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1、第一章 操作系统引论,1.1 操作系统的目标和作用1.2 操作系统的发展过程1.3 操作系统的基本特性1.4 操作系统的主要功能1.5 操作系统的结构设计,第一章 操作系统引论,2022/11/24,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统的目标和作用,有效性 改善资源利用率，提高系统吞吐量 方便性 使计算机系统使用起来更方便可扩充性 能够不断适应发展的要求开放性 使来自不同厂家的计算机和设备能够有效地协同工作，实现应用的可移植性和互操作性,操作系统的目标,*,第一章 操作系统引论,操作系统的作用,OS作为用户与计算机硬件之间的接口OS处于用户和计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统用
2、户可以通过命令方式、系统调用方式和图形、窗口方式使用计算机,1.1 操作系统的目标和作用,用户,应用程序,系统调用 命令 图标、窗口操作系统,计算机硬件,*,第一章 操作系统引论,操作系统的作用,OS作为计算机系统的资源管理者硬件资源：处理器、存储器、I/O设备信息资源：程序和数据,1.1 操作系统的目标和作用,*,第一章 操作系统引论,操作系统的作用,OS实现了对计算机资源的抽象 当计算机上覆盖了操作系统后，便为用户提供了一台功能显著增强，使用更加方便，效率明显提高的虚拟计算机,1.1 操作系统的目标和作用,用户,物理接口,硬件,用户需了解物理接口的实现细节；利用机器指令进行编程,用户无需了
3、解物理接口的实现细节；在窗口环境下使用计算机,*,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统的目标和作用,不断提高计算机资源利用率 计算机价格昂贵！从单个作业到批处理作业，从单道程序到多道程序，以及SPOOLing，虚拟存储器和网络环境下允许所有网络用户访问文件系统和数据库系统方便用户 改善用户上机、调试程序时的环境器件的不断更新换代 微电子技术的迅猛发展，推动着计算机器件的更新换代。如芯片从8位16位 32位64位。存储设备从磁盘移动硬盘闪存盘扫描仪等。计算机体系结构的不断发展 单处理机系统到多处理系统，支持网络的网络操作系统,在出现OS后的短短50年中，操作系统取得了很大的发展。规模由原来的数
4、十KB发展到如今的数千万行代码，可将其发展的主要动力归结为如下所述的四个方面：,操作系统的发展动力,*,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统的目标和作用,不断提高计算机资源利用率方便用户器件的不断更新换代计算机体系结构的不断发展,操作系统,操作系统,操作系统的发展动力,*,第一章 操作系统引论,作业参考答案,补充：试说明操作系统与硬件、其他系统软件以及用户之间的关系。答：操作系统是覆盖在硬件上的第一层软件，它管理计算机的硬件和软件资源，并向用户提供良好的界面。操作系统与硬件密切相关，它直接管理着硬件资源，为用户完成所有与硬件相关的操作，从而极大地方便了用户对硬件资源的使用并提高了硬件资源的利
5、用率。操作系统是一种特殊的系统软件爱你，其他系统软件运行在操作系统的基础之上，可获得操作系统提供的大量服务，也就是说操作系统是其他系统软件与硬件之间的接口。而一般用户使用计算机除了需要操作系统支持外，还需要用到大量的其他系统软件和应用软件，以使其工作更方便和高效。可见，硬件、操作系统、其他系统软件、应用程序和用户之间存在着下图所示的层次关系。,*,第一章 操作系统引论,1.1 操作系统的目标和作用1.2 操作系统的发展过程1.3 操作系统的基本特性1.4 操作系统的主要功能1.5 OS结构设计,第一章 操作系统引论,*,第一章 操作系统引论,操作系统的发展过程,无操作系统的计算机系统单道批处理
6、系统多道批处理系统分时系统实时系统,操作系统的发展随着计算机硬件、应用软件的发展而发展。发展的宗旨并未改变，依然是充分利用硬件，提供更好的服务。,*,第一章 操作系统引论,操作系统的发展过程,手工操 作阶段,PC机OS,网络OS,分布式OS,多处理OS,嵌入式OS,*,第一章 操作系统引论,手工操作阶段,第一台计算机ENIAC的运算速度为每秒5000次，操作者必须用线路连接的方法手工编排程序然后连接电路。,无操作系统的计算机系统,*,第一章 操作系统引论,程序通过插板或卡片装入,无操作系统的计算机系统,*,第一章 操作系统引论,1. 特点： 无任何软件 有人工干预 用户独占全机 CPU等待人工
7、操作 2. 问题：人 机矛盾 CPUI/O速度不匹配的矛盾,手工操作阶段的优缺点,无操作系统的计算机系统,*,第一章 操作系统引论,20世纪50年代末出现了脱机输入/输出（Off-Line I/O）技术。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。,脱机输入/输出方式,无操作系统的计算机系统,磁带,输出设备,外围机,主机,磁带,磁带,磁带,外围机,输入设备,*,第一章 操作系统引论,当CPU需要输出时，可由CPU直接高速地把数据从内存送到
8、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,无操作系统的计算机系统,输出设备,主机,磁带,磁带,外围机,*,第一章 操作系统引论,优点：（1）减少了CPU的空闲时间。装带（卡）、卸带（卡）以及将数据从低速I/O设备送到高速磁带（或盘）上，都是在脱机情况下进行的，并不占用主机时间，从而有效地减少了CPU的空闲时间，缓和了人机矛盾。（2）提高了I/O速度。当CPU在运行中需要数据时，是直接从高速的磁带或磁盘上将数据调入内存的，不再是从低速I/O设备上输入，极大地提高了I/O速度，从而缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，进一步减少了CPU的
9、空闲时间。,脱机输入/输出方式,无操作系统的计算机系统,*,第一章 操作系统引论,手工操 作阶段,主机速度,人机矛盾,单道批处理系统,第一章 操作系统引论,单道批处理系统,工作方式：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连续处理。工作过程：由监督程序将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行控制权交给该作业。当该作业处理完成时，又把控制权交还给监督程序，在由监督程序把磁带（盘）上的第二个作业调入内存。计算机系统这样一个作业一个作业地进行处理，直至磁带（盘）上的所有作业全部完成。,第一章 操作系统引论,单道批处理系统,还有下一个
10、作业?,把下一个作业的源程序转换为目标程序,源程序有错吗？,装配目标程序,运行目标程序,开始,是,是,否,否,停止,第一章 操作系统引论,单道批处理系统,自动性 作业能够自动地逐个依次运行，无须人工干预顺序性 各道作业的完成顺序与进入内存的顺序相同单道性 内存中仅有一道程序运行,第一章 操作系统引论,批处理阶段,联机批处理 特点：有监督程序；作业自动过渡 问题：CPU高速与I/O慢速的矛盾 解决：由外围机负责I/O,脱机批处理 主机与外围机并行操作,输入机,打印机,外围机,输出带,输入带,输出带,输入带,主 机,脱机批处理图示,$END$LOAD,主机,打印机,*,第一章 操作系统引论,*,第
11、一章 操作系统引论,多道批处理系统,20世纪60年代中期，引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统（Multiprogrammed Batch Processing System）。 用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，作业调度程序按一定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。引入多道程序设计技术可以带来如下好处：（1）提高CPU利用率。（2）可提高内存和I/O设备的利用率（3）增加系统吞吐量。,*,第一章 操作系统引论,单道程序运行情况,用户程序,监督程序,I/O操作,I/O中断请求,t1,结束中断,I/O完成,启动I/O,I/O中断请
12、求,结束中断,I/O完成,启动I/O,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,从蓝色的实线来看CPU是断续性运作,t2t3、 t6t7时间间隔内CPU空闲,*,第一章 操作系统引论,多道程序运行情况,程序A,程序C,程序B,程序D,调度程序,A I/O请求,A I/O完成,A再次被调度,B I/O请求,C I/O请求,D I/O请求,程序B I/O完成,C I/O完成,C再次被调度,A 完成,从蓝色的实线来看CPU是持续性运作,*,第一章 操作系统引论,多道程序设计原理,【多道程序设计原理】：在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相互穿插地运行，共享CPU和外设等资
13、源。采用多道程序设计技术的批处理系统称为多道批处理系统。,*,第一章 操作系统引论,多道批处理系统的优缺点,资源利用率高 内存中的多道程序可以共享资源，使得资源充分利用系统吞吐量大 CPU及其它资源保持忙碌，切换较少，系统开销小，使得系统在单位时间内所完成的总工作量较大平均周转时间长 由于 作业需要排队，依次处理，周转时间较长无交互能力 用户一旦将作业提交给系统，将不能与自己的作业交互，修改和调试程序不方便,*,第一章 操作系统引论,多道批处理系统的特征,多道性 在内存中可驻留多道程序无序性 多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间并无严格的对应关系调度性 作业从提交给系统开始直至完成需
14、要经历作业调度和进程调度,第一章 操作系统引论,多道批处理系统需要解决的问题,处理机管理问题 在多道程序之间如何共享处理机，使CPU既能满足各程序运行的需要，又能提高处理机的利用率。内存管理问题 多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间并无严格的对应关系I/O设备管理问题 有多种类型的I/O设备供多道程序共享，如何分配设备？如何既方便用户使用又能提高设备利用率？文件管理问题 如何组织这些以文件形式存在的数据和程序？作业管理问题 有的作业是I/O型，有些是计算型，有的要求系统能及时响应。如何组织这些作业？,*,第一章 操作系统引论,单道和多道批处理的比较,多道程序系统和多处理系统(Mult
15、i-Processing System)的区别：前者指多个程序同时在内存中交替运行，后者指多个处理器。,*,第一章 操作系统引论,多道批处理系统的资源利用,多道批处理系统的资源利用效率特征是基于各作业对系统资源的需求差异得到的。例如：有3个作业A、B、C， A是计算作业、 B是检索磁带上数据的作业， C是打印作业。3个作业单道运行时间分别为5分钟、15分钟和10分钟。假设可在15分钟内并行完成这3个作业。则各资源的利用率分别为：,CPU,打印机,磁带,单道,17%,33%,50%,多道,33%,66%,100%,单道和多道批处理的比较,*,第一章 操作系统引论,例：在有一台CPU和两台输入/输
16、出设备（磁盘机和磁带机）的多道程序系统中，同时投入运行2个程序A和B。这2个程序对CPU和磁盘和磁带的使用顺序和使用时间为：程序A：磁带（30S）、CPU（10S）、磁盘（30S）、 CPU（10S）、磁带（20S）程序B：磁盘（20S）、CPU（30S）、磁带（40S）假定：CPU、磁盘和磁带都能并行工作试问：在单道和多道两种方式下， 1、程序A和B从投入运行到运行完成所用的时间 分别是多少？ 2、CPU、磁盘和磁带的利用率是多少？,*,第一章 操作系统引论,A、B同时运行的情况,程序A,程序B,CPU,磁带,磁盘,20s,30s,50s,B,60s,A,90s,A,100s,120s,*,
17、第一章 操作系统引论,资源利用情况,*,第一章 操作系统引论,操作系统的定义,操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。,*,第一章 操作系统引论,作业,补充：有三个程序A、B、C，它们使用同一个设备进行I/O操作，并按A、B、C的优先次序执行。这三个程序的计算机和I/O操作时间如下表所示。假设调度时间可忽略不计，请分别画出单道程序环境和多道程序环境下（假设内存中可同时装入这三道程序），它们运行的时间关系图，并比较它们的总运行时间。,*,第一章 操作系统引论,表 程序运行的时间表 （单位：ms）,*,第一章 操作系统引论,单道程序运行情况,单道运行的时间关系图,多道、非抢占式运行的时间关系图,*,第一章 操作系统引论,单道程序环境下，总的运行时间为260ms。多道程序环境下，如果CPU不能被抢占，总的运行时间为180ms；多道程序环境下，如果CPU可被抢占，总的运行时间为190ms。,多道、抢占式运行的时间关系图,*,第一章 操作系统引论,The End ,
