01-操作系統(tǒng)概述-1

1、操作系統(tǒng)原理操作系統(tǒng)原理Principles of Operating System信息工程大學信息工程學院計算機系信息工程大學信息工程學院計算機系20072007年年授課教師授課教師主講：主講： 邰邰 銘銘 輔導：輔導： 安安 克克 anke_anke_辦公地址辦公地址: : 實驗樓四層東北側(cè)網(wǎng)絡(luò)安全實驗室實驗樓四層東北側(cè)網(wǎng)絡(luò)安全實驗室電話電話: 30523: 30523授課教師授課教師主講：主講： 邰邰 銘銘 輔導：輔導： 王王 成成 辦公地址辦公地址: : 實驗樓四層東北側(cè)網(wǎng)絡(luò)安全實驗室實驗樓四層東北側(cè)網(wǎng)絡(luò)安全實驗室電話電話: 30523: 30523 第一章 操作系統(tǒng)概述本次課主要內(nèi)容

2、n計算機系統(tǒng)的組成n操作系統(tǒng)的定義n操作系統(tǒng)的目標和作用n操作系統(tǒng)的特點n操作系統(tǒng)實例n操作系統(tǒng)的學習 計算機系統(tǒng)組成計算機系統(tǒng)組成硬件：硬件：n中央處理機（中央處理機（CPU）n內(nèi)存內(nèi)存n總線總線 n外部設(shè)備外部設(shè)備 I/O設(shè)備（鍵盤、顯示器、打字機、鼠標）設(shè)備（鍵盤、顯示器、打字機、鼠標）,存儲設(shè)備存儲設(shè)備（硬盤、軟盤、光盤、磁帶）（硬盤、軟盤、光盤、磁帶）,其它設(shè)備（其它設(shè)備（MODEM、通信口）通信口）軟件：軟件：n系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、語言編譯器、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、語言編譯器、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）n應用軟件應用軟件 （CAD、MIS、用戶自己開發(fā)的系統(tǒng)等）、用戶自己開發(fā)的

3、系統(tǒng)等）n支撐軟件支撐軟件(工具軟件工具軟件)（軟、硬件檢測疹斷程序（軟、硬件檢測疹斷程序） 什么是操作系統(tǒng)？什么是操作系統(tǒng)？監(jiān)控（督）程序（系統(tǒng)）（監(jiān)控（督）程序（系統(tǒng)）（Monitor)Monitor)執(zhí)行系統(tǒng)（程序）執(zhí)行系統(tǒng)（程序）(Executive System(program)(Executive System(program)控制系統(tǒng)（程序）控制系統(tǒng)（程序）(Control System program)(Control System program)管理程序管理程序(Supervisor, Supervisory System)(Supervisor, Supervisory

4、System)核心程序核心程序(Kernel)(Kernel)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)(Operating System)(Operating System)1. 1. 操作系統(tǒng)的名稱操作系統(tǒng)的名稱 什么是操作系統(tǒng)？什么是操作系統(tǒng)？ 操作系統(tǒng)是一個計算機程序，屬于系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)是一個計算機程序，屬于系統(tǒng)軟件。 計算機系統(tǒng)(層次結(jié)構(gòu))軟件硬件及固件（裸機）應用軟件系統(tǒng)軟件編輯軟件、編譯軟件、操作系統(tǒng) 什么是操作系統(tǒng)？什么是操作系統(tǒng)？ 廣義上說，操作系統(tǒng)是廠商發(fā)布的、用戶購買的廣義上說，操作系統(tǒng)是廠商發(fā)布的、用戶購買的系統(tǒng)軟件，包括操作系統(tǒng)內(nèi)核（系統(tǒng)軟件，包括操作系統(tǒng)內(nèi)核（KernelKernel）和

5、所有的工）和所有的工具軟件，如瀏覽器、資源管理器、簡單的編輯器等。具軟件，如瀏覽器、資源管理器、簡單的編輯器等。 狹義上說，操作系統(tǒng)就是內(nèi)核，其余軟件都是運狹義上說，操作系統(tǒng)就是內(nèi)核，其余軟件都是運行在該內(nèi)核上的應用程序。行在該內(nèi)核上的應用程序。 操作系統(tǒng)應用程序內(nèi)核（Kernel）用戶開發(fā)或購買的應用程序系統(tǒng)提供的應用程序1、科普的觀點科普的觀點 操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的管理和控制中心，它依照設(shè)計者制定的各種調(diào)度策略組織和管理計算機系統(tǒng)資源，使之能高效地運行。2、功能的觀點功能的觀點 操作系統(tǒng)是一個計算機資源管理系統(tǒng)，它負責計算機系統(tǒng)的全部資源的分配、控制、調(diào)度和回收。3、用戶的觀點用戶的觀點

6、 操作系統(tǒng)是計算機與用戶之間的接口，用戶通過這種接口使用計算機。 什么是操作系統(tǒng)？什么是操作系統(tǒng)？ 什么是操作系統(tǒng)？什么是操作系統(tǒng)？系統(tǒng)程序和應用程序用戶1用戶2用戶3用戶n操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)計算機硬件操作系統(tǒng)的地位(用戶的角度)4、軟件的觀點軟件的觀點 操作系統(tǒng)是程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集合。5、管理的觀點管理的觀點 操作系統(tǒng)是計算機硬件和軟件資源的合理而協(xié)調(diào)的管理者。6、從開發(fā)的角度從開發(fā)的角度 操作系統(tǒng)是計算機資源的管理者。操作系統(tǒng)是服務的提供者。7、從程序運行的角度從程序運行的角度 操作系統(tǒng)又是程序的組織者，它協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各種程序的運行。 什么是操作系統(tǒng)？什么是操作系統(tǒng)？ 什么是操作系統(tǒng)？什么是操

7、作系統(tǒng)？操作系統(tǒng)的地位(開發(fā)的角度)計算機硬件操作系統(tǒng)系統(tǒng)工具應用軟件用戶應用開發(fā)人員操作系統(tǒng)開發(fā)人員操作系統(tǒng)的目標操作系統(tǒng)的目標n方便性n有效性n可擴充性n開放性從本質(zhì)上說，操作系統(tǒng)是資源的管理者。如果把計算機看成一個國家的話，操作系統(tǒng)就是這個國家的政府機關(guān)。如果把計算機看成一個家庭的話，操作系統(tǒng)就是這個家庭的管家。我們主要從開發(fā)者的角度討論操作系統(tǒng)，探討操作系統(tǒng)內(nèi)核的組成結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)技術(shù)。 什么是操作系統(tǒng)？什么是操作系統(tǒng)？操作系統(tǒng)做什么？操作系統(tǒng)做什么？ #include int main(int argc, char *argv) puts(hello world); return 0;

8、用戶告訴操作系統(tǒng)執(zhí)行用戶告訴操作系統(tǒng)執(zhí)行hellohello程序程序 操作系統(tǒng)找到該程序，檢查其類型操作系統(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)找到第一個磁盤塊文件系統(tǒng)找到第一個磁盤塊 父進程需要創(chuàng)建一個新的子進程，執(zhí)行父進程需要創(chuàng)建一個新的子進程，執(zhí)行hellohello程序程序 操作系統(tǒng)需要將執(zhí)行文件映射到進程結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)需要將執(zhí)行文件映射到進程結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)設(shè)置操作系統(tǒng)設(shè)置CPUCPU上下文環(huán)境，并跳到程序開始處上下文環(huán)境，并跳到程序開始處 程序從第一條指令執(zhí)行程序從第一條指令執(zhí)行 程序執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，在文件描述符中寫一字符

9、串程序執(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統(tǒng)檢查字符串的位置是否正確 操作系統(tǒng)找到字符串被送往的設(shè)備操作系統(tǒng)找到字符串被送往的設(shè)備 設(shè)備是一個偽終端，由一個進程控制設(shè)備是一個偽終端，由一個進程控制 操作系統(tǒng)將字符串送給該進程操作系統(tǒng)將字符串送給該進程 該進程告訴窗口系統(tǒng)它要顯示字符串該進程告訴窗口系統(tǒng)它要顯示字符串 窗口系統(tǒng)確定這是一個合法的操作，然后將字符串轉(zhuǎn)換窗口系統(tǒng)確定這是一個合法的操作，然后將字符串轉(zhuǎn)換成像素成像素 窗口系統(tǒng)將像素寫入存儲映像區(qū)窗口系統(tǒng)將像素寫入存儲映像區(qū) 視頻硬件將像素表示轉(zhuǎn)換成一組模擬信號以控制顯示器視頻硬件將像素表示轉(zhuǎn)換成

10、一組模擬信號以控制顯示器 顯示器發(fā)射電子束顯示器發(fā)射電子束你在屏幕上看到你在屏幕上看到hello worldhello world。操作系統(tǒng)的工作操作系統(tǒng)的工作（1）程序的執(zhí)行）程序的執(zhí)行負責啟動每個程序，以及結(jié)束程序的工負責啟動每個程序，以及結(jié)束程序的工作作（2）完成與硬件有關(guān)的工作）完成與硬件有關(guān)的工作（3）完成與應用無關(guān)的工作）完成與應用無關(guān)的工作易于使用，基本服務，統(tǒng)一性易于使用，基本服務，統(tǒng)一性（4）計算機系統(tǒng)的效率與安全問題）計算機系統(tǒng)的效率與安全問題硬件相關(guān)性硬件相關(guān)性 應用程序應用程序- 虛機器界面虛機器界面 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)- 物理機器界面物理機器界面 硬件硬件假如沒有操作系

11、統(tǒng)？怎樣將目標代碼送給硬件？怎樣輸出打假如沒有操作系統(tǒng)？怎樣將目標代碼送給硬件？怎樣輸出打印結(jié)果？印結(jié)果？ 人們將對二進制程序操作人們將對二進制程序操作 從二極發(fā)光管讀答案從二極發(fā)光管讀答案硬件相關(guān)性硬件相關(guān)性指實現(xiàn)代碼中包含存儲器的物理地址，指實現(xiàn)代碼中包含存儲器的物理地址，包含對設(shè)備接口寄存器和設(shè)備接口緩沖包含對設(shè)備接口寄存器和設(shè)備接口緩沖區(qū)的讀寫等等區(qū)的讀寫等等n實現(xiàn)該工作的過程代碼和硬件因素密切實現(xiàn)該工作的過程代碼和硬件因素密切相關(guān)，即需要設(shè)置與測試、使用物理地相關(guān)，即需要設(shè)置與測試、使用物理地址、設(shè)備接口寄存器等等址、設(shè)備接口寄存器等等n硬件相關(guān)必然復雜繁瑣、代碼量大硬件相關(guān)必然復雜

12、繁瑣、代碼量大n硬件相關(guān)的工作，其實現(xiàn)代碼不通用硬件相關(guān)的工作，其實現(xiàn)代碼不通用硬件相關(guān)硬件相關(guān)n例子：軟盤例子：軟盤I/OI/O操作操作n 控制芯片控制芯片NEC PD765NEC PD765有有1616條命令條命令n 每一條命令向一個設(shè)備寄存器裝入長度從每一條命令向一個設(shè)備寄存器裝入長度從1 1 到到9 9 字節(jié)字節(jié)的特定數(shù)據(jù)（讀寫數(shù)據(jù)、移動磁頭臂、格式化磁道，及的特定數(shù)據(jù)（讀寫數(shù)據(jù)、移動磁頭臂、格式化磁道，及初始化、檢測狀態(tài)、復位、校準控制器及設(shè)備等）初始化、檢測狀態(tài)、復位、校準控制器及設(shè)備等）n 以以READREAD為例：為例：1313個參數(shù)個參數(shù) 要讀取的磁盤塊地址、磁道的扇區(qū)數(shù)、物

13、理介質(zhì)的記錄要讀取的磁盤塊地址、磁道的扇區(qū)數(shù)、物理介質(zhì)的記錄格式、扇區(qū)間隙、對已刪除數(shù)據(jù)地址標識的處理方法格式、扇區(qū)間隙、對已刪除數(shù)據(jù)地址標識的處理方法n 操作結(jié)束時，控制器芯片在操作結(jié)束時，控制器芯片在7 7個字節(jié)中返回個字節(jié)中返回2323個狀態(tài)個狀態(tài)及出錯字段及出錯字段n 軟盤程序員還要保持注意步進電機的開關(guān)狀態(tài)軟盤程序員還要保持注意步進電機的開關(guān)狀態(tài) 硬件相關(guān)硬件相關(guān)由于操作系統(tǒng)承擔了上述工作，在其之由于操作系統(tǒng)承擔了上述工作，在其之上的各類程序就沒有必要直接同硬件打交道了。上的各類程序就沒有必要直接同硬件打交道了。硬件改變時，操作系統(tǒng)相應變化即可，其他的硬件改變時，操作系統(tǒng)相應變化即可

14、，其他的程序不用作出改變程序不用作出改變 應用軟件與現(xiàn)實硬件之間的軟件應用軟件與現(xiàn)實硬件之間的軟件n硬件抽象，可移植性硬件抽象，可移植性n有限變?yōu)闊o限（接近）有限變?yōu)闊o限（接近）n提供保護提供保護 一臺等價的擴展機器（虛擬機），比底層硬件一臺等價的擴展機器（虛擬機），比底層硬件更容易編程更容易編程OS硬件硬件與應用無關(guān)性與應用無關(guān)性任何一個程序都需要的、最基本的工作任何一個程序都需要的、最基本的工作它們它們 具有共性、工作過程相同、與具體具有共性、工作過程相同、與具體應用無直接關(guān)系應用無直接關(guān)系（即與用戶所關(guān)心的應（即與用戶所關(guān)心的應用目標無直接關(guān)系）用目標無直接關(guān)系）操作系統(tǒng)的特點操作系統(tǒng)的

15、特點 n涉及面廣涉及面廣：如計算機體系結(jié)構(gòu)：如計算機體系結(jié)構(gòu)/硬件、程序設(shè)計硬件、程序設(shè)計語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計、算法分析、軟件工程、語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計、算法分析、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)等等。網(wǎng)絡(luò)等等。n變化快變化快：新的硬件在不斷出現(xiàn)，新的需求在不斷：新的硬件在不斷出現(xiàn)，新的需求在不斷提出，因而操作系統(tǒng)在不斷變化。提出，因而操作系統(tǒng)在不斷變化。n基本概念多基本概念多：新概念還在不斷涌現(xiàn)。：新概念還在不斷涌現(xiàn)。n實踐性強實踐性強：操作系統(tǒng)原理都是從實踐中總結(jié)出來：操作系統(tǒng)原理都是從實踐中總結(jié)出來的，因此應該在實踐中學習操作系統(tǒng)。的，因此應該在實踐中學習操作系統(tǒng)。n試驗難度大試驗難度大：有的操作

16、系統(tǒng)無法改（如：有的操作系統(tǒng)無法改（如Windows），有些能夠改，但很難改（如），有些能夠改，但很難改（如Linux）。）。歷史上著名操作系統(tǒng)歷史上著名操作系統(tǒng)nFMS nCTSSnOS/360nMULTICSnUnix（IBM AIX、HP HP-UX、SGI Irix、Sun Solaris、SCO Unix等）等）nCP/MnMS-DOS、Windows 3.1/95/98/Me、Windows NT、Windows 2000/XP、 Windows CE、 Windows Server 2003nLinuxnNetwarenMac OSnVxWorksnUNIXnUNIX系統(tǒng)是一個交

17、互式的分時操作系統(tǒng) n1974年ACM通信上發(fā)表了K. Thompson 和 D. Ritchie的論文“The UNIX Time-Sharing System”，UNIX系統(tǒng)公布于世。作者：BELL實驗室 Ken Thompson(K.湯普遜） Dennis Ritchie (D.里奇) （C語言的創(chuàng)始人）n在PDP11計算機上實現(xiàn) LINUXn芬蘭人Linus Torvalds（二十三歲計算機系學生）的業(yè)余發(fā)明 n起源于MINIXnlinux是自由軟件 n1994年3月14日linux 1.0發(fā)布 n目前裝機總數(shù)已超過600萬臺返回遺憾的是，其中沒有屬于我們中國的地盤。在虛擬社會中，中國

18、是一個殖民地。我國信息系統(tǒng)的真實管理者是Microsoft、IBM、HP、SUN和一幫黑客，實際上是美國。作為軍人，我們在虛擬社會中沒有疆域可保，沒有自己的國土可守。為什么學習操作系統(tǒng)為什么學習操作系統(tǒng)?歷史重任落在了我們的身上歷史重任落在了我們的身上。n設(shè)計、開發(fā)我們自己的操作系統(tǒng)。設(shè)計、開發(fā)我們自己的操作系統(tǒng)。n修改現(xiàn)有的系統(tǒng)修改現(xiàn)有的系統(tǒng) 存在人們意識不到的大量存在人們意識不到的大量“操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)” 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)(Embedded OS(Embedded OS）n 加深對使用的加深對使用的OSOS的理解，有利于深入編程的理解，有利于深入編程 用戶為了開發(fā)應用程序必須與操作系統(tǒng)

19、打交道用戶為了開發(fā)應用程序必須與操作系統(tǒng)打交道n 編程時借鑒操作系統(tǒng)的設(shè)計思想和算法編程時借鑒操作系統(tǒng)的設(shè)計思想和算法 操作系統(tǒng)中所用的許多概念和技巧可以推廣應用操作系統(tǒng)中所用的許多概念和技巧可以推廣應用到其他領(lǐng)域到其他領(lǐng)域n 我們并不總使用我們并不總使用Win95/NT/2000/XPWin95/NT/2000/XP為什么學習操作系統(tǒng)為什么學習操作系統(tǒng)?為什么學習操作系統(tǒng)為什么學習操作系統(tǒng)?n思維方式的學習思維方式的學習 抽象抽象 操作系統(tǒng)具有一種魔力（操作系統(tǒng)具有一種魔力（magic） 提供了無限的提供了無限的CPUs 無限的內(nèi)存無限的內(nèi)存 單一全球計算能力單一全球計算能力 等等等等為什么

20、學習操作系統(tǒng)為什么學習操作系統(tǒng)?操作系統(tǒng)是目前最復雜的軟件成分操作系統(tǒng)是目前最復雜的軟件成分大型、復雜系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計大型、復雜系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計 性能性能 與與 方便使用方便使用 性能性能 與與 簡單性簡單性 硬件硬件 與與 軟件軟件 折衷權(quán)衡折衷權(quán)衡 Trade Off課程基本目的課程基本目的1 1介紹操作系統(tǒng)的基本概念、基本結(jié)構(gòu)及運行介紹操作系統(tǒng)的基本概念、基本結(jié)構(gòu)及運行環(huán)境環(huán)境2 2介紹操作系統(tǒng)原理、設(shè)計方法和實現(xiàn)技術(shù)介紹操作系統(tǒng)原理、設(shè)計方法和實現(xiàn)技術(shù)3 3介紹操作系統(tǒng)的演化過程、發(fā)展研究動向、介紹操作系統(tǒng)的演化過程、發(fā)展研究動向、新技術(shù)以及新思想新技術(shù)以及新思想4 4介紹各種有代表性的、

21、典型的操作系統(tǒng)實例介紹各種有代表性的、典型的操作系統(tǒng)實例5 5培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的基本能力，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的基本能力，培養(yǎng)創(chuàng)造型人才培養(yǎng)創(chuàng)造型人才課程目的課程目的不是不是 如何使用操作系統(tǒng)如何使用操作系統(tǒng) 而是而是 理解操作系統(tǒng)如何工作理解操作系統(tǒng)如何工作nOS工作方式工作方式nOS內(nèi)部算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n設(shè)計設(shè)計OS 過程中的問題、解決方案和折過程中的問題、解決方案和折中權(quán)衡中權(quán)衡 注意學習方式的變化注意學習方式的變化教師只指出要點教師只指出要點 要通過自學、研讀參考書掌握內(nèi)容要通過自學、研讀參考書掌握內(nèi)容整理筆記相當重要整理筆記相當重要 不能只通過不能只通過PowerPointPowerPoint來復習課程來復習課程善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題 要努力尋求問題的答案要努力尋求問題的答案勇于動手，在實踐中加深理解勇于動手，在實踐中加深理解預期學習收獲預期學習收獲1 1使學生對操作系統(tǒng)的基本概念、基本結(jié)構(gòu)及使學生對操作系