1、操作系統(tǒng)緒論操作系統(tǒng)緒論東南大學(xué)電氣工程學(xué)院東南大學(xué)電氣工程學(xué)院School of Electrical Engineering, Southeast University目的與要求 課程目的：課程目的： 基本要求：基本要求：你知道那些操作系統(tǒng)？School of Electrical Engineering, Southeast University功能與任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(層次結(jié)構(gòu))軟件硬件及固件（裸機(jī)）應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件編輯軟件，編譯軟件操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)系統(tǒng)工具應(yīng)用軟件應(yīng)用用戶(hù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員School of Electrical Engineering, Southe

2、ast University功能與任務(wù) OS是計(jì)算機(jī)硬件、軟件資源的管理者是計(jì)算機(jī)硬件、軟件資源的管理者 管理的對(duì)象：CPU、存儲(chǔ)器、外部設(shè)備、信息（數(shù)據(jù)和軟件）； 管理的內(nèi)容：資源的當(dāng)前狀態(tài)（數(shù)量和使用情況）、資源的分配、回收和訪(fǎng)問(wèn)操作，相應(yīng)管理策略。 OS是用戶(hù)使用系統(tǒng)硬件、軟件的接口是用戶(hù)使用系統(tǒng)硬件、軟件的接口 系統(tǒng)命令系統(tǒng)命令（命令行、菜單式、命令腳本式、圖形用戶(hù)接口GUI）； 系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用（形式上類(lèi)似于過(guò)程調(diào)用，在應(yīng)用編程中使用）。School of Electrical Engineering, Southeast University功能與任務(wù) 在裸機(jī)上添加：設(shè)備管理、文件

3、管理、存儲(chǔ)管理（針對(duì)內(nèi)存和外存）、處理機(jī)管理（針對(duì)CPU）； 合理組織工作流程：作業(yè)管理、進(jìn)程管理。操作系統(tǒng)的非形式化定義（關(guān)鍵點(diǎn)）：操作系統(tǒng)的非形式化定義（關(guān)鍵點(diǎn)）：系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件，程序模塊的集合，資源管理和用戶(hù)接口功能程序模塊的集合，資源管理和用戶(hù)接口功能 OS是擴(kuò)展機(jī)是擴(kuò)展機(jī)(extended machine)/虛擬機(jī)虛擬機(jī)(virtual machine)School of Electrical Engineering, Southeast University發(fā)展過(guò)程手工操作手工操作批處理系統(tǒng)批處理系統(tǒng)( batch processing)多道程序系統(tǒng)多道程序系統(tǒng)(multipr

4、ogramming system)分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)(time-sharing system)實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)(real-time system)School of Electrical Engineering, Southeast University發(fā)展過(guò)程 工作方式工作方式 用戶(hù)：用戶(hù)既是程序員，又是操作員；用戶(hù)是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)用戶(hù)：用戶(hù)既是程序員，又是操作員；用戶(hù)是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員；人員； 編程語(yǔ)言：為機(jī)器語(yǔ)言；編程語(yǔ)言：為機(jī)器語(yǔ)言； 輸入輸出：紙帶或卡片；輸入輸出：紙帶或卡片；194619465858年（電子管）：集中計(jì)算（計(jì)算中心），計(jì)算機(jī)年（電子管）：集中計(jì)算（計(jì)算中心），計(jì)算機(jī)資源昂貴

5、；資源昂貴； School of Electrical Engineering, Southeast University發(fā)展過(guò)程 主要矛盾主要矛盾 計(jì)算機(jī)處理能力的提高，手工操作的低效率（造成計(jì)算機(jī)處理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪費(fèi)）；浪費(fèi)）； 用戶(hù)獨(dú)占全機(jī)的所有資源；用戶(hù)獨(dú)占全機(jī)的所有資源； 提高效率的途徑提高效率的途徑 專(zhuān)門(mén)的操作員，批處理專(zhuān)門(mén)的操作員，批處理工作特點(diǎn)工作特點(diǎn)用戶(hù)獨(dú)占全機(jī)用戶(hù)獨(dú)占全機(jī)CPUCPU等待用戶(hù)等待用戶(hù)School of Electrical Engineering, Southeast University發(fā)展過(guò)程 批處理中的作業(yè)的組成：批處理中的作業(yè)的

6、組成： 用戶(hù)程序用戶(hù)程序 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 作業(yè)說(shuō)明書(shū)（作業(yè)控制語(yǔ)言）作業(yè)說(shuō)明書(shū)（作業(yè)控制語(yǔ)言）5858年年6464年（晶體管）：利用磁帶把若干個(gè)作業(yè)分類(lèi)編成作年（晶體管）：利用磁帶把若干個(gè)作業(yè)分類(lèi)編成作業(yè)執(zhí)行序列，每個(gè)批作業(yè)由一個(gè)專(zhuān)門(mén)的監(jiān)督程序（業(yè)執(zhí)行序列，每個(gè)批作業(yè)由一個(gè)專(zhuān)門(mén)的監(jiān)督程序（MonitorMonitor）自動(dòng)依次處理。可使用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)自動(dòng)依次處理。可使用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。 School of Electrical Engineering, Southeast University發(fā)展過(guò)程 兩種批處理方式兩種批處理方式 (1)(1)聯(lián)機(jī)批處理（早期）（解決人機(jī)矛盾）聯(lián)機(jī)批處理（早期）（解決

7、人機(jī)矛盾） 用戶(hù)提交作業(yè)用戶(hù)提交作業(yè) 操作員合成批作業(yè)操作員合成批作業(yè) 批作業(yè)處理：對(duì)批作業(yè)中的每個(gè)作業(yè)進(jìn)行相同的處理：批作業(yè)處理：對(duì)批作業(yè)中的每個(gè)作業(yè)進(jìn)行相同的處理：從磁帶讀入用戶(hù)作業(yè)和編譯鏈接程序，編譯鏈接用戶(hù)作從磁帶讀入用戶(hù)作業(yè)和編譯鏈接程序，編譯鏈接用戶(hù)作業(yè)，生成可執(zhí)行程序；啟動(dòng)執(zhí)行；執(zhí)行結(jié)果輸出。業(yè)，生成可執(zhí)行程序；啟動(dòng)執(zhí)行；執(zhí)行結(jié)果輸出。 問(wèn)題問(wèn)題：慢速的輸入輸出處理仍直接由主機(jī)來(lái)完成。：慢速的輸入輸出處理仍直接由主機(jī)來(lái)完成。輸入輸入輸出時(shí)，輸出時(shí)，CPUCPU處于等待狀態(tài)處于等待狀態(tài)。School of Electrical Engineering, Southeast Univ

8、ersity發(fā)展過(guò)程 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：同一批內(nèi)各作業(yè)的自動(dòng)依次更替，改善了主機(jī)同一批內(nèi)各作業(yè)的自動(dòng)依次更替，改善了主機(jī)CPUCPU和和I/OI/O設(shè)備的使用效率，設(shè)備的使用效率，提高了吞吐量提高了吞吐量。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：磁帶或磁盤(pán)：磁帶或磁盤(pán)需要人工裝卸，作業(yè)需要人工分類(lèi)需要人工裝卸，作業(yè)需要人工分類(lèi)，監(jiān)督，監(jiān)督程序易遭到用戶(hù)程序的破壞（由人工干預(yù)才可恢復(fù)）。程序易遭到用戶(hù)程序的破壞（由人工干預(yù)才可恢復(fù)）。利用衛(wèi)星機(jī)完成輸入輸出功能。主機(jī)與衛(wèi)星機(jī)可并行工作。利用衛(wèi)星機(jī)完成輸入輸出功能。主機(jī)與衛(wèi)星機(jī)可并行工作。(2)(2)脫機(jī)批處理脫機(jī)批處理（解決（解決cpucpu與與I/OI/O設(shè)備速度不匹配的矛盾）

9、設(shè)備速度不匹配的矛盾）School of Electrical Engineering, Southeast University發(fā)展過(guò)程 CPUCPU和和I/OI/O設(shè)備使用忙閑不均（取決于當(dāng)前作業(yè)的特性）設(shè)備使用忙閑不均（取決于當(dāng)前作業(yè)的特性） 內(nèi)存僅放一道運(yùn)行程序內(nèi)存僅放一道運(yùn)行程序 對(duì)計(jì)算為主的作業(yè)，外設(shè)空閑；對(duì)計(jì)算為主的作業(yè)，外設(shè)空閑； 對(duì)對(duì)I/OI/O為主的作業(yè)，為主的作業(yè)，CPUCPU空閑；空閑；主要問(wèn)題主要問(wèn)題 通道：通道：用于控制用于控制I/OI/O設(shè)備與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸。啟動(dòng)后可設(shè)備與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸。啟動(dòng)后可獨(dú)立于獨(dú)立于CPUCPU運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)CPUCPU與與I/

10、OI/O的并行。的并行。 中斷中斷是指是指CPUCPU在收到外部中斷信號(hào)后，停止原來(lái)工作，轉(zhuǎn)在收到外部中斷信號(hào)后，停止原來(lái)工作，轉(zhuǎn)去處理該中斷事件，完畢后回到原來(lái)斷點(diǎn)繼續(xù)工作。去處理該中斷事件，完畢后回到原來(lái)斷點(diǎn)繼續(xù)工作。 引進(jìn)緩沖技術(shù)，減少引進(jìn)緩沖技術(shù)，減少cpucpu和外設(shè)的等待時(shí)間，提高和外設(shè)的等待時(shí)間，提高cpucpu和外和外設(shè)并行工作的程度。設(shè)并行工作的程度。解決措施解決措施School of Electrical Engineering, Southeast University發(fā)展過(guò)程 多道程序技術(shù)運(yùn)行特征多道程序技術(shù)運(yùn)行特征 多道：內(nèi)存中同時(shí)存放幾個(gè)作業(yè)；多道：內(nèi)存中同時(shí)存放幾

11、個(gè)作業(yè)； 宏觀(guān)上并行運(yùn)行：都處于運(yùn)行狀態(tài)，但都未運(yùn)行完；宏觀(guān)上并行運(yùn)行：都處于運(yùn)行狀態(tài)，但都未運(yùn)行完； 微觀(guān)上串行運(yùn)行：各作業(yè)交替使用微觀(guān)上串行運(yùn)行：各作業(yè)交替使用CPUCPU；由；由OSOS根據(jù)作業(yè)情根據(jù)作業(yè)情況來(lái)決定，某作業(yè)無(wú)法運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)而運(yùn)行另一個(gè)作業(yè)況來(lái)決定，某作業(yè)無(wú)法運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)而運(yùn)行另一個(gè)作業(yè)6464年年7070年（集成電路）：利用多道批處理提高資源的利用率。年（集成電路）：利用多道批處理提高資源的利用率。 作業(yè)調(diào)度作業(yè)調(diào)度 資源共享資源共享 內(nèi)存使用內(nèi)存使用 內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù) 文件非順序存放、隨機(jī)存取文件非順序存放、隨機(jī)存取School of Electrical Engineerin

12、g, Southeast University發(fā)展過(guò)程 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 資源利用率高：資源利用率高：CPUCPU和內(nèi)存利用率較高；和內(nèi)存利用率較高； 作業(yè)吞吐量大：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的工作總量大。作業(yè)吞吐量大：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的工作總量大。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 用戶(hù)交互性差：不利于調(diào)試和修改；用戶(hù)交互性差：不利于調(diào)試和修改； 作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)：短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間顯著增長(zhǎng)。作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)：短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間顯著增長(zhǎng)。School of Electrical Engineering, Southeast University發(fā)展過(guò)程 “分時(shí)分時(shí)”的含義分時(shí)是指多個(gè)用戶(hù)分享使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)。的含義分時(shí)是指多個(gè)用

13、戶(hù)分享使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)。多個(gè)程序分時(shí)共享硬件和軟件資源。多個(gè)程序分時(shí)共享硬件和軟件資源。 多個(gè)用戶(hù)分時(shí)多個(gè)用戶(hù)分時(shí) 通常按時(shí)間片通常按時(shí)間片(time slice)(time slice)分配：各個(gè)程序在分配：各個(gè)程序在CPUCPU上執(zhí)行上執(zhí)行的輪換時(shí)間的輪換時(shí)間 設(shè)計(jì)目標(biāo)：設(shè)計(jì)目標(biāo)：對(duì)用戶(hù)的請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng)，并在可能條件下盡量對(duì)用戶(hù)的請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng)，并在可能條件下盡量提高系統(tǒng)資源的利用率提高系統(tǒng)資源的利用率 適合適合辦公自動(dòng)化、教學(xué)及事務(wù)處理等要求人機(jī)會(huì)話(huà)的場(chǎng)合辦公自動(dòng)化、教學(xué)及事務(wù)處理等要求人機(jī)會(huì)話(huà)的場(chǎng)合7070年代中期至今年代中期至今 同時(shí)性、獨(dú)立性同時(shí)性、獨(dú)立性、交互性、交互性、及時(shí)性、及時(shí)

14、性School of Electrical Engineering, Southeast University發(fā)展過(guò)程 要求：要求：響應(yīng)時(shí)間短，在一定范圍系統(tǒng)可靠性高響應(yīng)時(shí)間短，在一定范圍系統(tǒng)可靠性高 任務(wù)的類(lèi)型：任務(wù)的類(lèi)型： 周期性實(shí)時(shí)任務(wù)周期性實(shí)時(shí)任務(wù) 非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)用于工業(yè)過(guò)程控制、軍事實(shí)時(shí)控制、金融等領(lǐng)域用于工業(yè)過(guò)程控制、軍事實(shí)時(shí)控制、金融等領(lǐng)域School of Electrical Engineering, Southeast University分類(lèi)批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)

15、分布式操作系統(tǒng)School of Electrical Engineering, Southeast University分類(lèi) 作業(yè)的處理流程作業(yè)的處理流程 作業(yè)提交：作業(yè)的輸入；作業(yè)提交：作業(yè)的輸入； 作業(yè)執(zhí)行作業(yè)執(zhí)行 作業(yè)完成：作業(yè)的輸出；作業(yè)完成：作業(yè)的輸出；批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)(Batch Processing Operation System) 批處理的主要特征批處理的主要特征 用戶(hù)脫機(jī)使用計(jì)算機(jī)用戶(hù)脫機(jī)使用計(jì)算機(jī) 作業(yè)成批處理作業(yè)成批處理 多道程序并行多道程序并行 三種批處理類(lèi)型三種批處理類(lèi)型 單道批處理操作系統(tǒng)；單道批處理操作系統(tǒng)； 多道批處理操作系統(tǒng)；多道批處理操作系統(tǒng)

16、； 遠(yuǎn)程批處理系統(tǒng)遠(yuǎn)程批處理系統(tǒng)School of Electrical Engineering, Southeast University分類(lèi)把計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源（尤其是把計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源（尤其是CPUCPU時(shí)間）進(jìn)行時(shí)間上的時(shí)間）進(jìn)行時(shí)間上的分割，每個(gè)時(shí)間段稱(chēng)為一個(gè)時(shí)間片（分割，每個(gè)時(shí)間段稱(chēng)為一個(gè)時(shí)間片（time slicetime slice），每），每個(gè)用戶(hù)依次輪流使用時(shí)間片。個(gè)用戶(hù)依次輪流使用時(shí)間片。分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)(Time Sharing Operating System) 分時(shí)的定義分時(shí)的定義分時(shí)系統(tǒng)的特征分時(shí)系統(tǒng)的特征 多路性：多路性：多個(gè)用戶(hù)同時(shí)工作。多個(gè)用戶(hù)同時(shí)工作

17、。 獨(dú)立性：獨(dú)立性：各用戶(hù)獨(dú)立操作，互不干擾。各用戶(hù)獨(dú)立操作，互不干擾。 交互性：交互性：系統(tǒng)能及時(shí)對(duì)用戶(hù)的操作進(jìn)行響應(yīng)，顯著提系統(tǒng)能及時(shí)對(duì)用戶(hù)的操作進(jìn)行響應(yīng)，顯著提高調(diào)試和修改程序的效率：縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間。高調(diào)試和修改程序的效率：縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間。School of Electrical Engineering, Southeast University分類(lèi) 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征 實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理：提供系統(tǒng)日期和時(shí)間、定時(shí)和延時(shí)等：提供系統(tǒng)日期和時(shí)間、定時(shí)和延時(shí)等時(shí)鐘管理功能；時(shí)鐘管理功能； 及時(shí)性及時(shí)性：響應(yīng)時(shí)間的要求；：響應(yīng)時(shí)間的要求； 多任務(wù)管理多任務(wù)管理：系統(tǒng)的并發(fā)性和隨

18、機(jī)性；：系統(tǒng)的并發(fā)性和隨機(jī)性； 高度可靠性和安全性高度可靠性和安全性：容錯(cuò)能力（如故障自動(dòng)復(fù)位）：容錯(cuò)能力（如故障自動(dòng)復(fù)位）和冗余備份（雙機(jī)，關(guān)鍵部件）；和冗余備份（雙機(jī)，關(guān)鍵部件）；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要用于過(guò)程控制、事務(wù)處理等有實(shí)時(shí)要求的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要用于過(guò)程控制、事務(wù)處理等有實(shí)時(shí)要求的領(lǐng)域，其主要特征是領(lǐng)域，其主要特征是實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性和和可靠性可靠性。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real Time Operating System)School of Electrical Engineering, Southeast University分類(lèi) 通常操作系統(tǒng)的功能通常操作系統(tǒng)的功能：處理機(jī)管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)：處理機(jī)管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理、文件管理等；備管理、文件管理等； 網(wǎng)絡(luò)通信功能網(wǎng)絡(luò)通信功能：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行高效、可靠的數(shù)據(jù)：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸；傳輸； 網(wǎng)絡(luò)資源管理網(wǎng)絡(luò)資源管理：協(xié)調(diào)各用戶(hù)使用；：協(xié)調(diào)各用戶(hù)使用； 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：文件和設(shè)備共享，信息發(fā)布；：文件和設(shè)備共享，信息發(fā)布； 提供網(wǎng)絡(luò)接口提供網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)