第十六章軟件工程概述

1、第7章操作系統(tǒng)引論,,本章基本內(nèi)容與要求,基本內(nèi)容操作系統(tǒng)做什么操作系統(tǒng)功能操作系統(tǒng)的分類(lèi)操作系統(tǒng)的特征操作系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析,本章基本內(nèi)容與要求,要求掌握操作系統(tǒng)的基本概念掌握操作系統(tǒng)的功能、分類(lèi)、特征、了解操作系統(tǒng)的性能、結(jié)構(gòu),7.1 操作系統(tǒng)的作用,從一般用戶(hù)角度來(lái)看所謂計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，是指控制和管理計(jì)算機(jī)的軟、硬件資源，合理組織計(jì)算機(jī)的工作流程，方便用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序集合。從程序員的角

2、度看操作系統(tǒng)就是一臺(tái)能夠?yàn)橛脩?hù)提供高級(jí)編程接口、便于使用的虛擬機(jī)。,7.2 操作系統(tǒng)功能,進(jìn)程管理存儲(chǔ)管理設(shè)備管理文件管理用戶(hù)接口,1.進(jìn)程管理,進(jìn)程管理又稱(chēng)“處理機(jī)管理”，其主要功能是對(duì)中央處理器（CPU）進(jìn)行管理。多道程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是多個(gè)程序共享CPU資源，CPU的利用率較高。在多道程序設(shè)計(jì)環(huán)境中，為了保證系統(tǒng)的安全，將指令分成特權(quán)指令和非特權(quán)指令。只允許操作系統(tǒng)程序執(zhí)行的指令稱(chēng)為特權(quán)指令，一般用戶(hù)不允許使用特權(quán)指令

3、。指令集合中除特權(quán)指令之外的指令稱(chēng)為非特權(quán)揩令。在多道程序設(shè)計(jì)環(huán)境中，中央處理器交替地執(zhí)行操作系統(tǒng)程序和用戶(hù)程序。當(dāng)CPU正在執(zhí)行操作系統(tǒng)程序時(shí)，稱(chēng) CPU處于系統(tǒng)態(tài)（又稱(chēng)管態(tài)、核心態(tài)）；當(dāng) CPU正在執(zhí)行用戶(hù)程序時(shí)，稱(chēng)CPU處于用戶(hù)態(tài)（又稱(chēng)目態(tài)）。,2.存儲(chǔ)管理,存儲(chǔ)管理的主要功能是管理內(nèi)存資源。當(dāng)多道程序共享內(nèi)存資源時(shí)，需要合理地為它們分配內(nèi)存空間，將程序地址空間快速正確地映射到物理地址空間，并保證用戶(hù)的程序和數(shù)據(jù)能夠相互隔離、

4、互不干擾。隨著用戶(hù)程序的不斷增大，內(nèi)存資源常常捉襟見(jiàn)肘，所以需要解決內(nèi)存擴(kuò)充的問(wèn)題，即把內(nèi)存和外存統(tǒng)一起來(lái)管理，只需將程序的一部分調(diào)入內(nèi)存，另一部分仍留在外存中，程序可以在內(nèi)、外存之間互換，為用戶(hù)提供一個(gè)容量比實(shí)際內(nèi)存大得多的虛擬存儲(chǔ)器，以保證大程序的運(yùn)行。,3.設(shè)備管理,計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的種類(lèi)繁多、功能差異很大，管理困難。操作系統(tǒng)設(shè)備管理的主要功能是按一定的策略為進(jìn)程分配外部設(shè)備、啟動(dòng)外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，使用戶(hù)不必了解設(shè)備以及接口的

5、技術(shù)細(xì)節(jié)就可以方便地對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。為了彌補(bǔ)CPU和外部設(shè)備速度的差異，提高CPU和外設(shè)之間的并行能力，系統(tǒng)采用了中斷技術(shù)、通道技術(shù)、緩沖技術(shù)和虛擬設(shè)備技術(shù)等，為用戶(hù)提供了功能強(qiáng)大、界面友好的設(shè)備使用手段。,4.文件管理,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中大量信息總是以文件形式保存在外存儲(chǔ)器上。操作系統(tǒng)必須向用戶(hù)提供能快速、有效、合理地存取這些數(shù)據(jù)的手段。文件管理的主要任務(wù)是有效地管理文件的存儲(chǔ)空間，合理組織和管理文件系統(tǒng)的目錄，支持對(duì)文件的存儲(chǔ)、讀寫(xiě)操作，

6、解決文件信息的共享、保護(hù)及訪問(wèn)控制等。,5.為用戶(hù)提供接口,7.3 操作系統(tǒng)的分類(lèi),批處理系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)桌面PC機(jī)操作系統(tǒng)手持設(shè)備操作系統(tǒng)云計(jì)算操作系統(tǒng)其他類(lèi)型的操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng),一、批處理系統(tǒng),批處理系統(tǒng)也稱(chēng)為作業(yè)處理系統(tǒng)。在批處理系統(tǒng)中，操作人員將作業(yè)成批地裝入計(jì)算機(jī)中，由操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中某個(gè)特定區(qū)域（一般稱(chēng)為輸入井）將其組織好并按一定的算法選擇其中的一個(gè)或幾個(gè)作業(yè)，將其調(diào)人內(nèi)存使其運(yùn)行。運(yùn)

7、行結(jié)束后，把結(jié)果放入“輸出井”，由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一輸出后，交給用戶(hù)。批處理系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)吞吐量大，資源利用率高。所謂“吞吐量”是指單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)所能完成的任務(wù)的總和。批處理系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是交互能力比較差。,二、分時(shí)系統(tǒng),分時(shí)系統(tǒng)允許多個(gè)用戶(hù)同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)。不同用戶(hù)通過(guò)各自的終端以交互方式使用計(jì)算機(jī)，共享主機(jī)的各種軟、硬件資源。分時(shí)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：1）同時(shí)性 2）交互性 3）獨(dú)立性 4）及時(shí)性 分時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)提高

8、了系統(tǒng)資源的利用率，減少了系統(tǒng)維護(hù)人員，節(jié)省了開(kāi)支，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的普及，顯著地提高了研究、檢查和調(diào)試程序的效率。,三、實(shí)時(shí)系統(tǒng),實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指能夠及時(shí)響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件，并在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)完成對(duì)該事件處理的系統(tǒng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)可分為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)。1．實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)2．實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)3．實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征實(shí)時(shí)系統(tǒng)最主要的特征就是其快速的處理能力，適應(yīng)實(shí)時(shí)性的要求。,四、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)通信設(shè)施把地理上分散

9、的具有自制能力的計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、資源共享和互操作為目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是建立在主機(jī)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，用于管理網(wǎng)絡(luò)通信和共享資源，協(xié)調(diào)各主機(jī)上任務(wù)的運(yùn)行，并向用戶(hù)提供統(tǒng)一的、有效的網(wǎng)絡(luò)接口的軟件集合，包括網(wǎng)絡(luò)管理、通信、資源共享、系統(tǒng)安全和多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)。,五、分布式操作系統(tǒng),分布式操作系統(tǒng)是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將物理上分散且具有自制能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息和資源共享，協(xié)作完成任務(wù)。分布式系統(tǒng)要求一個(gè)統(tǒng)一的操作

10、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的統(tǒng)一管理。分布式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理分布式系統(tǒng)中的所有資源，包括整個(gè)系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度、任務(wù)劃分、數(shù)據(jù)傳輸、協(xié)調(diào)工作，并為用戶(hù)提供一個(gè)統(tǒng)一的界面，用戶(hù)通過(guò)該界面使用系統(tǒng)資源時(shí)無(wú)須了解資源的位置。,7.4 操作系統(tǒng)的特征,并發(fā)性共享性不確定性虛擬性,一、并發(fā)性,并發(fā)性又稱(chēng)為同時(shí)性，是指在操作系統(tǒng)中同時(shí)存在許多活動(dòng)，這些活動(dòng)都已經(jīng)開(kāi)始但又沒(méi)有結(jié)束。在操作系統(tǒng)中，并發(fā)性和并行性是既相似又有區(qū)別的兩個(gè)概念。其中并發(fā)性是指兩

11、個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生；而并行性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生。在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一時(shí)刻僅能執(zhí)行一道程序。故微觀上程序是交替運(yùn)行的，而宏觀上程序是并發(fā)運(yùn)行的。,二、共享性,由于操作系統(tǒng)的并發(fā)性，使整個(gè)系統(tǒng)的軟、硬件資源不再為某個(gè)程序所獨(dú)占，而是由許多程序共同使用，即許多程序共享系統(tǒng)中的各種資源。資源共享是由于并發(fā)而引起的，如果沒(méi)有并發(fā)性，系統(tǒng)中只允許一個(gè)程序運(yùn)行，所有資源都由該程序獨(dú)享，自然不存在共享性的問(wèn)題。但是，如果操作

12、系統(tǒng)不對(duì)被共享的資源實(shí)施有效的管理，并發(fā)程序也無(wú)法正常運(yùn)行?？梢哉f(shuō)，并發(fā)性和共享性是操作系統(tǒng)的兩個(gè)最基本的特征。,三、不確定性,在多道程序設(shè)計(jì)中，各個(gè)程序之間存在著直接或間接的聯(lián)系，程序的推進(jìn)速度受它的運(yùn)行環(huán)境的影響。同一程序和數(shù)據(jù)的多次運(yùn)行可能得到不同的結(jié)果，程序的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行順序也具有不確定性；外部輸入的請(qǐng)求、運(yùn)行故障發(fā)生的時(shí)間不可預(yù)測(cè)，這些都是不確定性的表現(xiàn)。,四、虛擬性,操作系統(tǒng)中經(jīng)常使用“虛擬”這個(gè)概念。在只有一個(gè)CPU的計(jì)

13、算機(jī)上可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，每個(gè)程序都好像獨(dú)占了一個(gè)CPU；由于用戶(hù)分時(shí)使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，好像每人都在使用一臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)一樣；在一臺(tái)物理內(nèi)存只有1MB的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行了總?cè)萘砍^(guò)5MB的程序，好像用戶(hù)擁有一臺(tái)內(nèi)存為5MB甚至更大的計(jì)算機(jī)一樣……，這些都是操作系統(tǒng)虛擬性的表現(xiàn)。,7.5 操作系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià),可靠性方便性效率可維護(hù)性可移植性,一、可靠性,作為用戶(hù)來(lái)說(shuō)，希望操作系統(tǒng)是絕對(duì)可靠的。但由于操作系統(tǒng)的并發(fā)性、共享性等特點(diǎn)，要

14、做到絕對(duì)可靠是比較困難的。一般采取如下措施以便產(chǎn)生一個(gè)可靠性較好的操作系統(tǒng)：1）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免可能的軟、硬件故障。2）在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，一旦出錯(cuò)應(yīng)能及時(shí)檢測(cè)，減少損失。3）系統(tǒng)一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，要能迅速找出其原因，確定其發(fā)生的位置，盡快地排除錯(cuò)誤。4）盡快地對(duì)因錯(cuò)誤造成的損失進(jìn)行修復(fù)。,二、方便性,計(jì)算機(jī)硬件只能識(shí)別二進(jìn)制0和1代碼，用戶(hù)如果直接使用裸機(jī)很不方便，裸機(jī)上配置了操作系統(tǒng)以后，大大地提高了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理能力。用戶(hù)通

15、過(guò)操作系統(tǒng)提供的接口使用計(jì)算機(jī)更方便，也更易學(xué)習(xí)。,三、效率,效率是操作系統(tǒng)的一個(gè)重要的性能指標(biāo)。一般由4個(gè)參數(shù)來(lái)衡量系統(tǒng)的效率：1）系統(tǒng)的吞吐量 即在單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)處理作業(yè)的數(shù)量。吞吐量越大，系統(tǒng)的效率越高。2）資源利用率 即系統(tǒng)中各部件的使用程度。要求資源利用率要高。3）批處理系統(tǒng)的作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間 要求作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間越短越好。4）響應(yīng)時(shí)間 從用戶(hù)向系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求到獲得系統(tǒng)的應(yīng)答所需的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短越好。,四、可維護(hù)性,