负责管理计算机系统的硬、 软资源和工作流程。4计算机系统结构操作系统与硬件软件的关系52、操作系统的定义及功能操作系统的定义 操作系统的功能6操作系统的定义 操作系统是计算机系统中一个系统软件 ，它是这样一些程序模块的集合它们 管理和控制计算机系统中的硬件及软件 资源，合理地组织计算机工作流程，以 便有效地利用这些资源为用户提供一个 功能强、使用方便的工作环境，从而在 计算机与其用户之间起到接口的作用。7操作系统的功能处理机管理存贮管理设备管理文件系统用户接口8处理机管理提高系统资源的利用率和方便用户使用。单道作业（单用户） 管理简单多道 分配调度策略、分配实施和资源回收不同性质功能的操作系统主要是处理机管理策略 的不同，即其提供的作业处理方式不同。9存贮管理主要工作是对内部存储器进行分配、保护和扩充 。 a.内存分配和存储无关性 b.存贮保护硬件实现每个用户程序只能访问它自己的存贮空间，而不能存取 任何其它范围内的信息，以防主存中共存的几道程序 中的任一道程序干扰、破坏其它用户程序或系统程序 。 c.存贮扩充软件实现当用户作业所需要的内存量超过计算机系统所提供的内 存容量时，把内存和外存结合起来管理，为用户提供 一个容量比实际内存大得多的虚拟存贮器，用户使用 这个虚拟存贮器和使用内存一样方便。 10设备管理任务：根据一定的分配策略，把通道、控制器和 输入/输出设备分配给请求输入/输出操作的程 序，并启动设备完成实际的输入/输出操作。设备管理是操作系统中最、琐碎的部分，原因：a.设备品种繁多、用法各异。b.各外设能与主机并行工作，有的设备可被多 个程序所共享。c.主机与外设、各外设之间速度极不匹配。11设备管理设备管理的工作： a.设备无关性（逻辑名，物理名） 用户程序中或在资源申请命令中使用设备的逻辑 名，使申请和使用的设备与实际操作设备无关 。 b.设备分配 独享，共享，虚拟技术。（尽可能发挥设备和主 机的并行能力） c.设备的传输控制 启动设备，中断处理，结束处理。12文件系统（软件资源管理）a.管理已保存的大量文件，使之不引起混 乱。 b.信息的共享、保密、保护，使系统安全 可靠。13用户接口操作系统提供使用计算机方便灵活的手段，即提供一个 友好的用户接口。 两级接口：a.程序一级接口，提供一组广义指令（系统调用，程序请求）供用 户程序和其它系统程序调用。当这些程序要求进行为数据传输、 文件操作或其他资源要求时，通过这些广义指令向操作系统提出 申请，并由操作系统代为完成。 b.作业一级接口，提供一组控制操作命令（或称作业控制语言，或象 UNIX中的shell命令语言）供用户去组织和控制自己作业的运行， 作业控制方式典型地分脱机控制和联机控制两大类。操作系统提 供脱机控制作业控制语言和联机控制作业语言。143、操作系统的发展历史芯片的发展计算机的发展操作系统的发展15芯片的发展194650年代末 第一代：电子管无操作系统（手工操作） 50年代末60年代中期 第二代：晶体管批处理系统 60年代中期70年代中期 第三代：集成电路时代多道程序设计系统 70年代中期至今 第四代：大规模和超大规模集成电路分时操作系统16计算机的发展巨型微型并行分布网络化智能化17操作系统的发展无操作系统 实时操作系统批处理系统 网络操作系统多道程序系统 分布式操作系统分时操作系统 嵌入式操作系统18无操作系统（手工操作）特点：无软件，用机器语言编制程序，用户既是 程序员又是操作员。 流程：纸带（卡片）装上 输入机送入 计算机 启动 运 行输出 打印 缺点：计算机由电子管时代进入晶体管时代， 硬件性能（运行速度）大大提高，形成了计算 机高速度与手工操作慢速度的矛盾人机矛盾 。 改善途径：摆脱手工操作，实现作业的自动过渡 成批处理。19批处理联机批处理（On-line）脱机批处理（Off-line）执行系统20联机批处理（On-line） 联机工作方式：让操作员（用户）通过控制台 （终端）直接操作、控制自己程序的运行。 基本思想：操作员把用户提交的作业分类，把 一批中的作业编成一个作业执行序列，每一批 作业有专门编制的监督程序（Mornitor）自动 依次处理；并且每批作业有一个和正文分开的 作业说明书，提供用户标识、用户想使用的编 译程序以及所需要的系统资源等基本信息；每 个作业还包含一个程序和一些原始数据，以及 一个作业的终止信息。21联机批处理 流程：读卡机读卡辅存解释说明记录调入内存输入编译程序翻译 目标代码连接装配程序装配可执行程序启动执行 优点：解决了作业自动转接，从而减少作业建 立和人工操作时间，提高了计算机的使用效率 。 缺点：工作方式是串行方式，高速CPU在输入/ 输出时处于等待状态。（CPU速度高于I/O设备 速度）22脱机批处理（Off-line） 特征：增加一台不与主机直接相连而专 门用于与I/O设备打交道的卫星机。读卡机 输入带打印机 卫星机输出带 主机23脱机批处理 优点：改善CPU与I/O设备之间的矛盾 缺点：磁带需人工拆装，既麻烦又容易出错；系统没有任何保护措施a.若目标程序执行一条停机的非法指令时， 机器酒会错误的运行，需人工干预。b.若一个程序进入死循环，只有操作员干预 才能使系统恢复正常运行。c.无法防止用户程序破坏监督程序和系统程 序。 途径：通道、中断技术 24执行系统 通道：是一种专用处理部件，它能控制 一台或多台外设工作，负责外设与主存 之间的信息传输。 中断：当主机接到外界硬件（如I/O设备 ）发来的信号时，马上停止原来的工作 ，转去处理这一事件，在处理完以后， 主机又回到原来的工作点继续工作。25执行系统在发生中断时，监督程序不仅要负责作业运行的 自动调度，而且还要提供输入输出控制功能， 它常驻内存，称为执行系统。 优点： 节省了卫星机，降低了成本，而且同样能支持 主机和通道、主机和外设的并行操作。 用户程序的I/O工作是委托给系统实现的，由 系统检查其命令的合法性，提高了系统的安全 性，可避免由于不合法的输入输出命令造成对 系统的威胁。 不足：始终是单道程序。26多道程序系统多道程序设计技术：在计算机内存中同时存放几 道相互独立的程序，使它们在管理程序控制下 ，相互穿插的运行。（多道程序在单处理机上 逻辑上并发执行。） 特点： 多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。 宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过 程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完 毕。 微观上串行：内存中的多道程序轮流地或分时地占有 处理机，交替执行。27多道程序系统任一设备在每一时刻最多只能有一 个程序占用，任何程序在每一时刻最多 只能占用一个设备。28多道程序系统例：系统中有A、B两道作业，它们要完成的任 务分别是：作业A先计算50ms，输入60ms，最后计算70ms ；作业B先计算50ms，打印输出60ms，最后计算 50ms。试比较两道作业在单道程序系统和多道程序系 统中运行情况，并给出在两种情况下CPU的利 用率。29多道程序系统单道程序系统中的运行情况30多道程序系统多道程序系统中的运行情况31多道程序系统比较单道与多道运行情况： 1、A运行完毕的周期内（180ms）CPU的 利用率： 单道（50+70）/180=2/3多道 170/180 2、总运行时间：单道 340多道 23032多道程序系统多道程序系统虽然提高了系统的利用率， 但要解决的技术问题是： 避免发生死锁33多道程序系统批量操作系统：在批处理系统中采用多道 程序设计技术。 优点：缩短作业之间的交接时间，减 少处理机的空闲等待，提高效率。 缺点：响应时间（用户向系统提交作 业到获得系统的处理信息这一段时间） 长，不利及时控制。34多道程序系统练习设一计算机系统有输入机一台、打印机两台，现有两 道程序同时投入运行，且程序A先开始运行，程序B后 运行。程序A的运行轨迹为：计算50ms，打印信息 100ms，再计算50ms，打印信息100ms，结束。程序B 运行的轨迹为：计算50ms，输入数据80ms，再计算 100ms，结束。要求： （1）用图画出这两道程序并发执行时的工作情况。 （2）说明在两道程序运行时，CPU有无空闲等待？若有 ，在哪段时间内等待？为什么会空闲等待？ （3）程序A、B运行时有无等待现象？在什么时候会发 生等待现象？35分时系统产生原因：用户希望能够联机工作方式进行人机 会话。 分时技术：把处理机时间划分成很短的时间片 （如几万毫秒）轮流地分配给各个联机作业使 用，如果某个作业在给它的时间片用完之前计 算还未完成，该作业就暂时中断，等待下一轮 继续计算，此时处理机让给另一作业使用，因 此，每个用户的要求都能得到快速响应，好象 独占一台计算机。36分时系统现有A、B两个作业，假定CPU时间片大小 为10ms，则A、B分时的轮流占用CPU。37分时系统 分时操作系统：是一个联机（On-line）的多用 户（ Multi-user）交互式（Interactive）的操作 系统。UNIX是最流行的一种多用户分时操作系统。特点： 交互性； 多用户同时性； 独占性。38实时系统早期计算机基本上用于科学和工程问题的数 值计算，后期开始用于生产过程的控制，形成 实时系统。 实时：对于外来信息能够以足快的速度进行处理 ，并在被控对象允许的时间范围内作出快速反 应。 实时操作系统：对外部输入的信息，能够在规定 的时间内处理完毕并作出反应。它对响应时间 的要求比分时系统高。39实时系统特点： 对外部实时信号必须能及时响应。 要求有高可靠性和安全性，系统效率放在其次 。 系统的整体性强，要求所管理的联机设备和资 源，必须按一定的时间关系和逻辑关系协调工 作。 没有分时系统那样强的会话功能，不能修改， 只能询问和执行。40网络操作系统计算机网络：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连起来，实现信息交换、资源 共享、可互操作和协作处理的系统。 特点：多个处理部件；自治；通信。 缺点：不能支持透明的资源存取，必须显性的表示主机位置 及有关存取路径等信息。 不能对网上资源进行有效统一的管理，希望全局资源 分配，动态负责平衡，容错强。 不能支持合作计算。41分布式操作系统 集中式计算机系统：处理和控制集中在 一台计算机上。 分布式计算机系统：由多台分散的计算 机，经互连往连接而成的系统。每台计 算机既高度自治，又互相协同，能在系 统范围内实现资源管理、任务分配，能 并行的运行分布式程序。42分布式操作系统用于管理分布式计算机系统的操作系统为 分布式操作系统。43嵌入式操作系统 计算机硬件隐藏到各种应用程序中。 特点：微型化可定制实时性可靠性易移植性 444、操作系统的几种观点不同角度1、操作系统是计算机资源的管理者 处理机、存储、设备、文件管理：资源情况记录、资源分配策略、资源分配和 资源回收。 2、用户界面的观点 对于用户