大学计算机 第3章操作系统基础课件

第3章 操作系统基础,操作系统概述,操作系统的功能模块,典型操作系统概述,本章要点,本章基本要求,基本知识点： (1) 了解操作系统的定义、发展和分类； (2) 了解操作系统的基本功能； (3) 掌握操作系统的操作界面和工作方式。 重点与难点： 操作系统的基本功能和基本特性。 进程的概念及基本特性。 地址变换。,3.1.1 什么是操作系统,操作系统(Operating System，OS)是计算机系统中的一个系统软件，它们管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源，为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境。 它是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件功能的扩充。 操作系统在整个计算机系统中具有极其重要的特殊地位，它不仅是硬件与其他软件系统的接口，也是用户和计算机之间进行“交流”的界面,3.1.1 什么是操作系统,计算机系统硬件、软件和用户的关系,3.1.2 操作系统的分类,批处理操作系统 分时操作系统 实时系统 通用操作系统 个人计算机操作系统,嵌入式操作系统 网络操作系统 分布式操作系统 智能化操作系统,分时OS,多用户、多道程序共享一个CPU的OS。 将CPU划分为很小的时间片，采用循环轮作方式将这些CPU时间片分配给排队队列中等待处理的每个程序的处理方式。,侧重于 及时性 和交互性,实时OS,实时OS是实时控制系统和实时处理系统的统称。 实时控制系统用于过程控制。例如，控制飞行器、导弹发射、飞行过程的自动控制系统。 实时处理系统主要指对信息进行及时的处理。例如，利用计算机预订飞机票、火车票或轮船票等。,分布式OS,分布式操作系统是指通过网络将大量计算机连接在一起，以获取极高的运算能力、广泛的数据共享以及实现分散资源管理等功能为目的的一种OS。 它的优点是： 分布性。它集各分散结点计算机资源为一体，以较低的成本获取较高的运算性能。 可靠性。由于在整个系统中有多个CPU系统，因此当某一个CPU系统发生故障时，整个系统仍旧能够工作。,3.1.3 操作系统的基本特性,并发性:在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，计算机中有多个程序在同时运行。 共享性:是指多个并发执行的程序可以共享系统中的资源。 虚拟性:是指通过虚拟技术把一个物理实体变为多个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上的对应物是虚的，是用户感觉上的东西。通过虚拟技术，可以实现虚拟处理器、虚拟内存、虚拟外部设备等。 异步性:程序执行顺序、完成时间等都是不可预知的。,3.1.4 操作系统的基本功能,现代操作系统功能示意图,操作系统,操作系统的基本功能,处理器管理的目的是为了让CPU有条不紊地工作。由于系统内一般都有多道程序存在，这些程序都要享用CPU资源，而在同一时刻，CPU只能执行其中一个程序，故需要把CPU的时间合理地、动态地分配给各道程序，使CPU得到充分利用，同时使得各道程序的需求也能够得到满足。,操作系统的基本功能,存储器管理是指操作系统对计算机系统内存的管理，目的是使用户合理地使用内存。它包括：合理分配内存和及时回收内存；存储保护；扩充内存。 设备管理指对除CPU和内存外所有外部设备的管理。设备管理的目标是保证用户方便的使用各种设备；采用先进的技术比如通道技术、虚拟设备技术、缓冲技术、中断技术等尽可能实现设备并行工作的能力，合理分配设备。,操作系统的基本功能,文件管理是对计算机系统中软件资源的管理，目的是为用户创造一个方便安全的信息使用环境。 文件管理功能包括：文件的结构及存取方法；文件的目录机构及有关处理；文件存储空间的管理；文件的共享和保护；文件的操作和使用。 用户接口有两种类型： 命令接口：用户通过交互命令方式直接或间接地对计算机进行操作。 程序接口：是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的。程也称为应用程序编程接口(Application Programming Interface，API)，用户通过API可以调用系统提供的例行程序，实现既定的操作。,3.2.1 进程及处理器管理,进程: 进程是执行起来的程序，是系统进行资源调度和分配的一个独立单位。进程由程序、数据和进程控制块(PCB)三部分组成。,3.2.1 进程及处理器管理,程序是用于描述进程所要完成的功能。 数据是进程执行时的操作对象。 进程控制块PCB包含了有关进程的描述信息、控制信息以及资源信息量。 PCB是进程的标志。是进程动态特性变化的集中反映。 操作系统就是通过PCB实现对进程的控制和管理。PCB存于系统空间，只有操作系统能够对其存取，用户程序是不能访问的，实际上用户甚至感觉不到PCB的存在。,动态性：进程是运行着的程序，具有一定的生命周期。 并发性：引入进程的目的就是为了使其进程实体能和其他进程实体并发执行。 独立性：是指进程是一个能独立运行、独立进行资源分配和调度的基本单位。 异步性：是指进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。 结构特征：为了管理进程，系统为每个进程创建一套数据结构，记录该进程有关的状态信息。 制约性：由于系统资源有限，多个进程在并发执行过程中相互制约。,进程的基本特性,进程的状态及其转换,在任何时刻，任何进程都处于以下三种基本状态之一。 就绪状态。进程已经获得除CPU之外的其他资源，只要再获得CPU，就立即执行的状态。 执行状态。进程获得了需要的所有资源正在处理机上执行的状态。 阻塞状态，也称为等待状态。阻塞状态是指正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行的状态。,进程状态转换示意图,进程与程序,程序是进程的躯体，是进程的组成部分，一个进程存在的目的就是执行其所对应的程序，没有程序，进程就失去了其存在的意义。但进程与程序不一一对应。一个程序可以多次执行，可以产生多个不同的进程。一个进程也可以对应多个程序。 程序是静态的，它描述的是静态的指令集合及相关的数据结构，程序可以脱离机器长期保存，即使不执行的程序也是存在的，所以程序是无生命的。而进程是动态的，它描述程序执行起来的动态行为，所以进程有生存期，有创建后存在、撤销后消亡的特性。,进程与程序,程序不具有并发性，不占用CPU、存储器及输入输出设备等系统资源，所以不会受到其他程序的制约和影响。而进程具有并发性，在并发执行时，由于需要使用系统资源，受到其他进程的制约和影响。,进程控制,进程从一个状态转换到另一个状态都是在操作系统的控制下进行。这种控制通过原语来实现。 所谓原语是机器指令的延伸，它是由若干条机器指令构成的用于完成特定功能的一段程序。为了保证操作的正确性，规定在一个原语执行期间不许插入任何其他操作。 用于进程控制的原语主要有创建原语、撤销原语、等待原语和唤醒原语等。, 创建原语。一般在操作系统中，都采用树型结构来表示进程之间的关系。一个进程可以创建若干个新进程，创建者称为父进程，被创建者称为子进程。父进程为完成指定的任务创建若干子进程，子进程也可以再去创建自已的子进程，如此下去，构成一个进程家族。 创建进程的主要任务就是建立进程控制块PCB。 撤销原语。若干个进程在完成指定的任务后或因某种原因不再需要时由撤销原语将其撤销，以便释放它所占用的资源。 撤销进程的本质就是删除进程控制块PCB。,进程控制, 等待原语。一个处于执行状态的进程因等待某一事件(如等待输人输出完成、等待另一进程发来消息等)而中止执行时，可使用等待原语将自己转变为等待状态。 唤醒原语。处于等待状态而暂停执行的进程，当其所等待的事件出现或所受的制约消失时，由唤醒原语将其唤醒，变换为就绪状态。,进程控制,进程调度,进程调度即处理器调度。进程调度的任务是为了控制、协调进程对CPU的竞争，按照一定的调度算法使就绪状态的某一进程获得CPU，使该进程转换成运行状态。,先来先服务法。进程调度总是把处理机分配给最先进入就绪队列的进程。刚进入就绪队列的进程排在队尾，每次调度总是从就绪队列中，选择队头进程为之分配处理机，使之投入运行。该进程一直运行到完成或发生某事件而阻塞后，才放弃处理机。,几种进程调度算法,最高优先权优先调度法。进程调度总是把CPU分配给就绪队列中具有最高优先权的进程。最高优先权可在进程创建时设定，并在进程的生存期内保持不变。也可在进程创建时给一个初值，随进程的推进或随其等待时间的增加而改变。前者称为静态优先权，后者称为动态优先权。,几种进程调度算法,时间片轮转法。时间片轮转法主要在分时系统中采用。系统将所有就绪进程按先来先服务的原则排成一个队列，每次调度时，将CPU的使用权分配给队头进程，并令其执行一个时间片。所谓时间片是指系统规定进程每次执行的最长时间(例如100 ms)，处于执行状态的进程时间片用完后即被剥夺CPU的使用权，并排到就绪队列的末尾。,几种进程调度算法,3.2.2 存储器管理,存储器管理的主要对象是内存。计算机的内存空间一般分为系统存储区和用户存储区两个部分，系统存储区存放操作系统以及一些标准子程序和例行程序，用户存储区存放用户的程序和数据，存储管理实际上是对用户存储区的管理。,内存分配与回收 内存共享与保护 地址变换 内存扩充,存储器管理的任务,内存分配与回收 内存分配有静态分配和动态分配两种方式。在现代多道程序系统中，主要采用动态分配方式。 内存空间的共享与保护 内存空间的共享:是指两个或多个进程共用内存中相同的区域。共享的目的是节省内存空间，同时还可以实现进程间的通信。 内存保护:在多道程序运行的环境下，为避免内存中若干道程序间的相互干扰，必须对内存采取保护措施。,地址变换 对于用户程序经过编译或汇编后形成的目标代码，通常采用的是相对地址形式，首地址为零，这个相对地址称为逻辑地址或虚拟地址。 内存中某个存储单元的编号称为物理地址。 地址变换，也被称为地址重定位，是指当系统将用户程序装入内存时，为确保CPU执行程序指令时能正确地访问内存单元，需要将用户程序的逻辑地址转换为内存中的物理地址的过程。地址重定位分为静态重定位和动态重定位。,内存扩充 内存扩充是指将外存作为内存的扩充部分提供给程序使用，使程序得到比实际内存容量大得多的“内存”空间。,存储管理的方法,1) 单一连续分配存储管理 这是最简单的一种存储管理方式，只适用于单用户、单任务的操作系统。 2) 分区存储管理 分区存储管理的基本原理是给内存中的每一个运行的进程划分一块适当大小的存储区，以连续存储各程序的进程和数据，使各进程能并发执行。按分区的时机，分区存储管理分为固定分区和动态分区。 3) 虚拟存储管理 虚拟存储技术的基本思想是把有限的内存空间与大容量的外存统一管理起来，构成一个远大于实际内存的、虚拟的存储器。,虚拟存储管理,3.3.1 WINDOWS操作系统,WINDOWS是MicroSoft公司的产品。 WINDOWS是一个单用户多任务操作系统。 WINDOWS操作系统的特点 全新的图形用户界面。 多任务并行执行能力。 灵活多样的操作方式。 功能强大的应用程序携带。 外部设备的即插即用。 系统配置的个性化。 自由直观的文件命名。 强大的多媒体表现能力 。 方便便捷的联网手段。 数据安全的得力措施。,3.3.2 UNIX操作系统,UNIX操作系统是一个多用户、多任务的分时操作系统。 其主要特点表现在以下方面： 多用户的分时操作系统。 可移植性好。 可靠性强。 开放式系统。 向用户提供了两种友好的用户界面。 具有可装卸的树型分层结构文件系统。 设备独立性。,3.3.3 Linux,Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，它主要用于基于Intel x86系列CPU的计算机上 。 Linux有很多发行版本，较流行的有：RedHat Linux、Debian Linux、RedFlag Linux等。,3.3.4 Mac操作系统,Mac操作系统是苹果机专用系统，是基于Unix内核的图形化操作系统，正常情况下在普通PC机上无法安装该操作系统。 现行的最新的系统版本是Mac OS X 10.7 Lion, Mac OS X已经正式被苹果公司改名为OS X。,作业题,习题3: 3-1 3-2、 3-3的1