计算机操作系统(的第三版)第1章PPT文件格式下载.ppt
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当用户进行装带(卡)、卸带(卡)等人工操作时,CPU及内存等资源是空闲的。
2脱机输入/输出方式目的:
为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾出现时间:
20世纪50年代末出现了脱机输入/输出(Off-LineI/O)技术。
内容:
该技术是事先将装有用户程序和数据的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡片机),在一台外围机的控制下,把纸带(卡片)上的数据(程序)输入到磁带上。
当CPU需要这些程序和数据时,再从磁带上将其高速地调入内存。
图1-3脱机I/O示意图,类似地,当CPU需要输出时,可由CPU直接高速地把数据从内存送到磁带上,然后再在另一台外围机的控制下,将磁带上的结果通过相应的输出设备输出。
脱机输入/输出方式:
程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下完成的,或者说,它们是在脱离主机的情况下进行的。
联机:
在主机的直接控制下进行输入/输出的方式。
这种脱机I/O方式的主要优点如下:
(1)减少了CPU的空闲时间,缓和了人机矛盾。
(2)提高了I/O速度。
1.2.2单道批处理系统1单道批处理系统的处理过程通常是把一批作业以脱机方式输入到磁带上,并在系统中配上监督程序(Monitor),在它的控制下使这批作业能一个接一个地连续处理。
图1-4单道批处理系统的处理流程,2单道批处理系统的特征单道批处理系统是最早出现的一种OS。
严格地说,它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。
(1)自动性。
(2)顺序性。
(3)单道性。
1.2.3多道批处理系统1多道程序设计的基本概念在该系统中,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。
具体地说,在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处:
(1)提高CPU的利用率。
(2)可提高内存和I/O设备利用率。
(3)增加系统吞吐量。
2多道批处理系统的优缺点虽然早在20世纪60年代就已出现了多道批处理系统,但至今它仍是三大基本操作系统类型之一。
在。
多道批处理系统的主要优缺点如下:
(1)资源利用率高。
(2)系统吞吐量大。
(3)平均周转时间长。
(4)无交互能力。
3多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统是一种有效、但十分复杂的系统。
为使系统中的多道程序间能协调地运行,必须解决下述一系列问题。
(1)处理机管理问题。
(2)内存管理问题。
(3)I/O设备管理问题。
(4)文件管理问题。
(5)作业管理问题。
1.2.4分时系统1分时系统的产生分时系统(TimeSharingSystem)能很好地将一台计算机提供给多个用户同时使用,提高计算机的利用率。
它被经常应用于查询系统中,满足许多查询用户的需要。
用户的需求具体表现在以下几个方面:
(1)人-机交互。
(2)共享主机。
(3)便于用户上机。
什么是分时系统:
在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端,同时允许多个用户通过自己的终端,以交互方式使用计算机,共享主机中的资源。
例如:
CTSS,MULTICS等,2分时系统实现中的关键问题
(1)及时接收。
多路卡+终端缓冲区
(2)及时处理。
3分时系统的特征分时系统与多道批处理系统相比,具有非常明显的不同特征,由上所述可以归纳成以下四个特点:
(1)多路性。
(2)独立性。
(3)及时性。
(4)交互性。
1.2.5实时系统所谓“实时”,是表示“及时”,而实时系统(RealTimeSystem)是指系统能及时(或即时)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。
1应用需求实时控制。
实时信息处理。
2实时任务1)按任务执行时是否呈现周期性来划分
(1)周期性实时任务。
(2)非周期性实时任务。
2)根据对截止时间的要求来划分
(1)硬实时任务(Hardreal-timeTask)。
(2)软实时任务(Softreal-timeTask)。
3实时系统与分时系统特征的比较
(1)多路性。
(5)可靠性。
1.2.6微机操作系统的发展1单用户单任务操作系统单用户单任务操作系统的含义是,只允许一个用户上机,且只允许用户程序作为一个任务运行。
这是最简单的微机操作系统,主要配置在8位和16位微机上。
最有代表性的单用户单任务微机操作系统是CP/M和MS-DOS。
2单用户多任务操作系统Win1.0Win3.1Win95Win98,WinNT4.0Win2000WinXPVistaWin2007,3多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统的含义是,允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器,共享主机系统中的各种资源,而每个用户程序又可进一步分为几个任务,使它们能并发执行,从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。
在大、中和小型机中所配置的大多是多用户多任务操作系统,而在32位微机上也有不少是配置的多用户多任务操作系统,其中最有代表性的是UNIXOS。
(1)SolarisOS
(2)LinuxOS,1.3操作系统的基本特性,1.3.1并发性1并行与并发并行性:
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。
2引入进程为使多个程序能并发执行,系统必须分别为每个程序建立进程(Process)。
进程:
是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位,它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的,是一个能独立运行的活动实体。
多个进程之间可以并发执行和交换信息。
一个进程在运行时需要一定的资源,如CPU、存储空间及I/O设备等。
3引入线程定义:
通常在一个进程中可以包含若干个线程,它们可以利用进程所拥有的资源。
区别:
通常都是把进程作为分配资源的基本单位,而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。
优点:
由于线程比进程更小,基本上不拥有系统资源,故对它的调度所付出的开销就会小得多,能更高效地提高系统内多个程序间并发执行的程度。
线程视作现代操作系统的一个重要标致。
1.3.2共享性共享:
系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)同时使用。
1互斥共享方式在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源,我们把这种资源共享方式称为互斥式共享,而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。
计算机系统中的大多数物理设备,以及某些软件中所用的栈、变量和表格,都属于临界资源,它们要求被互斥地共享。
为此,在系统中必需配置某种机制来保证诸进程互斥地使用独占资源。
2同时访问方式系统中还有另一类资源,允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。
并发和共享是操作系统的两个最基本的特征,它们又是互为存在的条件。
一方面,资源共享是以程序(进程)的并发执行为条件的,若系统不允许程序并发执行,自然不存在资源共享问题;
另一方面,若系统不能对资源共享实施有效管理,也必然影响到程序并发执行的程度,甚至根本无法并发执行。
1.3.3虚拟技术1时分复用技术时分复用,亦即分时使用方式,它最早用于电信业中。
在计算机领域中,广泛利用该技术来实现虚拟处理机、虚拟设备等,以提高资源的利用率。
1)虚拟处理机技术把一台物理上的处理机虚拟为多台逻辑上的处理机,在每台逻辑处理机上运行一道程序。
我们把用户所感觉到的处理机称为虚拟处理器。
2)虚拟设备技术我们还可以通过虚拟设备技术,将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备,并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备。
这样便可使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备(即临界资源),变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。
2空分复用技术1)虚拟磁盘技术我们可以通过虚拟磁盘技术将一台硬盘虚拟为多台虚拟磁盘,这样使用起来既方便又安全。
虚拟磁盘技术也是采用了空分复用方式,即它将硬盘划分为若干个卷,例如1、2、3、4四个卷,再通过安装程序将它们分别安装在C、D、E、F四个逻辑驱动器上,这样,机器上便有了四个虚拟磁盘。
当用户要访问D盘中的内容时,系统便会访问卷2中的内容。
2)虚拟存储器技术空分复用则是利用存储器的空闲空间来存放其它的程序,以提高内存的利用率。
应当着重指出:
如果虚拟的实现是通过时分复用的方法来实现的,即对某一物理设备进行分时使用,设N是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数,则每台虚拟设备的平均速度必然等于或低于物理设备速度的1/N。
类似地,如果是利用空分复用方法来实现虚拟,此时一台虚拟设备平均占用的空间必然也等于或低于物理设备所拥有空间的1/N。
1.3.4异步性进程是以人们不可预知的速度向前推进,此即进程的异步性(Asynchronism)。
尽管如此,但只要在操作系统中配置有完善的进程同步机制,且运行环境相同,作业经多次运行都会获得完全相同的结果。
异步运行方式是允许的,而且是操作系统的一个重要特征。
1.4操作系统的主要功能,1.4.1处理机管理功能在传统的多道程序系统中,处理机的分配和运行都是以进程为基本单位,因而对处理机的管理可归结为对进程的管理;
在引入了线程的OS中,也包含对线程的管理。
1进程控制创建进程撤销进程控制进程的状态转换线程的管理,2进程同步前已述及,进程是以异步方式运行的,并以人们不可预知的速度向前推进。
进程同步的主要任务是为多个进程(含线程)的运行进行协调。
有两种协调方式:
(1)进程互斥方式。
这是指诸进程(线程)在对临界资源进行访问时,应采用互斥方式;
(2)进程同步方式。
这是指在相互合作去完成共同任务的诸进程(线程)间,由同步机构对它们的执行次序加以协调。
3进程通信进程通信的任务就是用来实现在相互合作的进程之间的信息交换。
4调度在后备队列上等待的每个作业都需经过调度才能执行。
(1)作业调度:
外存中
(2)进程调度:
内存中,1.4.2存储器管理功能内存分配内存保护地址映射内存扩充,1.4.3设备管理功能1缓冲管理2设备分配3设备处理,1.4.4文件管理功能文件存储空间的管理目录管理文件的读写管理和保护,1.4.5操作系统与用户之间的接口为了方便用户使用操作系统,OS又向用户提供了“用户与操作系统的接口”。
该接口通常可分为两大类:
(1)用户接口。
它是提供给用户使用的接口,用户可通过该接口取得操作系统的服务;
(2)程序接口。
它是提供给程序员在编程时使用的接口,是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。
1用户接口
(1)联机用户接口
(2)脱机用户接口(3)图形用户接口,2程序接口该接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的,是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。
1.5OS结构设计,1.5.1传统的操作系统结构随着软件开发技术的发展而发展。
1无结构操作系统一组过程的集合,只有程序设计的技巧。
2模块化结构OS1)模块化程序设计技术的基本概念模块化程序设计技术是20世纪60年代出现的一种结构化程序设计技术。
该技术是基于“分解”和“模块化”原则来将OS按其功能精心地划分为若干个具有一定独立性和大小的模块;
每个模块具有某方面的管理功能。
图1-6模块化结构的操作系统,2)模块的独立性高内聚低耦合,3)模块接口法的优缺点利用模块接口法开发的OS,较之无结构OS具有以下明显的优点:
(1)提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性;
(2)增强OS的适应性;
(3)加速OS的开发过程。
模块化结构设计仍存在下述问题:
(1)在OS设计时,对各模块间的接口规定很难满足在模块完成后对接口的实际需求。
(2)在OS设计阶段,设计者必须做出一系列的决定(决策),每一个决定必须建立在上一个决定的基础上。
但在模块化结构设计中,各模块的设计齐头并进,无法寻找到一个可靠的决定顺序,造成各种决定的“无序性”,这将使程序设计人员很难做到“设计中的每一步决定都是建立在可靠的基础上”,因此模块接口法又被称为“无序模块法”。
3分层式结构OS1)分层式结构的基本概念为了将模块接口法中“决定顺序”的无序性变为有序性,引入了有序分层法。
分层法的设计任务是,在目标系统An和裸机系统(又称宿主系统)A0之间,铺设若干个层次的软件A1、A2、A3、An1,使An通过An1、An2、A2、A1层,最终能在A0上运行。
在操作系统中,常采用自底向上法来铺设这些中间层。
2)分层结构的优缺点优点:
(1)易保证系统的正确性。
(2)易扩充和易维护性。
缺点:
系统效率降低了。
1.5.2客户/服务器模式客户/服务器(Client/Server)模式可简称为C/S模式。
1客户/服务器模式的组成客户/服务器系统主要由客户机、服务器和网络系统三个部分组成。
(1)客户机
(2)服务器(3)网络系统,2客户/服务器之间的交互
(1)客户发送请求消息。
(2)服务器接收消息。
(3)服务器回送消息。
(4)客户机接收消息。
3客户/服务器模式的优点C/S模式之所以能成为当前分布式系统和网络环境下软件的主要工作模式,是由于该模式具有传统集中模式所无法比拟的一系列优点。
(1)数据的分布处理和存储。
(2)便于集中管理。
(3)灵活性和可扩充性(4)易于改编应用软件。
1.5.3面向对象的程序设计1面向对象技术的基本概念对象对象类继承,2面向对象技术的优点在设计操作系统时,将计算机中的实体作为对象来处理,可带来如下好处:
(1)通过“重用”提高产品质量和生产率。
(2)使系统具有更好的易修改性和易扩展性。
(3)更易于保证系统的“正确性”和“可靠性”。
1.5.4微内核OS结构1微内核操作系统的基本概念足够小的内核基于客户服务器模式应用“机制与策略分离”原理采用面向对象技术,图1-10在单机环境下的客户/服务器模式,2微内核的基本功能原则:
将机制部分,以及与硬件紧密相关的部分放入微内核中。
进程(线程)管理低级存储器管理中断和陷入处理,3微内核操作系统的优点1)提高了系统的可扩展性2)增强了系统的可靠性3)可移植性4)提供了对分布式系统的支持5)融入了面向对象技术,4微内核操作系统存在的问题应当指出,在微内核OS中,由于采用了非常小的内核,以及客户/服务器模式和消息传递机制,这些虽给微内核OS带来了许多优点,但由此也使微内核OS存在着潜在的缺点。
其中最主要的是,较之早期OS,微内核OS的运行效率有所降低。
图1-11在传统OS和微内核OS中的上下文切换,本章重点,1.操作系统的定义、作用和目标。
2.计算机系统的层次结构。
每层具有的功能并提供的接口。
3.操作系统分类。
4.操作系统提供的服务。
5.操作系统的构件和结构设计方法。
6.内核的分类、功能、属性和特性。
7.层次结构操作系统。
8.虚拟机结构操作系统。
9.客户/服务器与微内核结构操作系统。
10.操作系统功能的实现模型。
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