1、计算机操作系统1ppt课件课程目标 本课程是计算机科学与技术专业的主要专业核心课之一。 课程的学习目的在于使学生掌握操作系统的基本概念、 基本原理、设计方法和实现技术， 具有初步分析实际操作系统的能力，为今后在相关领域开展工作打下坚实的基础。2ppt课件o 1.1 操作系统的目标和作用o 1.2 操作系统的发展过程o 1.3 操作系统的基本特征o 1.4 操作系统的主要功能o 1.5 操作系统结构设计第一章 操作系统引论考纲内容：考纲内容：1.1.操作系统的操作系统的概念概念、特特征征、功能功能和提供的和提供的服务服务2.2.操作系统的操作系统的发展发展与与分分类类3.3.操作系统的操作系统的
2、运行环境运行环境（1 1）内核态和用户态）内核态和用户态（2 2）中断和异常）中断和异常（3 3）系统调用）系统调用4.4.操作系统操作系统体系结构体系结构3ppt课件o 1.1 操作系统的目标和作用o 1.2 操作系统的发展过程o 1.3 操作系统的基本特征o 1.4 操作系统的主要功能o 1.5 操作系统结构设计第一章 操作系统引论4ppt课件 操作系统的地位 操作系统在计算机系统中的地位：是在硬件基础上的第一层软件；是其他软件和硬件之间的接口。计算机硬件操作系统系统工具应用软件 应用用户 应用开发人员 操作系统 开发人员5ppt课件操作系统的目标方便性( (用户的观点) )：使计算机系统
3、更易于使用；有效性( (系统管理人员的观点) )：合理地组织计算机的工作流程，管理和分配硬件、软件资源，提高资源的利用率; ;提高系统的吞吐量；可扩充性( (开放的观点) )：给计算机系统的功能的扩展提供开放式的支撑平台；开放性：可移植性和互操作性。 其中有效性和方便性是设计OS时最重要的两个目标，设计现代OS的主要目标也是对提高资源利用率和方便用户。6ppt课件操作系统的作用1. OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 使用方式I.命令方式II.系统调用方式III.图形、窗口方式用户应用程序 系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算机硬件7ppt课件2. OS作为计算机系统资源的管理者 处理器
4、 处理器管理 存储器 存储器管理 I/O设备 I/O设备管理 信息(数据和程序) 文件管理操作系统的作用资 源主要功能8ppt课件3. OS实现了对计算机资源的抽象 OS是铺设在裸机上的多层软件，它不仅增强了系统的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，从而实现了对计算机资源的抽象。操作系统的作用9ppt课件操作系统的定义 操作系统（Operating System,OS）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，以及方便用户使用计算机的程序的集合。 10ppt课件o 1.1 操作系统的目标和作用o 1.2 操作系统的发展过程o 1.3 操作系统的基本特征o 1.4 操作系统
5、的主要功能o 1.5 操作系统结构设计第一章 操作系统引论11ppt课件1. 人工操作方式o 工作方式：用户：既是程序员又是操作 员；是计算机专业人员编程语言：机器语言输入输出：纸带或卡片o 计算机的工作特点：用户独占全机和CPU等待用户o 主要矛盾： 人机矛盾、CPU与I/O设备速度不匹配o 提高效率的途径：n 脱机输入/ /输出技术操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统12ppt课件 磁带输入设备外围机2. 2. 脱机输入/ /输出(Off-Line I/O)(Off-Line I/O)方式主机磁带磁带输出设备外围机磁带主要优点： 减少了CPU的空闲时间 缓和了人机矛盾13ppt课件p
6、单道批处理系统的处理过程单道批处理系统：作业成批处理、 内存中只有一道作业单道批处理系统p 单道批处理系统的特征自动性、顺序性、单道性不足：无法充分利用系统中所有的资源14ppt课件程序A A程序B B运行等待运行等待运行等待运行等待时间(a) (a) 单道程序设计程序A A运行等待运行等待程序B B等待运行等待运行等待混合运行A A运行B B等待运行A A运行B B等待时间(b) (b) 多道程序设计15ppt课件1. 多道批处理系统 是采用多道程序设计技术的批处理系统。为了使系统中的多道程序能协调地运行，必须配置一组软件，来解决多道程序对系统资源的共享和争用问题，并对作业进行合理的组织和调
7、度。就形成了现代意义上的OS多道批处理系统16ppt课件2. 多道批处理系统的特征：多道批处理系统 调度性： 作业调度、进程调度 无序性： 多道性：内存中可同时存放多个作业17ppt课件3. 多道批处理系统需解决的问题a.处理机管理问题b.内存管理问题c.设备管理问题d.文件管理问题e.作业管理问题多道批处理系统18ppt课件o 优点：n 资源利用率高n 系统吞吐量大p 缺点：n 平均周转时间长n 无交互能力4. 多道批处理系统的优缺点：多道批处理系统19ppt课件例题1 有两个程序A和B，A程序执行时所做的工作按次序需要的时间为：cpu计10s，设备1计5s，cpu计5s,设备2计10s，c
8、pu计10s。 B程序执行时所做的工作按次序需要的时间为：设备1计10s， cpu计10s，设备2计5s， cpu计5s，设备2计10s。 问在单道方式下和多道并发环境下执行A和B两程序，CPU的利用率各为多少？20ppt课件解 答o 单道环境下： A程序运行总时间为40s，B程序运行总时间为40s，则两个程序运行总时间为80sCPU 运行时间为（10+5+10）s+（10+5）s=40s则，CPU利用率为40/80=50%21ppt课件多道环境下：A和B程序运行的时序关系图（甘特图）时间（单位时间（单位s）活动列表活动列表设设2设设1CPU100A:10sA:5s15B:10sB:10s20
9、A:5sB:5s25B:5sA:10s30 35A:10sB:10s45 CPU运行时间为：运行时间为：40s，两程序运行总时间为，两程序运行总时间为45s，则，则CPU利用率为：利用率为：40/45=88.9%甘特图：以图示的甘特图：以图示的方式，通过方式，通过活动列活动列表表和和时间刻度时间刻度形象形象地表示任意特定项地表示任意特定项目的活动顺序和持目的活动顺序和持续时间续时间22ppt课件练习题1（作业题） 设内存中有三道程序A、B、C，它们按A、B、C的优先次序执行，它们的计算和I/O操作时间如表所示（单位：ms）。 程序操作ABC计算306020I/O403040计算101020 假
10、设三道程序使用相同的设备进行I/O操作，即程序以串行方式使用设备，试画出单道运行和多道运行的时间关系图（甘特图）（调度程序的执行时间忽略不计）。在两种情况下，完成这三道程序各要花多长时间？23ppt课件24ppt课件作业题二 若程序PA和PB单独执行时分别用TA和TB表示，TA=1小时，TB=1.5小时，其中处理器工作时间分别为TA=18分钟，TB=27分钟。如果采用多道程序设计方法，让PA、PB并发工作，假定处理器利用率达到50%，另加15分钟系统开销，请问系统效率能提高百分之几?25ppt课件 分时系统是指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
11、方式使用计算机，共享主机中的资源。分时系统1. 分时系统的产生从键盘命令进入从键盘命令进入( (按按下回车键为准下回车键为准) )到开到开始在终端上显示应始在终端上显示应答的时间间隔称为答的时间间隔称为响应时间响应时间RT(response time)RT(response time)在分时系统中在分时系统中, ,响应时响应时间间时间片时间片用户数用户数 26ppt课件2.分时系统的设计思想（1）采用分时技术（2）设计目标：系统能及时响应用户的终端命令（3）实现中的最关键问题：使用户能与自己的作业进行交互。（、）3. . 改变批处理系统的运行方式：q作业直接进入内存q系统采用时间片轮转方式处理
12、服务请求分时系统所谓所谓分时技术分时技术就是把处理器就是把处理器的运行时间分成很短的时间的运行时间分成很短的时间片，按片，按时间片轮流时间片轮流把处理器把处理器分配给各联机作业使用分配给各联机作业使用27ppt课件4. 分时系统的特征：分时系统1) 多路性：一台主机上连有多个终端，能同时为多个用户服务。2) 独立性：各用户独立操作，互不干扰。3) 及时性：通过时间片技术和轮转调度算法保证及时响应。4) 交互性：能进行广泛的人机交互。28ppt课件实时系统1. 实时系统及其类型 （1）实时系统 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
13、地运行 （2）分类 实时控制系统 实时信息处理系统29ppt课件2. 实时任务的类型1)按任务执行时是否呈现周期性来划分周期性实时任务非周期性实时任务截止时间（Deadline）2)根据对截止时间的要求来划分硬实时任务（Hard real-time Task）软实时任务（Soft real-time Task）实时系统30ppt课件练习题2p （ ）不是设计实时操作系统的主要追求目标。 A. 安全可靠 B. 资源利用率 C. 及时响应 D. 快速处理B31ppt课件多路性独立性及时性交互性可靠性批处理系统无无差差一般分时系统多终端服务有好最好可靠实时系统多路采集、多路控制有最好一般高度可靠3.
14、 三种基本操作系统的比较：实时系统32ppt课件o 1.1 操作系统的目标和作用o 1.2 操作系统的发展过程o 1.3 操作系统的基本特征o 1.4 操作系统的主要功能o 1.5 操作系统结构设计第一章 操作系统引论33ppt课件操作系统的特征四个基本特征：并发、共享、虚拟、异步1并发并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生(最重要的特征)并行性：两个或多个事件在同一时刻发生程序不能并发执行，为使多个程序并发执行，引入进程。进程-在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位34ppt课件2共享共享方式：u互斥共享方式：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用 临界资源( (独占资源) )：一段
15、时间内只允许一个进程访问的资源u同时访问方式：如可重入代码，磁盘文件. . 并发和共享是OS的两个最基本的特征，又互为存在的条件操作系统的特征35ppt课件虚拟 是以并发和资源共享为前提虚拟通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术q 时分复用技术：时分复用技术： 虚拟处理机、虚拟设备技术虚拟处理机、虚拟设备技术q 空分复用技术：空分复用技术： 虚拟内存、虚拟磁盘技术虚拟内存、虚拟磁盘技术操作系统的特征36ppt课件异步性是并发和共享的必然结果指进程以人们不可预知的速度向前推进。u进程的运行速度不可预知u无论快慢，结果应该相同。u难以重现系统在某个时刻
16、的状态操作系统的特征37ppt课件练习题3p单处理机系统中，不可并行的是（ ） 。A. 进程与进程B. 处理机与设备C. 处理机与通道D. 设备与设备A 38ppt课件o 1.1 操作系统的目标和作用o 1.2 操作系统的发展过程o 1.3 操作系统的基本特征o 1.4 操作系统的主要功能o 1.5 操作系统结构设计第一章 操作系统引论39ppt课件操作系统的主要功能包括：! 处理机管理功能! 存储器管理功能! 设备管理功能! 文件管理功能! 用户接口40ppt课件处理机管理功能对处理机的分配和运行进行管理。主要功能有：进程控制：创建、撤销进程，以及进程状态间转换进程同步：对进程的执行次序进行
17、协调进程通信：实现在相互合作的进程之间的信息交换；调度：作业和进程的状态切换，包括作业调度和进程调度 41ppt课件存储器管理功能 内存分配：为每道程序分配内存空间 内存保护：确保每道用户程序都只在自己的内存空间中运行，彼此互不干扰 地址映射：程序的逻辑地址到内存物理地址的映射 内存扩充：用虚拟存储技术解决内存容量不足的问题42ppt课件设备管理功能 缓冲管理：匹配CPU和外设的速度 设备分配：为用户分配完成I/O所需的设备、设备控制器或通道 设备处理：设备驱动程序用于实现CPU和设备控制器之间的通信43ppt课件文件管理功能文件存储空间的管理：为每个文件分配必要的外存空间目录管理: : 通过
18、目录的方式来组织文件，以实现文件的按名存取文件的读/ /写管理和保护：实现文件的读写操作，并提供有效的存取控制功能，保护文件的安全性。44ppt课件 用户接口l 命令接口： 联机用户接口(交互式命令接口) 脱机用户接口（批处理命令接口）l 图形接口 程序接口 为用户程序在执行中访问系统资源而设置，由一组系统调用组成。OS与用户之间的接口45ppt课件o 1.1 操作系统的目标和作用o 1.2 操作系统的发展过程o 1.3 操作系统的基本特征o 1.4 操作系统的主要功能o 1.5 操作系统结构设计第一章 操作系统引论46ppt课件操作系统的结构： 整体式（无）结构 模块化结构 层次式结构 微内
19、核结构操作系统的结构设计47ppt课件过程3过程2过程7过程1过程6过程5过程8过程41. 整体式OS结构48ppt课件操作系统模块子模块2. 模块化OS结构49ppt课件2. 模块化OS结构优点：o 提高设计的正确性、可理解性和可维护性o 增强可适应性o 加速开发过程存在的问题：o 模块的划分和接口的规定较困难o 模块间还存在着复杂的依赖关系，是OS结构变得不够清晰 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” 50ppt课件3. 层次式结构51ppt课件层次结构的优点:o 正确性有保证o 便于系统维护、扩充层次结构的优缺点层次结构的缺点:
20、p 层次之间单向依赖 p 模块间需要通信机制p 系统开销大、效率低52ppt课件分层式结构与模块式结构主要区别:o 分层结构中各模块之间是有序的n 分层式结构将各个功能模块按它们的功能流图的调用次序安排成若干层，n 每层中的模块只能使用较低层模块提供的功能和服务(单向调用)n 模块间的组织结构和依赖关系更加清晰，这不仅增加系统的可读性，同时还使每一层建立在可靠的基础上，从而提高系统的可靠性o 模块式结构通过接口毫无规则地相互依赖、相互调用53ppt课件 微内核结构是建立在模块化、层次化结构的基础上，并采用了客户/服务器模式和面向对象的程序设计技术。 微内核的主要思想：在内核中只留下一些基本的功
21、能，而将其他服务尽可能地从内核中分离出去。 内核的基本组成：中断处理、进程调度、同步机制4. 微内核 OS 结构54ppt课件客户服务器模型将OS分为两个部分：用于提供各种服务的服务器是用于实现OS最基本功能的内核（全部工作是处理C与S）之间通信55ppt课件面向对象的技术基于“抽象”、“隐藏”原则特点：o 封装性o 继承性o 多态性优点：o 通过重用提高产品质量和生产率o 使系统具有更好的易修改性和易扩展性o 更易于保证系统的“正确性”和“可靠性”56ppt课件优点:o 易于扩充、移植o 提高系统的可靠性o 提供了对分布式系统的支持o 有助于多处理器系统的实现微内核结构的优缺点缺点: C/S
22、模式和消息传递方式增加开销，使响应变慢57ppt课件o 1.1 操作系统的目标和作用o 1.2 操作系统的发展过程o 1.3 操作系统的基本特征o 1.4 操作系统的主要功能o 1.5 操作系统结构设计第一章 操作系统引论58ppt课件补充：操作系统的运行环境o 操作系统的运行机制o 中断与异常o 系统调用59ppt课件 计算机系统中，通常CPU执行两种不同性质的程序：一种是操作系统内核程序；另一种是用户自编程序或系统外层的应用程序。前者是后者的管理者和控制者，因此“管理程序”要执行一些特权指令，而“被管理程序”出于安全性考虑不能执行这些指令。操作系统的运行机制60ppt课件2022-5-23
23、阜阳师范学院计算机与信息学院61核心态（管态）和用户态（目态）OS内核运行在核心态，用户进程运行在用户态;用户态时不可直接访问受保护的OS代码；核心态时执行OS代码，可以访问全部进程空间。处理机运行时的两种状态61ppt课件n 是指计算机中不允许用户直接使用的指令，如：I/O指令、置中断指令、存取用于内存保护的寄存器、把程序状态字（PSW）送入程序状态寄存器等指令。n 必须在核心态下执行特权指令62ppt课件访管指令o 由于用户要求OS提供服务而有意识地使用防管指令o 是一条可以在用户态下执行的指令o 用户程序“自愿进管”的手段，执行防管指令将用户态转变为核心态o 从而产生一个中断事件防管中断
24、o 仅在用户态下使用63ppt课件练习题4o 当CPU处于核心态时，它可以执行的指令是（ ） A. 只有特权指令 B. 只有非特权指令 C. 只有访管指令 D. 除访管指令的全部指令D 64ppt课件中断与异常o 中断：（也称外中断）指来自CPU执行指令以外的事件的发生。如：I/O请求、时钟中断等o 异常：（也称内中断或陷入）指源自CPU执行指令内部的事件，如：程序的非法操作码、地址越界、算术溢出、虚存系统的缺页等引起的事件。65ppt课件系统调用o 是OS的一部分，运行在内核空间中o 提供了用户程序和操作系统之间的接口，应用程序通过系统调用实现其与OS通信，并可取得它的服务。o 用户通过在程
25、序中使用这些系统调用命令来请求OS为其提供服务。o 是用户在程序中调用OS所提供的一些子功能。o 系统调用不仅可供所有的应用程序使用，而且也可供OS自身的其它部分，尤其是命令处理程序使用。66ppt课件库函数和系统调用比较o 库函数是语言或应用程序的一部分，可以运行在用户空间中o 系统调用是操作系统的一部分，是内核提供给用户的程序接口，运行在内核空间中，o 许多库函数都会使用系统调用来实现功能o 没有使用系统调用的库函数，执行效率通常比系统调用高，因为使用系统调用时，需要上下文的切换以及状态的转换（由用户态转向核心态） 通过系统调用的方式来使用系统功能，可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户随意更改或访问系统的数据或命令。67ppt课件练习题5p 系统调用的目的是（ ） 。 A. 请求系统服务 B. 中止系统服务 C. 申请系统资源 D. 释放系统资源A68ppt课件练习题6p 下列选项中，不会导致用户进程从用户态切换到内核态的操作是（ ）A. 整数除以零B. Sin（）函数调用C. Read（）系统调用B69ppt课件作业题三 处理器为什么要区分核心态和用户态两种操作方式？在什么情况下进行两种方式的切换？70ppt课件
