1、第7章 操作系统引论,本章基本内容与要求,基本内容 操作系统做什么 操作系统功能 操作系统的分类 操作系统的特征 操作系统的性能评价 操作系统的结构分析,本章基本内容与要求,要求 掌握操作系统的基本概念 掌握操作系统的功能、分类、特征、 了解操作系统的性能、结构,7.1 操作系统的作用,从一般用户角度来看 所谓计算机操作系统，是指控制和管理计算机的软、硬件资源，合理组织计算机的工作流程，方便用户使用计算机系统的程序集合。 从程序员的角度看 操作系统就是一台能够为用户提供高级编程接口、便于使用的虚拟机。,7.2 操作系统功能,进程管理 存储管理 设备管理 文件管理 用户接口,1.进程管理,进程管
2、理又称“处理机管理”，其主要功能是对中央处理器（CPU）进行管理。 多道程序设计的特点是多个程序共享CPU资源，CPU的利用率较高。 在多道程序设计环境中，为了保证系统的安全，将指令分成特权指令和非特权指令。只允许操作系统程序执行的指令称为特权指令，一般用户不允许使用特权指令。指令集合中除特权指令之外的指令称为非特权揩令。 在多道程序设计环境中，中央处理器交替地执行操作系统程序和用户程序。当CPU正在执行操作系统程序时，称 CPU处于系统态（又称管态、核心态）；当 CPU正在执行用户程序时，称CPU处于用户态（又称目态）。,2.存储管理,存储管理的主要功能是管理内存资源。 当多道程序共享内存资
3、源时，需要合理地为它们分配内存空间，将程序地址空间快速正确地映射到物理地址空间，并保证用户的程序和数据能够相互隔离、互不干扰。 随着用户程序的不断增大，内存资源常常捉襟见肘，所以需要解决内存扩充的问题，即把内存和外存统一起来管理，只需将程序的一部分调入内存，另一部分仍留在外存中，程序可以在内、外存之间互换，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储器，以保证大程序的运行。,3.设备管理,计算机外部设备的种类繁多、功能差异很大，管理困难。操作系统设备管理的主要功能是按一定的策略为进程分配外部设备、启动外部设备进行数据传送，使用户不必了解设备以及接口的技术细节就可以方便地对设备进行操作。为了弥补
4、CPU和外部设备速度的差异，提高CPU和外设之间的并行能力，系统采用了中断技术、通道技术、缓冲技术和虚拟设备技术等，为用户提供了功能强大、界面友好的设备使用手段。,4.文件管理,计算机系统中大量信息总是以文件形式保存在外存储器上。操作系统必须向用户提供能快速、有效、合理地存取这些数据的手段。文件管理的主要任务是有效地管理文件的存储空间，合理组织和管理文件系统的目录，支持对文件的存储、读写操作，解决文件信息的共享、保护及访问控制等。,5.为用户提供接口,7.3 操作系统的分类,批处理系统 分时系统 实时系统 桌面PC机操作系统 手持设备操作系统 云计算操作系统 其他类型的操作系统 网络操作系统
5、分布式操作系统,一、批处理系统,批处理系统也称为作业处理系统。在批处理系统中，操作人员将作业成批地装入计算机中，由操作系统在计算机中某个特定区域（一般称为输入井）将其组织好并按一定的算法选择其中的一个或几个作业，将其调人内存使其运行。运行结束后，把结果放入“输出井”，由计算机统一输出后，交给用户。 批处理系统的主要优点是系统吞吐量大，资源利用率高。所谓“吞吐量”是指单位时间内系统所能完成的任务的总和。批处理系统的主要缺点是交互能力比较差。,二、分时系统,分时系统允许多个用户同时使用一台计算机。不同用户通过各自的终端以交互方式使用计算机，共享主机的各种软、硬件资源。分时系统的主要特点是： 1）同
6、时性 2）交互性 3）独立性 4）及时性 分时系统的出现提高了系统资源的利用率，减少了系统维护人员，节省了开支，促进了计算机的普及，显著地提高了研究、检查和调试程序的效率。,三、实时系统,实时系统是指能够及时响应随机发生的外部事件，并在规定的时间范围内完成对该事件处理的系统。实时系统可分为实时控制系统和实时信息处理系统。 1实时控制系统 2实时信息处理系统 3实时系统的特征 实时系统最主要的特征就是其快速的处理能力，适应实时性的要求。,四、网络操作系统,计算机网络是通过通信设施把地理上分散的具有自制能力的计算机连接起来，以实现数据交换、资源共享和互操作为目的的计算机系统。网络操作系统是建立在主
7、机操作系统基础上，用于管理网络通信和共享资源，协调各主机上任务的运行，并向用户提供统一的、有效的网络接口的软件集合，包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和多种网络应用服务。,五、分布式操作系统,分布式操作系统是通过通信网络将物理上分散且具有自制能力的计算机系统互连起来，实现信息和资源共享，协作完成任务。分布式系统要求一个统一的操作系统实现系统资源的统一管理。分布式操作系统负责管理分布式系统中的所有资源，包括整个系统的资源分配和调度、任务划分、数据传输、协调工作，并为用户提供一个统一的界面，用户通过该界面使用系统资源时无须了解资源的位置。,7.4 操作系统的特征,并发性 共享性 不确定性 虚拟
8、性,一、并发性,并发性又称为同时性，是指在操作系统中同时存在许多活动，这些活动都已经开始但又没有结束。在操作系统中，并发性和并行性是既相似又有区别的两个概念。其中并发性是指两个或多个事件在同一时间段内发生；而并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。在单处理机系统中，每一时刻仅能执行一道程序。故微观上程序是交替运行的，而宏观上程序是并发运行的。,二、共享性,由于操作系统的并发性，使整个系统的软、硬件资源不再为某个程序所独占，而是由许多程序共同使用，即许多程序共享系统中的各种资源。资源共享是由于并发而引起的，如果没有并发性，系统中只允许一个程序运行，所有资源都由该程序独享，自然不存在共享性的问题。
9、但是，如果操作系统不对被共享的资源实施有效的管理，并发程序也无法正常运行。可以说，并发性和共享性是操作系统的两个最基本的特征。,三、不确定性,在多道程序设计中，各个程序之间存在着直接或间接的联系，程序的推进速度受它的运行环境的影响。同一程序和数据的多次运行可能得到不同的结果，程序的运行时间、运行顺序也具有不确定性；外部输入的请求、运行故障发生的时间不可预测，这些都是不确定性的表现。,四、虚拟性,操作系统中经常使用“虚拟”这个概念。在只有一个CPU的计算机上可以同时运行多个程序，每个程序都好像独占了一个CPU；由于用户分时使用同一台计算机，好像每人都在使用一台独立的计算机一样；在一台物理内存只有
10、1MB的计算机上运行了总容量超过5MB的程序，好像用户拥有一台内存为5MB甚至更大的计算机一样，这些都是操作系统虚拟性的表现。,7.5 操作系统的性能评价,可靠性 方便性 效率 可维护性 可移植性,一、可靠性,作为用户来说，希望操作系统是绝对可靠的。但由于操作系统的并发性、共享性等特点，要做到绝对可靠是比较困难的。一般采取如下措施以便产生一个可靠性较好的操作系统： 1）在系统设计时尽量避免可能的软、硬件故障。 2）在系统运行过程中，一旦出错应能及时检测，减少损失。 3）系统一旦出现错误，要能迅速找出其原因，确定其发生的位置，尽快地排除错误。 4）尽快地对因错误造成的损失进行修复。,二、方便性,
11、计算机硬件只能识别二进制0和1代码，用户如果直接使用裸机很不方便，裸机上配置了操作系统以后，大大地提高了计算机系统处理能力。用户通过操作系统提供的接口使用计算机更方便，也更易学习。,三、效率,效率是操作系统的一个重要的性能指标。一般由4个参数来衡量系统的效率： 1）系统的吞吐量 即在单位时间内系统处理作业的数量。吞吐量越大，系统的效率越高。 2）资源利用率 即系统中各部件的使用程度。要求资源利用率要高。 3）批处理系统的作业周转时间 要求作业周转时间越短越好。 4）响应时间 从用户向系统发出请求到获得系统的应答所需的时间。响应时间越短越好。,四、可维护性,系统维护是指对已经交付给用户的操作系统所进行的软件工程活动。其中包括改正性维护、适应性维护和完善性维护等。,五、可移植性,操作系统应能适应不同系列机型的变化，即当计算机CPU的系列发生变化时，相应的操作系统应做到不作修改或少作修改，就能在新的计算机上运行。,7.5 操作系统用户接口,操作命令用户直接调用系统功能; 系统调用命令用户通过程序调用系统功能。,
