計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)第四版課件

1、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),Computer Operating System,課程簡介How many?, DOS（Disk Operating System） DOS是個(gè)人計(jì)算機(jī)上的一類操作系統(tǒng)。 1980年，IBM公司選微軟為其新PC機(jī)編寫關(guān)鍵的操作系統(tǒng)。微軟從帕特森手中買下操作系統(tǒng)QDOS的使用權(quán)，部分改寫后給IBM，命名為Microsoft DOS。IBM-PC機(jī)的普及使MS-DOS取得了巨大成功。,我們所熟知的操作系統(tǒng),2001年10月25日，微軟推出Windows XP操作系統(tǒng)，比爾.蓋茨宣布：“DOS時(shí)代到此結(jié)束?！? Windows系列, Unix,Unix是一個(gè)強(qiáng)大的多用戶、多任務(wù)操作

2、系統(tǒng)。它用C語言編寫，支持多種處理器架構(gòu)，按照操作系統(tǒng)的分類，屬于分時(shí)操作系統(tǒng)，最早由1969年在AT return 0; ,用戶告訴操作系統(tǒng)執(zhí)行hello程序 操作系統(tǒng)找到該程序，檢查其類型 檢查程序首部，找出正文和數(shù)據(jù)的地址 文件系統(tǒng)找到第一個(gè)磁盤塊 父進(jìn)程需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的子進(jìn)程，執(zhí)行hello程序 操作系統(tǒng)需要將執(zhí)行文件映射到進(jìn)程結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)設(shè)置CPU上下文環(huán)境，并跳到程序開始處 程序的第一條指令執(zhí)行，失敗，缺頁中斷發(fā)生 操作系統(tǒng)分配一頁內(nèi)存，并將代碼從磁盤讀入，繼續(xù)執(zhí)行更多的缺頁中斷，讀入更多的頁面,程序執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，在文件描述符中寫一字符串 操作系統(tǒng)檢查字符串的位置是否正確 操作系

3、統(tǒng)找到字符串被送往的設(shè)備 設(shè)備是一個(gè)偽終端，由一個(gè)進(jìn)程控制 操作系統(tǒng)將字符串送給該進(jìn)程 該進(jìn)程告訴窗口系統(tǒng)它要顯示字符串 窗口系統(tǒng)確定這是一個(gè)合法的操作，然后將字符串轉(zhuǎn)換成像素,窗口系統(tǒng)將像素寫入存儲(chǔ)映像區(qū) 視頻硬件將像素表示轉(zhuǎn)換成一組模擬信號(hào)控制顯示器（重畫屏幕） 顯示器發(fā)射電子束 你在屏幕上看到hello world,與硬件的關(guān)系： 控制CPU的工作 訪問存儲(chǔ)器 設(shè)備驅(qū)動(dòng)、中斷處理。,與用戶及應(yīng)用程序的關(guān)系： 提供方便的用戶界面、 提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。,1. OS與各層的關(guān)系,操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中的位置,下層硬件環(huán)境： 提供OS運(yùn)行基礎(chǔ); 限制了OS的功能實(shí)現(xiàn),2. 各層對操作系統(tǒng)的制約,上層軟

4、件: 對OS提出要求 良好的用戶界面,與開發(fā)者的關(guān)系,1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程 1.3 操作系統(tǒng)的基本特性 1.4 操作系統(tǒng)的主要功能 1.5 OS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一章 操作系統(tǒng)引論,本章學(xué)習(xí)目標(biāo),掌握什么是操作系統(tǒng) 掌握操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用 了解操作系統(tǒng)的發(fā)展過程，掌握不同種類操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) 理解操作系統(tǒng)的基本特性 掌握操作系統(tǒng)的主要功能 了解常用的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用,有效性 改善資源利用率，提高系統(tǒng)吞吐量 方便性 使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用起來更方便 可擴(kuò)充性 能夠不斷適應(yīng)發(fā)展的要求 開放性 使來自不同廠家的計(jì)算機(jī)和設(shè)備能夠有效地協(xié)同工作

5、，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的可移植性和互操作性,操作系統(tǒng)的目標(biāo),操作系統(tǒng)的作用,OS作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口 OS處于用戶和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間，用戶通過OS使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 用戶可以通過命令方式、系統(tǒng)調(diào)用方式和圖形、窗口方式使用計(jì)算機(jī),用戶,應(yīng)用程序,系統(tǒng)調(diào)用 命令 圖標(biāo)、窗口 操作系統(tǒng),計(jì)算機(jī)硬件,OS作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者 硬件資源：處理器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備 信息資源：程序和數(shù)據(jù),OS實(shí)現(xiàn)了對計(jì)算機(jī)資源的抽象 當(dāng)計(jì)算機(jī)上覆蓋了操作系統(tǒng)后，便為用戶提供了一臺(tái)功能顯著增強(qiáng)，使用更加方便，效率明顯提高的虛擬計(jì)算機(jī),用戶,物理接口,硬件,用戶需了解物理接口的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)； 利用機(jī)器指令進(jìn)行編程,用戶無需了解

6、物理接口的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)； 在窗口環(huán)境下使用計(jì)算機(jī),不斷提高計(jì)算機(jī)資源利用率 計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴！從單個(gè)作業(yè)到批處理作業(yè)，從單道程序到多道程序，以及SPOOLing，虛擬存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下允許所有網(wǎng)絡(luò)用戶訪問文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 方便用戶 改善用戶上機(jī)、調(diào)試程序時(shí)的環(huán)境 器件的不斷更新?lián)Q代 微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動(dòng)著計(jì)算機(jī)器件的更新?lián)Q代。如芯片從8位16位 32位64位。存儲(chǔ)設(shè)備從磁盤移動(dòng)硬盤閃存盤掃描儀等。 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展 單處理機(jī)系統(tǒng)到多處理系統(tǒng)，支持網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),OS在短短50年中取得了很大的發(fā)展。規(guī)模由原來的數(shù)十KB發(fā)展到如今的數(shù)千萬行代碼，其發(fā)展的主要?jiǎng)恿w結(jié)為如下所述的四個(gè)

7、方面：,操作系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)力,不斷提高計(jì)算機(jī)資源利用率 方便用戶 器件的不斷更新?lián)Q代 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展,操作系統(tǒng),操作系統(tǒng),1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程,無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（第一代計(jì)算機(jī)）,人工操作 穿孔卡片用于輸入數(shù)據(jù)和程序，F(xiàn)ortan程序表達(dá)式Z(1) = Y + W(1),穿孔紙帶既用來輸入數(shù)據(jù)，輸出同樣也在穿孔紙帶上。每一行代表一個(gè)字符。,脫機(jī)輸入輸出,單道批處理系統(tǒng)（第二代計(jì)算機(jī)） 一批作業(yè)存到磁帶，由監(jiān)督程序控制逐個(gè)運(yùn)行。自動(dòng)、順序、單道。,在t2t3、t6t7時(shí)間間隔內(nèi)CPU空閑,多道批處理系統(tǒng)（第三代計(jì)算機(jī)） 一批作業(yè)存到外存，由調(diào)度程序選擇若干個(gè)作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存，共享C

8、PU。 多道批處理系統(tǒng)的特征：多道性、無序性、調(diào)度性。 優(yōu)點(diǎn)：資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大。 缺點(diǎn)：平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長、無交互能力。 多道批處理系統(tǒng)必須解決下列問題： (1) 處理機(jī)管理問題。 (2) 內(nèi)存管理問題。 (3) I/O設(shè)備管理問題。 (4) 文件管理問題。 (5) 作業(yè)管理問題。,分時(shí)系統(tǒng) 將一臺(tái)計(jì)算機(jī)提供給多個(gè)用戶同時(shí)使用。每個(gè)作業(yè)只運(yùn)行一個(gè)很短的時(shí)間片，然后暫停該作業(yè)的運(yùn)行，并立即調(diào)度下一個(gè)程序運(yùn)行。在不長的時(shí)間(如3秒)內(nèi)能使所有的用戶作業(yè)都執(zhí)行一次。特征：多路、獨(dú)立、及時(shí)、交互。,實(shí)時(shí)系統(tǒng) 系統(tǒng)能及時(shí)(或即時(shí))響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)

9、任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。 特征： 多路、獨(dú)立、及時(shí)、交互、可靠,微機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展（第四代計(jì)算機(jī)） 單用戶單任務(wù)微機(jī)操作系統(tǒng)：CP/M和MS-DOS。 單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)，微軟公司推出的Windows。 多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)，UNIX OS。最有影響的兩個(gè)能運(yùn)行在微機(jī)上的UNIX操作系統(tǒng)的變型是Solaris OS和Linux OS。,1.3操作系統(tǒng)的基本特性,并發(fā)性 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中同時(shí)存在多個(gè)程序。 宏觀上：這些程序是同時(shí)在執(zhí)行的 微觀上：任何時(shí)刻只有一個(gè)程序在執(zhí)行（即微觀上這些程序在CPU上輪流執(zhí)行） 思考：并發(fā)與并行的區(qū)別？ 并行性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生； 并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事

10、件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。,共享性 共享指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的資源可被多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的用戶程序和系統(tǒng)程序共同使用。 在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問的資源稱為臨界資源或獨(dú)占資源，如：打印機(jī)。 可供多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)”訪問的資源，如磁盤。,虛擬技術(shù) 虛擬是指物理上沒有提供，但是邏輯上卻具備的功能。在用戶看來好像是物理上原來就具有的功能一樣。 虛擬處理機(jī) 虛擬設(shè)備 虛擬磁盤 虛擬存儲(chǔ)器,異步性 多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，由于資源等因素的限制，進(jìn)程的執(zhí)行通常都不是“一氣呵成”，而是以“停停走走”的方式運(yùn)行。 進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，此即進(jìn)程的異步性。,1.4操作系統(tǒng)的主要功能,處理機(jī)管理功能2、3章 存儲(chǔ)器管理

11、功能4章 設(shè)備管理功能5章 文件管理功能6章 操作系統(tǒng)與用戶之間的接口7章,1.5 OS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 無結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng) 模塊化結(jié)構(gòu)OS,分層式結(jié)構(gòu)OS 從裸機(jī)A0開始，在它上面添加一層軟件，形成了一臺(tái)功能比原來機(jī)器要強(qiáng)的虛擬機(jī)A1。又從A1出發(fā)，在它上面添加一層新的軟件，把A1改造成功能更強(qiáng)的虛擬機(jī)A2。就這樣“添加擴(kuò)充再添加”，最終實(shí)現(xiàn)一臺(tái)具有所需操作系統(tǒng)各項(xiàng)功能的虛擬機(jī)。,客戶/服務(wù)器模式 客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的思想如下：將操作系統(tǒng)分成兩大部分，一是運(yùn)行在用戶態(tài)并以客戶/服務(wù)器方式活動(dòng)的進(jìn)程；二是運(yùn)行在核心態(tài)的內(nèi)核。,面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì) OS中的各類實(shí)體如進(jìn)程、線程、消息、存儲(chǔ)器和文件等，都使用對象的概念，相應(yīng)地，便有了進(jìn)程對象、線程對象、存儲(chǔ)器對象和文件對象等。通過“重用”提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率，系統(tǒng)具有更好的易修改性和易擴(kuò)展性，保證系統(tǒng)的“正確性”和“可靠性”。,微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu) 微內(nèi)核