01第一章操作系統(tǒng)概述

1、操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) (Operating Systems, OS) http:/ 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) nA. Silberschatz, P. Galvin, Operating System Concepts, 7th edition, Wiley, 高等高等 教育出版社教育出版社,2007. n系統(tǒng)，完善，國(guó)外大學(xué)多選用系統(tǒng)，完善，國(guó)外大學(xué)多選用 nA. Silberschatz, P. Galvin, Greg Gagne. Applied Operating System Concepts, John Wiley n如果計(jì)算機(jī)速度提高到如果計(jì)算機(jī)速度提高到600,000次次/s, 同樣程序

2、運(yùn)行只需同樣程序運(yùn)行只需6s, 而手動(dòng)操作時(shí)間而手動(dòng)操作時(shí)間 不變，手動(dòng)操作與程序運(yùn)行時(shí)間之比為不變，手動(dòng)操作與程序運(yùn)行時(shí)間之比為 40:1 1.2.1 操作系統(tǒng)的產(chǎn)生操作系統(tǒng)的產(chǎn)生(Cont.) 2 2、批處理階段、批處理階段（2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代，操作系統(tǒng)雛形）年代，操作系統(tǒng)雛形） 聯(lián)機(jī)批處理：聯(lián)機(jī)批處理： 讀讀 卡卡 機(jī)機(jī) 磁磁 帶帶 機(jī)機(jī) 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 編譯程序編譯程序 鏈接程序鏈接程序 監(jiān)督程序監(jiān)督程序 匯編程序匯編程序 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 擺脫了人工干預(yù)擺脫了人工干預(yù)(作業(yè)過(guò)渡沒(méi)有人的干預(yù)作業(yè)過(guò)渡沒(méi)有人的干預(yù),一個(gè)作業(yè)處理過(guò)程沒(méi)有人的干預(yù)一個(gè)作業(yè)處理過(guò)程沒(méi)有人的干預(yù)) 缺點(diǎn)缺點(diǎn):

3、I/O操作慢，主機(jī)等待時(shí)間長(zhǎng)操作慢，主機(jī)等待時(shí)間長(zhǎng) Job2 Job1 Jobn 讀卡機(jī)讀卡機(jī) 打印機(jī)打印機(jī) 主計(jì)算機(jī)主計(jì)算機(jī) 編譯程序編譯程序 鏈接程序鏈接程序 匯編程序匯編程序 衛(wèi)衛(wèi) 星星 機(jī)機(jī) 輸入輸入 磁帶磁帶 輸出輸出 磁帶磁帶 輸入輸入 磁帶磁帶 輸出輸出 磁帶磁帶 2、批處理階段、批處理階段 脫機(jī)批處理：脫機(jī)批處理： 1.2.1 操作系統(tǒng)的產(chǎn)生操作系統(tǒng)的產(chǎn)生(Cont.) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 減少了主機(jī)等待減少了主機(jī)等待I/O操作時(shí)間操作時(shí)間 缺點(diǎn)缺點(diǎn): (1)人工搬動(dòng)磁帶人工搬動(dòng)磁帶; (2)額外的衛(wèi)星機(jī)額外的衛(wèi)星機(jī) 3 3、執(zhí)行系統(tǒng)階段、執(zhí)行系統(tǒng)階段（20世紀(jì)世紀(jì)60年代初期）年代初

4、期） 通道：通道：專(zhuān)門(mén)用于控制專(zhuān)門(mén)用于控制I/O設(shè)備的處理機(jī)，即設(shè)備的處理機(jī)，即I/O處理機(jī)。處理機(jī)。 l 有自己的指令系統(tǒng)和運(yùn)控部件；有自己的指令系統(tǒng)和運(yùn)控部件； l 與主機(jī)共享內(nèi)存；與主機(jī)共享內(nèi)存； l 接受主接受主CPU委托執(zhí)行通道程序，完成委托執(zhí)行通道程序，完成I/O； l 通道通道I/O操作與主操作與主CPU并行；并行； l 通道完成通道完成I/O時(shí)，向主機(jī)發(fā)中斷請(qǐng)求。時(shí)，向主機(jī)發(fā)中斷請(qǐng)求。 操作系統(tǒng)的初級(jí)階段，通道和中斷技術(shù)的出現(xiàn)。操作系統(tǒng)的初級(jí)階段，通道和中斷技術(shù)的出現(xiàn)。 1.2.1 操作系統(tǒng)的產(chǎn)生操作系統(tǒng)的產(chǎn)生(Cont.) 讀卡機(jī)讀卡機(jī) 打印機(jī)打印機(jī) 主計(jì)算機(jī)主計(jì)算機(jī) 編譯程

5、序編譯程序 鏈接程序鏈接程序 匯編程序匯編程序 輸入輸入 磁帶磁帶 輸出輸出 磁帶磁帶 3、執(zhí)行系統(tǒng)階段、執(zhí)行系統(tǒng)階段 1.2.1 操作系統(tǒng)的產(chǎn)生操作系統(tǒng)的產(chǎn)生(Cont.) 非聯(lián)機(jī)非聯(lián)機(jī), 非脫機(jī)非脫機(jī), 假脫機(jī)假脫機(jī)(SPOOLing, Simultaneous Peripheral Operation On-Line ) 通道通道 通道通道 1.2.2 操作系統(tǒng)的完善操作系統(tǒng)的完善 1.1.多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)（60年代初期）年代初期） n執(zhí)行系統(tǒng)：?jiǎn)蔚雷鳂I(yè)執(zhí)行系統(tǒng)：?jiǎn)蔚雷鳂I(yè), ,資源利用不充分；資源利用不充分； n多道批處理多道批處理: :主機(jī)中同時(shí)放多個(gè)作業(yè)主機(jī)中同時(shí)放多個(gè)作

6、業(yè), ,最大限度提高資源利用率最大限度提高資源利用率; ; n單道到多道單道到多道: :不是量的變化不是量的變化, ,是質(zhì)的飛躍是質(zhì)的飛躍 n帶來(lái)問(wèn)題帶來(lái)問(wèn)題: :互斥、同步、通訊、死鎖、饑餓、餓死互斥、同步、通訊、死鎖、饑餓、餓死 n多道批處理出現(xiàn)，標(biāo)志操作系統(tǒng)走向成熟多道批處理出現(xiàn)，標(biāo)志操作系統(tǒng)走向成熟 2.2.分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)（60年代初、中期）年代初、中期） n程序員提出程序員提出: :聯(lián)機(jī)操作的要求；聯(lián)機(jī)操作的要求； n一臺(tái)主機(jī)，多個(gè)終端，交互式工作。一臺(tái)主機(jī)，多個(gè)終端，交互式工作。 3.3.實(shí)時(shí)系統(tǒng)（實(shí)時(shí)系統(tǒng)（60年代中期）年代中期） n背景背景: :計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)

7、域擴(kuò)大:(:(工業(yè)控制、醫(yī)療控制、航班訂票等工業(yè)控制、醫(yī)療控制、航班訂票等) )。 n要求要求: :滿足時(shí)間約束條件滿足時(shí)間約束條件 4.4.通用操作系統(tǒng)通用操作系統(tǒng)（60年代后期）年代后期） n上述三類(lèi)系統(tǒng)的結(jié)合上述三類(lèi)系統(tǒng)的結(jié)合, ,標(biāo)志操作系統(tǒng)完善。標(biāo)志操作系統(tǒng)完善。 1.2.3 操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)由集中向分散的發(fā)展，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，由計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)由集中向分散的發(fā)展，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，由 此產(chǎn)生此產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)； 2.隨著家用和商用微型計(jì)算機(jī)的普及，出現(xiàn)了隨著家用和商用微型計(jì)算機(jī)的普及，出現(xiàn)了單用戶多任務(wù)的操

8、單用戶多任務(wù)的操 作系統(tǒng)作系統(tǒng)； 3.大型計(jì)算任務(wù)要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有極強(qiáng)的計(jì)算和處理能力，產(chǎn)大型計(jì)算任務(wù)要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有極強(qiáng)的計(jì)算和處理能力，產(chǎn) 生了支持生了支持多處理器的并行操作系統(tǒng)多處理器的并行操作系統(tǒng)； 4.隨著各種處理器芯片和存儲(chǔ)介質(zhì)在控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)隨著各種處理器芯片和存儲(chǔ)介質(zhì)在控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn) 了了微內(nèi)核微內(nèi)核(micro kernel)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了，產(chǎn)生了嵌入式和嵌入式和 智能卡操作系統(tǒng)智能卡操作系統(tǒng)； 5.伴隨后摩爾時(shí)代的到來(lái)，提高單處理器速度已近極限，多核技伴隨后摩爾時(shí)代的到來(lái)，提高單處理器速度已近極限，多核技 術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。術(shù)應(yīng)運(yùn)

9、而生。新一代操作系統(tǒng)遇到的問(wèn)題新一代操作系統(tǒng)遇到的問(wèn)題：多核的并發(fā)控制；多核的并發(fā)控制； 多核下的進(jìn)程調(diào)度。多核下的進(jìn)程調(diào)度。 1.3 操作系統(tǒng)特性操作系統(tǒng)特性 n并發(fā)性并發(fā)性 n多個(gè)程序在宏觀上同時(shí)向前推進(jìn)多個(gè)程序在宏觀上同時(shí)向前推進(jìn) n并發(fā)并發(fā)(concurrent) vs. 并行并行 (parallel) n用戶程序與用戶程序并發(fā)用戶程序與用戶程序并發(fā) n用戶程序與用戶程序與OS并發(fā)并發(fā) nOS與與OS并發(fā)并發(fā) n共享性共享性 n多個(gè)程序共用系統(tǒng)中的各種軟硬件資源多個(gè)程序共用系統(tǒng)中的各種軟硬件資源 n在操作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制下在操作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制下 n異步性（隨機(jī)性）異步性（隨機(jī)性） n

10、多個(gè)程序以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)多個(gè)程序以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn) n虛擬性虛擬性 n把一個(gè)實(shí)的把一個(gè)實(shí)的CPU改造為多個(gè)虛的改造為多個(gè)虛的CPU n內(nèi)存內(nèi)存+外存外存虛存虛存 n獨(dú)占設(shè)備獨(dú)占設(shè)備+共享設(shè)備共享設(shè)備虛擬設(shè)備虛擬設(shè)備(數(shù)量多數(shù)量多,速度快速度快) 1.4 操作系統(tǒng)類(lèi)型操作系統(tǒng)類(lèi)型 n多道批處理操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)(batch processing system) n分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)(time-sharing system) n實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(real time system) n通用操作系統(tǒng)通用操作系統(tǒng)(multi-purpose system) n單用戶操

11、作系統(tǒng)單用戶操作系統(tǒng)(single user system) n網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(network operating system) n分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)(distributed operating system) n多處理機(jī)操作系統(tǒng)多處理機(jī)操作系統(tǒng)(multi-processor system) n嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)(embedded operating system) n多媒體操作系統(tǒng)多媒體操作系統(tǒng)(multi-media operating system) n智能卡操作系統(tǒng)智能卡操作系統(tǒng)(smart-card operating system) 1.4.1 多

12、道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)(off-line) 作業(yè)作業(yè)1 作業(yè)作業(yè)2 作業(yè)作業(yè)m 輸出機(jī)輸出機(jī)輸入機(jī)輸入機(jī)作業(yè)作業(yè) 作業(yè)控制作業(yè)控制SPOOLing 輸出輸出 多道批處理系統(tǒng)工作原理多道批處理系統(tǒng)工作原理 輸入井輸入井 結(jié)果結(jié)果1 結(jié)果結(jié)果2 結(jié)果結(jié)果n 輸出井輸出井 作業(yè)調(diào)度作業(yè)調(diào)度SPOOLing 輸入輸入 輸入機(jī)輸入機(jī)輸出機(jī)輸出機(jī) 作業(yè)作業(yè) 結(jié)果結(jié)果 結(jié)果結(jié)果 進(jìn)程進(jìn)程1 進(jìn)程進(jìn)程2 進(jìn)程進(jìn)程k 主機(jī)主機(jī) 1.4.1 多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)(cont.) n輸入井作用輸入井作用 n緩沖緩沖(速度匹配作用速度匹配作用) n實(shí)現(xiàn)作業(yè)調(diào)度實(shí)現(xiàn)作業(yè)調(diào)度(job scheduling) n

13、輸出井作用輸出井作用 n緩沖緩沖(速度匹配作用速度匹配作用) 1.4.1 多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)(Cont.) n主機(jī)中作業(yè)合理搭配主機(jī)中作業(yè)合理搭配 n目標(biāo)目標(biāo)1：提高資源利用率：提高資源利用率(eg. 計(jì)算型計(jì)算型+IO型型) n目標(biāo)目標(biāo)2：提高吞吐量：提高吞吐量(throughput) n特點(diǎn)特點(diǎn) n多道：系統(tǒng)中同時(shí)容納多個(gè)作業(yè)多道：系統(tǒng)中同時(shí)容納多個(gè)作業(yè) n成批：作業(yè)分批進(jìn)入系統(tǒng)成批：作業(yè)分批進(jìn)入系統(tǒng) 1.4.2 分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)（On-line） 1.4.2 分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)(Cont.) n特點(diǎn)：特點(diǎn)： n多路性多路性：一個(gè)主機(jī)與多個(gè)終端相連；：一個(gè)主機(jī)與多個(gè)

14、終端相連； n交互性交互性：以對(duì)話的方式為用戶服務(wù)；：以對(duì)話的方式為用戶服務(wù)； n獨(dú)占性獨(dú)占性：每個(gè)終端用戶仿佛擁有一臺(tái)虛擬機(jī)。：每個(gè)終端用戶仿佛擁有一臺(tái)虛擬機(jī)。 n典型系統(tǒng)：典型系統(tǒng)： nCTSS(MIT) nMultics (MIT) nUNIX 1.4.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)控制實(shí)時(shí)控制 n工業(yè)控制，軍事控制，醫(yī)療控制，工業(yè)控制，軍事控制，醫(yī)療控制，. n實(shí)時(shí)信息處理實(shí)時(shí)信息處理 n航班定票，聯(lián)機(jī)情報(bào)檢索，航班定票，聯(lián)機(jī)情報(bào)檢索，. 實(shí)時(shí)控制實(shí)時(shí)控制 實(shí)時(shí)信息處理實(shí)時(shí)信息處理 1.4.4 通用操作系統(tǒng)通用操作系統(tǒng)(multi-purpose OS) n同時(shí)具有：分時(shí)、實(shí)時(shí)、批

15、處理功能。同時(shí)具有：分時(shí)、實(shí)時(shí)、批處理功能。 n目標(biāo)：目標(biāo)： n提高處理能力提高處理能力; n擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。 n常見(jiàn)模式常見(jiàn)模式: n分時(shí)分時(shí)(前臺(tái)前臺(tái))+批處理批處理(后臺(tái)后臺(tái))（eg. DPS/8上上 的的GCOS-8） n實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)(前臺(tái)前臺(tái))+批處理批處理(后臺(tái)后臺(tái)) 1.4.5 單用戶操作系統(tǒng)單用戶操作系統(tǒng) n同一時(shí)刻僅有一個(gè)用戶使用的系統(tǒng)同一時(shí)刻僅有一個(gè)用戶使用的系統(tǒng) n應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域： n臺(tái)式機(jī)，筆記本，臺(tái)式機(jī)，筆記本，. n特點(diǎn)：特點(diǎn)： n單用戶，多進(jìn)程，多線程單用戶，多進(jìn)程，多線程 1.4.6 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(Network OS) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的目

16、標(biāo)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的目標(biāo) n相互通訊相互通訊 n資源共享（信息，設(shè)備）資源共享（信息，設(shè)備） n提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù) ndatabase server nftp server ne-mail server ntelnet server netc. No Transparent view 1.4.7 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)(Distributed OS) n緊耦合：緊耦合：(tightly coupled) n由多機(jī)系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)（多由多機(jī)系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)（多CPU） n有公共內(nèi)存有公共內(nèi)存 n多處理機(jī)操作系統(tǒng)多處理機(jī)操作系統(tǒng) 多多 處處 理理 機(jī)機(jī) 操操 作作 系統(tǒng)系統(tǒng) 內(nèi)內(nèi) 存存 CPU C

17、PUCPU 多處理機(jī)系統(tǒng)多處理機(jī)系統(tǒng) 1.4.7 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng) n松散耦合：松散耦合：(loosely coupled) n由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來(lái)（多由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來(lái)（多Host) n無(wú)公共內(nèi)存，無(wú)公共時(shí)鐘無(wú)公共內(nèi)存，無(wú)公共時(shí)鐘 1.4.7 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)(Cont.) n分布式操作系統(tǒng)特征分布式操作系統(tǒng)特征: n統(tǒng)一的操作系統(tǒng)統(tǒng)一的操作系統(tǒng) n資源的進(jìn)一步共享資源的進(jìn)一步共享 n內(nèi)存內(nèi)存, CPU n可靠性可靠性 n透明性透明性 1.4.7 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)(Cont.) n目標(biāo)：進(jìn)一步共享資源，使負(fù)載均衡，計(jì)算加目標(biāo)：進(jìn)一步共享資源，使負(fù)載均衡，

18、計(jì)算加 速。速。 nCPU n內(nèi)存內(nèi)存 n途徑：遷移（途徑：遷移（migration） n作業(yè)遷移作業(yè)遷移 n進(jìn)程遷移（線程一般隨同進(jìn)程遷移）進(jìn)程遷移（線程一般隨同進(jìn)程遷移） n例子：例子： nSolaris MC 1.4.8 多處理機(jī)操作系統(tǒng)多處理機(jī)操作系統(tǒng) n多處理機(jī)系統(tǒng)多處理機(jī)系統(tǒng) n具有公共內(nèi)存的多具有公共內(nèi)存的多CPU系統(tǒng)系統(tǒng) n對(duì)稱多處理機(jī)系統(tǒng)對(duì)稱多處理機(jī)系統(tǒng)(SMP-symmetric multi- processor) n沒(méi)有主從關(guān)系的多處理機(jī)系統(tǒng)沒(méi)有主從關(guān)系的多處理機(jī)系統(tǒng) n多處理機(jī)操作系統(tǒng)多處理機(jī)操作系統(tǒng) n有效管理和使用多個(gè)有效管理和使用多個(gè)CPU的操作系統(tǒng)的操作系統(tǒng) n

19、特點(diǎn)：進(jìn)程與特點(diǎn)：進(jìn)程與CPU多對(duì)多多對(duì)多 n新問(wèn)題新問(wèn)題: n(1)(1)調(diào)度問(wèn)題調(diào)度問(wèn)題; (2); (2)并發(fā)控制問(wèn)題并發(fā)控制問(wèn)題 n例子：例子： nUNIX, Linux, Windows 1.4.9 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) n嵌入在掌上電腦、通訊設(shè)備、車(chē)載系統(tǒng)、信息家電等嵌入在掌上電腦、通訊設(shè)備、車(chē)載系統(tǒng)、信息家電等 非計(jì)算機(jī)類(lèi)設(shè)施上的操作系統(tǒng)。非計(jì)算機(jī)類(lèi)設(shè)施上的操作系統(tǒng)。 n特點(diǎn)：微內(nèi)核結(jié)構(gòu)（特點(diǎn)：微內(nèi)核結(jié)構(gòu)（Micro-kernel），），許多操作系統(tǒng)許多操作系統(tǒng) 功能功能(文件系統(tǒng)文件系統(tǒng),設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng))以應(yīng)用程序模式運(yùn)行。以應(yīng)用程序模式運(yùn)行。 n核心小核心小(基本內(nèi)

20、存管理基本內(nèi)存管理,CPU管理管理,通訊程序通訊程序), 適應(yīng)范圍廣適應(yīng)范圍廣, 可靠可靠 性高性高 n效率低效率低 n例子：例子： nWin CE .NET（維納斯維納斯, 美國(guó)微軟美國(guó)微軟） nPalmOS nHOPEN（女?huà)z女?huà)z, 中科院鐘錫昌）中科院鐘錫昌） 1.4.10 多媒體操作系統(tǒng)多媒體操作系統(tǒng) n 定義定義(百度百科百度百科) l具有一般操作系統(tǒng)功能；具有一般操作系統(tǒng)功能； l還具有多媒體底層擴(kuò)充模塊，還具有多媒體底層擴(kuò)充模塊， 支持多媒體信息的采集、編輯、播放和傳輸。支持多媒體信息的采集、編輯、播放和傳輸。 n 特點(diǎn)特點(diǎn) l調(diào)度調(diào)度: 滿足實(shí)時(shí)性滿足實(shí)時(shí)性 lEDF lRMS

21、 l文件文件: 支持多媒體支持多媒體 1.4.11 智能卡操作系統(tǒng)智能卡操作系統(tǒng) n智能卡智能卡 nCPU芯片芯片 nROM n面向面向Java的智能卡的智能卡 nJVM解釋程序解釋程序 n下載下載Java applet并執(zhí)行并執(zhí)行 nSC-OS n支持多個(gè)支持多個(gè)applet并發(fā)執(zhí)行并發(fā)執(zhí)行 n必要的資源管理必要的資源管理 1.5 操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境 n定時(shí)裝置定時(shí)裝置 n系統(tǒng)棧系統(tǒng)棧 n特權(quán)指令與非特權(quán)指令特權(quán)指令與非特權(quán)指令 n處理機(jī)狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換處理機(jī)狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換 n地址映射機(jī)構(gòu)地址映射機(jī)構(gòu) n存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施 n中斷裝置中斷裝置 n通道與通道與DMA控制器控制

22、器 nIO保護(hù)保護(hù) 1.5.1 定時(shí)裝置定時(shí)裝置 n絕對(duì)時(shí)鐘：記載實(shí)際時(shí)間，不發(fā)中斷。絕對(duì)時(shí)鐘：記載實(shí)際時(shí)間，不發(fā)中斷。 n系統(tǒng)操作員可以修改系統(tǒng)操作員可以修改 n一般用戶使用一般用戶使用 n間隔時(shí)鐘間隔時(shí)鐘(鬧鐘鬧鐘)：定時(shí)發(fā)生中斷，一般間隔單：定時(shí)發(fā)生中斷，一般間隔單 位為位為“毫秒毫秒”。 n間隔時(shí)鐘是實(shí)現(xiàn)多道程序的基礎(chǔ)間隔時(shí)鐘是實(shí)現(xiàn)多道程序的基礎(chǔ)保證操作系統(tǒng)獲保證操作系統(tǒng)獲 得控制權(quán)。得控制權(quán)。 n其它中斷也進(jìn)入操作系統(tǒng)，但是否發(fā)生，何時(shí)發(fā)生其它中斷也進(jìn)入操作系統(tǒng)，但是否發(fā)生，何時(shí)發(fā)生 沒(méi)有保障。沒(méi)有保障。 1.5.2 系統(tǒng)棧系統(tǒng)棧(system stack) n作用作用 n保存中斷現(xiàn)

23、場(chǎng)保存中斷現(xiàn)場(chǎng) n保存函數(shù)調(diào)用返回點(diǎn)、參數(shù)、局部變量、返回值保存函數(shù)調(diào)用返回點(diǎn)、參數(shù)、局部變量、返回值 n數(shù)量數(shù)量 n每個(gè)進(jìn)程一個(gè)每個(gè)進(jìn)程一個(gè) n位置位置 n操作系統(tǒng)區(qū)域操作系統(tǒng)區(qū)域 nUNIX: ppda(user, 系統(tǒng)棧系統(tǒng)棧) n操作系統(tǒng)最高頁(yè)操作系統(tǒng)最高頁(yè)(第第7頁(yè)頁(yè),共共8頁(yè)頁(yè))是運(yùn)行進(jìn)程的是運(yùn)行進(jìn)程的ppda 1.5.3 特權(quán)指令與非特權(quán)指令特權(quán)指令與非特權(quán)指令 n特權(quán)指令（特權(quán)指令（privileged instruction） n只有在管態(tài)才能執(zhí)行的指令只有在管態(tài)才能執(zhí)行的指令(影響系統(tǒng)狀態(tài)影響系統(tǒng)狀態(tài)) n關(guān)中斷，置程序狀態(tài)字，停機(jī)，關(guān)中斷，置程序狀態(tài)字，停機(jī)， IO，.

24、n非特權(quán)指令（非特權(quán)指令（non-privileged instruction）所有程序可用所有程序可用(不影響系不影響系 統(tǒng)狀態(tài)統(tǒng)狀態(tài)) n取數(shù)，四則運(yùn)算，取數(shù)，四則運(yùn)算， 1.5.4 處理機(jī)狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換處理機(jī)狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換 n處理機(jī)狀態(tài)處理機(jī)狀態(tài) n系統(tǒng)態(tài)（系統(tǒng)態(tài)（system mode）(管態(tài)，核態(tài)管態(tài)，核態(tài)) n用戶態(tài)（用戶態(tài)（user mode) (目態(tài)，常態(tài)目態(tài)，常態(tài)) n狀態(tài)轉(zhuǎn)換狀態(tài)轉(zhuǎn)換 n管態(tài)管態(tài) 目態(tài)目態(tài)(置程序狀態(tài)字置程序狀態(tài)字,特權(quán)指令特權(quán)指令) n目態(tài)目態(tài) 管態(tài)管態(tài)(中斷，中斷，trap) 例子：例子： nIBM 360/370 PSW 狀態(tài)位狀態(tài)位(第第15位位)

25、n0:系統(tǒng)態(tài)系統(tǒng)態(tài) n1:用戶態(tài)用戶態(tài) nModern PC now support 4 modes: nR0（權(quán)限最強(qiáng)）權(quán)限最強(qiáng)） nR1 nR2 nR3（權(quán)限最弱）權(quán)限最弱） IBM360/370的PSW XX X X XXXX X X XXXXXX 8位系統(tǒng)屏蔽位系統(tǒng)屏蔽 4位保護(hù)鍵位保護(hù)鍵 CMWP 16位中斷碼位中斷碼 指令長(zhǎng)和條件碼指令長(zhǎng)和條件碼 4位程序屏蔽位程序屏蔽 24位指令地址位指令地址 系統(tǒng)屏蔽位系統(tǒng)屏蔽位: 07位位, 通道通道06和外中斷和外中斷 CMWP: 12-15位位, M(13位位)為為開(kāi)關(guān)中斷位開(kāi)關(guān)中斷位, P(15位位)為為目態(tài)目態(tài)/特態(tài)位特態(tài)位 程序屏蔽

26、位程序屏蔽位: 36-38位位, 定點(diǎn)溢出定點(diǎn)溢出, 十進(jìn)溢出十進(jìn)溢出, 階下溢階下溢, 39位備用位備用 (有些中斷不可屏蔽有些中斷不可屏蔽:時(shí)鐘、地址越界、缺頁(yè)、非法指令時(shí)鐘、地址越界、缺頁(yè)、非法指令) PSW=(ps, pc) PDP11/45 nps: 16位寄存器位寄存器 n14-15: 當(dāng)前狀態(tài)當(dāng)前狀態(tài)(00核心核心, 11用戶用戶) n12-13: 先前狀態(tài)先前狀態(tài)(00核心核心, 11用戶用戶) n5-7: 處理機(jī)優(yōu)先級(jí)處理機(jī)優(yōu)先級(jí)(范圍范圍07) n4: 陷入位陷入位 n3: N位位, 上次結(jié)果為負(fù)設(shè)置此位上次結(jié)果為負(fù)設(shè)置此位 n2: Z位位, 上次結(jié)果為上次結(jié)果為0設(shè)置此位

27、設(shè)置此位 n1: V位位, 上次結(jié)果溢出設(shè)置此位上次結(jié)果溢出設(shè)置此位 n0: C位位, 上次結(jié)果有進(jìn)位設(shè)置此位上次結(jié)果有進(jìn)位設(shè)置此位 n每個(gè)中斷源具有一個(gè)優(yōu)先級(jí)每個(gè)中斷源具有一個(gè)優(yōu)先級(jí)(07) n通過(guò)設(shè)置處理機(jī)優(yōu)先級(jí)屏蔽低優(yōu)先級(jí)中斷通過(guò)設(shè)置處理機(jī)優(yōu)先級(jí)屏蔽低優(yōu)先級(jí)中斷 n將處理機(jī)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為將處理機(jī)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為7等于關(guān)中斷等于關(guān)中斷 1.5.5 地址映射機(jī)構(gòu)地址映射機(jī)構(gòu) n邏輯地址邏輯地址 物理地址物理地址 n邏輯地址邏輯地址(虛地址虛地址)：程序中產(chǎn)生的地址：程序中產(chǎn)生的地址 n物理地址物理地址(實(shí)地址實(shí)地址)：存儲(chǔ)器地址：存儲(chǔ)器地址 1.5.6 存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)施 n防止應(yīng)用程序防止

28、應(yīng)用程序 n侵犯操作系統(tǒng)空間侵犯操作系統(tǒng)空間; n侵犯其它用戶空間侵犯其它用戶空間. n地址檢查地址檢查 n越界檢查越界檢查; n越權(quán)檢查（對(duì)共享區(qū)域）越權(quán)檢查（對(duì)共享區(qū)域）. 1.5.7 中斷裝置中斷裝置 n發(fā)現(xiàn)并響應(yīng)中斷的硬件機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)并響應(yīng)中斷的硬件機(jī)構(gòu) n當(dāng)前（當(dāng)前（PSW，PC）系統(tǒng)棧系統(tǒng)棧 n中斷向量（中斷向量（PSW，PC）寄存器寄存器 1.5.8 通道與通道與DMA n通道：負(fù)責(zé)通道：負(fù)責(zé)IO操作的處操作的處 理機(jī)理機(jī) n通道指令系統(tǒng)通道指令系統(tǒng) n讀寫(xiě)操作讀寫(xiě)操作 n控制操作控制操作 n轉(zhuǎn)移操作轉(zhuǎn)移操作 n通道運(yùn)控部件通道運(yùn)控部件 n通道地址字通道地址字CAW n通道命令字通道

29、命令字CCW n通道狀態(tài)字通道狀態(tài)字CSW n通道數(shù)據(jù)字通道數(shù)據(jù)字CDW nDMA？ n沒(méi)有獨(dú)立指令系統(tǒng)沒(méi)有獨(dú)立指令系統(tǒng) n簡(jiǎn)單塊傳輸簡(jiǎn)單塊傳輸 1.5.9 IO保護(hù)保護(hù) n定義所有定義所有IO指令為特權(quán)指令。指令為特權(quán)指令。 n方便使用方便使用 n防止發(fā)生沖突防止發(fā)生沖突 1.6 操作系統(tǒng)界面形式操作系統(tǒng)界面形式 n交互終端命令（交互終端命令（Command Language） nEg. UNIX shell n$命令名命令名 -選項(xiàng)選項(xiàng) 參數(shù)參數(shù) n圖形界面（圖形界面（GUIGraphic User Interface） UNIX shell interface n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): n縮小核心縮

30、小核心 n不同用戶可以選擇不同界面不同用戶可以選擇不同界面 UNIX 硬件硬件 shellshellshell 終端終端終端終端終端終端 UNIX shell interface UNIX 硬件硬件 shellshellshell 終端終端終端終端終端終端 cc $cc f.c ncc與與shell都屬于目態(tài)進(jìn)程都屬于目態(tài)進(jìn)程 n二者具有父子關(guān)系二者具有父子關(guān)系 1.6 操作系統(tǒng)界面形式操作系統(tǒng)界面形式(Cont.) n作業(yè)控制語(yǔ)言（作業(yè)控制語(yǔ)言（Job Control Language） n作業(yè)標(biāo)識(shí)語(yǔ)句作業(yè)標(biāo)識(shí)語(yǔ)句 n用戶標(biāo)識(shí)，作業(yè)標(biāo)識(shí)，帳號(hào)用戶標(biāo)識(shí)，作業(yè)標(biāo)識(shí)，帳號(hào) n作業(yè)步語(yǔ)句作業(yè)步語(yǔ)句(

31、編譯、連接裝配、執(zhí)行）編譯、連接裝配、執(zhí)行） n一般對(duì)應(yīng)子進(jìn)程一般對(duì)應(yīng)子進(jìn)程 n資源描述語(yǔ)句資源描述語(yǔ)句 n內(nèi)存需求，計(jì)算時(shí)間，其它資源內(nèi)存需求，計(jì)算時(shí)間，其它資源 nGoto語(yǔ)句（正向轉(zhuǎn)移）語(yǔ)句（正向轉(zhuǎn)移） n作業(yè)控制無(wú)循環(huán)作業(yè)控制無(wú)循環(huán) 1.6 操作系統(tǒng)界面形式操作系統(tǒng)界面形式(Cont.) n系統(tǒng)調(diào)用命令（系統(tǒng)調(diào)用命令（OS API） n高級(jí)語(yǔ)言形式高級(jí)語(yǔ)言形式 nfd = open(file_name,mode) n匯編語(yǔ)言形式匯編語(yǔ)言形式 n準(zhǔn)備參數(shù)準(zhǔn)備參數(shù) ntrap n n取返回值取返回值 如何轉(zhuǎn)換？如何轉(zhuǎn)換？ 進(jìn)入操作系統(tǒng)進(jìn)入操作系統(tǒng) Trap: 根據(jù)根據(jù)n通過(guò)表驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)處

32、理程序通過(guò)表驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)處理程序( 執(zhí)行相應(yīng)程序，完成打開(kāi)文件功能；執(zhí)行相應(yīng)程序，完成打開(kāi)文件功能； 返回值送到指定位置；返回值送到指定位置； 返回目態(tài)返回目態(tài) 1.7 操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理 n操作系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理操作系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理 : 硬件硬件 程序程序程序程序 中斷處理中斷處理程序切換程序切換 保存程序保存程序1現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)選擇選擇P2恢復(fù)恢復(fù) 程序程序2現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng) 中斷中斷 置置psw OS 1.8 研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn) n進(jìn)程觀點(diǎn)進(jìn)程觀點(diǎn) n支持進(jìn)程支持進(jìn)程 n支持進(jìn)程之間的協(xié)同支持進(jìn)程之間的協(xié)同(互斥、同步、通訊互斥、同步、通訊) n資源管理觀點(diǎn)資源管理觀點(diǎn) n操作系統(tǒng)是資源管理者操作系統(tǒng)是資源管理者 n方便使用方便使用 n