第8章_操作系统

第8章操作系统操作系统的形成与发展操作系统的定义、特征和功能操作系统的分类操作系统的功能□处理机管理□存储管理□文件管理8.1操作系统的形成与发展四个阶段：1．“手工操作”阶段（40年代）2．早期批处理系统—(联机批处理)(50年代初)3．早期批处理系统—(脱机批处理)(50年代中)4．执行系统（50年代末）1．“手工操作”阶段（40年代）计算机发展初期，计算机系统基本上仅由硬件组成(没有OS)，整个系统是由用户直接控制使用，又称“手工操作”阶段。输入设备主机磁带控制台输出设备卡片阅读机纸带输入机辅存远控部件内存纸带打孔机打印机早期计算机系统1．“手工操作”阶段（40年代）缺陷：因为计算机速度慢，存储量小，外设又简单，所以辅存主要借助卡片。用户上机时一人独占全机资源；程序运行前的准备时间过长；人机矛盾：人的操作速度与机器运行速度相比，仍存在速度极不匹配的矛盾(CPU等待人工操作—装卡片)。2．早期批处理系统—(联机批处理)(50年代初)为了缓和早期使用计算机时存在的人－机速度严重不匹配的矛盾，提高资源利用率，人们开始利用计算机系统中的软件来代替操作员的部分工作，从而产生了早期批处理系统。基本思想：设计一常驻内存的程序（monitor），操作员有选择地把若干作业合成一批，安装到输入设备上，并启动监督程序，然后由监督程序自动控制这批作业运行，从而减少部分人工干预，有效地缩短了作业运行前的准备时间，相对地提高CPU的利用率。缺点：I/O慢速，与CPU的高速不匹配；用户交互性差。3．早期批处理系统—(脱机批处理)(50年代中)原理：磁带机的传输速度比卡片机、光电机和打印机的速度快，用磁带机代替这类低速外设可进一步缩短CPU与外设间速度上的差异，提高CPU的利用率。(实现主机与卫星机的并行操作)。缺点：因为系统中作业之间仍以串行方式被处理，所以无法继续提高CPU、内存利用率，为从根本上解决这一问题，提出了多道程序设计技术。读卡机打印机卫星机输入带输出带输入带输出带主机4．执行系统（50年代末）磁盘通道主机通道卡片机通道打印机spooling系统作业#4．执行系统（50年代末）原理：硬件技术取得了两个方面的重大进展：通道技术的引进；中断技术的发展，使得通道具有中断主机工作的能力。为了提高资源利用率，人们开始使用输入输出缓冲、脱机输入输出、Spooling（SimultaneousPeripheralOperationOn-Line外部设备联机并行操作，通常称为“假脱机技术”）等技术，尤其是引入了“多道程序设计”，使简单批处理系统发展为高级批处理系统。主机与通道之间借助中断相互通讯，通讯受主机直接控制。优点：主机与外设实现了并行工作。监督程序与中断处理程序合称执行系统。监督程序长住内存，负责程序切换。缺点：因为系统中作业之间仍以串行方式被处理，所以效率不高。引入“多道程序设计”后，单道批处理系统发展为多道批处理系统。多道批处理系统的出现，标志着操作系统正式形成。8.2操作系统的定义、特征和功能一、操作系统的定义定义：操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程以及方便用户使用计算机的一个大型程序。操作系统是在裸机上加载的第一层软件，是对计算机硬件系统功能的首次扩充。从用户的角度看，操作系统隐蔽了硬件的复杂细节，用户会感到机器使用起来更简单、更容易了——就好像为用户提供了一台功能经过扩展的“虚拟机”。从计算机系统的角度看，由于操作系统的组织与管理，系统中的各种硬、软件资源得到了更有效的利用，机器的工作流程更为合理与协调。因此，操作系统是现今计算机系统中不可缺少的一个系统软件。8.2操作系统的定义、特征和功能二、操作系统的特征（1）并发性：在计算机系统中，同时存在多个程序，从宏观上看程序是同时向前推进的（但在微观上，程序是顺序执行的，需一定硬件基础，在单CPU上轮流执行）。（2）共享性：操作系统程序和多个用户程序共同使用系统中各种资源。（3）随机性：运行结果与推进速度随机。总之，共享是目的，并发是手段，由于并发带来了系统的随机性。8.2操作系统的定义、特征和功能三、操作系统的功能从资源管理的角度看，操作系统具有四大功能：处理机管理存储管理设备管理文件管理这四大部分相互配合，协同工作，实现对计算机系统的资源管理和控制程序的执行。8.3操作系统的分类批处理系统分时操作系统实时操作系统网络操作系统分布式操作系统8.3.1批处理操作系统1．单道批处理系统在单道批处理操作系统的控制和管理下，用户为自己的作业编写程序和准备数据，同时编写控制作业运行的作业说明书。特点：单路性：每次只允许一个用户程序调入内存。独占性：整个系统资源被内存中的一个程序占用，因而资源利用率不高。自动性：作业一个个地自动接受处理，期间用户不得干预。省却了作业上下机时用户手工耗费的时间，因此，提高了系统的吞吐量。封闭性：由于用户无法干预，即使某个程序出现一个小错误，也必须等到整批作业完成。8.3.1批处理操作系统2.多道批处理系统是在单道批处理的基础上，引入多道程序设计技术而产生的。配置多道批处理操作系统的本质仍然是批处理。不同的是由于采用了多道程序设计技术，允许若干个作业程序同时装入内存，造成对系统资源共享与竞争的态势。用户为自己的作业编写程序和准备数据，同时编写控制作业运行的作业说明书，然后将它们一并交给操作员。特点：多路性：每次允许多个用户程序进入内存，它们轮流交替地使用CPU，提高了内存储器和CPU的利用率。共享性：整个系统资源被进入内存的多个程序共享使用，因此整个系统资源的利用率较高。自动性（同前）封闭性（同前）8.3.2分时操作系统将多道程序设计技术与分时技术结合在一起，就产生了分时操作系统。配有分时操作系统的计算机系统称为分时系统。所谓分时系统，即一台计算机与多个终端设备连接，最简单的终端可以由一个显示器和一个键盘组成。每个用户通过终端向系统发出命令，请求系统为其完成某项工作。系统根据用户的请求完成指定的任务，并把执行结果返回。这样用户可以根据运行结果，再次通过终端向系统提出下一步请求。重复这种交互会话过程，直至每个用户实现自己的预定目标。8.3.2分时操作系统8.3.2分时操作系统分时系统之所以能在较短的时间内响应用户的请求，同时为多个终端用户提供服务，主要是采用了“时间片轮转”的处理机调度策略。即：把处理机时间划分成一个个很短的“时间片”，对提出请求的每个联机用户终端，系统轮流分配一个时间片给其使用。若在一个时间片内，用户所请求的工作未能全部做完，就会被暂时中断执行，等待下一轮循环再继续做，让出的CPU被分配给另一个终端使用。只要时间片的间隔取得适当，那么用户就不会感觉到从一个时间片跨越到另一个时间片之间的“停顿”，就好像整个系统被其“独占”。例如，若时间片为100ms，系统中有10个用户终端分享CPU，并假定忽略操作系统为实现用户终端之间的切换所需耗费的时间，那么每个用户平均响应时间（即从用完一个时间片到获得下一个时间片所需的时间间隔）为1s。这1s钟的“停顿”，用户是完全感觉不出来的。8.3.2分时操作系统分时系统目标与多道批处理目标的对比：分时系统目标：对用户请求快速反应。多道批处理目标：提高机器效率。分时系统的特点：多路性交互性独占性及时性8.3.3实时操作系统随着计算机应用范围日益扩大，比如在控制飞机飞行、导弹发射以及冶炼轧钢等生产过程中采用了实时控制系统，在飞机订票、银行业务中采用了实时信息处理系统，它们都打破了只把计算机用于科学计算和数据处理等方面的格局。所谓“实时”，是指能够及时响应随机发生的外部事件、并对事件做出快速处理的一种能力。而“外部事件”，是指与计算机相连接的设备向计算机发出的各种服务请求。因此，可以把实时操作系统说成是能对来自外部的请求和信号在限定的时间范围内做出及时响应的操作系统。8.3.3实时操作系统8.3.3实时操作系统图1-5所示是一个用计算机系统控制化学生产反应的例子。A、B两种原料通过阀门进入反应堆。反应堆中的各种传感装置周期性地把所测得的温度、压力、浓度等测量信号传送给计算机系统。计算机中的实时操作系统及时接收这些信号，并调用指定的处理程序对这些数据进行分析，然后给出反馈信号，控制两种原料A、B的流量，确保反应堆中的诸原料参数维持在正常范围之内。若参数超过极限允许值，就立即发出报警，甚至关闭反应堆，以免发生事故。特点：（1）及时性：对外部请求在严格时间范围内作出响应；（2）可靠性：系统保证不出错；（3）专机专用8.3.4网络操作系统在网络范围内，用于管理网络通信和共享资源，协调各计算机上任务的运行，并向用户提供统一的、有效方便的网络接口的程序集合，就称为网络操作系统。要说明的是，在网络中各独立计算机仍有自己的操作系统，由它管理着自身的资源。只有在它们要进行相互间的信息传递、要使用网络中的可共享资源时，才会涉及到网络操作系统。特点：自治性，互联性，统一性，具有资源共享及信息交换功能等。8.3.5分布式操作系统分布式软件系统(DistributedSoftwareSystems)，是支持分布式处理的软件系统，是在由通信网络互联的多处理机体系结构上执行任务的系统。分布式处理系统将不同地点的或具有不同功能的或拥有不同数据的多台计算机用通信网络连接起来，在控制系统的统一管理控制下，协调地完成信息处理任务的计算机系统。广义上说，分布式处理也可以认为是一种并行处理形式。一般认为，集中在同一个机柜内或同一个地点的紧密耦合多处理机系统或大规模并行处理系统是并行处理系统，而用局域网或广域网连接的计算机系统是分布式处理系统。松散耦合并行计算机中的并行操作系统有时也称为分布式处理系统。特点：系统处理能力增强，运算速度加快，系统可靠性增强8.3.5分布式操作系统网络操作系统和分布式操作系统的区别：（1）分布式操作系统的各个计算机间相互通讯，无主从关系；网络操作系统的计算机有主从关系。（2）分布系统资源为所有用户共享；而网络系统为有限制地共享。（3）分布系统中若干个计算机相互协作共同完成一项任务（多机合作）。（4）分布式操作系统比网络系统健壮。8.4处理机管理分为作业管理和进程管理。（1）进程的引入由于在多道程序系统带来的更为复杂的环境中，使程序具有了并行、制约和动态的特征，使得原有的程序概念已难以表示和反映系统中的情况，主要表现在以下两方面：程序本身完全是一个静态的概念；程序概念已不能反映系统中的并行特性。综上所述，程序的概念已无法表示多道程序系统中程序运行的过程，为了刻划系统内部出现的情况，描述系统内部各作业的活动规律而引进了一个新的概念——进程。进程的概念是操作系统中最基本、最重要的概念。8.4处理机管理（2）进程的定义进程的定义为：进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度运行的基本单位。8.4处理机管理（3）处理机管理功能如何从多个作业中挑选作业进入主存运行、如何在进程间分配处理机等问题无疑是操作系统的资源管理功能中的一个重要问题。一般来说，处理机调度可以分成三级：高级调度中级调度低级调度8.4处理机管理一、高级调度又称作业调度，其主要功能是按照某种原则从磁盘某些盘区的作业队列中选取作业进入主存，并为作业做好运行前的准备工作和作业完成后的善后工作。二、中级调度它决定哪些进程暂时不允许参与竞争处理机资源。中级调度主要只是起到短期调整系统负荷的作用，所使用的方法是通过“挂起”和“解除挂起”一些进程，来达到平顺系统操作的目的。8.4处理机管理三、低级调度：又称进程调度，其主要功能是按照某种原则将处理机分配给就绪进程。执行低级调度功能的程序称为进程调度程序，由它实现处理机在进程间的转换。必须常驻主存，是操作系统内核的主要部分。8.4处理机管理作业调度程序在挑选作业进入主存运行时，要为该作业建立相应的进程。在作业完成后要撤消该作业的全部进程。因此，作业调度程序要调用操作系统内核所提