第第1章章 操作系统概论操作系统概论 本章知识点：本章知识点：1.1 操作系统的作用操作系统的作用 1.2 操作系统的演变操作系统的演变 1.3 操作系统的主要成就操作系统的主要成就1.4 操作系统举例操作系统举例(略略)1.5 操作系操作系统的主要研究的主要研究课题1清华计算机操作系统第01章1.1 操作系统的作用操作系统的作用操作系统是计算机用户和计算机硬件之间的接口程序模块，它是计算机系统的核心控制软件，其职能是控制和管理系统内各种资源，有效地组织多道程序的运行，从而为用户提供良好的工作环境，达到使用方便、资源分配合理、安全可靠等目的。操作系统是现有软件系统中最复杂的软件之一。Denning认为，到目前为止，在操作系统的研究开发方面主要取得了进程、内存管理、信息保护与安全、调度与资源管理和系统结构等五项成就。2清华计算机操作系统第01章1.1.1 硬件系统和应用程序间的硬件系统和应用程序间的界面界面 由操作系统定义的软、硬件和数据，给程序员提供了方便的界面，使程序员和应用程序更容易获取和使用计算机系统中的资源、工具和服务。3清华计算机操作系统第01章1.1.1 硬件系统和应用程序间的界面硬件系统和应用程序间的界面OS具有如下功能： 程序创建。 程序执行。 I/O设备的访问。 控制对文件的访问。 系统访问。 查错和纠错。 簿记。4清华计算机操作系统第01章1.1.2 作为资源管理者作为资源管理者 作为资源管理器的操作系统：5清华计算机操作系统第01章1.1.3 推动操作系统发展的因素推动操作系统发展的因素 操作系统的演变主要基于以下因素：硬件升级以及新的硬件类型；新服务；修补；6清华计算机操作系统第01章1.2 操作系统的演变操作系统的演变 操作系统发展至今已有三十多年。设计操作系统主要有两个目的：第一，为程序的开发和执行提供一个方便的环境；第二，为保证计算机系统顺利执行，操作系统对各个计算活动进行调度。7清华计算机操作系统第01章1.2.1 串行处理系统串行处理系统 最早的计算机，从20世纪40年代末到50年代中期，程序员直接与硬件接触，根本没有OS。计算机运行在一个集成了指示器、各种开关、一些输入设备以及一个打印机的控制台之上。早期的这种系统存在两个问题： (1)上机安排(2)启动时间8清华计算机操作系统第01章1.2.2 简单批处理系统简单批处理系统简单批处理系统是专业计算机操作员（或机器）按作业的性质将作业按类分成若干组，然后一组一组地来运行作业。在早期计算机系统中，引进简单批处理系统可以减少安装磁带、装入程序和返绕磁带等有关的工序浪费的时间，因此，也就减少了计算机的空闲时间。批处理系统实质上不提供用户和程序之间的交互功能。程序中的所有问题必须事先安排好，也不能进行联机修改。9清华计算机操作系统第01章1.2.2 简单批处理系统简单批处理系统 简单批处理系统的中心思想是，通过应用一种被称为监控器的软件，使用户不必再直接接触机器，而是先通过卡片机和纸带机向计算机控制器提交作业，由监控器将作业组织在一起构成一批作业，然后将整批作业放入由监控器管理的输入设备上，每当一个程序执行完毕返回监控器时，监控器已自动装入下一个程序。10清华计算机操作系统第01章1.2.2 简单批处理系统简单批处理系统批处理系统存在很多不方便之处，主要有：用户不能与其作业交互以捕捉程序中的问题。用户程序中的所有问题必须事先安排好，否则程序的排错就可能在转储信息上盲目地进行。此外，对一个用户作业而言，可能需要较长的周转时间。在批处理系统中，为了避免有意或无意地读取他人的卡片，必须建立监控和用户两种操作态，使其只有在监控态下才能读控制卡。通过建立一组仅能在监控态下执行的特权指令，操作系统就能保证在任何时候都能控制整个系统。11清华计算机操作系统第01章1.2.3 多道程序批处理系统多道程序批处理系统 多道程序设计技术就是在内存中同时保持若干道程序，系统按某种调度策略交替执行这些程序，使CPU保持最少的空闲时间。多道程序设计的主要优点是通过将用户的CPU请求和I/O请求重叠起来的办法来有效地使用CPU。它设法让CPU总有事情可做，以此来提高CPU的利用率。12清华计算机操作系统第01章1.2.3 多道程序批处理系统多道程序批处理系统 设想一台电脑配备256KB的可用内存空间(未被OS占用的)，一个磁盘，一个终端和一台打印机。3个程序JOB1、JOB2和JOB3，同时被提交执行，如下表所列。JOB1JOB2JOB3作业类型偏重计算偏重计算偏重计算执行时间偏重I/O偏重I/O偏重I/O所需内存偏重I/O偏重I/O偏重I/O是否需要磁盘5 min5 min5 min是否需要终端15 min15 min15 min是否需要打印机10 min10 min10 min13清华计算机操作系统第01章1.2.3 多道程序批处理系统多道程序批处理系统多道程序设计在提高资源利用率方面产生的效果单道程序设计多道程序设计处理机使用17%33%内存使用30%67%磁盘使用33%67%打印机使用33%67%经过时间30 min15 min吞吐率6 jobs/h12 jobs/h平均响应时间18 min10 min14清华计算机操作系统第01章1.2.4 分时系统分时系统分时系统是一种由调度策略和多道程序设计技术所构成的、同时供两个或多个用户使用的一种经济实惠的系统。分时系统的主要优点是：当程序正在执行时，允许用户与计算机交互，从而大大缩短了系统的响应时间，增加了用户调试程序和控制程序运行的灵活性。15清华计算机操作系统第01章1.2.4 分时系统分时系统分时系统通常采用的实现方法是：先对每一用户作业分定一个时间片，再按轮转方式来执行这些作业。用户作业可以继续运行直至其时间片执行完或发生一个（I/O）中断，才暂停此作业的运行而让另一作业运行，暂停的作业则等到再次轮到它时又可继续运行下去，系统中的作业都用这种方式轮转执行。16清华计算机操作系统第01章1.2.5 实时系统实时系统 实时系统是在响应时间方面有严格制约的专用系统。实时系统与其他普通的系统之间的最大不同之处就是要满足处理与时间的关系。实时系统与分时系统的区别在于：在分时系统中，快速响应是需要的，但不是必需的；在实时系统中，处理事务必须在适合于此系统的特定时间限额内完成。17清华计算机操作系统第01章1.2.5 实时系统实时系统实时操作系统主要是为联机实时任务服务的，相比分时系统它有其自身的特点：(1)与分时系统一样具有多路性和独立性。(2)对外部实时信号必须能及时响应，响应的时间间隔要足以控制发出实时信号的那个环境。(3)整体性强。(4)有交互性，但这里人与系统的交互仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。(5)要求有高可靠性和安全性，系统的效率则放在第二位。18清华计算机操作系统第01章1.3 操作系统的主要成就操作系统的主要成就操作系统是现有软件系统中最复杂的系统软件之一。到目前为止，操作系统已取得了5项主要成就：进程、内存管理、信息的保护与安全性、调度与资源管理、系统结构。19清华计算机操作系统第01章1.3.1 进程进程 进程是操作系统结构的基础。进程就是：可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。进程由以下3部分组成：一个可执行的程序；该程序所需的相关数据(变量、工作空间，缓冲区等)；该程序的执行上下文(Context)。20清华计算机操作系统第01章1.3.1 进程进程典型的进程实现21清华计算机操作系统第01章1.3.2 存储管理存储管理 操作系统的操作系统的5 5条存储管理原则：条存储管理原则： 进程隔离。程隔离。 自自动分配和管理。分配和管理。 支持支持组件件编程。程。 长时间存存储。 保保护和存取控制和存取控制。 22清华计算机操作系统第01章1.3.2 存储管理存储管理看待存储系统的两种不同观点看待存储系统的两种不同观点( (b) b) 操作系统设计者观点操作系统设计者观点( (a) a) 用户观点用户观点23清华计算机操作系统第01章1.3.3 信息保护和安全性信息保护和安全性 同计算机系统和存储在其中的信息的存取控制有关的4种保护策略：不共享。共享原始程序或数据文件。无存储子系统。控制信息的分布。24清华计算机操作系统第01章1.3.3 信息保护和安全性信息保护和安全性 同操作系统有关的安全和保护工作可分为以下3类：访问控制。信息流控制。确认。25清华计算机操作系统第01章1.3.4 调度和资源管理调度和资源管理 操作系统的核心任务之一就是管理各种可获得的资源以及合理地调度它们。任何资源分配和调度策略都必须考虑公平性、不同敏感性以及效率。26清华计算机操作系统第01章1.3.5 系统结构系统结构 随着操作系统性能的增强，以及基础硬件复杂性的增加，操作系统的大小和复杂性也不断增加，这就导致了许多问题。为了有效管理系统资源和控制操作系统的复杂性，人们开始极大地重视操作系统的软件结构。对大型操作系统，仅仅组件化编程还是不够的，现在越来越多地用到体系结构分层和信息抽象技术。 27清华计算机操作系统第01章1.5 操作系统的主要研究课题操作系统的主要研究课题28清华计算机操作系统第01章The endThanks!29清华计算机操作系统第01章